Блоки из ячеистого бетона для несущих и ограждающих конструкций сейсмостойких зданий и сооружений 05. 23. 01 Строительные конструкции, здания и сооружения
| Вид материала | Автореферат |
- Программа для вступительного экзамена в аспирантуру по специальности 05. 23. 01 "Строительные, 46.7kb.
- Здания из легких металлоконструкций, 66.03kb.
- Свод правил по проектированию и строительству сп 13-102-2003 "Правила обследования, 1033.77kb.
- Контрольные вопросы по дисциплине «Строительные конструкции», 27.8kb.
- Живучесть железобетонных пространственных рамно-стержневых конструкций с выключающимися, 274.37kb.
- Институт Менеджмента Информационных Систем Изучаемая программа, 375.9kb.
- Мониторинг напряженно-деформированного состояния несущих конструкций высотных зданий, 107.31kb.
- Бизнес-план производства металлопластиковых окон и конструкций, 278.2kb.
- Од знаменателен тем, что в его середине исполняется 10 лет со дня принятия новых нормативов, 182.16kb.
- Лектор: доц. Педиков, 117.83kb.
2 Вибродинамические испытания многоэтажного жилого дома с заполнениями и перегородками из газоблоков
Институтом КазНИИССА были проведены динамические испытания многоэтажного жилого дома с заполнением перегородками из газоблоков.
Конструктивное решение – здания было запроектировано с двумя подвальными этажами, двадцатью двумя жилыми этажами и верхним техническим этажом. Объект имеет сложную Y-образную правильную форму в плане. Проектная высота объекта от подошвы фундамента до верха технического этажа 82,05 м. В конструктивном отношении изучаемый объект представляет собой пространственную каркасно-стеновую систему, выполненную из монолитного железобетона.
Толщина железобетонных стен рассматриваемого здания принята переменной по высоте - в пределах подвальных и 1-го этажей – 60 см, на 2-4 этажах – 50 см, на 5-7 этажах – 40 см, на 8-10 этажах – 30 см,на выше расположенных этажах – 24 см. Размеры поперечного сечения колонн также приняты переменными по высоте здания - в пределах подвальных и 1-го этажей – 60х60 см, со 2-го по 9-й этаж включительно – 50х50 см, на выше расположенных этажах – 40х40 см. Перекрытия выполнены монолитными железобетонными и имеют толщину 20 см. Фундаментная плита имеет толщину 200 см. Наружные ограждающие стены и перегородки выполнены из ячеистобетонных блоков (рисунок 3).
Конструктивные решения ненесущих ограждающих стен и перегородок, а также их антисейсмического усиления были приняты на основании результатов комплекса динамических испытаний, проведенного специалистами института КазНИИССА в 2002-2004 годах (см. ниже главу II).
Рисунок 3 – Общие виды заполнений и перегородок из газоблоков
К моменту испытаний экспериментального объекта было возведено два подвальных этажа и двадцать один надземный этаж. Высота отсека от низа фундаментов до верха перекрытия над двадцатым первым этажом - 76,7 м.
Динамические нагрузки на исследуемый объект создавались с помощью вибромашины инерционного действия типа В-3. При испытаниях двигатель и вибраторы были жестко закреплены к горизонтальной стальной раме, расположенной в уровне перекрытия верхних этажей зданий. Стальная рама, в свою очередь, была жестко закреплена к этому перекрытию.
Сопоставление расчетных и экспериментальных значений периодов собственных колебаний здания даны в таблице 16.
Таблица 16 – Сопоставление расчетных и экспериментальных значений здания
-
Формы колебаний здания
Значения
периодов колебаний здания
экспериментальные
расчетные
Первая в направлении оси Х
0,992/1,194
1,689
Первая в направлении оси Y
0,944/1,152
1,510
Вторая в направлении оси Х
0,319/0,375
0,458
Вторая в направлении оси Y
0,288/0,347
0,388
Третья в направлении оси Х
0,180/ -- –--
0,223
Экспериментальные значения периодов колебаний, приведенные в числителе, соответствуют первому этапу испытаний, а в знаменателе – заключительному этапу испытаний.
Указанные различия в значениях расчетных и экспериментальных периодов колебаний здания объясняются в основном двумя причинами:
- к моменту испытаний масса сооружения была примерно на 25% меньше, чем принятая в расчете, а высота – на 8%;
- расчетная схема здания стеновой конструктивной системы, согласно положениям норм, традиционно не учитывала жесткость ненесущих ограждающих стен и перегородок.
Отсутствующие массы и меньшая высота могли сказаться на периодах колебаний здания в пределах 12…15%. Следовательно, основная причина различий между экспериментальными и расчетными значениями периодов колебаний здания – влияние жесткости ненесущих конструкций. По мере накопления в ненесущих стенах и перегородках повреждений (трещин в местах примыкания к несущим элементам и в перемычках) их влияние на жесткость здания будет уменьшаться и расчетные значения периодов колебаний здания окажутся близкими к экспериментальным значениям.
Зависимости, характеризующие изменение резонансных периодов колебаний здания по мере увеличения его амплитуд колебаний, показаны на рисунке 4 (1 –изменение периодов колебаний объекта по первой форме в направлении оси Х; 2 – тоже, в направлении оси Y; 3 – изменение периодов колебаний объекта по второй форме в направлении оси Х; 4 – тоже, в направлении оси Y).
Изменение резонансных периодов колебаний здания по мере увеличения интенсивности внешних вибрационных воздействий может быть объяснено нелинейной работой ненесущих конструкций. Экспериментальные значения периодов колебаний здания, соответствующие этапу испытаний I, отличаются от расчетных значений в 1,70…1,25 раза, а этапу испытаний V – в 1,41…1,11 раза. Причем, наибольшие различия наблюдаются при сопоставлении периодов колебаний здания по первым формам, а наименьшие – по вторым и третьим.
Рисунок 4 – График зависимости, характеризующие изменение резонансных периодов колебаний здания
Максимальные ускорения, имевшие место при колебаниях здания по второй форме, в некоторых точках перекрытия над 21 этажом были близки к значению 0,4g, а в центральной части здания – к 0,3g.
Согласно положениям СН РК 2.03-28-2004 «Шкала для оценки интенсивности землетрясений МSK-64 (К)» степень повреждений несущих конструкций здания следует оценить величиной «0» - отсутствие видимых повреждений.
Степень повреждений ненесущих конструкций, соответствующие состоянию объекта после завершения вибрационных испытаний, несколько превышают степень «1» – тонкие трещины в отдельных ненесущих стенах и перегородках (до 5%) и их соединения с несущими элементами. В тоже время, имеющие место повреждения ненесущих стен и перегородок явно не достигают степени «2» – хорошо заметные трещины во многих (примерно 40%) ненесущих стенах и перегородках и их соединениях с несущими конструкциями (рисунок 5).
Рисунок 5 – Трещины в ненесущих конструкциях
3 Динамические испытания фрагмента жилого дома с несущими стенами из ячеистого бетона
Фрагмент был запроектирован одноэтажным с мансардой, в комплексной конструкции из блоков толщиной 350 мм и стальных стоек установленные в несущих стенах и перегородках. Перегородки выполнялась из блоков толщиной 100 мм на цементно-песчаном растворе М50. Размеры в плане 6х6 м. Высота этажа – 3 м. Фундамент фрагмента был выполнен в виде монолитной железобетонной плиты.
Стойки располагались по граням оконных и дверных проемов, а так же в сплошных протяженных простенках с шагом 1,725 мм. Угловые участки несущих стен были усилены арматурными сетками, уложенными в горизонтальных швах кладки через 750 мм и связанными на сварке со стальными стойками. Перегородки фрагмента были установлены с вертикальными зазорами и с горизонтальными зазорами. Ширина вертикальных и горизонтальных зазоров составляла 30 мм. Плита перекрытия над фрагментом - монолитная железобетонная, толщиной 160 мм.
Динамические испытания фрагмента жилого дома выполнялись с помощью вибрационных машин типа В-1 и В-2, установленных на его перекрытии. Вибрационные машины располагались на перекрытии таким образом, что бы возбуждаемые ими силы действовали в диагональном направлении фрагмента. Принятая схема расположения вибромашин позволила, в определенной степени, смоделировать пространственный характер внешних сейсмических воздействий, имеющий место при реальных землетрясениях.
Общий вид здания и вибромашины показан на рисунке 6. Вибрационные испытания фрагмента включали в себя три этапа, описанные в таблице 17.
Рисунок 6 – Общий вид фрагмента с вибромашинами
Таблица 17 – Этапы испытаний фрагмента жилого дома
-
Номер этапа испытаний
Тип вибромашины
Количество виброблоков
Количество грузов-дебалансов на каждом вибраторе
I
В-1
1
12
II
В-1
1
48
III
В-2
2
28
По результатам выполненных расчетов было установлено, что периоды собственных поступательных колебаний фрагмента равны:
- при абсолютно жестком основании – в направлении цифровых осей 0,083 сек, а в направлении буквенных – 0,085 сек; - при податливом основании – в направлении цифровых осей 0,090 сек, а в направлении буквенных – 0,092 сек.
Анализ записей показал, что до начала вибрационных испытаний периоды колебаний экспериментального объекта были равны, в направлении цифровых осей – 0,088 с; в направлении буквенных осей – 0,089 с.
Колебания фрагмента в процессе вибрационных воздействий носили сложный пространственный характер и сопровождались поворотами перекрытия в плане. Ускорения, зарегистрированные на краевых участках плиты перекрытия на этапах испытаний II и III, достигали значений 0,85…1,12g. Максимальные перемещения краевых участков фрагмента были зарегистрированы на этапе испытаний III и составили - в направлении оси Х – 47,6 мм; в направлении оси Y – 32,7 мм.
Визуальный осмотр здания, осуществлявшийся после каждого этапа испытаний.
После первого этапа испытаний в элементах стен и перегородок фрагмента наблюдались в основном легкие повреждения. Интенсивность повреждений несущих стен и перегородок после первого этапа испытаний в целом соответствовала по степени 1 шкале MSK-64.
После второго этапа испытаний в стенах и перегородках фрагмента были отмечены умеренные и существенные. Интенсивность повреждений несущих стен и перегородок после второго этапа испытаний соответствовала по шкале MSK-64 степени 2-3 (степень 2 с некоторыми признаками степени 3).
На третьем этапе испытаний в стенах и перегородках фрагмента возникли тяжелые повреждения. Интенсивность повреждений несущих стен и перегородок после первого этапа испытаний соответствовала по шкале MSK-64 степени 3-4 (степень 3 с явными признаками степени 4).
4 Расчетно-теоретический анализ фрагмента жилого дома с несущими стенами из газоблоков
При анализе экспериментальных данных изучались:
- влияние податливости основания на особенности деформирования и периоды колебаний фрагмента;
- соответствие расчетных значений периодов собственных колебаний фрагмента экспериментальным значениям (зарегистрированным при микросейсмических воздействиях);
- влияние интенсивности вибрационных воздействий на резонансные периоды колебаний фрагмента и его диссипативные свойства;
- показатели несущей способности фрагмента;
- показатели способности фрагмента к развитию пластических деформаций.
А. Изучение полученных инструментальных данных показало, что податливость основания оказала весьма незначительное влияние на резонансные периоды собственных колебаний и характер деформирования фрагмента при вибрационных воздействиях.
На всех этапах испытаний, при прохождении через резонансы, доля перемещений фрагмента в уровне перекрытия, обусловленная податливостью основания на сдвиг – не превышала 1,0…1,5%, а податливостью основания на поворот – 2,0…2,5%.
Незначительное влияние податливости основания на резонансные периоды собственных колебаний и характер деформирования фрагмента было обусловлено особенностями конструктивных решений его фундамента, выполненного в виде сплошной плиты, и довольно высокой жесткостью грунтов основания, представленных галечниковыми отложениями с супесчаными и суглинистыми заполнениями (категория I по сейсмическим свойствам).
Б. Значения периодов колебаний фрагмента, зарегистрированные при микросейсмических воздействиях, оказались весьма близкими к расчетным значениям периодов колебаний.
Максимальные различия между экспериментальными и расчетными значениями периодов колебаний, полученными при расчетах фрагмента с учетом и без учета податливости основания – не превышали 5%. Близость экспериментальных и расчетных значений периодов колебаний свидетельствует о корректности принятой расчетной схемы фрагмента.
В. При изучении влияния интенсивности внешних воздействий на динамические параметры фрагмента его динамическая расчетная схема была принята упрощенной и представлена в виде невесомого консольного стержня с сосредоточенной массой.
Величина массы, сосредоточенной в уровне верха консольного стержня, была принята равной приведенной массе фрагмента, сосредоточенной в уровне, имеющем значение коэффициента формы колебаний =1. Величина приведенной массы фрагмента была определена из выражения:
(5)где mk – масса фрагмента условно сосредоточенная в точке k;
xk – перемещения фрагмента в точке k;
x=1 – перемещения фрагмента в точке =1.
Коэффициенты форм колебаний фрагмента по высоте определялись по упрощенной формуле:
(6)Значение приведенной массы фрагмента, определенное по формуле 5 оказалось равным 3,96 тм/с2, а значение коэффициента формы колебаний в уровне покрытия, определенное по формуле 6 = 1,07.
Для оценки диссипативных свойств фрагмента, первоначально, определялись коэффициенты динамичности, характеризующие отношение величины инерционной силы, действовавшей на фрагмент при прохождении через резонанс, и величины возмущающей силы вибромашины. Значения коэффициента динамичности определялись по формуле:
(7)где Мпр – величина приведенной массы фрагмента, условно сосредоточенной в точке, имеющей значение коэффициента формы колебаний =1;
– ускорения фрагмента в точке фрагмента, имеющей значения коэффициента формы колебаний =1;Rв – возмущающая сила вибромашина;
в – значение коэффициента формы колебаний фрагмента в точке установки вибромашины;
0,707 – коэффициент, характеризующий направление действия возмущающей силы вибромашины по отношению к главным осям фрагмента.
Значения коэффициента диссипации (в процентах от критического) определялись по формуле:
(8)Результаты определения приведенной массы фрагмента и коэффициентов динамичности приведены в таблице 18.
Таблица 18 – Приведенной массы фрагмента и коэффициентов динамичности
| № этапа | В направлении оси | Mпр (тс2/м) | Ä=1 (м/с2) | Mпр Ä=1 (тс) | 0,707(Rвв) (тс2/м) | (%) |
| I | X | 3,96 | 4,69 | 18,6 | 2,78 | 7,48 |
| | Y | 3,96 | 4,29 | 17,0 | 2,78 | 8,18 |
| II | X | 3,96 | 5,40 | 21,4 | 3,30 | 7,72 |
| Y | 3,96 | 5,85 | 23,2 | 5,23 | 11,2 | |
| III | X | 3,96 | 4,97 | 19,7 | 5,80 | 14,73 |
| Y | 3,96 | 6,23 | 24,7 | 9,06 | 18,36 |
Графические зависимости, характеризующие изменения величин резонансных периодов колебаний фрагмента и коэффициентов диссипации в зависимости от амплитуд его колебаний в уровне, имеющем значение коэффициента формы колебаний 1, приведены на рисунке 7 (здесь и далее, сплошные линии – в направлении оси Х, пунктирные линии – в направлении оси Y).
В результате анализа экспериментальных данных было установлено, что на заключительном этапе испытаний, величины периодов резонансных колебаний фрагмента в направлениях осей Х и Y были соответственно в 5,5 и 4,6 раза больше, чем при микросейсмических воздействиях до начала испытаний;
величины коэффициентов диссипации энергии колебаний фрагмента были примерно в 5 раз больше, чем при микросейсмических воздействиях до начала испытаний.
а) б)
Рисунок 7 – Графические зависимости, характеризующие изменения величин резонансных периодов колебаний фрагмента (а) и коэффициентов диссипации (б) в зависимости от амплитуд его колебаний в уровне
Г. Несущую способность экспериментального фрагмента в направлениях осей Х и Y можно охарактеризовать зависимостями «нагрузка - перемещения», показанными на рисунке 8.
На этом же рисунке, для сопоставления, показаны значения расчетных сейсмических нагрузок, соответствующие сейсмичности площадок строительства 7 и 8 баллов.
Сопоставление величин горизонтальных нагрузок, действовавших на фрагмент при испытаниях, с расчетными значениями сейсмических нагрузок дано в таблице 19. Из таблицы 19 видно, что нагрузки, действовавшие на фрагмент при испытаниях, превышали расчетные сейсмические нагрузки:
- соответствующие сейсмичности площадки строительства 7 баллов – до 5 раз;
- соответствующие сейсмичности площадки строительства 8 баллов – до 2,5 раз.
Рисунок 8 – График сопоставления величин горизонтальных нагрузок, действовавших на фрагмент при испытаниях, с расчетными значениями сейсмических нагрузок
Таблица 19 – Сопоставление величин горизонтальных нагрузок, действовавших на фрагмент при испытаниях, с расчетными значениями сейсмических нагрузок
| № этапа | Направление (ось) | Нагрузки, действовавшие на фрагмент при испытаниях (т) | Отношение величин нагрузок, действовавших на фрагмент при испытаниях, к расчетным значениям сейсмических нагрузок, соответствующим сейсмичности площадки строительства | |
| 7 баллов | 8 баллов | |||
| I | X | 18,6 | 3,83 | 1,91 |
| Y | 17,0 | 3,50 | 1,75 | |
| II | X | 21,4 | 4,41 | 2,21 |
| Y | 23,2 | 4,78 | 2,39 | |
| III | X | 19,7 | 4,06 | 2,03 |
| Y | 24,7 | 5,07 | 2,54 | |
Д. Способность рассматриваемой конструктивной системы к развитию пластических деформаций можно оценить при помощи коэффициента пластичности . Значения коэффициента характеризуют ожидаемую пластичность деформирования сооружения при внешних воздействиях и, наряду с другими показателями, учитываются при нормировании расчетных сейсмических нагрузок. Значения коэффициента можно определить по формуле (10) Значения коэффициентов , вычисленные для разных этапов испытаний фрагмента, приведены в таблице 20.
= (Тнач/Трез)2 (9)
Таблица 20 – Значения коэффициентов , вычисленные для разных этапов испытаний фрагмента
-
№
этапа
Направление
(ось)
Значения периодов колебаний (сек)
Значения коэффициента
Микросейсмические воздействия
X
0,093
1,0
Y
0,089
1,0
I
X
0,142
2,3
Y
0,142
2,5
II
X
0,233
6,3
Y
0,185
4,3
III
X
0,510
30,0
Y
0,408
21,0
Ожидаемая пластичность деформирования сооружения при реальных сейсмических воздействиях расчетной интенсивности, для ограничения повреждений его конструкций, по мнению многих исследователей не должна характеризоваться значениями коэффициента более 3-5. Из таблицы 20 видно, что значения коэффициентов , отвечающие второму этапу испытаний фрагмента, находились примерно в указанном диапазоне. Значения коэффициента , отвечающие третьему этапу испытаний, свидетельствуют о значительных резервах способности фрагмента к развитию пластических деформаций.