Система автоматизированного проектирования и расчета
+7 (499) 922  00  02

Перспективы развития систем сейсмоизоляции современных зданий и сооружений

4 Сентября 2014
  • Джинчвелашвили Г.А., канд. техн. наук, доцент,
  • Колесников А.В., аспирант
  • (Кафедра сопротивления материалов МГСУ, Москва),
  • Заалишвили В.Б., д-р физ.-матем. наук, профессор,
  • Годустов И.С., ст. научн. сотрудник

Центр геофизических исследований ВНЦ РАН и РСО-А, Владикавказ

На конкретных примерах произведены нелинейные расчеты систем сейсмоизоляции. Отмечается так же важность пересмотра действующих нормативных документов и методов расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия.

1. Введение

На современном этапе проблема защиты зданий и сооружений от сейсмических воздействий является задачей первостепенной важности. Актуальность исследований в этом направлении в свете недавних разрушительных землетрясений, а также ускоренного развития инфраструктуры сейсмоактивных районов Дальнего Востока, Байкала, Краснодарского Края, Северного Кавказа, очевидна. Инженерный анализ последствий катастрофических землетрясений позволяет сделать важные выводы для получения новых данных и ведет к пересмотру действующих нормативных документов. Приведем некоторые примеры фрагментарно:

  • Спитакское землетрясение (Армения, 1988 г.). В сейсмически опасных районах здания с гибким I этажом и чисто каркасные здания (без диафрагм жесткости) строить нельзя. Высокая сейсмостойкость крупнопанельных зданий. Несовершенство СНиП II-7‑81 и карт ОСР;
  • Кобе (Япония, 1995 г.). Почти полное повторение картины землетрясения в Ниигата (Япония, 1964 г.) — разжижение грунтов и значительный крен зданий, без существенных разрушений;
  • Турция (1998 г.). Многочисленные разрушения торцовых частей зданий из-за неравномерности поля колебаний грунта под фундаментом здания (эффект кручения).

Сейсмостойкость каркасных зданий повышается постановкой диафрагм жесткости. При проектировании протяженных зданий надо учитывать неравномерные по длине горизонтальные нагрузки в плоскости перекрытий, иными словами РДМ (расчетная динамическая модель) сооружения и воздействия должна быть пространственной. После этого произошло еще несколько катастрофических землетрясений (Япония, 2002г.; Китай, 2008 г.; Италия, 2009 г.; Индонезия, 2009 г.).
Какие же шаги были предприняты для учета печального опыта?
Нормы СНГ — внедрение (они являются рекомендуемыми, но не обязательными) пространственных методов расчета. На их основании пересмотрены нормы Украины, Казахстана, Узбекистана, Армении, Грузии.

Украина — внедрение в СНиП пространственных методов расчета, пересмотр ОСР территории, обязательные расчеты ответственных сооружений на синтезированные акселерограммы (они нормированы по типам грунтов и зданий).

Армения — сейсмичность площадки нормируется ускорением, учет грунтовых условий в явном виде, внедрение в нормы систем сейсмоизоляции в виде резинометаллических опор.

Для расчета зданий и сооружений, проектируемых в странах Евросоюза, приняты нормы Eurocode-8, в которых внедрены пространственные методы расчета и многое другое.

Россия — «косметический ремонт» СНиП II-7‑81*, не пересмотрено ничего принципиального, актуализация норм практически провалена. Из опыта последних землетрясений почти не делается никаких выводов.

Все сложнее проектировать современные здания и сооружения в районах с повышенной сейсмичностью, в условиях, когда:

  1. качество нормативных документов ненадлежащее;
  2. фактически свернуты научные исследования в свете поиска новых конструктивных форм и систем сейсмозащиты.

Поэтому новизна исследований в направлении поиска надежных систем сейсмоизоляции (вопреки нормативным документам), также очевидна.

2. Системы сейсмозащиты

Традиционный способ обеспечения сейсмостойкости сооружений предусматривает повышение несущей способности основных конструктивных элементов за счет увеличения их размеров и прочности. Такой вид сейсмозащиты называется пассивным. Применение элементов пассивной сейсмозащиты приводит к увеличению сечений конструктивных элементов, что в свою очередь приводит к увеличению жесткости и веса сооружения. Это вызывает возрастание инерционной (сейсмической) нагрузки, и, следовательно, чтобы воспринять ее, следует еще раз пересмотреть размеры сечений несущих конструкций. Процесс этот, в конце концов, может и не привести к повышению сейсмостойкости сооружения. Примеров тому — масса.

Другой способ повышения сейсмостойкости, который неоднократно обсуждался среди проектировщиков еще в 60‑е годы (хотя в принципе применялся еще с древних времен), условно был назван активной сейсмозащитой, или сейсмоизоляцией [1]. В активной сейсмозащите, в отличие от простого наращивания прочности зданий с большим расходом материалов при пассивной сейсмозащите, используется либо адаптация к внешнему воздействию, либо искусственное повышение демпфирования, либо антирезонансное гашение колебаний, либо создание условий изоляции здания от сейсмических колебаний грунта.

Сейсмоизоляция, как новое научное направление, не имеет единой методологии научно-технического обоснования, позволяющего делать объективные выводы по полезности того или иного решения и, соответственно, о его целесообразности [2, 3, 4].

В нашей стране и за рубежом предложено и разработано большое количество систем активной сейсмозащиты зданий. Отдельные из этих систем получили практическое воплощение на отдельных объектах, это позволило оценить их технологичность для строительного производства. На многих объектах проведены вибрационные испытания, что позволило получить экспериментальные данные о поведении этих систем при динамических воздействиях. Однако по существу все разработанные системы нуждаются в дополнительных исследованиях преимущественно в натурных условиях, так как многие стороны реального поведения систем сейсмозащиты трудно исследовать теоретически или на моделях из-за весьма большого количества факторов, влияющих на поведение сооружения при интенсивном землетрясении. Широкое внедрение систем активной сейсмозащиты в настоящее время сдерживается практически полным отсутствием данных о реальном поведении таких систем при сильных землетрясениях.

Тем не менее, внедрение систем сейсмозащиты в экспериментальном строительстве следует продолжать и расширять по двум основным причинам.

Во-первых, только в процессе строительства можно достоверно оценить технологичность каждой системы сейсмозащиты, получить данные о технико-экономических показателях, которые, в конечном счете, могут оказаться решающими при выборе той или иной системы сейсмозащиты. Во-вторых, уже сейчас на основании существующего опыта теоретических и экспериментальных исследований можно выделить ряд перспективных для сейсмостойкого строительства систем сейсмозащиты.

В ЦГИ РАН проводятся исследования по усовершенствованию уже известных систем с кинематическими опорами, упругой или гравитационной возвращающей силой и диссипативными демпферными элементами [5‑8] (рис.1).

Целью настоящих исследований является поиск усовершенствованных систем для понижения энерговосприятия всем спектром собственных колебаний здания ниже предела значений энергий, передаваемых диапазоном ускорений сейсмического воздействия.

Сейсмоизоляция подразделяется на следующие классификационные подгруппы:

  • здания с грунтовым экранированием;
  • здания со скользящими фундаментными сейсмопоясами;
  • здания с гибким первым этажом;
  • здания с гибкостержневыми опорами или поясами;
  • здания с подвесными опорами;
  • здания с резинометаллическими или иными виброизолирующими опорами;
  • здания с гидрофрикционными опорами;
  • здания с кинематическими (чаще всего катковыми) опорами.

В любой из этих подгрупп, кроме первых двух, сейсмоизоляция может дополнительно включать в себя средства повышенного демпфирования колебаний. При сейсмоизоляции опорные части зданий могут двигаться, колеблясь относительно грунта со своей сниженной амплитудой, а спектр собственных колебаний здания может быть выведен далеко за пределы обычно встречающихся спектров землетрясений.

Система сейсмоизоляции наиболее перспективна и, оправдывая своё название, изолирует здание от колебаний грунта за счёт использования зданием инерции покоя. В этом случае грунт основания под зданием колеблется с наименьшей зависимостью от массы здания за счёт устранения жесткой связи здания с основанием путём замены её на весьма податливую связь, передающую зданию тем меньшую силу от движения грунта, чем более податлива связь грунта со зданием.

В частности, для изоляции здания от горизонтальных колебаний грунта, оно может ставиться на горизонтально скользящие по фундаментной плите опоры или пояса, или катки с малым коэффициентом трения (рис.1).

В настоящей работе ограничимся именно этим видом сейсмоизоляции.

Читать полную версию статьи в формате PDF

Следите за нашими новостями в социальных сетях:

Возврат к списку


Материалы по теме:


Подписка

Вы хотите первыми узнавать о выходе новых версий, проводимых мероприятиях и акциях компании? Подписывайтесь!

Подписаться
Обучись расчетному комплексу ЛИРА 10 бесплатно
До 31 июля вы можете пройти бесплатно базовый курс, состоящий из 5-ти видео-уроков, с пошаговым объяснением выполнения задач и самостоятельной работой для отработки полученных навыков.
09 июля 2019
Семинар в Душанбе «Современные методы моделирования и расчета зданий и сооружений на статические и сейсмические нагрузки и воздействия»
Компания ЛИРА софт приглашает инженеров-расчетчиков, конструкторов, ГИПов, сотрудников экспертизы, сотрудников ВУЗов, а также других специалистов, имеющих отношение к расчетам строительных конструкций, принять участие в семинаре, посвященном расчету зданий и сооружений на статические и сейсмические нагрузки и воздействия.
04 июля 2019
Первый выпуск курса «Расчет зданий и сооружений на устойчивость против прогрессирующего обрушения»
     С 3 по 5 июня прошел трехдневный курс повышения квалификации: «Расчет зданий и сооружений на устойчивость против прогрессирующего обрушения».
14 июня 2019
Приглашаем всех пользователей ЛИРА 10 на курс «Лира 10. Расчет строительных конструкций. Продвинутый курс»
Компания «ЛИРА софт» приглашает всех пользователей ЛИРА 10 на второй по уровню сложности курс "ЛИРА 10. РАСЧЕТ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ. ПРОДВИНУТЫЙ КУРС"
11 июня 2019
Все новости
Реализация модели контактного слоя при расчете адгезионного соединения с использованием метода конечных элементов
В большинстве опытов по испытанию адгезионных соединений измеряется средняя адгезионная прочность. Данная величина вычисляется как отношение разрушающей нагрузки к площади склейки. Подобный подход подразумевает равномерное распределение касательных напряжений. Исследователи давно обнаружили, что средняя адгезионная прочность соединения является сильной функцией геометрических [1] и физико-механических параметров модели и, следовательно, делает малоинформативными и несопоставимыми экспериментальные данные, выполненные на отличающихся образцах. Малочисленные результаты по измерению касательных напряжений по площади склейки с использованием преимущественно поляризационно-оптических методов [2] показывают, что распределение напряжений является нелинейной функцией. При этом наблюдается концентрация напряжений у торцов модели. В связи с этими фактами возникает необходимость детального изучения напряженно-деформированного состояния адгезионных соединений.
06 июня 2019
Оценка точности нелинейного статического метода анализа сейсмостойкости сооружений

В статье рассмотрено практическое применение методики нелинейного статического анализа сейсмостойкости зданий и сооружений. Произведен расчет одноэтажной стальной рамы нелинейным статическим и нелинейным динамическим методами. В результате анализа полученных результатов расчета показана значимость высших форм колебаний и необходимость анализа их влияния на реакцию системы.

06 февраля 2018
Напряженно-деформированное состояние коррозионно - поврежденных железобетонных элементов при динамическом нагружении
С помощью современного программно-вычислительного комплекса  ЛИРА 10.6 выполнена сравнительная оценка напряженно–деформированного состояния  не поврежденного и коррозионно-поврежденного железобетонного элемента при динамическом и статическом нагружении. Проанализировано   влияния ослабленного коррозией бетонного участка сжатой зоны на перераспределение напряжений в сечении.
25 января 2018
Применение технологий BIM при расчете зданий в условиях сложной геотехнической обстановки в связке программ Revit, ЛИРА 10.6 и PLAXIS 3D
В статье рассматривается методика совместной работы ПК ЛИРА 10.6 и PLAXIS 3D посредством API модуля. С позиции инженера-расчетчика рассматриваются возможности передачи моделей между различными программами с применением технологий информационного моделирования.
21 июня 2017
Все публикации
Расчет фильтрации
Учёт фильтрации грунтовых вод является важной задачей во многих областях строительства (геотехника, гидротехника, экология).
В ПК ЛИРА 10.8 реализован тип задачи, который позволяет проводить расчет поля давления и скорости фильтрации грунтовых вод в расчетных схемах с произвольной геометрией для дальнейшего определения напряженно-деформированного состояния от действия вычисленного дополнительного давления.
05 июля 2019
ЛИРА 10. Базовый. Урок 1. Расчет железобетонного каркаса
Цели и задачи: Овладеть навыками создания моделей железобетонных конструкций с нуля. Произвести расчет на основе сочетания нагрузок, научиться анализировать результаты.
03 июля 2019
ЛИРА 10. Базовый. Урок 2. Расчет стального каркаса
Цели и задачи: Овладеть навыками создания моделей стальных каркасов с нуля. Произвести расчет на основное сочетание нагрузок.
03 июля 2019
ЛИРА 10. Базовый. Урок 3. Учет работы сооружения совместно с грунтом основания
Цели и задачи: Овладеть навыками создания расчета зданий с учетом грунтовых условий. Научиться строить модель грунта.
03 июля 2019
Все записи вебинаров