Исследование сейсмостойкости сооружений с повышенным демпфированием

Поведение сооружения во время землетрясения находится в сложной зависимости от интенсивности, спектрального состава, длительности и других параметров движения грунта.

За многие годы исследований в инженерной сейсмологии получены результаты, имеющие принципиальное значение с точки зрения формирования основных концепций сейсмостойкого строительства. Значимость этих результатов состоит в том, что более ясной сделалась взаимосвязь между количественными характеристиками параметров сейсмического движения грунта и сейсмогеологической ситуацией площадки строительства. Однако эта ясность не упростила задач инженеров-строителей.

Выяснилась неоднозначность, многообразие типов сейсмических процессов, которые могут возникать на данной площадке и вызывать соответственно различные эффекты в сооружении. Например, девятибалльное землетрясение большой магнитуды, вызванное отдаленным очагом, и девятибалльное землетрясение малой магнитуды от близкого очага будут иметь различные спектральные характеристики, разную длительность и по-разному воздействовать на сооружение. Часто различаются спектральные свойства землетрясений даже из одного и того же источника, имеющих одинаковую магнитуду.

Разрушительные землетрясения — грозные явления природы, которые вызывают серьёзные разрушения конструкций и гибель людей.

По данным UNESCO только в прошлом веке каждый год погибало от землетрясений в среднем около 10 тысяч человек. Потери от прямых разрушений при землетрясениях и косвенный материальных потерь, вызванных этими землетрясениями за этот период, оцениваются астрономической цифрой, приближающейся к 100 миллиардам долларов США [82].

Древнейшие летописи ряда стран мира, расположенных в сейсмически активных зонах, содержат описание катастрофических землетрясений и их последствий. Оценить потери человеческих жизней и материальный ущерб, нанесённый землетрясениями за время существования цивилизации, практически не представляется возможным. История человечества хранит память о целом ряде сейсмических катастроф с многочисленными жертвами и огромным материальным ущербом.

Наблюдения и описания сейсмических явлений велись уже с древних времен. К началу нашей эры относятся первые попытки использования инструментов для оценки сейсмических воздействий (китайский сейсмоскоп Чжан Хэна, 132 г. н.э.) [81]. Начиная с тридцатых годов прошлого столетия с появлением измерительной аппаратуры и в дальнейшем и компьютеров, появилась возможность записывать и обрабатывать колебания грунта при землетрясениях. Тем не менее, и в настоящее время невозможно ни предотвратить и даже предсказать приближение землетрясений с катастрофическими последствиями.

Перечислим некоторые землетрясения разрушительной силы, которые произошли в последние десятилетия и которые заставили специалистов многих стран, провести дополнительные исследования и пересмотреть Нормативные документы:

— калифорнийское землетрясение Loma Prieta 1989 [75],.

— землетрясение Hyogo-ken Nanbu в 1995 году в Японии [89],.

— землетрясения Ksaeli and Duzce 1999 года в Турции [84],.

— землетрясения Chi-Chi в 1999 году на Тайване [93].

Анализ данных о повреждениях и разрушениях зданий и сооружений при воздействии землетрясений силой выше 7 баллов показал, что более 20% из них были разрушены или получили серьезные повреждения даже в том случае, когда они были рассчитаны с учётом сейсмических воздействий.

После анализа повреждения конструкций, вызванных этими землетрясениями, была произведена ревизия и уточнение нормативных документов. Разработаны новые требования по проектированию зданий и сооружений в Японии, США, Канаде и других странах. Для обеспечения сейсмобезопасности существующих сооружений, запроектированных по прежним Нормам разработаны «Руководства по усилению существующих зданий и инженерных сооружений». Следует отметить, что в последние годы в Японии для обеспечения сейсмостойкости были усилены более 22 ООО крупных инженерных сооружений, в США и Канаде более 10 ООО [93, 68].

Инженер, проектирующий сооружение, предназначенное для строительства в сейсмически опасном районе, всегда решает задачу, состоящую в создании конструкции, которая была бы максимально надежной (сейсмостойкой) и требовала бы вместе с тем минимальных дополнительных затрат, т. е. отвечала бы одновременно двум условиям, в известной степени противоречивым.

Это типичная оптимизационная задача независимо от того, решается ли она методами математической теории оптимального проектирования или полу интуитивно, на уровне инженерных решений.

Хорошо известно, насколько сложно формулирование и решение подобных задач даже в случае однозначно заданного, простого по математическому описанию внешнего воздействия. Сложность задачи неизмеримо возрастает в ситуации, когда ее приходится решать в условиях неполноты исходной сейсмологической информации, когда о воздействии известно только то, что оно является элементом некоторого приближенно заданного класса (множества), прогнозируемых сейсмических процессов, различающихся по интенсивности, спектральным характеристикам, длительности и другим параметрам движения грунта, а также по вероятности наступления события (данного элемента из класса возможных землетрясений) за единицу времени.

Общая теория оптимального проектирования пока не создана и для обычных, более простых, условий. Тем более еще не существует такой теории для сложных, неоднозначных и неопределенных ситуаций сейсмических воздействий. Исследованы лишь отдельные частные задачи оптимального проектирования систем сейсмической защиты сооружений.

Одна из задач — это задача систем сейсмозащиты. При проектировании сооружений для строительства в сейсмических районах и попытках оптимизации объемов антисейсмических мероприятий приходится учитывать некоторые факты, специфические для сейсмических воздействий.

За расчетное время жизни сооружения могут с различной вероятностью произойти землетрясения различной интенсивности, с разным спектральным составом, продолжительностью и другими характеристиками, важными с точки зрения динамического поведения сооружения. В тех случаях, когда условия существования объекта в процессе его жизни могут изменяться, и тем более непредвидимым образом, становятся эффективными активные системы сейсмозащиты.

Каталоги, в которых приводится краткое описание конструкций зданий и сооружений и использованных сейсмоизолирующих устройств можно найти на сайтах в Интернете.

В настоящее время в Китайской Народной Республике при проектировании и строительстве сооружений в сейсмических районах используются устаре^ Для обеспечения сейсмической безопасности в районах КНР с повышенной сейсмической активностью необходимо провести исследования для разработки и создания современных регламентов, учитывающих современные знания по сейсмологии и достижения строительной механики.

Актуальность темы

Анализ данных о повреждениях и разрушениях зданий и сооружений при воздействии сильных землетрясений показывает, что большое количество объектов (более 20%) либо разрушаются, либо получают серьезные повреждения. В некоторых случаях разрушаются даже сооружения, рассчитанные на сейсмические воздействия по существующим Нормам. После таких событий в развитых странах выполняются серьёзные научные исследования: анализируются повреждения конструкций, производится ревизия и уточнение нормативных документов. В Японии, США, Канаде и в европейских странах за последнее десятилетие, документы, регламентирующие расчёты сооружений на сейсмостойкость пересматривались по нескольку раз.

В настоящее время в Китайской Народной Республике для проектирования зданий используются устаревшие нормативные документы, не учитывающие современные и строительной механики. Ввиду того, что территория КНР является зоной повышенной сейсмической активности, о чём свидетельствуют землетрясения, имевшие место в последнее время, необходима срочная разработка современных г——————-регламентов по усилению и расчету зданий и сооружений.

Целью работы является.

— разработка единой методики расчета сейсмостойкости зданий оснащенных элементами активной сейсмозащиты с учетом пространственного характера движения сооружения.

— анализ и совершенствование существующих методов расчёта зданий и сооружений на сейсмические воздействия, для подготовки материалов, необходимых при разработке Норм Китайской Народной Республики, учитывающих достижения сейсмологии и современной строительной науки.

Объектами исследований являются здания и сооружения, подверженные сейсмическим воздействиям.

Предмет исследования: сейсмические воздействия на наземные здания и сооружения.

Методы исследования: аналитические оценки поведения конструкций зданий и сооружений при динамических воздействиях с использованием теории распространения волн и спектральной линейной теории сейсмостойкости. В основе этой теории лежит концепция спектров ответов.

Для достижения этой цели постановлены следующие задачи:

— выполнить обзор и анализ существующих сейсмических нормативных документов различных стран;

— 'используя опыт исследователей разных стран, оценить влияние различных факторов: магнитуды, эпицентрального расстояния, продолжительности и др., на характер сейсмических движений фунта;

— разработать методы и программы для построения спектров ответа, учитывающие неопределённость задания исходных данных и локальные условия площадки строительства сооружений;

— оценить воздействие поверхностных волн Рэлея на подземные сооружения мелкого заложения;

— оценить воздействие сейсмических волн на подземные сооружения, ?•1 расположенные в толще мягких грунтов для учёта резонансных явлений в. поверхностных слоях;

— подготовить материал для главы Норм КНР: «Расчёт зданий и сооружений, оснащенных сейсмоизолирующими устройствами на сейсмостойкость».

Научная новизна работы заключается в следующем:

— выполнен анализ и сравнение российских и зарубежных, в т. ч. китайских, Нормативных документов, используемых при расчёте сооружений на сейсмические воздействия;

— предложен метод построения сглаженных спектров ответов для упругих / систем, учитывающий локальные геологические условия площадки г строительства;

— решена задача воздействия поверхностных волн Рэлея на подземные сооружения мелкого заложения;

— решена задача воздействия сейсмических волн на подземные сооружения, расположенные в толще мягких грунтов, учитывающая резонансных явления сейсмических волн в поверхностных слоях;

— выполнен расчёт сейсмоизолирующих устройств зданий и сооружений с использованием концепции спектров ответов.

— решена задача с использованием теоремы взаимности для оценки уровней вибраций поверхности грунта, возникающих при буровзрывных работах в тоннелях неглубокого заложения.

Практическая ценность:

— разработаны предложения по структуре и содержанию строительных норм и правил «Строительство в сейсмических районах Китайской Народной Республики»;

— подготовлен проект главы «Расчёт зданий и сооружений, оснащенных сейсмоизолирующими устройствами на сейсмостойкость» для Норм «Строительство в сейсмических районах Китайской Народной Республики».

— разработаны методы расчёта и получены аналитические выражения для определения сейсмических воздействий поверхностных волн Рэлея на тоннели, которые могут быть причиной разрушения сооружений;

— разработаны методы расчёта и получены коэффициенты усиления сейсмических воздействий вследствие резонанса на тоннели, расположенные в поверхностных мягких слоях грунтов;

— полученные аналитические выражения вибраций поверхности грунта при буровзрывных работах в тоннелях, позволят оценить воздействие таких работ на сооружения, расположенные на поверхности.

Апробация работы: основные научные результаты докладывались на V научно-практической конференции «наука — транспорту — 2005 г.» в Московском государственном строительном университете (МИСИ), и на научном семинаре в институте фундаментального образования (ИФО) МГСУ 26 ноября 2007.

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 2 печатных работы, в том числе две в изданиях, рекомендованными ВАК РФ.

Объём и структура диссертации: диссертации состоит из введения, 7 глав, заключения, содержит 170 страниц машинописного текста, 35 иллюстрации, 6 таблиц, 1 приложение, списка литературы из 111 наименования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Выполнен анализ и сравнение российских и зарубежных, в т. ч. сирийских, Нормативных документов, используемых при расчёте сооружений на сейсмические воздействия;

2. Анализ состояния нормативной документации Китайской Народной Республики по расчёту зданий и сооружений на сейсмические воздействия и сравнение её с современными нормами и стандартами технически развитых стран показал, что необходима разработка новых Норм, учитывающих современные достижения сейсмологии и строительной механики.

3. Составлены программы и выполнена серия расчетов систем, оснащенных элементами активной сейсмозащиты, в системах компьютерной математики МаШсас! и МаНаЬ.

4. Проведено сравнение различных систем сейсмозащиты. Практически все системы с демпфированием показывают значительное снижение сейсмической нагрузки на верхнее строение. Применение только упругих элементов с целью разведения спектров воздействия и сооружения может иметь негативное последствие.

5. В настоящее время наиболее эффективными системами признаны демпферы вязкого трения и резинометаллические опоры. Недостатками этих систем является весьма кропотливый подбор параметров на стадии проектирования и недостаточное снижение ускорений и поперечных сил по сравнению с диафрагмами сухого трения.

6. В настоящей работе установлено, что системы с диафрагмами сухого трения значительно (в 2−2.5 раза) снижают ускорения и сейсмические силы в сооружении. Однако, исследования в этом направлении, с нашей точки зрения, должны быть продолжены с целыо их внедрения в проектную практику.

7. Для задания исходной сейсмологической информации предложен метод построения сглаженных спектров ответов, учитывающий локальные геологические условия площадки строительства.

8. Выполнены расчёты сейсмоизолирующих устройств большепролетных сооружений с использованием концепции спектров ответов.

9. Разработаны предложения по структуре и содержанию строительных норм и правил в сейсмических районах Китайской Народной Республики.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованными ВАК РФ.

1. G.A. Dzhinchvelashvili, O.V. Mkrtychev, Peng Zhenhua. Estimation Reliability of Systems with Active seism Protection // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering//, Vol. 2, Issue 1, 2007, pp. 25 — 29.

2. Джинчвелашвили Г. А., Мкртычев О. В., Пэн Дженьхуа. Оценка надежности систем с повышенным демпфированием // Строительная механика и расчет сооружений//, № 3, 2008, с. 10−15.

5.6.

Заключение

.

После сильных землетрясений, произошедшихв различных частях земного шара в последнее десятилетия двадцатого века, во многих странах были пересмотрены Нормы расчёта зданий и сооружений на сейсмостойкость.

Проведены обследования зданий и сооружений в сейсмоопасных районах. Многие сооружения были усилены (свыше 50 тысяч в Японии и более 10 тысяч В США и Канаде. Во многих случаях усиление заключалась в замене обычных опорных частей на сейсмоизолирующие опорные части, представленные выше. Следует отметить, что замена обычных опорных частей на сейсмоизолирующие может производится без остановки эксплуатации сооружения. Для обеспечения безопасной эксплуатации зданий и сооружений в сейсмоопасных районах их опорные части должны быть сейсмоизолирующими и энергопоглащающими.

Материалы главы № 5 предлагается после некоторой доработки включить в Нормы расчёта на сейсмостойкость зданий и сооружений Китайской.

Народной Республики.