Кинематические опоры как средство оптимальной сейсмозащиты: достоинства и недостатки



Классификация методов защиты зданий и сооружений в сейсмически опасных зонах является особенно актуальным. Помимо стандартного увеличения надежности конструкции путем повышенной несущей способности возможно и применение комбинированных методов. Кинематические опоры являются эффективным средством сейсмозащиты в зданиях и сооружениях. Они позволяют снизить воздействие сейсмических вибраций на здание и минимизировать возможный ущерб от землетрясения.

Вопросы и споры, касающиеся выявления оптимального метода защиты зданий при проектировании и дальнейшем строительстве зданий и сооружений в сейсмически опасных районах за последние десятилетия многократно обсуждаются, примером тому могут быть анализ и результаты, к которым пришли авторы работ [1–3].

На основании анализа литературы как учебного, так и научного плана можно сделать вывод о том, что реализация различных подходов в проектировании строительных объектов в сейсмически опасных зонах фрагментарна, что значит, что каждый конкретный случай нужно рассматривать из действительных и принадлежащих объекту проектирования данных, геологических и климатических характеристик, а также, назначения конкретного объекта строительства. В действительности, вариантность проработки решений сводится, как правило, к решению следующих задач: сравнение и выбор наилучшего варианта проектирования средств сейсмозащиты, сравнение и выбор оптимальной конструктивной модели и строительных материалов, безусловно в зависимости из экономической целесообразности. При этом, немало важно подтверждать и актуализировать имеющиеся в архивах земельных ведомств данные, ведь, как известно из карт общего сейсмического районирования территорий, количество регионов с высокими сейсмическими рисками значительно увеличилось по сравнению с данными предыдущими, которые представлены в работах [4,5].

Кинематическая опора представляет собой соединение двух элементов здания, которые могут свободно двигаться друг относительно друга в одной или нескольких плоскостях. Такой механизм позволяет зданию перемещаться в ответ на сейсмические вибрации, что существенно снижает нагрузку на здание и предотвращает повреждения конструкций и сооружений.

Применение кинематических опор требует детального исследования сейсмической активности в районе строительства и анализа вибрационного поведения здания. Они устанавливаются на фундаменте или на верхней части столбов и колонн и могут применяться в различных типах зданий — от небоскребов до жилых домов.

При проектировании зданий и сооружений с кинематическими опорами необходимо учитывать различные факторы, такие как размеры и вес здания, характеристики местности, в частности особую роль отводят ветровым воздействиям. При правильном применении, кинематические опоры могут значительно повысить уровень сейсмической безопасности зданий и сооружений даже без применения средств дополнительной сейсмоизоляции.

Однако, большой проблемой при расчете является слабая прогнозируемость самих землетрясений, особенно, имеющих доминантные периоды более 1 с. При таких землетрясениях здание с кинематическими опорами может получить значительные смещения, при которых может произойти потеря устойчивости всего здания и ее полный отказ.

Таким образом, такая система сейсмоизоляции может применяться только в районах, для которых прогнозируются высокочастотные землетрясения, и исключается возможность появления низкочастотных землетрясений.

В остальных случаях, согласно практике, сейсмоизоляция с кинематическими опорами может применяться только с дополнительными средствами сейсмозащиты.

Рис. 1. Схема кинематических опор, где а) — эллипсоидывращения; б) — стойка со сферическими поверхностями торцов; в) — опора конструкции, а 1 — колонна; 2 — подколонник; 3 — опорная фундаментная плита; 4 — центрирующая шайба

Сейчас имеется некоторый опыт практического применения таких систем и у нас. К примеру, в Севастополе стоит пятиэтажный крупнопанельный жилой дом с сейсмоизолирующим поясом, состоящим из 6.5 тысяч армоцементных опор в форме эллипсоидов вращения диаметром 60 мм и высотой 58 мм уложенных по всей площади фундамента.

Также, в здании применена демпфирующая система в виде железобетонного бункера. С целью получения данных о реальных динамических параметрах здания производились экспериментальные исследования. Было обнаружено, что часть опор под действием веса здания разрушилась, что говорит об их неравномерном нагружении или разной прочности.

Также, в результатах проведенных испытаний было уточнено, что данное конструктивное решение не привело к существенному изменению динамических характеристик здания по сравнению с аналогичными характеристиками зданий, имеющих обычные фундаменты. Проведенные дополнительные модельные исследования показали, что применение опор в форме эллипсоидов диаметром меньше 0,5 м не обеспечивает сейсмоизоляцию сооружений.

К недостаткам данной системы следует отнести следующее.

Изготовление стоек со сферическими торцами и специальными высокопрочными контактными поверхностями требует высокой точности, присущей скорее машиностроительному производству, чем строительной технологии. Кроме того, при наклонах стоек возникают существенные местные напряжения, для восприятия которых требуется дополнительная арматура, что приводит к увеличению расхода стали.

Все это, а также повышенная точность при монтаже приводит к существенному возрастанию трудоемкости и стоимости 38 конструкций. Более экономичной и простой при монтаже представляется система сейсмоизоляции с кинематическими опорами, примененная для четырехэтажного здания в г. Навои. Нижние основания кинематических опор, имеющие выпуклую сферическую поверхность опирания, размещаются в сферических выемках опорной плиты фундамента, а верхние основания их соединяются шарнирно с колоннами посредством центрирующей шайбы.

Как говорилось ранее, особое внимание, при проектировании здания на кинематических опорах уделяется влиянию ветровых нагрузок.

Устойчивость к ветровым воздействиям, при применении устройства кинематических опор, как объясняется, происходит ввиду того, что податливость контактных площадок достаточно не высокая, что позволяет им реагировать на высокоинтенсивные ветровые воздействия в процессе обычной эксплуатации, а это уже представляет определенную опасность в случае, если здание является средне этажным или повышенной этажности, что подразумевает возможность смещения опор с статичного положения и соответственного смятия стальных пластик, которые в свою очередь, приведут к снижению демпфирующей способности кинематических опор.

В качестве объекта исследования рассматривалась опора Курзанова-Семёнова, представленное трубобетонной сейсмоизолирующей опорой. Основное направление при применении данной опоры является устройство ее в зонах с повышенной интенсивностью сейсмических воздействий, а именно в 7–9 бальных районах.

Габариты опоры подбираются из диапазона 1.5 до 10 м по высоте и от 300 до 1500 мм в диаметре.

Как указано, основными достоинствами данной системы выделяется:

– Возвращение в исходное состояние после сейсмических и ветровых воздействий, а также стабильная работа при повторных землетрясениях в процессе эксплуатации.

– Долговечность сравнимая с периодом эксплуатации здания в целом;

– Постоянность несущей способности, с учетом проектных смещений;

– Устойчивость при резонансных явлениях;

– Экономичность и быстрота устройства;

– Компактность

Объектом исследования для проведения расчетов выбирается 19-этажный жилой дом, имеющий по проекту — 119 кинематических опор и стену, в качестве ядра, толщиной 400 мм из железобетона по всему периметру здания.

Все расчеты производился при помощи ПК Лира-САПР

Граничные условия заданы согласно СП 22.13330.2016, где коэффициенты постели приравниваются к 4.42 *10 ⁴ и 1.35*10 ⁶ кН/м соответственно.

Рис. 2. Пространственная модель здания

Характеристики модели КЭ55 и здания в целом сведены в таблицу 3.3

Таблица 1

Характеристики модели

Наименование	Значение	Единица измерения
Вес здания	189700	кН
Вес опор	1600	кН
Кол-во опор	119	Шт.
Упругая горизонтальная податливость	10450	кН/м
Жесткость КЭ55 Rx Ry	10400	кН/м
Жесткость КЭ55 Rz	8600000	кН/м

Результаты выполнения полного расчета сведены в табл. 2

Таблица 2

Максимальные перемещения

На основании результатов, напрашивается вывод о том, что ветровая нагрузка не оказывает значительного влияния, при применении кинематических опор в качестве системы сейсмоизоляции, что еще раз подтверждает оптимальность выбора данного решения.

Максимальное перемещения при максимальных нагрузках, в стадии расчета, не превысили 2.84 мм, что находится в диапазоне упругой работы. Также, в принципе работы опор при повышении этажности сдвига системы до критического состояния также не произойдет.

Учитывая постоянное совершенствование программного комплекса, а также использования уже известных методик более детально возможно прийти к решению по ограничениям, которые возникают у типа конечных элементов 55, связанные с геометрической изменяемостью, что далее позволит пересмотреть методы оценки сейсмической реакции при моделировании подобной механики.

Литература:

1. Выскребенцева М. А., Ву Ле Куен Методы сейсмогашения и сейсмоизоляции с применением специальных устройств // ИВД. 2019. № 1 (52).
2. Albert Y. U., Dolgaya A. A., Ivanova T. V., Nesterova O. P., Uzdin A. M., Guan J., Ivashintzov D. A., Voronkov O. K., Shtilman V. B., Shulman S. G., Khrapkov A. A. Seismic input models for tuned mass damper designing // Magazine of Civil Engineering. 2017. № 8 (76).
3. Ахматов М. А. О новых тенденциях в сейсмостойком строительстве // Известия Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В. М. Кокова. 2014. № 2 (4).
4. Халелова, А. К. Обеспечение сейсмостойкости зданий и сооружений / А. К. Халелова. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 46 (336). — С. 40–44.
5. Дроздов, В. В. Сейсмическая надежность зданий повышенной этажности: монография / В. А. Пшеничкина, В. В. Дроздов, А. Ю. Чаускин; Волгогр. гос. техн. ун-т. — Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2022. — 180 с.
6. Абакаров Абакар Джансулаевич, Зайнулабидова Ханзада Рауповна Сейсмическая реакция нелинейной системы сейсмозащиты с кинематическими опорами // Вестник ДГТУ. Технические науки. 2018. № 3.
7. Муселемов Хайрулла Магомедмурадович, Устарханов Осман Магомедович, Юсупов Абусупьян Курашевич Статистический анализ акселерограмм реальных сильных землетрясений // Вестник ДГТУ. Технические науки. 2017. № 4.