Результаты испытаний домов с сейсмоизолирующим скользящим поясом

Результаты натурных испытаний экспериментальных домов с сейсмоизолирующим скользящим поясом.

В связи с необходимостью экспериментальной проверки зданий с новой системой активной сейсмозащиты, на стадии разработки проектов всех домов специальными программами, утвержденными Госстроем СССР, были предусмотрены натурные статические и вибрационные испытания.

Статические испытания первого трехэтажного здания общежития по ул. Месороша в г. Фрунзе проводились ЦНИИСК им. Кучеренко и лабораторией № 18 НИИЖБ в два этапа: этап I (май 1980 г.) - после монтажа перекрытия первого этажа в этап II (апрель-май 1981 г.) - после завершения строительства первого здания. Два домкрата (этап I) и четыре домкрата по 1000 кН были установлены между фундаментом и верхним ростверком (рис. 4.27). Нагрузка создавалась с помощью насосной станции с постепенным увеличением до достижения скольжения верхнего ростверка относительно фундамента. В процессе испытаний с помощью прогибомеров замерялись перемещения верхнего ростверка и фундамента. Относительное скольжение в поясе фиксировалось по наклеенным на опорах полоскам миллиметровой бумаги. Испытания на этапе I проведены при собственной массе конструкций выше скользящего пояса Q = 310 т. Усилие в домкратах в период подвижки составляло ?S = 340 кН, что соответствует коэффициенту трения скольжения f_тр = 0,11. Перемещения достигали 8-10 мм. Для этапа II Q = 2(500 т, ?S = 2700 кН, f_тр = 0,104, подвижка до 1,5-2 мм.

26-28 мая 1981 г. ЦНИИСК им. Кучеренко и КазПСНИИП при участии ФПИ провели натурные вибрационные испытания с помощью вибромашины В-3. Три блока вибромашины были установлены на покрытии здания. Колебания возбуждались в поперечном направлении. Нагрузки на валу машины регулировались с помощью дебалансов. В трех уровнях здания [на покрытии, на перекрытии первого этажа и на фундаменте, а также на грунте были установлены группы сейсмоприемников для регистрации перемещений и ускорений (см. рис. 4.28)].

Испытания проводились в несколько этапов, вибрационные испытания чередовались с измерением динамических характеристик при оттяжке здания канатом¹. Уровни нагружения установлены с учетом основного требования заказчика — недопущения повреждений несущих конструкций законченного строительством здания. При испытании с тремя вибраторами (по 16 дебалансов на каждом, горизонтальная нагрузка на валу порядка 800 кН) было достигнуто скольжение по сейсмоизолирующему поясу. Амплитуды относительных перемещений достигали 2,5—3 мм, что наблюдалось по отметкам на миллиметровой бумаге и фиксировалось сейсмодатчиками.

После испытаний с амплитудами ускорений покрытия 0,17—0,19g в здании практически не наблюдалось повреждений. Исключение составляли небольшие трещины в узлах проемов ограждения лоджий, а также волосяные трещины в швах плит покрытия непосредственно под вибромашиной и в продольной стене лестничной клетки. Степень повреждения конструкции меньше степени 1².

Основные результаты вибрационных испытаний: периоды собственных колебаний здания: начальный 0,18с (что точно соответствует расчетному для опытного здания), при испытаниях со скольжением по поясу — 0,2-0,22с; логарифмический декремент: при свободных колебаниях (без скольжения по поясу) равен 0,3-0,4; при вибрационных испытаниях 0,5-0,7 (8-11% критического); распределение амплитуд перемещений (рис. 4.29): покрытие 1,33-1,75 мм; перекрытие первого этажа 0,6-1,1 мм; верх фундамента 0,3-0,45 мм; грунт 0,2-0,24 мм; распределение амплитуд ускорений: покрытие 0,13-0,19g; перекрытие первого этажа 0,04-0,11 g; верх фундамента 0,03-0,07g; грунт 0,02-0,024g.

Таким образом, на этапе скольжения наблюдалось уменьшение амплитуд ускорений выше и ниже пояса в 1,5-2 раза.

Возбуждение колебаний с помощью вибромашины, установленной на покрытии здания, обусловлено возможностями современного испытательного оборудования. При установке вибромашины на грунт вблизи здания не удается создать в нем инерционные нагрузки, при которых происходит скольжение в сейсмоизолирующем поясе. Поэтому принятая схема вибрационных испытаний не позволяет полностью имитировать сейсмические колебания при землетрясениях. Тем не менее такая схема натурных вибрационных испытаний широко используется в нашей стране и за рубежом для изучения динамических характеристик зданий, схем их деформирования, распределений инерционных нагрузок и ускорений в несущих конструкциях.

Проведенные испытания позволили экспериментально проверить работоспособность новой системы сейсмозащиты, установить особенности деформирования экспериментального здания, характер передачи нагрузок при интенсивных гармонических воздействиях, правильность принятых при проектировании расчетных предпосылок. Колебания здания относительно фундамента происходят плавно, без резких скачков и одностороннего накопления остаточных сдвигов.

Наблюдавшиеся при вибрационных испытаниях качательные колебания здания обусловлены принятой схемой возбуждения колебаний с помощью вибромашины на покрытии и, главным образом, слабыми грунтами на строительной площадке. При реальных сейсмических воздействиях скользящий пояс будет отсекать (с определенного уровня) колебания, передающиеся на надземные конструкции, и предотвращать их повреждения, как это и было получено при описанных ранее испытаниях модели (см. п. 4.2).

Программой натурных испытаний пятиэтажного крупнопанельного дома № 78 в микрорайоне Аламедин было предусмотрено проведение статических и вибрационных исследований. В связи с задержкой строительства дома он оказался в центре жилого массива и проведение вибрационных испытаний с помощью мощной вибромашины стало возможным.

Скорректированная программа испытаний была направлена на решение следующих задач³: измерение динамических характеристик (периодов и форм собственных колебаний, декрементов колебаний) законченного строительством дома в поперечном и продольном направлениях при импульсивном сбросе нагрузок порядка 1 кН; определение статического порога срабатывания скользящих опор, при которых достигается подвижка надземных конструкций относительно обвязки стен подвала и технического подполья.

Кроме того, программой предусматривалась проверка в процессе строительства, при подготовке и проведении испытаний технологичности принятого решения скользящего пояса, точности его возведения, фактических затрат ДСК-2 и затрат на строительной площадке, влияния сборных элементов стен подвала и технического подполья на работоспособность системы активной сейсмозащиты (см. п. 4.6 и гл. 7). Помимо авторского надзора Фрунзегорпроекта наблюдения за строительством экспериментального дома осуществлялось ПНИИЛС ФПИ (инж. М.К. Абдыбалиев).

Определение динамических характеристик дома проводилось при импульсивных воздействиях, которые создавались с помощью оттяжки троса с тарированной вставкой. Трос крепился к покрытию дома, натяжение осуществлялось с помощью грузовой автомашины. Проведено по два испытания дома в продольном и поперечном направлениях. Для записи колебаний использовался комплект из шести сейсмоприемников СМ-3 с соответствующей регистрирующей аппаратурой (рис. 4.30).

По результатам обработки записей, периоды собственных колебаний экспериментального дома составляли: в поперечном направлении Т_y = 0,2с, в продольном - Т_x = 0,18с.

Декременты колебаний составляли: в поперечном направлении ?_у = 0,12-0,14; в продольном направлении ?_x = 0,11-0,13, в вертикальном - ?_z = 0,065-0,085.

Формы собственных колебаний в обоих направлениях были близки к прямолинейным (рис. 4.31), что соответствует зданиям с жесткой конструктивной схемой.

Статические натурные испытания выполнялись в три этапа. На первом этапе четыре домкрата ДГ-200 устанавливались в специально изготовленные на ДСК-2 упоры вдоль продольной оси дома. На этом этапе удалось развить в каждом домкрате усилие около 200 кН (800 кН на здание в целом). На втором этапе четыре домкрата ДГ-200 устанавливались в усиленные упоры вдоль противоположной стороны дома (схема 2 на рис. 4.32). В процессе испытаний усилие в каждом домкрате достигало 750 кН (3000 кН на здание в целом). Однако в связи с обнаруженными отклонениями от проектного решения (касания элементов железобетонного ростверка и обвязки), подвижка на этом этапе не была достигнута (более подробно см. п. 4.6).

Срабатывание скользящих опор было зафиксировано на третьем этапе, когда нагрузка создавалась четырьмя домкратами ДГ-200 и четырьмя домкратами ДГ-100 (см. схему 3 на рис. 4.36). Усилия в каждом из домкратов достигали 400 кН. Для фиксации смещений надземных конструкций использовались 8 прогибомеров с ценой деления 0,01 мм.

При нагрузке 300 кН на один домкрат (2400 кН на здание в целом) произошла подвижка надземной части дома, этому моменту соответствовал коэффициент трения скольжения f_тр = 0,1. При достижении суммарной нагрузки от восьми домкратов 2800 кН (f_тр = 0,117) подвижка продолжалась и достигала между осями 8—9 ? = 1,15 мм и по оси 1 ? = 0,03 мм. Неравномерность относительных смещений в скользящих опорах обусловлена отсутствием под опорой 4-В пластины из фторопласта и резким повышением в связи с этим силы трения под опорой.

Результаты испытаний пятиэтажного дома вновь подтвердили необходимость строгого контроля качества строительно-монтажных работ при возведении элементов скользящего пояса, а также необходимость создания специальных упоров с нишами для установки статических домкратов. Такие упоры предусмотрены в проекте девятиэтажного экспериментального дома серии 105 и во всех последующих проектных решениях зданий с системой активной сейсмозащиты.

Программой комплексных натурных испытаний девятиэтажного дома по ул. Иваницына в г. Фрунзе, проведенных ЦНИИСК им. Кучеренко совместно с КазПСНИИП, ФПИ и НИИОСП им. Герсеванова при участии ДСК-2 и Фрунзегорпроекта⁴, предусматривались три этапа исследований: первый - после возведения фундаментов, ростверка и монтажа плит перекрытия над подвалом; второй — после окончания монтажа конструкций пяти этажей дома; третий — после окончания монтажа конструкций девяти этажей, со скользящим поясом и после монтажа динамического гасителя колебаний, тяг и демпферов низкого трения. При этом программой предусматривалось решение следующих задач: изучение кинематических параметров деформирования и колебаний надземных конструкций при статических и вибрационных нагрузках; экспериментальное определение порогов срабатывания элементов двух систем активной сейсмозащиты (скользящего пояса и динамического гасителя колебаний); проверка работоспособности и технологичности принятых решений активной сейсмозащиты, выявления направлений их дальнейшего совершенствования; выявление фактических материальных и трудовых затрат при изготовлении и монтаже скользящего пояса и динамического гасителя колебаний; разработка предложений по рациональным областям применения пяти- и девятиэтажных крупнопанельных домов с сейсмойзолирующим скользящим поясом, в том числе для застройки в г. Фрунзе и других городов Киргизской ССР; разработка предложений по совершенствованию расчетных динамических моделей и методов расчета зданий с сейсмоизолирующим скользящим поясом.

Статические испытания первого этапа проводились в продольном и поперечном направлениях (рис. 4.33, а) с помощью двух домкратов ДГ-100 грузоподъемностью 1000 кН каждый.

Домкраты устанавливались в специальные ниши, предусмотренные в конструкциях стен подвала, оба домкрата работали параллельно при создании давления от одной насосной станции с ручным приводом. Схемы установки домкратов предусматривали возможность попеременного скольжения надземных конструкций в противоположных направлениях и построения 2-3 замкнутых петель смещения скользящих опор.

Для регистрации перемещений по углам здания, а также в других точках устанавливались прогибомеры с ценой деления 0,1 и 0,01 мм (см. рис. 4.33, а).

На втором этапе испытаний (испытания 9—27) исследовался объект со смонтированными конструкциями трех-четырех этажей (испытания 9-12, Q ? 1800 т) и после окончания монтажа пяти этажей (испытания 13-27, Q ? 2500 т).

Сначала с помощью двух домкратов ДГ-2000 проведены статические испытания дома в продольном направлении (см. рис. 4.33, б), затем измерены динамические характеристики дома при микросейсмических и импульсивных воздействиях. Последние испытания повторялись несколько раз после разных уровней приложения вибрационных нагрузок. Возбуждение колебаний дома осуществлялось с помощью вибромашины типа В-3 КазПСНИИП. С этой целью три вибратора были установлены на специальной раме на перекрытии над пятым этажом. Последовательно осуществлены испытания 19, 20, 22, 24, 26 при работе одного вибратора без дебалансов (1В), трех вибраторов (3В) и трех вибраторов с пластинами на дебалансах -3(В+10), 3(В+24), 3(В+16). Каждое испытание осуществлялось путем плавного изменения частоты вращения вибраторов с прохождением прямого и обратного резонансов.

Запись колебаний надземных и подземных конструкций осуществлялась с помощью сейсмоприемников ОСП, С-5-С, ВВП, СМ-3 и СПЭД (схемы установки приборов даны на рис. 4.34), а также трехкомпонентного акселерографа SMA-1. Для регистрации относительных перемещений ростверка и верхней обвязки стен подвалов устанавливались специальные тарированные тензолинейки (см. рис. 4.34, б) и с помощью усилителей "Топаз" и осциллографа фиксировался весь процесс колебаний.

Регулировка вибромашины контролировалась с помощью сейсмоприемников С-5-С и вибрографа. Для контроля синхронизации осциллограмм по времени использовались датчики числа оборотов вибромашины и специальной кодовый тумблер-прерыватель.

В заключение второго этапа для проверки статической петли деформирования вновь проведены статические испытания 27. На третьем этапе (испытания 28-51) проведены испытания дома в поперечном направлении. При этом был завершен монтаж девяти надземных этажей и частично установлены панели парапета.

При исп. 28, 38, 39, 43 выполнены статические испытания с помощью двух домкратов ДГ-200 (схему размещения домкратов, тензолинеек и прогибомеров см. рис. 4.33, в). Затем при исп. 30, 32 изучены динамические характеристики здания при микросейсмических и импульсивных воздействиях. Наконец, при испытаниях 31, 33-37, 40-42 и 44 выполнены вибрационные испытания с помощью вибромашины, установленной на чердачном перекрытии (над девятым этажом). Последовательно проведены испытания 1B, 3В, 3(В+12), 3(В+36) и четыре раза 3(В+56). Схемы расстановки приборов приведены на рис. 4.35.

Результаты испытаний девятиэтажного экспериментального дома⁵. При испытании конструкций дома в продольном направлении домкраты были установлены в специальной нише вдоль осей А и В между поперечными осями 6 и 7. Начало скольжения надземных конструкций (ростверка с плитами перекрытия над подвалом, масса которых составляла около 300 т) было отмечено при суммарном усилии в домкратах 156 кН. В процессе нагружения этапами в направлении оси 1 и в противоположном направлении к оси 13 показания по манометру регистрировались в момент, начала скольжения и по мере увеличения усилия, а также после снятия давления в домкратах. На основании полученных при испытаниях 1—5 показаний приборов построены зависимости между суммарным усилием в домкратах Р и величиной подвижки ? скользящих опор относительно верхней обвязки стен подвала (рис. 4.36, а). Замкнутые петли Р — А характеризуются постепенным снижением начального усилия (порога срабатывания), при котором наблюдалась относительная подвижка, и повышением усилия в домкратах при выборе зазора между боковыми гранями скользящих опор и резинометаллическими амортизаторами. При дальнейшем нагружении (? > 50 мм) скользящие опоры надвигались на первый наклонный участок стальной пластины (угол 3°) и включались в работу вертикальные связи. Разгрузка домкратов приводила к обратному смещению конструкций выше отметки —0,87 за счет действия гравитационной составляющей в опорах и сил упругой реакции деформированных вертикальных связей. Максимальная величина подвижки опор в направлении, противоположном нагружению, достигала 9 мм. При испытании 5 надземные конструкции были возвращены в исходное положение.

Подвижка ростверка с плитами перекрытия происходила плавно, без срывов, закручивание конструкций в плане практически не зафиксировано, т. е. диск перекрытия перемещался почти поступательно.

При испытаниях 6-8 осуществлялась подвижка в поперечном направлении, при этом домкраты ДГ-100 устанавливались вдоль поперечных стен по осям 6 и 8. Схема расстановки прогибомеров показана на рис. 4.33, а, причем прогибомеры П9 и П10 были установлены по центральной поперечной оси 7. С их помощью фиксировались смещения, связанные с деформациями изгиба ростверка в горизонтальной плоскости.

Нагружение домкратов попеременное осуществлялось в направлении осей В и А. Результаты испытаний показаны на рис. 4.36, б. При этом порог срабатывания скользящих опор был равен примерно 100 кН, а максимальное достигнутое усилие в домкратах соответствовало 240 кН. Отмечено неравномерное проскальзывание опор по крайним и средним осям, что обусловлено деформациями ростверка в горизонтальной плоскости и неравномерным распределением вертикальных нагрузок (вблизи оси 1 отсутствовали 4 плиты перекрытия). Начальное скольжение в опорах по оси 13 сопровождалось срывом при усилии в домкратах 126 кН.

При испытании 8 в процессе возвращения конструкций ростверка, в исходное положение (к оси В) отмечено его закручивание в плане. Перемещения опор по оси 1 опережали перемещения опор по оси 13. Для выравнивания конструкций домкрат по оси 6 был сначала отключен, а затем установлен для создания усилия противоположного направления. С помощью двух домкратов, работавших в противоположных направлениях, ростверк был развернут до достижения проектного положения.

Таким образом, при статических испытаниях.первого этапа скольжение ростверка относительно верхней обвязки стен подвала в продольном и поперечном направлениях происходило на первых этапах нагружения при усилиях в домкратах 320 кН. Затем по мере очистки скользящих поверхностей при последующих испытаниях порог срабатывания системы снизился до 180-200 кН. Указанные значения усилий соответствуют коэффициенту трения скольжения f_тр = 0,09 и f_тр = 0,06.

Подвижка в каждом направлении достигала 68 мм, а суммарное горизонтальное смещение (в процессе одного испытания) превышало 110 мм.

На втором этапе испытаний статические нагружения осуществлялись с помощью двух домкратов ДГ-200 в продольном направлении. Домкраты были установлены в упоры наружных продольных стен по осям А и В между поперечными осями 3 и 4 (см. рис. 4.33, б). Схема расположения прогибомеров П1—П8 была аналогичной схеме при первом этапе испытаний.

На рис. 4.37 приведены результаты испытания 27, когда были полностью смонтированы конструкции пяти надземных этажей (Q ? 2500 т). Качественная картина деформирования надземных конструкций и характер подвижек был аналогичен испытаниям 1-5 первого этапа. Последовательные нагружения в направлении осей 1 и 13 выявили следующие закономерности: порог срабатывания системы скользящих опор составлял для первых этапов нагружения около 1250 кН, а при последующих нагружениях соответственно 900 и 1250 кН для испытания 9-12 и испытаний 14, 25, 27; указанные усилия соответствуют коэффициенту трения скольжения. f_тр = 0,06-0,08 и f_тр = 0,04-0,05; подвижка в одном направлении достигала 65 мм, а суммарное горизонтальное смещение в одном направлении -120 мм; при указанных величинах подвижки в работу включались горизонтальные демпферы и вертикальные связи; перемещения дома в продольном направлении соответствовали поступательному движению в горизонтальной плоскости, кручение пяти этажей надземных конструкций практически не проявлялось; замкнутые петли Р — ? деформирования опор практически совпадали и характеризовались плавным изменением угла наклона к оси абсцисс по мере увеличения подвижки ?.

Статические нагружения третьего этапа были выполнены при исп. 28, 38, 39 и 43 с помощью двух домкратов ДГ-200, которые приводили к смещениям надземных конструкций в поперечном направлении (к осям А и В). При этом масса конструкций выше отметки -0,87 составляла Q = 4200 т. Домкраты устанавливались вдоль осей 6 и 8, прогибомеры по углам дома и поперек продольной наружной стены по оси А (см. рис. 4.33, в).

Результаты испытаний показаны на рис. 4.38. Порог срабатывания скользящих опор составлял на начальных этапах нагружения 2800-3200 кН, а затем снижался до 2000-2500 кН, что соответствует коэффициентам трения скольжения f_тр = 0,065-0,075 и f_тр = 0,048-0,06.

Подвижка в одном направлении достигала 78 мм, а суммарная подвижка — более 100 мм.

В процессе испытаний 38, 39 и 43 была осуществлена тарировка тензолинеек, установленных вдоль осей 2, 4, 6, 8, 10 и 12, с одновременным снятием показателей по прогибомерам П11 — П16 и П5. На основании этих испытаний определены коэффициенты чувствительности тензолинеек, которые использованы при обработке результатов вибрационных испытаний.

При статических испытаниях третьего этапа отмечалась неравномерность подвижек в скользящих опорах вдоль разных поперечных осей здания. Перемещение надземных конструкций сопровождалось его закручиванием практически как жесткого тела относительно осей 12 и 13, что обусловлено неравномерностью жесткостей в плане и осадками фундаментов между осями 11-13.

В целом, результаты статических испытаний первого, второго и третьего этапов свидетельствуют о снижении коэффициентов трения скольжения в опорах: по мере увеличения массы надземных конструкций и при последующих этапах нагружения по сравнению с первым в каждом конкретном испытании. Это обусловлено, как отмечалось выше, "самоочисткой" скользящих опор. Фактические значения коэффициента трения существенно (в 1,5—2 раза) ниже проектного значения f_тр = 0,1.

Указанный экспериментально установленный эффект снижения коэффициента трения скольжения, с одной стороны, является косвенным подтверждением достаточно хорошего качества реализации проектного решения дома и физической реализуемости теоретического положения об уменьшении f_тр по мере увеличения удельного давления по контакту фторопласт - нержавеющая сталь. Это позволило достигнуть в эксперименте нижней границы значений f_тр, указываемой в справочной литературе по свойствам полимерных материалов, и зафиксированных при испытаниях моделей зданий в ЦНИИСК им. Кучеренко, Каз-ПСНИИП и ФПИ в лабораторных условиях.

С другой стороны, стабильные значения f_тр = 0,05—0,06 могут быть приняты во внимание при разработке проектов зданий с сейсмоизолирующим скользящим поясом и совершенствовании методики расчета таких зданий на сейсмические воздействия. Снижение в 1,5-2 раза значений fTp по сравнению с принятым значением f_тр = 0,1 при разработке пяти- и девятиэтажных домов серии 105 для строительства в г. Фрунзе позволяет повысить технико-экономическую эффективность проектных решений зданий с сейсмоизолирующим скользящим поясом.

Испытания подтвердили также эффективность использования- скользящих опор совмещенного типа с нижней пластиной с наклонными участками, а также включение в работу вертикальных связей.

Вибрационные испытания экспериментального дома осуществлены после возведения пяти этажей (в продольном направлении) и девяти этажей (в поперечном направлении).

Обработка результатов испытания 15-24 и 26 пятиэтажного объекта выявила следующие закономерности (рис. 4.39): подвижки в скользящих опорах отмечены при начальных этапах нагружения, когда возмущающая сила на валу вибромашины достигала 140-160 кН, при этом до скольжения коэффициент динамичности, определенный как отношение перерезывающей силы в уровне скользящего пояса к усилию на валу вибромашины, составлял 8—10 и более, что характерно для крупнопанельных зданий на плотных грунтах (логарифмический декремент колебаний ? = 0,3); после достижения начала скольжения при испытании 1В увеличение возмущающей силы на валу вибромашины приводило к некоторому увеличению амплитуд относительных подвижек в опорах до ? = 0,7—0,9 мм, после чего ~ при испытании 24 и 26 дальнейшего роста относительных смещений не происходило, несмотря на увеличение возмущающих сил в два и более раза; для этих этапов нагружения коэффициент динамичности равен 1—2, что соответствует ? = 1,5—3 и характеризует процесс интенсивной "диссипации энергии за счет работы сил сухого трения; максимальные ускорения покрытия (перекрытия над пятым этажом) достигали 0,15g, а конструкций ростверка - 0,075g (см. рис. 4.39); такие ускорения достигнуты при исп. 24 при воздействии 3(В+24), когда усилие на валу вибромашины составляло 900 кН; а перерезывающая сила в основании дома — 1250 кН; по величинам эквивалентных статических нагрузок такая перерезывающая сила соответствует расчетным сейсмическим нагрузкам при воздействии интенсивностью 7 баллов; начальные периоды колебаний дома в продольном направлении, определенные при микросейсмических и импульсных воздействиях, составляли 7_пр = 0,163-0,165 с при расчетном значении Т_пр = 0,2 с; по мере увеличения грузов на дебалансах вибромашины значения периодов колебаний здания (резонансные периоды в процессе испытаний) составляли Т_пр -= 0,2-0,23 с, а при максимальных вибрационных воздействиях достигали Т_пр = 0,24 с; период колебаний в поперечном направлении при режиме ЗВ равен Т_поп = 0,19-0,21 с; амплитуды колебаний перекрытия над пятым этажом при испытаниях достигали 2 мм, причем после воздействий 3(В+12) они увеличивались в пределах 10-20%; полный размах относительных смещений в уровне скользящих опор (включая остаточные смещения) был в пределах 5 мм, а показания сейсмоприемников и тензолинеек совпадали с точностью до 15%, что свидетельствует о их надежной работе и достоверности результатов в пределах погрешностей, допустимых при сейсмометрических и тензомет-рических измерениях; остаточные смещения в опорах не превышали 6 мм, т. е. амортизаторы в работу не включались; относительные перемещения (деформации) надземных конструкций пяти этажей высотой 15 м не превышали 1 мм, что подтверждает эффективность системы сейсмозащиты и свидетельствует о колебаниях дома в продольном направлении практически как жесткого тела и незначительных (по сравнению с крупнопанельными домами традиционных решений) внутренних усилиях в надземных конструкциях; при испытаниях не отмечено никаких повреждений несущих конструкций и их сопряжений; скольжение в опорах происходило плавно, без срывов и остановок, что характерно для режимов гармонических колебаний систем с сухим трением (режимов установившегося скольжения); обработка результатов испытаний и визуальные наблюдения показали, что надземные конструкции совершали плоско-параллельное движение в продольном направлении; кручение здания в плане и его повороты на грунте незначительны; выявлен механизм ограничения перерезывающей силы в основании здания (в уровне скользящего пояса) постоянной величиной, определяемой величиной f_трQ, которая практически совпадает с порогом срабатывания скользящих опор при статических нагрузках; рост инерционных нагрузок на здание по мере увеличения возмущающей силы на валу вибромашины сопровождается с увеличением сил неупругого сопротивления (диссипации энергии за счет работы сил сухого трения), которые имеют направление, противоположное инерционным силам в здании; благодаря этому суммарная перерезывающая сила в уровне скользящего пояса остается, по существу, постоянной.

Этому же способствует специфическое свойство системы с сухим трением — в пределах цикла колебаний форма деформирования здания по высоте меняется, а моменты времени достижения максимальных перемещений и ускорений разных этажей здания различны, кроме того, в пределах каждого этажа изменяется сдвиг фаз между процессами перемещений, скоростей и ускорений (рис. 4.40,6).

При испытаниях 29—37, 40—42 и 44 девятиэтажного дома в поперечном направлении качественная картина деформирования конструкций и подвижек в скользящих опорах в основном сохранилась. Вместе с тем выявлены следующие закономерности работы девятиэтажного объекта (рис. 4.41): подвижки в скользящих опорах (в первую очередь, по осям 1-9) отмечены при этапах нагружения, начиная с 3В, когда на валу вибромашины достигали 85 кН, при этом коэффициент динамичности до начала скольжения был равен примерно 20, что соответствует декременту колебаний ? = 0,13-0,16, после начала скольжения увеличение возмущающей силы на валу вибромашины до 400 кН приводило сначала к увеличению амплитуд относительных подвижек в скользящих опорах, ? = 2 мм, амплитуд перемещений и ускорений надземных конструкций, а затем к стабилизации указанных кинематических параметров колебаний, несмотря на увеличение усилия на валу вибромашины в 2 раза и более; в режиме установившегося скольжения коэффициент динамичности был равен 4-5, что соответствует логарифмическому декременту ? = 0,65—0,8; максимальные ускорения перекрытия над девятым этажоэд при режиме возбуждения 3(В+56) достигали 0,12g, а конструкций ростверка - 0,016g; при этом усилие на валу вибромашины составляло 380 кН, а перерезывающая сила в уровне скользящего пояса 1800-2200 кН; по величинам эквивалентных статических нагрузок такая перерезывающая сила соответствует расчетным сейсмическим нагрузкам при воздействии интенсивностью менее 7 баллов; начальные периоды колебаний дома в поперечном направлении, определенные при микросейсмических и импульсивных воздействиях, составляли ТПоп = 0,4-0,42 с при расчетном значении Тпоп = 0,39 с; по мере увеличения грузов на дебалансах вибромашины резонансные периоды колебаний увеличились до Т_поп = 0,5-0,52 с; амплитуды колебаний перекрытия над девятым этажом достигали при испытаниях 7,5 мм, а в уровне ростверка 1 мм; полный размах относительных смещений в скользящих опорах (включая остаточные смещения) был в пределах 90 мм и определялся по показаниям сейсмоприемников и тензолине-ек; остаточные. смещения в опорах достигали при испытании 44 к оси В ? = 80 мм у оси 1 и 13 мм у оси 13; следует иметь в виду, что перед началом испытания 44 надземные конструкции были сдвинуты статическими домкратами к оси А (на 78 мм от проектного положения у оси 1 и 53 мм — у оси 13); при испытаниях девятиэтажного объекта в поперечном направлении четко проявилась тенденция к неравномерному распределению перемещений по длине дома и его закручивание в плане почти как жесткого тела; во всех испытаниях сначала наблюдались подвижки со стороны оси 1, затем они проявлялись в опорах по осям 2-10 и лишь в последнюю очередь происходили подвижки с амплитудами до 0,3-0,5 мм опор по оси 13; интенсивное закручивание здания в плане было обусловлено причинами, рассмотренными выше. Кроме того, периоды колебаний здания в поперечном направлении и при кручении были близки, это проявлялось на характере колебательных процессов, при которых дом наряду с поступательными перемещениями попеременно закручивался в горизонтальной плоскости относительно своих торцов; в резонансной области преобладали повороты здания в плане относительно оси 13, а в зарезонансной области при частоте порядка 3 Гц (Т = 0,33 с) — относительно оси 1; отношение амплитуд крутильных колебаний к амплитудам поступательных колебаний в уровне девятого этажа составляло 20—30%, а в уровне ростверка - 40—60 %; выявленная при вибрационных испытаниях чувствительность дома к крутильным колебаниям обусловлена, помимо неравномерного распределения жесткостей и нарушений проектных требований в процессе строительства, спецификой зданий со скользящим поясом; ослабление кинематической связи надземных конструкций со стенами подвала приводит к проявлению дополнительных степеней свободы - поступательных перемещений и кручения в плане; если для обычных крупнопанельных зданий проявление крутильных колебаний обязательно сопровождается повышением внутренних усилий в несущих конструкциях, то в зданиях со скользящим поясом кручение вызывает неодновременность срабатывания скользящих опор и приводит к последовательному проявлению подвижек в опорах, установленных по разным осям; таким образом, кручение в экспериментальном доме одновременно влияет в двух противоположных направлениях и вопрос о необходимости учета кручения при расчете зданий требует дополнительного изучения, в частности,для определения рациональных размеров зданий в плане; такие расчетно-теоретические исследования в настоящее время проводятся в ЦНИИСК им. Кучеренко; вместе с тем, несмотря на крутильные колебания здания, суммарные инерционные нагрузки на его надземные конструкции не увеличиваются, а происходит лишь их перераспределение в плане здания; относительные перемещения (деформации) надземных конструкций девяти этажей высотой 27 м не превышали 6 мм вблизи оси 1 и 4,3 мм вблизи оси 13, что, как при испытаниях пятиэтажного объекта, приводит к весьма незначительным внутренним усилиям в надземных конструкциях по сравнению с обычными крупнопанельными зданиями; об этом же свидетельствует отсутствие повреждений несущих конструкций и их сопряжений; при испытаниях девятиэтажного объекта зафиксированы значительные качательные колебания здания на грунте, что характерно для вибрационных испытаний девятиэтажных крупнопанельных зданий в поперечном направлении и обусловлено механизмом формирования инерционных нагрузок на здание и его взаимодействием с грунтом; наличие качательных колебаний не оказывает влияния на порог срабатывания системы сейсмозащиты.

В целом, вибрационные испытания пятиэтажного и девятиэтажного объектов подтвердили правильность расчетных предпосылок, принятых на стадии проектирования, идентичность параметров статического и динамического деформирования скользящих опор, снижение коэффициентов трения скольжения и физическую реализуемость процессов относительного скольжения в опорах с ограничением внутренних усилий в надземных конструкциях. Подтверждено также существенное, в пять-шесть и более раз снижение ускорений надземных конструкций и внутренних усилий в панелях стен и их сопряжениях.

Таким образом, несмотря на ряд отступлений от проектных требований и проведение вследствие этого натурных испытаний экспериментального дома в неблагоприятных условиях, в результате исследований установлено: подтверждена работоспособность системы активной сейсмозащиты в виде сейсмоизолирующего пояса и физическая реализуемость процессов подвижки надземных конструкций относительно верхней обвязки стен подвала при статических и вибрационных воздействиях высокой интенсивности, которые вызывались вибромашиной, установленной на покрытии исследуемого объекта; коэффициент трения скольжения на разных этапах испытаний имеет достаточно стабильное значение f_тр = 0,04—0,06, что значительно меньше расчетного значения f_тр = 0,1, принятого на стадии разработки проекта; величина относительной подвижки в уровне скользящего пояса достигла при статических нагрузках 78 мм в одном направлении, а суммарная подвижка превышала 120 мм; при этом в работу включались упругие ограничители горизонтальных перемещений (демпферы) и вертикальные связи, происходила надвижка края опор на первый наклонный участок нижней пластины (с углом 3°); построены полные замкнутые петли деформирования скользящих опор при 2-3 циклах знакопеременного статического нагружения, характеризующиеся постепенным снижением порога срабатывания (начала скольжения) от цикла к циклу и повышением восстанавливающей силы при включении в работу гравитационной составляющей на наклонных участках опор, ограничителей горизонтальных и вертикальных перемещений; смещение надземных конструкций (в направлении, противоположном достигнутой подвижке) из крайнего положения при снятии усилий в статических домкратах достигало 5—9 мм, что характеризует способность системы к возврату в исходное положение, отмеченная тенденция наиболее отчетливо проявилась при испытании 43, при котором после статического смещения надземных конструкций девятиэтажного дома в крайнее положение к оси А при включенной вибромашине 3(В+56) произошло постепенное смещение в обратном направлении до 95 мм по оси 1 и 50 мм по оси 13; скольжение в опорах при вибрационных испытаниях отмечено на первых этапах нагружений при усилиях на валу вибромашины 140 кН для пятиэтажного объекта и 85 кН — для девятиэтажного дома. Максимальное достигнутое усилие на валу вибромашины достигало соответственно 900 и 400 кН, при этом перерезывающая сила в уровне скользящего пояса составляла 1600-1800 кН для пятиэтажного объекта и 2200—2500 кН - для девятиэтажного дома.

Таким образом, при натурных вибрационных испытаниях этапы установившегося скольжения происходили при величинах перерезывающих сил меньше расчетных в 1,5-1,7 раза для пятиэтажного объекта и в 2,5-3 раза для девятиэтажного дома. Указанные величины перерезывающих сил соответственно в 2.5-3 и 5-5,5 раза меньше расчетной перерезывающей силы в уровне первого этажа для пяти- и девятиэтажного дома при расчетной сейсмичности 9 баллов (при K₁ = 0,25 по СНиП II-7-81). По сравнению с расчетными величинами перерезывающих сил при K₁ = 1, т. е. при AK₁ = 400 см/с², максимальные перерезывающие силы в стадии установившегося скольжения составляли 8—10 и 4,7—5%;

максимальный размах колебаний при установившемся скольжении здания на опорах составлял 2? = 5 мм, остаточные смещения (при исп. 43) достигали 90 мм;

распределения абсолютных перемещений и ускорений по длине и высоте зданий свидетельствуют, что максимальные ускорения верха дома составляли 0,15g при амплитуде у = 2-2,5 мм для пятиэтажного объекта и 0,12g при х = 7,6 мм для девятиэтажного дома; в обоих случаях здания перемещались при незначительных деформациях несущих конструкций по высоте (1-1,5 мм на 15 м высоты стен для пяти этажей и 5,5-6 мм на 27 м высоты стен для девяти этажей);

указанное существенное снижение деформаций несущих конструкций по сравнению с обычными крупнопанельными домами является основным показателем эффективности системы сейсмозащиты и происходит вследствие ограничения ускорений и инерционных нагрузок на надземную часть здания при начале скольжения в опорах, резкого увеличения в этой стадии диссипации энергии за счет сил трения скольжения, а также наложения при скольжении двух (или более) форм колебаний, включая сдвиго-изгибные колебания, качание здания на грунте и плоско-параллельные перемещения надземной части как жесткого тела. Это приводит к сдвигам фаз колебаний конструкций разных этажей и, следовательно, к достижению максимальных перемещений и ускорений в разные моменты времени. Тем самым качественно подтверждаются результаты расчетов пятиэтажного экспериментального дома с сейсмоизолирующим скользящим поясом на акселерограммы зарегистрированных землетрясений, которые были проведены в ФПИ и ЦНИИСК им. Кучеренко и свидетельствовали о разнозначности ординат эпюр перерезываюших сил по высоте дома (см. п. 4.5);

дополнительным подтверждением факта существенного снижения инерционных нагрузок, усилий и напряжений в несущих конструкциях надземной части здания при вибрационных испытаниях является отсутствие повреждений конструкций и их сопряжений; отмечены лишь небольшие трещины и отколы штукатурки вблизи сопряжений плит перекрытий между собой, с панелями стен и перегородками, которые происходили непосредственно под местом крепления вибромашины; это обусловлено только характером передачи нагрузок от вибромашины при натурных испытаниях дома. Следует отметить, что результаты многочисленных вибрационных испытаний крупнопанельных домов без системы сейсмозащиты, выполненных ЦНИИЭП жилища, КазПСНИИП и другими институтами, свидетельствуют, что при аналогичных достигнутых режимах нагружения в несущих конструкциях зданий (панелях стен, особенно в перемычках над дверными проемами на лестничных клетках, в соединениях панелей между собой) появляются существенные повреждения (1-2 степени), а ускорения верха здания достигают 0,3-0,5g при амплитудах до 40-50 мм;

в процессе испытаний девятиэтажного дома в поперечном направлении приборами и визуально зафиксировано кручение здания в плане при незначительных деформациях междуэтажных перекрытий в горизонтальной плоскости; такой характер колебаний обусловлен отклонениями от проектных требований, эксцентриситетами между центрами масс и жесткостей (особенно в связи с несимметричным расположением относительно поперечной оси дома лестничных клеток и шахт лифтов), а также повышенной чувствительностью дома на скользящих опорах к различного типа эксцентриситетам и неравномерностями в плане здания; доля перемещений от кручения здания достигала 40—50% амплитуд поступательных колебаний в поперечном направлении; при испытаниях второго этапа (пятиэтажного объекта в продольном направлении) влияние кручения дома в плане проявлялось значительно в меньшей степени;

отмеченное при испытаниях третьего этапа интенсивное качание здания на грунте характерно для вибрационных испытаний с помощью машин, установленных на верхнем этаже, и определяется податливостью грунта; несмотря на ощутимые качательные колебания, заметного их влияния на пороги срабатывания скользящих опор не отмечено.

Примечания

1. Испытания проведены большой группой сотрудников ЦНИИСК им. Кучеренко и Казахского ПромстройНИИпроекта. Обработка результатов испытаний выполнена в ЦНИИСКе.

2. См. "Методические рекомендации по инженерному анализу последствий землетрясений"/ЦНИИСК им. Кучеренко. - М., 1980.

3. Испытания проведены большой группой сотрудников ЦНИИСК им. Кучеренко, КазПСНИИП и ФПИ при участии ДСК-2 и Фрунзегорпроекта. 178

4. Ответственные исполнители работы по проведению натурных испытаний кандидаты техн. наук Л.Ш. Килимник, И.Е. Ицков, инж. М.К. Абдыбалиев и канд. техн. наук. B.C. Поляков (по испытаниям динамического гасителя колебаний).

5. Обработка результатов испытаний выполнена автором настоящей главы совместно с канд. техн. наук. И.Е. Ицковым и инж. М.К. Абдыбалиевым при участии инженеров В.Г. Лебедевой, Л.Ф, Курилло.