11046

П.В. Дубовцев

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно- строительный университет»

СЕЙСМОИЗОЛЯЦИЯ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

Одним из самых страшных природных явлений, с которыми когда- либо приходилось сталкиваться человеку, является землетрясение. Землетрясение – это вид стихийного бедствия, характеризующийся подземными толчками и колебаниями земной поверхности. [1]

Для защиты зданий от сейсмического воздействия примеряют различные системы сейсмозащиты зданий, одним из которых является сейсмоизоляция. Сейсмоизоляция здания – это применение специальных конструктивных элементов, которые чаще всего расположены между фундаментом и надземной частью здания. [5] На данный момент наиболее перспективным методом сейсмоизоляции зданий – это применение резинометаллических опор, которые применяются при строительстве в сейсмоопасных районах России, а также за рубежом.

Объектом исследования является 16-этажное жилое здание расположенное в городе Владивосток, к котором, по данным карт сейсмической активности, могут происходить землетрясения в размере 7 баллов. Для исследования эффективности применения резинометаллических опор было смоделировано две конечно элементные схемы. Первая без устройства резинометаллических опор, а вторая с резинометаллическими опорами. Для здания были собраны все статические нагрузки и преобразованы в уплощенную схему стержня с массами. (рис.1).

Для того чтобы стержень стал зданием, нужно найти эквивалентную жесткости стержня, моделирующего колебания здания. Это было выполнено в предположении равенства перемещений верхней точки здания и принимаемого стержня при приложении статически эквивалентных нагрузок. Значение удельного перемещения верхней точки здания ( A1P ) принимается по результатам расчета конечно-элементной

модели здания в программном комплексе SCAD Office. (рис.2)

210

Рис.1 Упрощенная схема здания

Рис.2 Определение перемещений в расчётном комплексе SCAD Office

Эквивалентная жесткость стержня определяется по формуле:

где ;

;

.

По найденным перемещениям верхней точки здания от единичной нагрузки, приложенной по направлению оси Y, эквивалентная жесткость составляет .

211

Для определения собственных частот изгибных колебаний необходимо раскрыть определитель матрицы коэффициентов системы уравнений (1) [1,2,3]:

(1)

где, – удельное перемещение точки сосредоточения i-той массы от единичной силы, приложенной в точке сосредоточения j-той массы;

– коэффициент формы собственных колебаний для i-той массы;

– частота собственных поступательных колебаний системы.

Для того чтобы определить удельные перемещения , входящих в

уравнения (1), было за моделировано 8 эквивалентно жестких стержней, на каждую массу которых, прикладывалась единичная нагрузка. (рис.3)

Рис.3 Определение перемещений в расчётном комплексе SCAD Office.

После определения всех составляющих матрицы были получены значения первой и последующей частот колебания здания. Полученное значение первой частоты равно ω п =8,15 с-1. А также значения

– коэффициенты формы собственных колебаний.

Также зная частоту собственных колебаний можно определить период собственных колебании здания .

Далее была определена сейсмическая нагрузка, действующая на здание для каждой массы, по формуле:

212

Где коэффициент, учитывающий назначение сооружения и его ответственность, принимаемый по таблице 4.2 [5];

коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения зданий и сооружений, принимаемый по таблице 5.2 [5];

значение сейсмической нагрузки для i-й формы собственных колебаний здания или сооружения, определяемое в предположении упругого деформирования конструкций по формуле

Здесь масса здания или момент инерции соответствующей массы здания, отнесенные к точке k по обобщенной координате j, определяемые с учетом расчетных нагрузок на конструкции согласно

5.1[5];

значение ускорения в уровне основания, принимаемое равным 1,0; для расчетной сейсмичности 7 баллов соответственно [5];

коэффициент динамичности, соответствующий i-й форме собственных колебаний здания, принимаемый в соответствии с 5.6 [5];

коэффициент, принимаемый по таблице 5.3[5]; коэффициент, зависящий от формы деформации здания при его

собственных колебаниях по i-й форме, от узловой точки приложения рассчитываемой нагрузки и направления сейсмического воздействия, определяемый по 5.7, 5.8. [5]

Согласно расчету, были получены значения сейсмических нагрузок

Для второго здания была установлен резинометаллические опоры. И весь процесс расчета, перечисленный выше, происходил заново.

Значение первой собственной частоты поступательных колебаний, равно: ω п =5,61 с-1. Значения

– коэффициенты формы собственных колебаний. Значения сейсмических нагрузок

Значения периода собственных колебаний здания . Выводы:

213

1)При применении резинометаллических опор произошло

снижение сейсмической нагрузки на верхние этажи здания на 22 %.

2)Внизу здания нагрузка увеличилась, что говорит более равномерном распределении сейсмической нагрузки на здание, при применении резинометаллических опор.

Литература

1.Вдовина И.А. Опасные природные явления/ Вдовина И.А. – Нижний Новгород: НИРО, 2017. – 75 с.

2.Уздин А.М. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений/ А.М. Уздин – С. Петербург: ВНИИГ им. Б.Е. Венедеева, 1993, – 176с.

3.Хазов П.А. Влияние характеристик упругого основания на частоты

иформы собственных колебаний многоэтажного здания / П. А. Хазов О. М. Кофорова // Процессы в геосредах. – 2016. – № 8. – С. 47-51.

4.Дарков А.В. Строительная механика /А.В. Дарков А.В., Н.Н. Шапошников. – М.: Высшая школа, 1986. – 608 с.

5.СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических регионах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*». – М.:2018. – 145с.

Агеева Е.Ю., А.В. Луковников

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно- строительный университет»

ПЕРВЫЕ СПОРТИВНЫЕ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫЕ ЗДАНИЯ

В Санкт-Петербурге в 1967 году был построен Дворец спорта «Юбилейный» (Рисунок 1).

Здание имеет цилиндрическую форму с диаметром 94 м и высотой 22 м. На этом объекте было применено много новаторских технологий: это и монтаж с «колёс», и самое главное, это уникальная вантовая конструкция покрытия дворца спорта.

Особый интерес вызвало удачное решение архитектурной композиции здания – это ритмично повторяющиеся вертикали наружного объема, увязанные в единое целое с геометрией покрытия. Это здание даже стал называть «корзиночкой».

Вместимость этого большепролетного спортивного здания 6 000 зрителей, а после небольшой реконструкции сейчас там может разместиться 7 000 зрителей.

214

Рисунок 1. Схематическое изображение каркаса и покрытия Дворца спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге:

1 - наружное опорное контурное кольцо из железобетона; 2 - колонны каркаса из железобетона; 3 - вантовые фермы (сталь); 4 - кровельные панели (сталь); 5 -

внутренние опорные кольца (сталь)

Деревянные клееные большепролетные конструкции были впервые применены в 1981 году в Дворце спорта профсоюзов в Архангельске. Для этого здания были разработаны деревянные клееные арки, их длина составила 63 метра (Рисунок 2).

Дворец спорта в Архангельске – это многофункциональное спортивное сооружение. В его состав входит спортивная арена 65 на 50 метров, по бокам расположены трибуны на 2 000 мест. Также в состав входит зал для гимнастики длиной 30 метров на 17 метров. Благодаря многофункциональности в этом Дворце спорта можно проводить различные спортивные состязания: и по хоккею с шайбой, и по фигурному катанию, и по аэробике, и по спортивной гимнастике, и по аэробике, и другим видам спорта.

Рисунок 2. Дворец спорта в г. Архангельске (внутренний вид)

215

Следующий объект, заслуживающий внимательного изучения и исследования – это спортивно-концертный комплекс имени Карена Демирчяна (Рисунок 3). Его построили в 1984 году в Ереване. Авторы – архитекторы А. Тарханян, С. Хачикян, Г. Погосян, Г. Мушегян. Неоднозначность формы и необычная объёмно-пространственная композиция здания привлекает внимание и восхищает своей динамикой.

В этом здании применены большепролётные оболочки. Они перекрывают спортивные залы, а опорой служат мощные пилоны. Естественное освещение верхнее, в вантовой конструкции свода запроектировано остекление, также естественный свет попадает сбоку под консольными конструкциями.

Рисунок 3. Спортивное сооружение в Ереване, Армения. Внешний вид и разрез

Здесь также задана многофункциональность здания. Причем залы имеют большую вместимость: один зал на 5 000 мест и предназначен для спортивных состязаний и проведения концертов, второй спортивный зал на 1 300 мест.

Но при этом внешняя динамичность органично связана и с внутренней. Так оба зала имеют поворотные трибуны, что дает возможность увеличивать вместимость каждого зала при необходимости еще на 1 000 мест. Сцена запроектирована классическая, с колосниками. И

216

пространство над колосниками также используется. Там размещены конференц-залы.

Само здание создает образ мощной птицы, взмахивающей крыльями, настолько удачно здесь выбрано очертание вантовых конструкций.

Институт «Казпроектстальконструкция» запроектировал в 1994 году в Алма-Ате спортивное сооружение с большепролетным покрытием. Это здание имеет размеры 142 на 110 м. И перекрытие представляет собой пять мембранных оболочек, выполненных из стали 4 мм толщиной.

Интерес для изучения представляет бассейн спорткомплекса «Олимпийский» (Рисунок 4), запроектированный в 1996 г. Это здание имеет овальную форму в плане, перекрытое вантовыми конструкциями, а именно – жесткими висячими фермами. Размеры в плане 126 на 140 метров.

Рисунок 4. Бассейн спорткомплекса «Олимпийский» в Москве

На вышеприведенных примерах наглядно видно история создания и эволюция большепролетных спортивных сооружений на территории бывшего Советского Союза. Наибольший вклад внесли в разработку большепролетных конструкций этого периода внесли Н. М. Кирсанов, А. Ю. Кистяковский, В. В. Адамович, Д. Н. Зверев, Ю. А. Дыховичный и др.

Следует отметить, что большинство работ, освещающих вопросы по проектированию спортивных сооружений с большепролетными конструкциями относятся к достаточно далекому советскому периоду 50- 80-х годов. Современные работы с подробным рассмотрением и исчерпывающим анализом этих зданий практически отсутствуют, что является предпосылкой к подробному освещению данной проблемы.

217

Литература

1.Историческая справка «Дворца спорта профсоюзов»

[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://dvorecsporta.ru/about.html,

свободный. – Загл. с экрана.

2.Федорова, О. В. Кровля как элемент трансформации в спортивном сооружении / О. В. Федорова // Архитектон: известия вузов. – № 38. –

Июль 2012.

3.Проектирование стадионов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://arch-grafika.ru/forum/37-322-1, свободный. – Загл. С

Л.Ю. Цветнова

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно- строительный университет»

СПОСОБЫ ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ В СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

Изучение способов гашения колебательных нагрузок в строительных конструкциях является достаточно актуальной темой исследования на сегодняшний день. Высокие темпы роста и развития современных городов вынуждают вести высотное и многоэтажное строительство повсеместно. Однако около 30% территорий нашей страны подвержены сейсмической опасности, что осложняет проектирование и возведение зданий и сооружений в этих зонах. Сейсмические нагрузки являются крайне опасными не только внезапностью своего возникновения, но и с точки зрения прогноза реакции строительной конструкции на неравномерные колебания. Сейсмические колебания – опасное природное явление, которое отличается непредсказуемым характером.

Неравномерность колебаний осложняет возможность описания данного явления математически, так как частота природных колебаний не постоянна и может изменяться каждую секунду. С точки зрения инженерии, даже максимально возможное усиление конструкций здания не гарантирует его надежность в случае землетрясения, поскольку неравномерные нагрузки могут вызвать повреждение не здания в целом, а какого-то несущего элемента конструктивной системы, который может повлечь за собой разрушение.

Сейсмоопасные регионы России (Курильские острова, остров Сахалин, Камчатка, Алтай и т.д.) расположены достаточно далеко от ее Центральной части, поэтому вероятность возникновения землетрясений в этой зоне крайне мала или отсутствует. Однако отголоски серьезных землетрясений могут дойти и до центральных регионов, как это было в 2013 году в Нижнем Новгороде. 24 мая 2013 года произошло

218

землетрясение магнитудой 8,2 балла на побережье Камчатки. Эпицентр землетрясения находился в 15 км от побережья Камчатки в акватории Охотского моря на глубине 600 км. Ударная волна дошла до Нижнего Новгорода, вызвав колебания, ощутимые в большей части города.

Кроме того, в крупных городах большое распространение получили техногенные вибрационные нагрузки. Согласно статистике, железнодорожный транспорт является одним из самых востребованных у жителей нашей страны [1]. Также стоит отметить, что кроме железных дорог существуют трамвайные пути и линии метрополитена глубокого и мелкого заложения. При этом, вибрационные нагрузки от рельсового транспорта являются более критичными для зданий и сооружений, чем от другого, такого как: автомобили, автобусы и т.п. Все это приводит к проблеме предотвращения колебательных воздействий на здания от железнодорожного транспорта.

ВНижнем Новгороде особенно ярко эта проблема выявляется в условиях уже существующей застройки, поскольку раньше проектировщики не задумывались о влиянии техногенных вибраций на будущие постройки. Но, не смотря на это, последствия техногенных вибраций не так опасны, как природных, поскольку влияние источника колебаний, созданного человеком можно спрогнозировать на основании существующего опыта и компьютерных программ, в отличие от природных явлений.

Вслучае проектирования зданий и сооружений в зонах подверженных любым колебательным воздействиям, оптимальным решением является демпфирование. Демпфер (с немецкого Dämpfer – «глушитель») – устройство для успокоения или предотвращения вредных механических колебаний звеньев машин и механизмов путем поглощения энергии [2]. Рассматривая понятие «демпфер» в рамках данной темы, «вредные» колебания – сейсмические или техногенные, а под машинами и механизмами стоит понимать здания и сооружения.

Гасить нежелательные колебания другими противофазными колебаниями является логичным с точки зрения математики и физики, однако в реальности, мы не можем давать зданию какую-либо колебательную нагрузку постоянно, поскольку сейсмические нагрузки не являются постоянными и равномерными. Но гасить колебания необходимо, например, с помощью различных типовых проектных решений и виброизолирующих конструкций. Таких способов решения вопроса колебательных воздействий на строительные конструкции бывает достаточно для техногенных вибраций, но далеко не всегда удается достоверно рассчитать достаточные параметры виброизоляторов для сейсмоопасных зон. Данные расчеты могут быть весьма сложными и выходящими за рамки инженерно-строительной области. К тому же, учитывая специфику стройки, во все строительные расчеты закладываются

219