Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет”

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Особенности расчета зданий сложной макроструктуры на ветровые и сейсмические нагрузки и их рациональное проектирование

Специальность 05.23.17 - “Строительная механика”

Смирнов Антон Александрович

Санкт-Петербург 2008

Работа выполнена на кафедре Строительной механики в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет”.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор В.И. Плетнев

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Михайлов Борис Кузьмич

Кандидат технических наук Дмитровская Любовь Николаевна

Ведущее предприятие: ЗАО “ЛенНиипроект”

Защита состоится “4”декабря 2008 года на заседании диссертационного совета Д 212.223.03 при ГОУ ВПО “Санкт-Петербургский государственный архитекурно-строительный университет” по адресу г. Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д. 4, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке при ГОУ ВПО “ “Санкт-Петербургский государственный архитекурно-строительный университет”

Автореферат разослан 2008 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета Доктор технических наук Л.Н. Кондратьева

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В связи с постоянно возрастающей высотой и этажностью высотных зданий в настоящее время практически исчерпан ресурс ее увеличения при применении традиционной точечной их компоновки. В зданиях высотой более 30-40 этажей напряжения в вертикальных несущих элементах от горизонтальных нагрузок (ветровых и сейсмических) сравнимы с усилиями от вертикальных нагрузок, а в более высоких зданиях становятся определяющими.

Кроме проблемы прочности остро стоит проблема комфортности высотных зданий. Ускорения, вызванные ветровыми колебаниями, создают неблагоприятные условия для длительного пребывания в них человека на верхних этажах. Требования к комфортности и снижению зыбкости верхних этажей постоянно ужесточаются (Amax = 0.08 м/c2). Поэтому высотные здания должны обладать максимально высокой жесткостью. Кроме этого существуют высокие требования к пожарной безопасности (дублирование пожарных выходов) и ограничения по инсоляции глубины здания (16 м в России, 40 м в США). Наиболее эффективный путь комплексного выполнения данных требований - это использование зданий сложной макроструктуры.

Здание сложной макроструктуры (ЗСМ) - это здание, состоящее из 2-х и более башен, пластин, блоков, объединенных отдельными или регулярными связями или перемычками по высоте, включающими их в совместную работу. Здания сложной макроструктуры легко позволяют обеспечить горизонтальную жесткость, необходимую для восприятия ветровых нагрузок.

Большая жесткость таких зданий делает их однако уязвимыми при сейсмических воздействиях. Поэтому разрешение указанного противоречия является актуальной задачей расчета и рационального проектирования высотных зданий.

Цель работы заключается во-первых, в исследовании статического и динамического поведения зданий сложной макроструктуры, выборе рациональных схем ЗСМ и оценке рациональных соотношений жесткости их макроэлементов. Во-вторых, в разработке конструктивных мероприятий, разрешающих указанное выше противоречие работы здания при ветровых и сейсмических нагрузках, и в создании методики оценки эффективности этих мероприятий.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- рассмотрены некоторые из возможных форм ЗСМ (здания из башен с перемычкой, здания двухбашенные со связями сдвига, распределенными по высоте;

- проанализировано влияние на динамические характеристики соотношения жесткости макроэлементов ЗСМ и указано их рациональные соотношения;

- рассмотрены особенности расчета ЗСМ на сейсмическое воздействие, заданное акселерограммами;

- рассмотрены ЗСМ с упругопластическими связями (УПС), введенными между макроэлементами;

- Разработан алгоритм расчета ЗСМ с УПС;

- указаны рациональные варианты расположения этих связей и их рациональные характеристики;

Практическое значение работы.

- разработана методика расчета зданий сложной макроструктуры (ЗСМ) с упругопластическими связями (УПС), что позволяет увеличить их безопасность и комфортность.

- даны рекомендации по рациональному проектированию зданий сложной макроструктуры с учетом различных типов структуры, типов связей и различного количества башен ЗСМ;

- данные результаты закладывают основы для дальнейшего усовершенствования конструктивных схем ЗСМ и методов их расчета на ветровые и сейсмические нагрузки.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертации используются в ПКБ “Медведь” (Санкт-Петербург) при разработке проектов жилых зданий повышенной этажности.

Обоснованность и достоверность положений и выводов диссертации обеспечивается использованием строгих методов статики и динамики упругих систем а также апробированных методов динамики нелинейных систем, реализованных в ПК “ING+”.

Апробация. Основные положения диссертационных исследований представлены и одобрены:

1. На семинаре секции строительной механики ЛДУ, посвященном высотным зданиям 2 февраля 2005 года.

2. На 62-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ 2 февраля 2006 года.

3. На 64-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ 6 февраля 2007 года.

4. На Семинаре “Проблемы расчета и рационального проектирования высотных зданий и современные компьютерные технологии», 5 марта 2007 года в СПбГАСУ, посвященном 75-летию кафедры строительной механики.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы 142 страниц, в том числе 53 рисунка, 20 таблиц, 9 диаграмм и список литературы, включающий 130 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи исследований, приводятся основные положения диссертации, которые выносятся на защиту, обосновывается их научная новизна.

В первой главе диссертации поясняется состояние вопроса на современном этапе, рассматривается опыт строительства нескольких зданий, близких к ЗСМ, выявляются основные признаки и определение зданий сложной макроструктуры. здание сейсмический акселерограмма

С точки зрения экономической и конструктивной целесообразности каждая из традиционных схем имеет как свой предел применимости по высоте, так и диапазон оптимальной этажности.

Таблица 1. Границы оптимального применения конструктивных схем выс. Зданий.

Этажность здания, к-во этажей	Высота здания, м	Рамная	Стеновая	Рамно- связевая с ядром жесткости	Рамно- связевая с ядром и связев. ростверками	Система наружняя труба	Оболо- чечная	"Труба в трубе"
10	30
20	60
30	100
40	150
50	200
60	240
70	280
80	320
90	360
100	400

При увеличении этажности высотных зданий до 120 этажей и более однообъемная компоновка зданий исчерпывает свои возможности вследствие громоздкости плана и недостаточной жесткости. Если точечное здание способно быть жестким при соотношении высоты к ширине наименьшей стороны в плане равной 7-8, то в такой пропорции здание не способно расти бесконечно.

Ограничивающими факторами являются:

1. Размеры температурных блоков (60-70 м в ЖБК);

2. Глубина корпуса по инсоляции (предельная глубина корпуса 14 м в России и 60 м в США);

3. Большие затраты на фундаменты для отсутствия кренов и неравномерных осадок при стороне более 60 м;

4. Неравномерное распределение сдвиговых и продольных усилий между крайними и средними колоннами фасада (Shear lag-effect);

Это наводит на мысль, что особо высокое здание должно быть организовано по принципиально иной, структурно-подчиненной схеме, в которой первичными являются дискретные отдельно стоящие макроэлементы, устраняющие проблемы сплошного неразрывного корпуса, размещенного на грунте и образующие макроструктуру. При этом сильно развитая в плане башня может быть превращена в трех- и более -точечную башню сложной макроструктуры, объединенную системой перемычек, диафрагм или связей.

В этом случае отдельно стоящие башни выполняют роль поясов фермы, а диагональные связи, перемычки или рамные ригели выполняют функцию решетки, объединяющих башни в единое - в здание сложной макроструктуры.

Здание сложной макроструктуры - это здание, состоящее из двух или более корпусов, объединенных перемычками или связями для совместной работы.

Рассмотрена классификация ЗСМ.

По форме композиции в плане упрощенно ЗСМ можно разделить на асимметричные, симметричные, центрические и круговые (рис. 1.).

Рис. 1. Классификация ЗСМ по форме композиции плана

По количеству башен, очевидно, ЗСМ делятся на двух-, трех-, четырехбашенные и многоветвевые (рис. 2).

Рис. 2. Классификация ЗСМ по количеству башен

По типу систем жесткости ЗСМ делятся на две разновидности: рамные (ригельные), предающие жесткость за счет больших моментов инерции и способности воспринимать изгибающий момент, и ферменные (связевые), работающие на растяжение-сжатие за счет образования жесткого геометрически-неизменяемого треугольника (рис. 3).

По регулярности связей - регулярные и дискретые (рис.3).

Рис. 3. Классификация ЗСМ по типам системы жесткости.

Как показывают численные расчеты, соотношение изгибных жесткостей башни и ригелей в плоскости их работы не должно отличатся более чем 3 раза (что совпадает с теорией рам). Для избежания противофазных изгибных колебаний отдельных остовов каждая связевая перегородка должна иметь достаточную крутильную жесткость.

Более равномерному объединению корпусов служит сочетание 3-х отдельных остовов 3-4-мя связями по высоте, что превращает здание в подобие пространственной 3-х-поясной безраскосной фермы Веринделя, защемленной в грунт.

Возможно применение диагональных связей между остовами, которые, имея структуру пространственной фермы-оболочки располагают в себе эскалаторы для коммуникации между остовами на разных уровнях.

Четырехветвевое здание требует периодических диагональных галерей-связей большой жесткости для избежания колебаний здания по форме взаимного сближения корпусов.

Рис. 4. Многоветвевые звания.

В качестве концепции предполагается возможность строительства зданий этажности в 200-300 этажей. Для этого применима многоветвевая структура здания (рис.4), которая позволяет организовать пространственную макро-трубу из остовов-ветвей, объединенных отдельными связями-галереями, и диагональными раскосами-переходами, что создает макро-оболочку или пространственную ферму, ветви и решетку которой образуют отдельные башни и жесткие переходы между ними. Такая компоновка решает проблему равнодоступности всей поверхности здания для инсоляционного поля. Данное здание работает совместно как пространственная труба, имеет высокую обтекаемость благодаря минимальной площади затенения и высокой продуваемости, но обладает большой площадью поверхности ограждающих конструкций и высокие тепловые потери.

В европейской практике реализован целый ряд зданий, которые в той или иной степени обладают макроструктурой. Это здание почты в г. Бонн имеющее 2 башни, объединенные изящными связями по высоте, здание Петронас Тауэр в столице Малайзии Куала Лумпур, 2 цилиндрические башни объединенное одной галерей, это здание олимпийской деревни в Китае и др.

В главе рассмотрены особенности работы высотных зданий различной этажности и переход к зданиям сложной макроструктуры, особенности работы связей ЗСМ.

Вторая глава посвящена проблемам расчета высотных зданий и в частности ЗСМ на ветровые нагрузки. Рассмотрены основные зависимости теории аэроупругости и применимость расчета СНиП к расчету ЗСМ на ветровую пульсационную нагрузку, даны рекомендации в этом направлении. Показано, что при упрощении расчета ЗСМ на пульсационные составляющие ветровой нагрузки, достоверное определение ее статической составляющей требует дополнительные экспериментальные исследования в аэродинамических трубах.

Рассмотрены два основных типа аэродинамической неустойчивости высотных сооружений: вихревое возбуждение и галопирование.

Галлопирование типично для призматических сооружений и вызвано смещением центра приложения нагрузки с центра жесткости, что приводит к крутильным колебаниям и попеременному срыву вихрей, на которые сами колебания оказывают обратное влияние.

Вихревое возбуждение характерно для гибких цилиндрических сооружений, при нем возникают колебания из плоскости воздействия по эллиптической траектроии, при этом цилиндр также влияет на вихреобразование, что при установившемся автоколебательном процессе приводит к попеременному срыву вихрей за цилиндром и образованию т.н. вихревой дорожки Бенара-Кармана.

Общая жесткость ЗСМ, характер поведения в ветровом потоке зависят от макроструктуры здания и параметров его элементов (башен, перемычек между башнями). Были исследовано влияние этих факторов на динамические свойства системы и рассмотрены двух-, трех- и четырехбашенные здания.

Во-первых - рассмотрена группа двухбашенных 25-этажных зданий (рис.1). Размер каждой башни 18Ч18 м в плане , высота 75 м при расстоянии между башнями 18 м.

Результаты показывают, что одиночные перемычки для оказания влияния на совместную работу башен должны иметь изгибную жесткость, составляющую 10 - 20 % от жесткости отдельных точечных зданий. При этом на кручение оптимально работают коробчатые связи, имеющие собственную крутильную жесткость, которая противодействует взаимным изгибным колебаниям башен [1].

Крутильные формы колебаний часто недооцениваются при расчетах. Двухбашенные здания проявляют склонность к крутильным колебаниям в первых формах. При несовпадении центра приложения ветровых нагрузок (неравномерный обдув из-за соседних зданий) с центром изгиба системы образуется эксцентриситет и, как следствие кручение здания целиком.

Расчеты показали, что при увеличении числа башен до четырех при аналогичных перемычках жесткость системы несколько повышается, первая частота возрастает с 1.2 до 1.5 Гц. Однако и здесь сохраняется склонность к крутильным колебаниям (3-я форма, 1.92 Гц). Также возникают формы, ромбовидные в плане, при которых возникают взаимные сближения башен по диагонали (4-я форма, 2.62 Гц).

Далее проведен анализ трехбашенной модели здания. Жесткостные параметры системы варьируются характером связей. Первый тип здания - три башни, связанные пластинами, равномерно распределенными по высоте. Второй тип здания - дополнительная связь сдвига на отметке 25-го этажа (стена толщиной 200 мм на высоту этажа по периметру). Третий тип - аналогичные связи сдвига на отметках 5,10,15,20 и 25 -этажей (Рис.5).

Рис. 5. Расчет трехточечных ЗСМ.

Для данной группы зданий получены собственные частоты и перемещения верха от статической и пульсационной ветровой нагрузки. (табл.2) Анализ показывает, что уже при установке связи сдвига на верхнем этаже перемещения снижаются с 27 до 15 см, что отвечает требованию СниП (Uxul). При установке дополнительных связей сдвига по высоте здания перемещения снижаются до 5 см. Что касается собственных частот, в треугольном типе зданий, в отличие от 2-х и 4-х башенных, частота, соответствующая крутильной форме колебаний, существенно выше первых 2-х частот, соответствующих изгибным формам. Из результатов, приведенных в таблицах следует, что наибольший эффект дают связи сдвига на отметке верхнего этажа, объединяющие отдельные башни и сокращающие депланацию сечения здания целиком.

Таблица 2.

Влияние горизонтальных нагрузок на динамическое и статическое поведение высотных зданий увеличивается при возрастании высот, падении массы здания, в результате применения новых материалов и рационального использования ее несущей способности. Для отдельных зданий с оптимизированной структурой падают одновременно и жесткость и масса, что ведет к падению собственной частоты колебаний и приводит к зыбкости верхних этажей. Для гарантирования прочностных свойств достаточна меньшая материалоемкость, чем для гарантирования нормированных ускорений и перемещений, поэтому выходом служит объединение комплекса зданий в здание сложной макроструктуры, при этом особое внимание следует уделить характеру связей между зданиями.

В третьей главе рассматриваются расчеты ЗСМ на сейсмическое воздействие.

Можно ожидать высокий уровень сейсмических сил и усилий в ЗСМ в силу их высокой жесткости . Поэтому предлагается использовать в несущей системе упруго-пластические связи (УПС). Изложен алгоритм расчета по акселерограммам, обоснована необходимость применения данного метода к расчетам зданий сложной макрострукутры на сейсмические воздействия.

Существующие методы расчета на сейсмические нагрузки - это спектральный метод СНиП и метод расчета по акселерограммам.

Расчет физически нелинейных ЗСМ с УПС спектральным методом невозможен по следующим причинам:

1. Физическая нелинейность системы при наличие в системе упруго-пластических связей. (УПС),

2. Отсутствие достоверных спектральных кривых для конкретных типов ЗСМ, которые не приводится к консольному стержню.

Учитывая ограничение программного комплекса версии ПК MicroFe 2006, в данном исследовании пришлось прибегнуть к использованию симметрии системы и замене внутренних упруго-пластических связей эквивалентными наружними УПС;

Также в главе даны некоторые рекомендации по выбору расчетных схем и расчету зданий сложной макроструктуры на сейсмические воздействия.

Рассмотрен расчет ЗСМ с учетом упруго-пластических связей при работе на ветровые и сейсмические нагрузки с помощью ПК MicroFe

Рассмотрена идея и алгоритм метода псевдожесткостей.

Приведена обобщенная формулировка метода псеводожесткостей, изложены псевдоупругие зависимости для различных моделей, предложенные Ю.Л.Рутманом. Описана возможность применения упруго-пластических демпферов в высотных зданиях. Показаны основные типы упруго-пластических связей (УПС).

В четвертой главе сделаны расчеты и даны рекомендации по рациональному проектированию ЗСМ, способных оптимально работать как на ветровые, так и на сейсмические нагрузки. Показан рациональное проектирование ЗСМ с учетом выбора расчетных схем и применения упругопластических связей (УПС).

При расчете зданий сложной мактроструктуры обнаруживается противоречивость требований при работе на ветровую и сейсмическую нагрузки.

При работе на ветровые нагрузки высотное здание требует жестких однородных связей. При сейсмических толчках ЗСМ требует податливость структуры. В данном исследовании использованы УПС д.т.н. Ю.Л. Рутмана, работающих упруго и пластически при различных усилиях и скоростях нагружений.

Рассматриваемое здание высотой 160 м относительно гибкое, для него больше опасны ветровые нагрузки, поэтому здесь применена жесткая перемычка, которая должна практически выключаться при сейсмических нагрузках. Поэтому в качестве элемента жесткости 2-х башенного ЗСМ принята перемычка, опертая на башни через УПС(рис.7, 11). Цель поиска - УПС должна отключаться и работать как пластическая только при усилиях землятресения, при статических и пульсационных ветровых нагрузках на спектр пульсации ветра УПС работает упруго.

Проведен расчет двухбашенного здания, состоящего из двух корпусов 54Ч16 м, раздвинутых на 24 м. Структура здания - плитный железобетонный каркас с сеткой колонн 8Ч8 м, этажность - 40 этажей, высота здания - 160 м. Рассмотрена как перемычечная, так и регулярная связевая система жесткости.

Рис.6. Расчетная модель 2-х точечного ЗСМ с регулярными крестовыми связями. Вид в профиль.

Рис. 7. Эпюра горизонтальных перемещений 2-х точечного ЗСМ высотой 160 м с регулярными связями от Статической(Гпст = 57мм), пульсационной (Гпп = 48мм) ветровой нагрузки а также сейсмической нагрузки (Гпс = 87 мм).

Рис.8. Расчетная модель 2-х точечного ЗСМ с крестовой перемычкой. Вид в профиль.

Рис.9. Эпюра горизонтальных перемещений 2-х точечного ЗСМ высотой 160 м с крестовой перемычкой от статической ветровой нагрузки(Гп = 83 мм), пульсационной ветровой нагрузки(Гп = 69 мм), от сейсмической нагрузки (6 баллов, Гп = 126 мм)

Результаты расчета коротко представлены в Таблице 3.

Таблица 3 Таблица перемещений 2-х точечного ЗСМ высотой 160 м

	Горизонтальное перемещение верха, мм
Вид нагрузки	Перемычка	Связевая решетка
Ветровая статическая нагрузка	83	57
Ветровая пульсационная нагрузка	69	48
Сейсмическая нагрузка 6 баллов	126	87

Сопоставление расчетов на действие ветровой и сейсмической нагрузок показал, что от максимальной ветровой статической и пульсационной составляющих ветровой нагрузки максимальный прогиб верха здания составил сокращается на 30% при применении полностью связевой системы взамен перемычки,

Прогиб от сейсмической нагрузки, полученный расчетом на МикроФе 2006 по спектральной теории от 7-бального землятресения дает прогиб равный 126 и 87 мм, что на 15% меньше чем суммарная ветровая нагрузка. Это объясняется относительно высокой гибкостью корпусов и склонностью рассеивать энергию колебаний. Предельный прогиб от ветровой нагрузки Fmax = 83 + 69 = 152 мм меньше максимально допустимого нормами и равного Нзд / 1000 = 160 000 мм / 1000 = 150 мм, что выполняет требование СНиП. Данный расчет показывает достаточную жесткость обоих систем при упругой работе без применения УПС и ее соответствие Нормам.

Анализ задачи показывает, что у опорных и галерейных связей необходимо разное усилие срабатывания. Для получения усилий срабатывания вычислены продольные усилия в связях регулярной решетки по наихудшей комбинации с учетом сейсмической нагрузки.

Рис.10. Эпюры продольных сил (кН) при наихудшей комбинации усилий (сейсмическая нагрузка) в регулярных связях 2-х точечного ЗСМ.

Рис.11. Эпюры продольных сил (кН) при наихудшей комбинации усилий (сейсмическая нагрузка) в одиночной связи 2-х точечного ЗСМ.

При сейсмическом толчке максимальные сдвигающие усилия возникают в опорной зоне, т.е в первых этажах здания, поэтому усилия включения связей первых этажей необходимо устанавливать существенно выше. При сейсмическом толчке силы инерции заставляют здание двигаться относительно грунта как единое целое.

Для высоких и гибких зданий, или отдельных башен здания сложной макроструктуры со связями-галереями характерно замедленное волнообразное включение связей по высоте.

Конечная цель расчета - поиск оптимальных жесткостей связей УПС в опорной и связевой зонах для обеспечения жесткости на статическую и пульсационную составляющие ветровой нагрузки и снижение усилий в колонных при сейсмическом толчке.

Для 9-бального толчка при втором типе грунта и 2-го ветрового района результаты показывают, что одноточечное здание показывает лишь вдвое большее перемещение и от ветра и от сейсмики, что говорит об отсутствии существенного повышения жесткости при данных перемычках. Увеличение перемещений от сейсмики показывает положительную податливость и преимущество одиночного здания при сейсмике перед двойным, т.к. оно деформируется больше двухточечного а усилия в нем на 20-25% меньше.Это подтвердило необходимость увеличения жесткости перемычки здания, т.к. допустимые перемещения для Н=160 м составляют 160 мм.

Простые соображения привели к идее аналогии работы двух-башенного здания на горизонтальную нагрузку с работой одноточечного здания с введением податливых опор в точках примыкания стержней ферм и связей перемычки.

Далее были рассмотрены варианты с крестовыми связями.

Как известно крестовые связи и регулярная связевая решетка наделяет здание высокой жесткостью при ветровом воздействии, и, как следствие повышает собственные частоты и инерционные силы при сейсмическом воздействии.

Рассмотрено поведение здания с параметрами, аналогичными предыдущим. Здание состоит из 2-х башен, связанных распорками и крестовыми связями (рис.12, 13) со связевой треугольной решеткой, как одиночной перекрестной связью, так и ферменной решеткой, регулярной по высоте. В качестве расчетной схемы принята одна башня, где в местах прикрепления диагональных связей наложены краевые условия, имитирующие связи с варьируемыми жесткостями.

Жесткость и сейсмостойкость здания из плоскости работы связей обеспечивается большим размером поперечного сечения башен в этом направлении. Как известно, низшая форма колебаний составного стержня связана с большими усилиями в раскосах нижних ярусов, играющих роль связей сдвига между башнями. Поэтому упруго-пластические связи должны быть введены именно в эти элементы.

Эффективный метод расчета систем с УПС изложен в [4] и реализован в программном комплексе “МicroFE” .

Алгоритм расчета ЗСМ с учетом УПС, использованный в данной главе, состоит в следующем:

1. Формирование расчетной модели здания с упругими связями.

2. Упругий расчет здания без УПС и нахождение оптимального соотношения жесткостей корпусов и связей для соответствия СНиП.

3. Нахождение предварительных усилий включения путем вычисления усилий в связях при расчете на сейсмику по спектральной теории.

4. Пересчет жесткостей внутренних связей на внешние путем геометрических преобразований.

5. Назначение параметров УПС в системе: для ЗСМ с двусторонними связями - кусочно линейная зависимость с гистерезисом.

- Выбор: cмещение или поворот

- Направление работы или оси поворота связи r,s,t

- Параметры диаграммы - Е - жесткость связи в упругом состоянии, Е1, жесткость связи в пластическом состоянии, Е2, жесткость связи на сжатие в пластическом состоянии.

- Назначение компенсационной жесткости, обычно применяемой равной жесткости Е1.

6. Расчеты по акселерограммам модели ЗСМ с внешними связями и поиск их отимальной жесткости и окончательного расчетного усилия включения путем перебора.

7. Цель расчета - минимизация абсолютного значения ускорений верха здания при расчетном землетресении.

Согласно данного алгоритма рассмотрены ЗСМ, изображенные на рис.12,13 . Это двухбашенные ЗСМ высотой 160 м, 40 этажей. Габариты башен 16х54 м, расстояние между башнями - 24 м. Здания объединены ферменной системой 2-x ( рис.12) или 5-ти (рис.13) крестовых связей. Расчетная бальность района по шкалн Рихтера принята 6 баллов (акселерограмма Холистера). Расчет по спектральной теории дает усилие срабатывания в первом уровне равное 4000 КН. Сечение металлических связей 200 см2.

В версии 2006 г. программного комплекса “МicroFE” реализован сейсмический расчет сооружений по акселерограммам при условии, что упруго-пластические связи являются внешними. Поэтому, с учетом косой симметрии задачи, перейдем к рассмотрению отдельной башни, где связевая крестовая решетка заменяется внешними моментными связями, приложенными в середине высоты панелей (рис. 12, 13). При этом при боковом толчке сжатые связи большой гибкости выключаются и система фактически работает как ферма с односторонней восходящей решеткой. Это дает возможность учитывать жесткость только растянутых раскосов.

Рис.12. Здание с перемычкой. Рис.13. Здание со связями.

Путем несложных преобразований получим, что жесткость моментной связи Rz при наклоне связей 45 градусов равна

Rz = 8 E F (1),

где Е - модуль упругости стали, а F - площадь поперечного сечения диагональной связи.При этом площадь поперечного сечения равна

F = Ncр / Ry (2).

Здесь Nср - усилие срабатывания раскоса, т.е. такое усилие в каждой конкретной диагонали, при которой она переходит в пластическую стадию своей работы, Ry -предел текучести стали.

Тогда момент срабатывания эквивалентной моментной связи равен

Мср = 8 Nср (3).

Аналогично можно найти остальные эквивалентные жесткости моментных связей.

Произведено два расчета: здание с двойной крестовой связью на уровне 2/3 высоты здания (рис.12) и здание со связевой решеткой, регулярной по всей высоте здания (рис.13). Первая схема, при варьировании жесткости УПС показала зону снижения ускорений до величин отдельно стоящего здания при определенном подборе величин жесткости и усилия включения УПС.

Подбор жесткостей показал возможность выключения связей и работу УПС как пластических при усилиях срабатывания 500 КН*м (см. таблицу 4). При этом удается снизить ускорения с 0.41 м/c2 до 0.27 м/c2, равному ускорению одиночной свободной башни.

Таблица 4. Ускорения, скорости и перемещения ЗСМ с 2-мя УПС.

Ускорения, скорости и перемещения с 2-мя УПС
Параметры системы/ тип здания	башня	2 башни с УПС	2 башни с УПС	2 башни с УПС
Жестк.Ч106,Усил.вкл.Ч102, кH	-	20,20	10,10	5,5
Ускорения	a.м/c2	0,27	0,41	0,33	0,27
Скорость	v.м/с	0,32	0,22	0,28	0,32
Перемещение	f, м	0,25	0,12	0,21	0,25

Рис. 14

Во второй схеме подбор усилий срабатывания и жесткостей по расчету по спектральной теории показал переменные усилия, убывающие аналогично значениям поперечных сил в составном стержне.

Подбор жесткостей показал возможность выключения связей и работу УПС как пластических при усилиях срабатывания 100-600 КН*м (см. таблицу 5). При этом удается снизить ускорения с 0.61 м/c2 до 0.48 м/c2, равному ускорению свободностоящего здания.

Таблица 5 Ускорения, скорости и перемещения здания ЗСМ с 5-ю УПС.

Ускорения, скорости и перемещения здания с 5-ю УПС
Параметры системы/ тип здания	башня	2 башни с УПС	2 башни с УПС	2 башни с УПС	2 башни с УПС
Жестк.Ч106,Усил.вкл.Ч102, кH	-	2-12Ч107	1-6Ч107	3-6Ч106	1-18Ч106
Ускорения	a.м/c2	0,48	0,61	0,61	0,52	0,48
Скорость	v.м/с	0,27	0,21	0,17	0,32	0,27
Перемещение	f, м	0,22	0,14	0,15	0,24	0,22

Рис. 15

Проведенный анализ показывает, что применение упруго-пластических связей позволяет снизить ускорения колебаний высотного здания сложной мактроструктуры при сейсмическом воздействии практически до значений отдельно стоящего здания, а значит снизить сейсмические силы и усилия в элементах башен.

Выводы

Основные результаты данной работы состоят в следующем

1. Сделан обзор основных проблем проектирования и существующих конструктивных схем высотных зданий и обоснована эффективность зданий сложной макроструктуры(ЗСМ).

2. Исследованы особенности поведения ЗСМ при действии ветровых и сейсмических нагрузок. Выявлена противоречивость требований к ЗСМ при работе на ветровую и сейсмическую нагрузки.

3. Показано, что для снижения сейсмических сил в ЗСМ возможно применение УПС. Разработан алгоритм расчета ЗСМ с применением УПС.

4. Установка связей рекомендуется в зоне наибольших усилий в диагональных связях между корпусами ЗСМ.

5. Усилия срабатывания рекомендуется принимать на 5-10% ниже продольных сил в стержнях связей , полученных при расчете на расчетное сейсмическое воздействие.

6. Использование УПС с правильно подобранными характеристиками позволяет снизить горизонтальные ускорения от расчетного сейсмического толчка практически до значений отдельно-стоящего здания.

Данную работу можно рассматривать как первую попытку исследования и разработки рекомендаций по расчету и рациональному проектированию зданий сложной макроструктуры (ЗСМ), как относительно нового типа зданий.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. А.А. Смирнов. Рациональное проектирование зданий сложной макроструктуры. Материалы доклада на 62-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ, 2 февраля 2006 г.

2. А.А. Смирнов. Железобетонные каркасы высотных зданий. Особенности поведения зданий сложной макроструктуры под действие горизонтальных нагрузок., Стройпрофиль, N3(49) 2006 г., с 34-35.

3. А.А. Смирнов. Рациональное проектирование зданий сложной макроструктуры, подверженных ветровым и сейсмическим воздействиям, журнал “Промышленное и гражданское строительство”., N 6, 2007 г. с.15-16.( публикация в издании, рекомендованном ВАК ).

4. А.А. Смирнов. Повышение сейсмостойкости высотных зданий сложной макро-структуры путем введения упруго-пластических связей. Стройпрофиль, N 5 (67) 2008 г. с.68

Размещено на Allbest.ru

...