Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Исследование поведения слоисто резинометаллических опор сейсмоизоляции при сейсмических воздействиях

Варданян, Хачатур Григорьевич (2017) Исследование поведения слоисто резинометаллических опор сейсмоизоляции при сейсмических воздействиях. PhD thesis, Национальный университет архитектуры и строительства Армении.

[img] PDF (Abstract)
Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial.

Download (1336Kb)
    [img] PDF (Thesis)
    Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial.

    Download (12Mb)

      Abstract

      Землетрясения - одно из наиболее частых природных явлений, представляющих опасность для людей. Ежегодно на земном шаре происходит свыше 300 тысяч землетрясений разной интенсивности, большинство из которых проявляются в густозаселенных районах. Современное состояние науки и техники не позволяет пока решить задачу предотвращения разрушительных землетрясений. Более того, даже прогноз землетрясений, в широком смысле этого слова, представляет собой трудноразрешимую задачу. Поэтому основным направлением по борьбе с возможными человеческими жертвами и с предотвращением повреждений или разрушений зданий является их качественное проектирование и строительство. Для качественного проектирования необходимо как уточнение существующих методов расчета зданий, так и выявление различных параметров, влияющих на напряженно-деформированное состояние их несущих элементов. Вся территория Армении находится в сейсмоактивном регионе. Во многих случаях к этому можно добавить неблагоприятные условия строительной площадки: плохие грунты, близость тектонических разломов, сложный рельеф и т.д. Основной конструктивной системой для многоэтажного строительства в РА, после создания в 1994 году новых строительных норм по сейсмостойкому строительству, является монолитный железобетонный рамно-связевой каркас, где в качестве связей в системе выступают железобетонные диафрагмы жесткости, установленные непрерывно по всей высоте здания. Наряду с традиционным многоэтажным строительством в Армении применяются также различные системы, уменьшающие сейсмическое воздействие на здания и сооружения. Одной из таких систем является сейсмоизоляция. Использование сейсмоизоляции в зданиях началось во второй половине ХХ века, при этом первоначально такие опоры нашли широкое применение при конструировании сейсмостойких опор мостов, а затем с некоторым изменением начали применяться и для сейсмоизоляции зданий. В мире существуют различные типы сейсмоизоляции как по характеру работы, так и по материалу. За последние 25 лет на территории РА было построено значительное количество зданий (порядка пятидесяти) с сейсмоизоляцией, при этом в качестве сейсмоизоляции использовались группы установленных слоисто резинометаллических опор сейсмоизоляции (СРМОС). Сейсмоизоляция зданий имеет ряд преимуществ перед традиционно применяемыми методами проектирования зданий с равнопрочными конструкциями. Среди них можно выделить снижение сейсмических нагрузок на конструкции верхнего строения здания (суперструктуры). Для зданий, подвергающихся реконструкции (усилению) с применением сейсмоизоляции в цокольной части, можно сохранить его оригинальный облик, не нарушая архитектурных особенностей. Надежность сейсмоизолированных зданий гораздо выше при воздействии интенсивного землетрясения, по сравнению со зданиями без СРМОС. Это связано с тем, что сейсмоизолированное здание допускает значительные перемещения в сейсмоизоляторах (поглощая значительную часть энергию на их уровне) без разрушения конструкций при сейсмическом воздействии, а в здании с традиционным усилением невозможно избежать развития трещин, повреждений, а иногда и разрушений несущих конструкций. Для инженера-проектировщика очень важно иметь общее представление о деформативности элементов системы сейсмоизоляции, что позволит на стадии проектирования в одних случаях избежать излишних запасов и сократить расход материалов, в других - более осторожно подходить к проектированию многоэтажных зданий с системой сейсмоизоляции. Исследование поведения СРМОС при действии различных нагрузок, оценка их напряженно-деформированного состояния, а также уточнение влияния различных параметров и факторов на их работу является одним из основных направлений по уточнению методики расчета зданий с сейсмоизоляцией. Большой вклад в развитие исследований и разработку инженерных методов расчета на сейсмические воздействия внесли Айзенберг Я.М., Амбарцумян В.А., Био М.А., Гольденблат И.И., Дарбинян С.С., Завриев К.С., Карапетян Б.К., Корчинский И.Л., Медведев С.В., Мелкумян М.Г., Мононобе Н., Назаров А.Г., Николаенко А.А., Поляков С.В., Ржевский В.А., Хаунзер В.Г., Хачиян Э.Е. и др. При этом необходимо отметить особый вклад Мелкумяна М.Г. во внедрение системы сейсмоизоляции в гражданское строительство РА. Важное значение в оценке поведения здания при сейсмическом воздействии имеет правильное моделирование работы сейсмоизоляторов. Поскольку сейсмоизоляторы, применяемые в РА, не работают на растяжение, возникает необходимость исследования их поведения при действии различных нагрузок. Для оценки напряженно-деформированного состояния сейсмоизоляторов необходимо их трехмерное моделирование с применением нелинейных жесткостных характеристик. Тема диссертационной работы посвящена поведению и выявлению не учитываемых ранее параметров, влияющих на напряженно-деформированное состояние сейсмоизоляторов, применяемых в РА для многоэтажных зданий, при сейсмических воздействиях. Целью работы является исследование поведения слоисто резинометаллических опор сейсмоизоляции при сейсмических воздействиях. Для достижения намеченной цели были поставлены и решены следующие задачи: исследование напряженно-деформированного состояния СРМОС от действия вертикальных как статических, так и сейсмических сил; исследование влияния вертикальной нагрузки на горизонтальную жесткость СРМОС; сравнение результатов исследования напряженно-деформированного состояния несущих элементов многоэтажных железобетонных рамно-связевых зданий с системой сейсмоизоляции и без нее при сейсмическом воздействии; сравнение расхода материала несущих конструкций многоэтажных железобетонных рамно-связевых зданий с применением системы сейсмоизоляции и без нее; исследование напряженно-деформированного состояния СРМОС с учетом как линейной, так и нелинейной их работы при расчете по акселерограммам различных землетрясений; анализ изменения усилий в опорах системы сейсмоизоляции вследствие их перераспределения при сейсмическом воздействии. Метод исследования основан на: сравнительном анализе различных современных методов расчета на сейсмическое воздействие с применением существующих данных экспериментальных исследований работы сейсмоизоляторов, полученных различными учеными; компьютерном моделировании напряженно-деформированного состояния сейсмоизоляторов с учетом нелинейной работы СРМОС на основе метода конечных элементов. В процессе исследования получены результаты, отличающиеся новизной: выявлено влияние вертикального обжатия на максимально допустимое горизонтальное перемещение сейсмоизолятора; предложен учет возможного “отрыва” сейсмоизолятора при сейсмическом воздействии из-за отсутствия восприятия растягивающих усилий в сейсмоизоляторах; выявлено перераспределение усилий в сейсмоизоляторах многоэтажных зданий при сейсмическом воздействии из-за явления “отрыва” в некоторых из них. Результаты работы могут быть использованы при проектировании высотных зданий с применением сейсмоизоляторов. Предлагаемые зависимости позволят более точно оценить возможные максимально допустимые горизонтальные перемещения СРМОС от вертикально действующих суммарных статических и сейсмических нагрузок. Основные положения, выносимые на защиту: результаты анализа напряженно-деформированного состояния рамно-связевых железобетонных многоэтажных зданий с применением СРМОС при сейсмическом воздействии; методика расчета зданий и сооружений с применением СРМОС; результаты анализа напряженно-деформированного состояния СРМОС от действия внешних нагрузок; учет возможного “отрыва” сейсмоизолятора вследствие возникающего при сейсмическом воздействии перераспределения усилий в системе сейсмоизоляции. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 99 наименований и двух приложений. Диссертация изложена на 113 страницах компьютерного текста (включая список литературы), содержит 24 таблицы и 76 рисунков. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, представлены методы исследования, научная новизна и практическое значение работы, а также основные положения, выносимые на защиту. Первая глава “Опыт применения слоисто резинометаллических опор сейсмоизоляции” посвящена обзору развития практики применения СРМОС в различных странах мира и, в частности, в Армении. Отмечено, что развитие теории и практическое применение различных систем сейсмозащиты связаны с уменьшением инерционных сил, возникающих в зданиях и сооружениях при сейсмическом воздействии. Սույն ատենախոսության նպատակն է գնահատել սեյսմամեկուսացման շերտավոր ռետինե մետաղյա հենարանների (ՍՇՌՄՀ) լարվածադեֆորմացիոն վիճակը արտաքին բեռնվածքների ազդեցությունից, ինչպես նաև հաշվի առնել դրանց մեջ առաջացող ճիգերի վերաբաշխումը սեյսմիկ ազդեցությունների դեպքում։ Նշված նպատակին հասնելու համար առաջադրվել են հետևյալ հիմնական խնդիրները. ուսումնասիրել ստատիկ և սեյսմիկ ուղղաձիգ ուժերի ազդեցությունից ՍՇՌՄՀ–ի լարվածադեֆորմացիոն վիճակը, ուսումնասիրել արտաքին բեռնվածքի ուղղաձիգ բաղադրիչի ազդեցությունը ՍՇՌՄՀ–ի հորիզոնական կոշտության վրա, համեմատել սեյսմամեկուսացման համակարգով և առանց դրա բազմահարկ երկաթբետոնե շրջանակակապային հիմնակմախքով շենքերի կրող տարրերի լարվածադեֆորմացիոն վիճակը սեյսմիկ ազդեցության դեպքում, համեմատել սեյսմամեկուսացման համակարգով և առանց դրա բազմահարկ երկաթբետոնե շրջանակակապային հիմնակմախքով շենքերի կրող կոնստրուկցիաների նյութերի ծախսերը, ուսումնասիրել ՍՇՌՄՀ–ի լարվածադեֆորմացիոն վիճակը տարբեր երկրաշարժերի աքսելերոգրամներով հաշվարկի դեպքում` հաշվի առնելով դրանց ինչպես գծային, այնպես էլ ոչ գծային աշխատանքը, վերլուծել սեյսմամեկուսացման համակարգում նորմալ լարումների փոփոխումը` հաշվի առնելով ճիգերի վերաբաշխումը սեյսմիկ ազդեցությունից։ Ատենախոսական աշխատանքի հիմնական արդյունքներն են. ՀՀ–ում կիրառվող սեյսմամեկուսիչների համար ստացվել է առավելագույն թույլատրելի հորիզոնական տեղափոխությունների կախվածությունը ուղղաձիգ ուժի ազդեցությունից` հաշվի առնելով սեյսմիկ ազդեցությունը։ Սեյսմիկ ազդեցության դեպքում ՍՇՌՄՀ–ի կրողունակությունը գնահատելու համար ցույց է տրվել դրա առավելագույն տեղափոխության և իր վրա ազդող ուղղաձիգ ուժի միաժամանակ դիտարկման անհրաժեշտությունը։ Ստացվել է ՍՇՌՄՀ–ի առավելագույն հորիզոնական կոշտության փոփոխման օրինաչափությունը՝ կախված դրա վրա ազդող ուղղաձիգ սեղմող ուժից։ Ներկայացված է, որ հենարանի հորիզոնական կոշտության փոփոխությունը սեյսմամեկուսչի ուղղաձիգ սեղման ուժի մեծացման հետ միասին աճում է։ Սեյսմամեկուսացման համակարգով և առանց դրա տարբեր հարկայնությամբ բազմահարկ շենքերի հետազոտման արդյունքում բացահայտվել են այդ շենքերի կոնստրուկցիաների լարվածադեֆորմացիոն վիճակը փոփոխող հիմնական պարամետրերը։ Համեմատական վերլուծության հիման վրա ստացված են վերհենարանային մասի դեֆորմատիվ բնութագրերի փոփոխությունը (ինը հարկանի շենքի համար հարկերի տեղափոխությունները և շեղվածքները սեյսմամեկուսացման կիրառման դեպքում նվազում են 2,1 անգամ, իսկ սեյսմամեկուսացման մակարդակում գումարային լայնական ուժերի մեծությունները` 2,5 անգամ)։ Սեյսմամեկուսացման համակարգով և առանց դրա տարբեր հարկայնությամբ բարձրահարկ շենքերի համեմատական վերլուծության հիման վրա ստացվել է վերհենարանային մասի կրող կոնստրուկցիաների (սյուներ, պարզունակներ, դիաֆրագմաներ, ծածկի սալեր) նյութերի ծախսի փոփոխությունը։ Այսպես, սեյսմամեկուսացման կիրառումը դիտարկված վեց, ինը և տասնվեց հարկանի շենքերի դեպքում հանգեցրել է վերհենարանային մասի կրող տարրերի նյութերի ծախսի նվազեցմանը`բետոնինը մինչև 5%, իսկ ամրանինը 20–ից մինչև 27%։ Ցույց է տրված, որ ՍՇՌՄՀ–ի աշխատանքի ոչ գծային մոդելավորման դեպքում սեյսմամեկուսացված շենքի տեղափոխություններն ունեն ավելի փոքր արժեքներ, քան գծային մոդելավորման դեպքում, ընդ որում, այդ տարբերությունը կրում է անհամաչափ բնույթ և կախված է աքսելերոգրամի սպեկտրի բնույթից (6%-ից մինչև 54%)։ The goal of the present dissertation is to evaluate the stress-strain state of seismic isolation layered steel-rubber bearings under the influence of external loads, and to take into consideration the redistribution of forces, occurring in seismic isolators in case of seismic impact. For this purpose, the following problems are considered: investigating the stress strain state of seismic isolators under the impact of static and seismic vertical forces; investigating the impact of the external load’s vertical component on the seismic isolator’s horizontal stiffness; comparing the stress-strain state of the multistorey reinforced concrete building load bearing elements with and without seismic isolation system in case of seismic impact; comparing the materials’ consumption of the multistorey reinforced concrete buildings’ load bearing structures with and without seismic isolation system; investigating the stress-strain state of seismic isolators in case of calculating with different earthquake accelerogrammes, taking into consideration their linear and non-linear work; analyzing the change of normal stresses in the seismic isolation system, taking into account redistribution of forces under seismic impact. The main results of the dissertation are: For seismic isolators applied in RA, the dependence of the maximum allowable horizontal displacements on the impact of the vertical force is obtaind, considering seismic impact. To evaluate the bearing capacity of seismic isolators at seismic impact, the necessity of simultaneous consideration of the maximum allowable horizontal displacements and the vertical forces is shown. The regularity of the change in the maximum horizontal stiffness of the seismic isolators depending on the vertical compression forces, affecting that is obtained. The results show that the change of horizontal stiffness increases with the growth of the seismic isolator’s vertical compression force. As a result of investigating different multistorey buildings with and without seismic isolation system, shows the main parameters, changing the stress-strain state of those buildings’ structures. The change of the superstructure’s deformation characteristics was found on the basis of comparative analysis (for a 9 - storey building in case of seismic isolation, storey displacements and drifts decrease 2,1 times, and at the level of seismic isolation, the values of additional horizontal forces decrease 2,5 times). The comparative analysis of these multistorey buildings of various heights with and without seismic isolators shows the change in the material consumption of superstructure’s bearing members (columns, beams, diaphragms, slabs). Hence, the application of seismic isolation investigated in case of six, nine and sixteen-storey buildings lead to the decrease in materials consupmtion of supersturcuture’s bearing elements: concrete up to 5%, and reinforcement from 20 to 27%. In case of non-linear modeling of a seismic isolator, the displacements of buildings with seismic isolation have smaller values than in case of linear modeling. Moreover, the difference has a non-uniform character and depends on the type of the accelerogramm’s spectrum (6…54%). Considering that seismic isolators applied in Armenia do not work under tension forces, their ‘uplift’ possibility under seismic impact is investigated, which leads to redistribution of forces in the seismic isolation system. The non-linear analysis of the sixteen-storey building with a seismic isolation system shows that, as a result of redistribution of forces, the values of compressing forces in seismic isolators increase by 10%, where 27,7% of bearings is exposed to ‘uplift’. Taking into consideration the difficulties of non-linear calculations of buildings with a seismic isolation system, it is recommended to ensure such conditions so that the phenomenon of ‘uplift’ will not occur in seismic isolators.

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Սեյսմամեկուսացման շերտավոր ռետինե մետաղյա հենարանների վարքի հետազոտությունը սեյսմիկ ազդեցությունների դեպքում: The investigation of the behavior of seismic isolation layered steel-rubber bearings in case of seismic impacts.
      Uncontrolled Keywords: Վարդանյան Խաչատուր Գրիգորիի, Vardanyan Khachatur Grigori
      Subjects: Mechanical Engineering and Machine Science
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 21 Mar 2018 18:54
      Last Modified: 23 Mar 2018 10:30
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/6902

      Actions (login required)

      View Item