Исследования и расчет сейсмоизолирующей адаптивной системы "свая в трубе" с выключающимися связями с учетом характеристики грунтов Гаипов Сардар Керимбаевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Краткий обзор и анализ работ по системам с сейсмоизолирующими адаптивными свойствами 12

1.1. Виды и классификация систем с сейсмоизолирующими адаптивными свойствами 12

1.2. Конструктивные решения и стадии работы системы «свая в трубе» 19

1.3. Выводы к главе 1 26

2. Обоснование расчетной модели системы «свая в трубе» 28

2.1. Обоснование динамической расчетной модели системы «свая в трубе» 28

2.2. Анализ приращений сейсмической интенсивности площадок в зависимости от грунтовых условий

2.3. Выводы к главе 2 40

3. Расчеты элементов системы «свая в трубе» на сейсмические воздействия с учетом неупругих деформаций 41

3.1. Обоснование метода построения зависимости «горизонтальная нагрузка - горизонтальное перемещение» с учетом момента от вертикальной нагрузки на горизонтальных перемещениях системы «свая в трубе» 41

3.2. Сейсмическое воздействие вблизи дневной поверхности земли и закономерность его изменения по глубине основания 62

3.2.1. Приращение сейсмической интенсивности в зависимости от сейсмической жесткости грунтов основания 62

3.2.2. Закономерность изменения ускорений грунта по глубине основания 67

3.3. Расчет сейсмического движения железобетонной сваи с выключающимися металлическими балками с учетом нелинейных деформаций 82

3.4. Учет внутреннего трения материалов системы «свая в трубе» в расчетах на сейсмические воздействия 89

3.5. Практические расчеты зданий на фундаментах «свая в трубе» с учетом сейсмических нагрузок 98

3.6. Выводы к главе 3 125

4. Рекомендации по проектированию и экономический эффект применения системы «свая в трубе» 127

4.1. Рекомендации по проектированию зданий с использованием сейсмоизолирующей системы «свая в трубе» с выключающимися связями 127

4.2. Экономический эффект применения системы «свая в трубе» 138

4.3. Выводы к главе 4 153

Заключение 156

Список литературы

• Конструктивные решения и стадии работы системы «свая в трубе»
• Сейсмическое воздействие вблизи дневной поверхности земли и закономерность его изменения по глубине основания
• Расчет сейсмического движения железобетонной сваи с выключающимися металлическими балками с учетом нелинейных деформаций
• Экономический эффект применения системы «свая в трубе»

Введение к работе

Актуальность темы. В России одна пятая часть территории относится к сейсмическим районам. Обеспечение сейсмостойкости промышленных, гражданских, общественных зданий и сооружений в этих регионах страны имеет очень важное народнохозяйственное значение.

За несколько последних десятилетий сменили одна другую две, на первый взгляд, противоположные концепции проектирования сейсмостойких зданий и сооружений. Одна из них, возникшая в начале прошлого столетия, опиралась на принцип, в наиболее отчетливой форме провозглашенный и воплощенный в жизнь японскими учеными: более сейсмостойкими являются жесткие сооружения. В 1950-х годах практически одновременно в СССР и США возникла другая концепция: чем меньше жесткость сооружения, тем ниже действующие на него сейсмические нагрузки. Начали разрабатываться более гибкие каркасные здания, сооружения с гибкими нижними этажами, здания с разрезанными в углах стенами и другие подобные системы. Снижением жесткости стремились уменьшить сейсмические нагрузки.

Анализ последствий многих разрушительных землетрясений показал, что некоторые землетрясения вызывают наибольшие разрушения в более жестких зданиях и сооружениях, другие действуют разрушительным образом на гибкие здания и сооружения. Например, землетрясение 21 мая 1960 г. в г. Консепсьоне (Чили) вызвало массовые разрушения жестких одноэтажных зданий, в то время как находившиеся вблизи высокие гибкие дымовые трубы из кирпичной кладки остались практически неповрежденными. При землетрясении 22 мая 1960 г. в Вальдивии и Пуэрто Монтте, наоборот, наблюдались разрушения гибких зданий и сооружений. Эти различия в проявлении сейсмических эффектов объясняются различными спектральными характеристиками движения грунта.

Если известны определенная доминантная частота сейсмических колебаний грунта и другие спектральные характеристики, то можно использовать принцип сейсмоизоляции, аналогичный принципу обычной промышленной виброизоляции. Назначая параметры конструкций таким образом, чтобы частоты собственных колебаний системы значительно отличались от преобладающей частоты сейсмических колебаний грунта, можно было бы намного снизить сейсмическую нагрузку. Применение таких методов сейсмоизоляции (например, здания с гибкими нижними этажами, дома, подвешенные на пружинах, подвесные перекрытия, оборудование и т. п.) предлагалось многими авторами. В связи с этим исследования по решению этих вопросов являются актуальными.

Степень разработанности темы диссертации. Исследованиями сейсмоизоляции и адаптации в теории сейсмостойкого строительства занимались многие отечественные (Айзенберг Я. М., Поляков В. С, Смирнов В. П., Назин В. В., Курзанов А. М., Килимник Л.С., Черепинский Ю. Д. и др.) и зарубежные (Kelly G., Constantinou М. С, Dicleli М., Buckle I. G., Mayes R. L. и др.) ученые. Однако вопросы исследования и расчета сейсмоизолирующей адаптивной системы «свая в трубе» с выключающимися связями до сих пор остаются открытыми.

Целью диссертации является исследования и разработка методов расчета сейсмоизолирующей адаптивной системы «свая в трубе» с выключающимися связями в сейсмических районах.

Задачами проведенных исследований являются:

1. Рассмотрение обзора опубликованных работ и выводы об актуальности исследовании.

2. Определение и построение зависимости «горизонтальная сила - горизонтальное перемещение» конструкции «свая в трубе».

3. Рассмотрение сейсмических воздействий вблизи дневной поверхности и закономерность его изменения по глубине основания.

4. Применение адаптивных (самонастраивающихся) систем сейсмозащиты.

5. Рассмотрение работы наружной трубы в системе «свая в трубе».

Научная новизна работы заключается в следующем:

6. Определены и построены зависимости «горизонтальная сила - горизонтальное перемещение» конструкции «свая в трубе» с учетом продольного изгиба (эффект вертикальной силы на горизонтальных перемещениях Р-А) и неупругих деформации железобетонной сваи. По результатам исследования разработаны две программы расчета.

7. Рассмотрены сейсмические воздействия вблизи дневной поверхности и закономерность его изменения по глубине основания. Впервые предложены два подхода определения сейсмических воздействий на глубине основания.

8. Исследованы и рассчитаны случаи системы «свая в трубе» на реальные сейсмические воздействия прямыми динамическими численными интегрированиями. По результатам исследования разработана программа расчета способом «линейного ускорения» Клафа, Пензиена, Вилсона.

9. Применена адаптивная (самонастраивающаяся) система сейсмозащиты при неопределенности прогноза спектрального состава сейсмических воздействий с помощью выключающихся связей на уровне оголовка наружной трубы.

Теоретическая и практическая ценность работы определяется следующим: 1. Исследована конструкция «свая в трубе» с выключающимися связями, которая позволяет снизить сейсмические воздействия в несколько раз. При этом не только

повышается надежность здании и сооружении при сейсмических воздействиях, но

и экономические показатели здании и сооружении. 2. Полученные результаты показывают эффективность применения системы «свая в

трубе» в зданиях и сооружения до 14 этажей с периодами собственных колебаний

до 1 с.

Методология и методы диссертационного исследования. Исходя из поставленных задач, диссертационное исследование выполнено по методологии системного анализа сейсмоизолирующей адаптивной системы «свая в трубе» в сейсмических районах. Основными методами исследования приняты теоретический анализ и синтез, математические моделирования, численные компьютерные эксперименты и тестирования сейсмоизолирующей адаптивной системы «свая в трубе» в сейсмических районах.

Степень достоверности результатов. Так как исследования и расчет сейсмоизолирующей адаптивной системы «свая в трубе» выполнены на основании нормативных положении и гипотез полученные результаты являются достоверными. Также достоверность подтверждают проведенные численные эксперименты и тестирования сейсмоизолирующей адаптивной системы «свая в трубе» в сейсмических районах.

Апробация результатов работы.

В полном объеме работа доложена и одобрена на заседании кафедры «Железобетонные конструкции» ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет». Результаты работы обсуждены и доложены на следующих конференциях:

- IX Всероссийская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и
сейсмическому районированию с международным участием «Сочи-2011» (г. Сочи,
сентябрь 2011 г);

- Научно-практическая конференция по сейсмостойкому строительству с
международным участием (г. Ашхабад, август 2011 г);

- X Всероссийская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и
сейсмическому районированию с международным участием «Сочи-2013» (г. Сочи,
сентябрь 2013 г).

Внедрение результатов исследований.

Результаты исследований внедрены в проект двухэтажной школы на 500 мест в Проектном институте «Ашхабадгорпроект». В приложение к диссертации включены материалы, подтверждающие внедрение результатов работы.

Личное участие соискателя в полученных результатах, изложенных в диссертации, заключается в следующем:

1. Разработка методики построения зависимости «горизонтальная сила -горизонтальное перемещение» конструкции «свая в трубе» с учетом продольного

изгиба (эффект вертикальной силы на горизонтальных перемещениях Р-А) и неупругих деформации железобетонной сваи.

2. Исследования сейсмических воздействий вблизи дневной поверхности и закономерность его изменения по глубине основания. Анализ способов моделирования сейсмических воздействий по глубине основания и их приращений в различных вариантах сейсмичности площадки строительства.

3. Исследования и методика расчетов практических случаев системы «свая в трубе» на реальные сейсмические воздействия прямыми динамическими численными интегрированиями.

4. Способы применения адаптивных (самонастраивающихся) систем сейсмозащиты при неопределенности прогноза спектрального состава сейсмических воздействий с помощью выключающихся связей на уровне оголовка наружной трубы.

На защиту выносятся

1. Методика моделирования и построения зависимости «горизонтальное перемещение» - «горизонтальная сила» железобетонных свай системы с учетом продольной силы на перемещениях.

2. Методика моделирования и построения зависимости «горизонтальное перемещение» - «горизонтальная сила» выключающихся связей из металлических балок системы.

3. Методы определения сейсмических воздействий на глубине от поверхности земли с учетом характеристик грунтов.

4. Количественная оценка эффективности применения системы «свая в трубе» в зависимости от характеристик грунтов по сейсмическим свойствам.

5. Методика моделирования и расчета системы «свая в трубе» с выключающимися связями с учетом характеристик грунтов на сейсмические воздействия, заданные инструментальной или синтезированной акселерограммой.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (108 наименований) и двух приложении. Общий объем работы составляет 185 печатных листов, включая 52 рисунка, 9 таблиц, 2 приложения.

Конструктивные решения и стадии работы системы «свая в трубе»

Наряду с методами повышения несущей способности конструкции при сейсмических воздействиях разрабатываются альтернативный путь обеспечения сейсмостойкости зданий и сооружений, а именно: путем снижения сейсмических нагрузок. Это достигается с помощью специально предназначенных и рассчитанных конструкции для снижения сейсмических нагрузок.

Эти конструкции для снижения сейсмических нагрузок можно условно разделить на четыре вида систем: сеисмоизолирующие системы, адаптивные системы, системы с повышенным демпфированием, системы с гасителями колебаний[15].

В сейсмоизолирующих системах снижение сейсмических нагрузок достигается использованием фундаментов специальной конструкции. Попытки создать такой фундамент предпринимались еще в древности: поверху фундамента под стены укладывали мягкие прокладки, устраивали прослойки из чистой глины, камыша. Количественное обоснование эта идея получила только в 1930-х годах, с появлением спектров отклика.

Увеличивая жесткость здания, можно сместить его собственные частоты в «зарезонансную» область спектра, где кривая понижается. Однако в этом случае при любой частоте здания ускорение не может быть меньше максимального ускорения грунта. Если же не повышать, а понижать частоту, то при стремлении ее к нулю ускорение также стремится к нулю. Отсюда возникла идея спроектировать фундамент таким образом, чтобы как можно более понизить собственную частоту здания.

Предложено множество вариантов конструктивного решения сейсмоизолирующих систем: здания с гибкой нижней частью, различного вида опоры - кинематические, подвесные, скользящие.

Хотя при понижении собственной частоты здания ускорения(то есть сейсмические нагрузки) уменьшаются, но одновременно увеличиваются перемещения. В итоге конструирование сейсмоизолирующих систем сводится к поиску оптимума, обеспечивающего достаточно низкий уровень сейсмических нагрузок при приемлемых относительных перемещениях двух частей фундамента. Одним из видов сейсмоизолирующих конструкции является резинометаллическая опора, которая состоит из чередующихся слоев резины и металлических пластин. Одним из недостатков резинометаллических опор является их старение и недолговечность.

Основным недостатком сейсмоизолирующих систем является то, что они эффективны только на высокочастотных землетрясениях.

Идея адаптивных систем сейсмозащиты сводится к тому, чтобы в процессе землетрясения изменять динамические характеристики конструкции, в результате чего ее собственные частоты «уйдут» из опасного резонансного диапазона, соответствующего преобладающим частотам землетрясения. Этого можно достигнуть двумя способами: выключающихся и включающихся связей.

Первые - это специально предусмотренные «слабые» конструкции (раскосы, панели и т. п.), разрушающиеся при землетрясении. В результате уменьшается жесткость системы, а значит, и ее собственные частоты.

Второй тип связей в отсутствие землетрясения в работе здания не участвует, а включается только в его процессе при определенной величине перемещений. Это могут быть установленные с зазором упоры-ограничители и упругие связи, провисающие растяжки и т. п. При их включении жесткость системы и частота ее колебаний возрастают. Тогда сейсмические нагрузки на такие связи могут оказаться весьма значительными.

Системы с повышенным демпфированием сводится к введению в конструкцию здания специальных устройств, повышающих рассеяние энергии, что как известно, приводит к уменьшению сейсмических нагрузок системы. Такими устройствами могут служить вязкие демпферы различных типов, элементы с повышенной пластической деформацией, фрикционные устройства сухого трения и т. п.

Системы с гасителями колебаний были предложены в начале XX века. Идея гасителя в том, что к основной системе с одной степенью свободы присоединить вторичную динамическую систему (массу на пружине) с собственной частотой, совпадающей с частотой возмущающейся силой, то есть настроенную строго в резонанс с возмущением. Тогда колебаться будет только вторичная система, а перемещения первичной будут равны нулю.

Теоретически подавления колебаний сооружения можно добиться сколь угодно малой массе гасителя, но ее перемещения окажутся большими, что реально изготовить упругий элемент такого гасителя невозможно. Поэтому его масса должна быть соизмерима с массой первичной системы. Видимо, по этой причине динамические гасители до сих пор находили применение в машиностроении. В последние годы их стали использовать и в строительстве для защиты от ветра и вибраций при работе технологического оборудования, но прежде всего для относительно легких объектов (башен, мачт). Кроме динамических, существуют гасители иных типов: ударного типа, активного типа.

Сейсмическое воздействие вблизи дневной поверхности земли и закономерность его изменения по глубине основания

Во время землетрясений конструкции фундаментов повреждаются редко. Несмотря на это, значение фундаментов в обеспечении сейсмостойкости зданий велико. Фундаменты первыми воспринимают сейсмические толчки и передают их в верхние части здания.

Сопротивление свайных фундаментов сейсмическим воздействиям, их высокая несущая способность во время землетрясений, а также, в известных случаях, позитивное влияние свай на динамические характеристики сооружения бесспорны. Поэтому свайные фундаменты являются целесообразным инженерным решением при фундировании здания.

Эффективно применение свайных фундаментов в условиях слабых грунтов в сейсмических районах. Особенно радикального эффекта можно достичь при полной прорезке сваями слабых, сильно сжимаемых слоев основания и опираний их острия в несущий слой грунта I категории по сейсмическим свойствам. Однако, несущим слоем для фундаментов может быть и часть грунтов II категории по сейсмическим свойствам. В связи с разнообразием и сложными условиями фундирования, строительная практика в условиях слабых грунтов требует особого внимания в поиске оптимального решения задачи. Рассмотрим типичные инженерно-геологические условия и рекомендуемые схемы фундирования.

При расположении несущих слоев грунта в пределах глубин от дневной поверхности от 5 до 15 м целесообразно применение забивных призматических железобетонных свай длиной до 15 ми поперечным сечением от 25x25 до 35x35 см, концы которых объединяются монолитным или сборным ростверком. Такого типа свайные фундаменты получили широкое распространение в мировой практике со второй половины прошлого столетия [30].

В таких же условиях эффективно применение свайных фундаментов из буронабивных свай, например по технологии французской фирмы «Беното». Слабые грунты могут распространяться на большие глубины и подстилаться плотными грунтами I и II категорий по сейсмическим свойствам. В таких случаях, при технической обеспеченности строительства, можно применять забивные составные (одностыковые) призматические железобетонные сваи длиной до 30 м и сечением 35x35 см.

В аналогичных грунтовых условиях возможно применение буронабивных свай с обсадной трубой диаметром 500-КЮО мм и железобетонным «сердечником». Заметим, что обсадная труба предохраняет пробуренный ствол скважины от обрушения и одновременно может предохранять сваю от сульфатной агрессии грунтов основания.

Если свайные фундаменты прорезают слабые грунты основания и своим острием опирается в скальный грунт или в грунт I категории по сейсмическим свойствам, можно считать, что сейсмостойкость здания в части фундирования может быть обеспечена. Что же касается свайных фундаментов со сваями, погруженными в грунт II категории, то прежде всего должно быть решено являются ли сваями-стойками забитые сваи, какова их несущая способность.

При выборе вида фундамента рекомендуется учитывать, что применение свайных фундаментов взамен ленточных на естественном основании для жилых и общественных зданий в относительно благоприятных грунтовых условиях, как правило, бывает целесообразным при глубине заложения ленточных фундаментов более 1,7 м от поверхности планировки, а для производственных зданий - при глубине заложения отдельно стоящих фундаментов более 2,5 м.

Следует обратить внимание на целесообразность применения свайных фундаментов при строительстве на слабых грунтах (больших толщах текучепластичных и текучих глинистых, насыпных, заторфованных и др.), а также при высоком горизонте грунтовых вод и при глубоком сезонном промерзании грунтов.

При наличии скальных грунтов на глубине до 2,5 м от поверхности земли применение свайных фундаментов нецелесообразно [55].

Экономически оправдано опирание свай на несжимаемые и малосжимаемые грунты (например, скальные, твердые глинистые, плотные пески, галечниковые и т. п.) при их залегании на глубине более 2,5 м.

Применение свайных фундаментов в большинстве случаев обеспечивает: общую устойчивость сооружения, его надежность; снижение объема земляных работ; повышение индустриализации строительства, сокращение трудоемкости работ; сокращение сроков строительства, уменьшение расходов стали и бетона.

По условиям взаимодействия с грунтом сваи подразделяют на сваи-стойки и висячие. К сваям-стойкам стойкам относят сваи всех видов, опирающиеся на скальные грунты, а забивные сваи, кроме того, на малосжимаемые грунты. К малосжимаемым грунтам относятся крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем средней плотности и плотным, а также глины твердой консистенции в водонасыщенном состоянии с модулем деформации Е 5000 Мпа (500 кг/см2). Силы сопротивления грунтов, за исключением отрицательных (негативных) сил трения на боковой поверхности свай-стоек, в расчетах их несущей способности по грунту основания на сжимающую нагрузку не должны учитываться. Отрицательными (негативными) силами трения называются силы, возникающие на боковой поверхности сваи при осадке околосвайного грунта и направленные вертикально вниз. К висячим сваям относятся сваи, опирающиеся на сжимаемые грунты и передающие нагрузку на грунты основания боковой поверхностью и нижним концом.

В фундаментной системе «свая в трубе» могут применяться все вышеуказанные виды свай, которые способны выдержать возникающие нагрузки особого сочетания нагрузок с учетом сейсмических воздействии. В фундаментной системе «свая в трубе» не рекомендуются сваи без поперечного армирования и ограничиваются к применению сваи-колонны (безростверковые сваи). Сваи без поперечного армирования не предназначены воспринимать сейсмические нагрузки. А сваи-колонны из-за большого расстояния между их осями не могут применяться в зданиях и сооружениях с большими нагрузками. Сваи-колонны применяются, обычно, только в сооружениях с малыми вертикальными нагрузками.

При слабых верхних слоях грунтов основания зданий в практике строительства часто применяют свайные фундаменты, которые позволяют передавать нагрузки от вышележащих конструкций здания на нижние, более прочные, слои грунтов основания. Выявлено, что обычные конструктивные решения свайных фундаментов в грунтах увеличивают жесткость только в вертикальном направлении, а горизонтальная жесткость основания при этом не меняется. Свайные фундаменты не меняют существенно величины горизонтальных сейсмических воздействий. В исследованиях [21] экспериментально установлено, что при обычных свайных фундаментах сейсмические колебания передаются на здание аналогично случаю без свайных фундаментов.

Расчет сейсмического движения железобетонной сваи с выключающимися металлическими балками с учетом нелинейных деформаций

Согласно решению для однородного основания и аналогично решениям А. 3. Капа периоды колебаний первой, второй и третьей форм колебаний связаны следующими соотношениями: Тог=Тоі/3, Тоз=Тоі/5.

Отметим, что в аналогичных соотношениях оказываются и периоды первых трех форм колебаний Ті, Тг и Тз большинства зданий массовой застройки [77].

Это сходство динамических характеристик оснований и надземных зданий имеет важное практическое значение. Оно позволяет при избегании резонансных явлений в зданиях по основной форме колебаний автоматически их избегать и по высшим формам колебаний, и, наоборот, в случае резонансных колебаний по первой форме вероятность их образования по высшим формам будет большая.

Рассматривая и анализируя отдельно скальные грунты можно вычислить предельную учитываемую в расчетах мощность слоя. В работе [78] вычислена мощность учитываемого скального грунта в пределах до 50 м.

Количественные данные о преобладающих колебаниях аллювиальных и скальных грунтов в основном наблюдались при землетрясениях умеренной интенсивности. При сильных землетрясениях необходимо уточнять величины преобладающих периодов колебаний, когда деформация грунтов сопровождается пластическими и остаточными явлениями.

Причиной большинства случаев обрушений и серьезных повреждений зданий и сооружений при сильных землетрясениях являются резонансные колебания. Об этом свидетельствуют и большие повреждения отдельных сооружений при низких уровнях амплитуд ускорений грунта. Это значит, что при проектировании новых зданий следует достоверно прогнозировать не только максимальную амплитуду ускорения грунта, но и величину преобладающего периода колебания грунта и длительность интенсивных участков на акселерограмме во время землетрясения. В действующих нормативных документах это приближенно учитывается с помощью графиков типа графика (3. Самые общие сведения о величине преобладающих периодов колебаний грунта можно почерпнуть из спектров реакции (по значениям периодов, соответствующим пиковым значениям ускорений), построенных по записям акселлерограмм грунта, зарегистрированных на участках грунтов с различными геологическими разрезами [78].

Результаты определения преобладающих периодов по вышерассмотренным формулам и сравнительный анализ с их значениями, установленными на этих же площадках при записях микроколебаний или регистрациях реальных землетрясений, позволяют судить о достаточной степени точности получаемых значений периодов. Значения периодов совпадают с результатами гармонических анализов микроколебаний и близки к значениям, зарегистрированным (по акселерограммам) во время реальных землетрясений на тех же площадках. Эти данные имеют особое значение при выполнении расчетов с учетом сейсмических воздействии рассматриваемых в настоящей работе адаптивных систем с изменяющейся жесткостью, частот собственных колебаний.

Еще в 60-х годах прошлого столетия К. Канаи установил, что при землетрясениях с магнитудой М 6 реальные значения преобладающих периодов колебания грунта приближаются к их значениям, установленным экспериментально путем гармонического анализа микроколебаний грунта данной местности. Результаты исследований, приведенные в ряде работ, показали, что значения преобладающих периодов по пиковым значениям ускорений на спектре реакции и по спектру Фурье по акселерограмме одного и того же землетрясения отличаются очень незначительно. При этом максимальное (наибольшее из пиковых) значение ускорения на спектре реакции может иметь место, как для низких, так и для высших гармоник колебания грунта.

Вышеизложенное свидетельствует о том, что во время сильного землетрясения в деле формирования периодов акселерограмм на поверхности Земли (на строительной площадке) главную роль играют периоды свободных колебаний приповерхностной неоднородной толщи. Это означает, что на данной строительной площадке акселерограммы, зарегистрированные от разных землетрясений, должны иметь примерно одинаковые преобладающие периоды. Это упрощенное предположение о генерации частотного состава акселерограмм сильных землетрясений значительно облегчит также принципы формулирования синтетических акселерограмм для данной строительной площадки. Ожидаемое максимальное значение ускорения грунта можно вычислять по эмпирическим формулам в зависимости от магнитуды возможных очагов М, их глубины h и эпицентрального расстояния А.

Предположение о решающей роли периодов свободных колебаний (преобладающих периодов) приповерхностной толщи в формировании колебательного процесса на поверхности Земли во время сильного землетрясения перекликается с механикой возникновения землетрясения как результат внезапного разрыва сплошной среды и распространения энергии этого разрыва посредством упругих сейсмических волн. Сейсмические волны в верхних, менее стесненных с точки зрения деформирования, слоях Земли, нарушают их статическое равновесие, вследствие чего в них возникают сдвиговые колебательные процессы (аналогичные свободным сдвиговым колебаниям сплошной упругой среды конечных размеров с заданными физико-механическими параметрами) с преобладающими периодами, равными периодам свободных колебаний среды. В результате суперпозиции этих затухающих гармонических колебаний формируется акселерограмма землетрясения данного участка поверхности Земли. На сильно неоднородных участках поверхности Земли суммарный характер колебаний существенно будет зависеть от характера многократно отраженных и преломленных от нижних слоев и вновь выходящих в верхний слой сейсмических волн. Эти отраженные и преломленные волны, как в оптике и акустике, суммируясь с начальной падающей волной на верхнем слое, непрерывно будут порождать новые дополнительные перемещения и ускорения.

Экономический эффект применения системы «свая в трубе»

Рассчитаем устойчивость грунта окружающего наружную трубу диаметром 1200 мм системы и перемещение ее оголовка от сейсмической нагрузки. Эти параметры рассчитываются согласно требованиям норм [63] СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты» по Приложению 1. Сейсмическую нагрузку принимаем из вышеприведенного расчета по акселерограмме землетрясения в Мехико-Сити, при которой система работает в начальном состоянии совместно с окружающим грунтом. При массе #2=120 (т)/9,81 (м/сек2)=16,3 (т-сек2/м) и ускорении массы 1,4 м/сек2 сейсмическая сила будет равна: 16,3-1,4=22,82 т. Грунты, окружающие наружную трубу принимаем как показано на рисунке 1.3. Характеристики этих грунтов принимаем по таблице 1 Приложения 1 норм [63]. Воспользовавшись средой Microsoft Excel выполним полную последовательность расчета устойчивости основания, окружающего наружную трубу, который производиться по условию (35) Приложения 1 норм [63] ограничения расчетного давления oz, оказываемого на грунт боковыми поверхностями наружной трубы.

Результаты представлены в таблице 3.4. В таблице 3.4 можно видеть на глубине уже 3 м условия устойчивости основания удовлетворяются. Как видно, из рисунков 3.41 и 3.42 эпюры изгибающих моментов и поперечные усилия по глубине соответствуют исследованиям работ [21].

В расчетах применены размеры наружной трубы, а жесткость на изгиб ЕІ учтена только железобетонной сваи. Такой подход соответствует работе системы «свая в трубе».

Для проверки прочности наружной трубы от давления, оказываемого от окружающего грунта основания (рисунок 3.40), вычислим внутренние усилия от этого давления на полуповерхность наружной трубы. По полученным эпюрам внутренних усилий видно, что работа наружной трубы в окружающем грунте основания соответствует расчетной схеме балки на шарнирных опорах пролетом 5 м с треугольным распределением давления от грунта. Вычислим погонную нагрузку от давления на полу поверхность наружной трубы: 12,5-(3,14-1,22/4-2)=7,1 т/м. Максимальные усилия по стандартным формулам будут равны: Qmax=7,l-5/2-2=8,9 т; Mmax=12,5-(0,58-5)2/15,6=6,74 т-м. Проверим прочность по напряжениям в наружной трубе при толщине ее стенки 5 мм: 0=674/5464=0,123 т/см2, 1=8,9/185,6=0,05 т/см2. Эти напряжения намного меньше расчетного сопротивления стали RT=2,4 Т/СМ2. Тем самым прочность наружной трубы удовлетворяется. Таким способом можно проверять прочность наружной трубы системы «свая в трубе» при сейсмических нагрузках.

Рассмотрим действие афтершоков землетрясений на сооружения с выключающимися связями. Сильное землетрясение сопровождается часто значительным количеством афтершоков, интенсивность которых иногда приближается к интенсивности основного землетрясения [38]. Несколько сот афтершоков было зафиксировано в течение года после землетрясения в Ташкенте (1966 г) [37]. В первые месяцы после землетрясения в Скопле (1963 г) произошло около 300 повторных толчков, из которых 10 силой более 5 баллов. Первые афтершоки следовали через 16, 19 и 27 мин после главного толчка, а затем повторялись с увеличением интервалов. Многочисленные обвалы кирпичных зданий, поврежденных уже основным толчком в Скопле, произошли вследствие действия афтершоков.

Представляет интерес поведение во время афтершока сооружения, конструктивные элементы (связи) которого в соответствии с их назначением выключились во время основного толчка. Выключающиеся связи должны восстанавливаться после сейсмического воздействия. Однако за короткие промежутки времени между первыми афтершоками восстановление связей едва ли возможно. Следовательно, необходимо рассмотреть поведение сооружения при сейсмических воздействиях от афтершоков в предположении, что связи выключены, и параметры сооружения с выключающимися связями обеспечиваются при осуществлении следующего условия. Либо спектры основного толчка и афтершока принадлежат к одному и тому же подмножеству спектров, которые соответствуют воздействиям, разрушающим связи, либо и те и другие спектры принадлежат к одному и тому же подмножеству, отвечающему воздействиям, которые не разрушают связей.

Действительно, если спектр колебательного грунта от основного толчка был сравнительно низкочастотным и связи не были выключены, так как в начальном состоянии собственные частоты колебаний высоки, то колебания, вызванные афтершоком и обладающие по условию низкочастотным спектром, будут действовать также на высокочастотную систему начального состояния с не выключенными связями. В этом случае афтершок не представляет опасности для сооружения. Если же спектр был высокочастотным и связи вследствие резонансных эффектов выключились, то афтершок, имея по условию также высокочастотный спектр, будет действовать на низкочастотный осциллятор предельного состояния и также не представит опасности.

Афтершоки вызываются, как правило, тем же очагом, что и основной толчок. Поскольку сейсмогеологические условия (глубина очага, гипоцентральное расстояние, геологические условия для одного точечного объекта на поверхности и т. д.) достаточно близки при основном толчке и афтершоках, то можно с достаточным основанием предположить, что спектры колебаний грунта будут в обоих случаях также близки [4].