Адаптивные системы сейсмозащиты зданий

Из всех систем сейсмозащиты, повидимому, наиболее полно разработана теория адаптивных систем, получившая основное развитие в ЦНИИСКе им. Кучеренко, начиная с 60-х годов. В [2] термин адаптация , определяется как автоматическое изменение (самонастройка) характеристик системы, направленное на повышение или сохранение ее эффективности в изменяющихся условиях внешней среды. К преимуществам адаптивных систем относится то, что они могут в процессе землетрясения менять свои динамические характеристики в регулируемых пределах, что позволяет системе "уходить" от резонансных явлений в случае совпадения доминантного периода колебаний землетрясения с основным периодом собственных колебаний сооружения.

Системы с выключающимися связями

Такие системы относятся к классу нестационарных динамических систем, т. е. таких систем, которые в процессе колебаний под действием динамических нагрузок могут менять свои характеристики во времени, причем эти изменения являются необратимыми. Изменения динамических характеристик системы происходят за счет разрушения выключающихся связей при достижении некоторого порогового уровня амплитуд колебания системы. В качестве выключающихся связей применяются как специальные резервные элементы, так и отдельные несущие конструкции (рис. 3.6). Адаптационные свойства системы сейсмозащиты с выключающимися связями проанализированы в работе [3].

Система с выключающимися связями применима в основном для зданий с жесткой конструктивной схемой, имеющих первый гибкий этаж. Это связано с тем, что необходимым условием эффективной работы этой системы является значительное снижение жесткости несущих конструкций здания в конце землетрясения в сравнении с начальной жесткостью системы до землетрясения. Учитывая, что трудно практически реализовать конструкцию здания с периодом собственных колебаний более 2—3 с, можно сказать, что системы с выключающимися связями применимы для зданий с периодом собственных колебаний не более 0,5—0,7 с.

Сейсмозащита зданий с выключающимися связями наиболее эффективна и может применяться в районах, где наиболее вероятны землетрясения с преобладанием высокочастотных составляющих. Она нашла уже сравнительно широкое практическое применение, в частности на трассе БАМ, где город Северо-байкальск в значительной степени застраивается зданиями по типовому проекту 122 серии с выключающимися связями. Однако данной системе присущи и некоторые недостатки. Так, после разрушения выключающихся связей во время землетрясения необходимо немедленное их восстановление, что не всегда практически осуществимо. Кроме того, известно, что в некоторых случаях в процессе землетрясения в его заключительной стадии происходит снижение доминантной частоты [58] и в связи с этим имеется. возможность вторичного совпадения собственной частоты здания (с уже разрушенными в начальной стадии землетрясения выключающимися связями) с доминантной частотой землетрясения, что может привести к потери несущей способности конструкций здания. Избежать последнего можно в случае применения системы с выключающимися связями и упорами — ограничителями горизонтальных перемещений [2,4].

Системы с включающимися связями

Эти системы относятся к классу нелинейных динамических систем с жесткой характеристикой. В отличие от систем с выключающимися связями, в системах с включающимися связями не происходит разрушения связей и нет необходимости их восстанавливать после землетрясения.

Здание с включающимися связями проектируется таким образом, чтобы оно имело низкую частоту собственных колебаний. При землетрясении в случае возникновения значительных перемещений основных несущих конструкций здания происходит включение связей, что приводит к существенному изменению жесткости системы и к увеличению "мгновенной" частоты собственных колебаний здания, в результате чего здание "уходит" от опасного для него резонансного режима колебаний. Выполнить условие низкой частоты собственных колебаний системы можно практически для здания любой этажности. Для многоэтажного каркасного здания это условие выполняется автоматически, для здания малой этажности с жесткой конструктивной схемой следует применять гибкий первый этаж.

На рис. 3.7 приведены некоторые возможные конструктивные решения зданий с включающимися связями. В качестве включающихся связей могут быть использованы жесткие упоры — ограничители [4], упругие связи [138], жесткие панели и провисающие растяжки. Для исключения возможности возникновения удара при включении связей необходимо процесс изменения жесткости системы от начальной до конечной несколько растянуть, что может быть достигнуто за счет увеличения числа ступеней включения связей, вначале с меньшей, а затем с большей жесткостью.

Осуществлять сейсмозащиту зданий с помощью включающихся связей целесообразно в районах, где возможно возникновение землетрясений как высокочастотных, так и низкочастотных. Достоинство системы с включающимися связями заключается в том, что она работает с полной нагрузкой лишь при землетрясениях, имеющих значительные ускорения на низких частотах, а такие землетрясения бывают довольно редко. При достаточно часто возникающих высокочастотных землетрясениях система с включающимися связями сохраняет все преимущества систем с сейсмоизоляцией. К недостатку системы с включающимися связями следует отнести возможность возникновения значительных усилий в конструкциях включающихся связей.

Эффективность и надежность систем с включающимися и выключающимися связями можно существенно повысить в случае их совместного применения [2]. Такой же результат можно получить и в случае одновременного применения системы с включающимися связями и динамического гасителя колебаний, позволяющего существенно снизить инерционную нагрузку на конструкции включающихся связей [70].