Результаты испытаний элементов скользящего пояса и моделей зданий

Результаты испытаний элементов скользящего пояса и моделей зданий при статических, импульсивных и вибрационных воздействиях.

В ФПИ канд. техн. наук Л. Л. Солдатовой [81] проведены исследования гармонических колебаний одно- и двухмассовой моделей здания с сейсмоизолирующим скользящим поясом и упругими ограничителями горизонтальных перемещений в фундаменте. В процессе испытаний изменялись частота и амплитуда воздействия.

Для экспериментального исследования эффективности устройства скользящего пояса изготовлена модель здания, которая испытывалась на сейсмоплатформе (рис. 4.20). Модель здания состоит из фундамента и металлического каркаса с грузами. Модель установлена на сейсмоплатформу 1. Фундамент модели представляет собой два железобетонных пояса: нижний пояс фундамента 2 жестко прикреплен к столу сейсмоплатформы, верхний пояс 3 свободно лежит на антифрикционных прокладках 4. В специальные пазы фундамента вставлены упругие ограничители горизонтальных перемещений 5. К верхнему поясу фундамента прикреплен металлический каркас 6. Грузы 7, моделирующие массу здания, крепились либо к верхнему поясу фундамента, либо к раме, устроенной в верхней части стоек каркаса. На столе сейсмоплатформы, верхнем поясе фундамента и раме, расположенной в верхней части каркаса, установлены регистрирующие приборы 8.

При динамических испытаниях модели в качестве антифрикционных прокладок устанавливались поочередно прокладки из фанеры, кровельного железа, прокладки из фторопласта-4 в один и два слоя и прокладки в два слоя (металлическая и фторопластовая). Чтобы оценивать влияние упругих ограничителей горизонтальных перемещений, модель испытывалась без ограничителей, с пружинными ограничителями, поставленными в пазы фундамента без зазоров, и с резиновыми амортизаторами, поставленными с зазором в направлении колебаний. Конструкция упругих ограничителей обеспечивала их работу на сжатие при относительном смещении поясов фундамента.

Во время испытаний осциллографами Н-700 записывались смещения, скорости и ускорения сейсмоплатформы и модели при установившемся скольжении поясов фундамента. Для регистрации смещений и скоростей установлены сейсмоприемники ВБП-3, для регистрации ускорений — сейсмоприемники ОСП.

На сейсмоплатформе испытывались одномассовая и двухмассовая модели здания со скользящим поясом и упругими ограничителями горизонтальных перемещений. Испытания одномассовой модели проводились для того, чтобы исследовать работу скользящего пояса, подобрать материал антифрикционных прокладок, выявить необходимость упругих ограничителей горизонтальных перемещений, исследовать влияние их жесткости на амплитуды смещений, скоростей и ускорений верхнего пояса фундамента. При исследованиях одномассовой модели здание рассматривалось как абсолютно жесткое тело. В экспериментальной установке грузы, моделирующие массу здания (железобетонные плиты), устанавливались непосредственно на раму верхнего пояса фундамента.

Для оценки влияния упругих свойств здания выполнены исследования двухмассовой модели, при этом грузы, моделирующие массу здания, устанавливались на раму в верхней части каркаса. Период собственных колебаний этой модели при жестко скрепленных поясах фундамента в зависимости от массы грузов находился в пределах 0,17—0,25 с.

Уменьшение горизонтальных инерционных сил в конструкциях, расположенных выше скользящего пояса, обеспечивается за счет свободного проскальзывания при определенном уровне воздействия. Ограничить относительные перемещения верхнего и нижнего поясов фундамента необходимо для того, чтобы здание не "съехало" с фундамента. Упругие ограничители горизонтальных перемещений с резиновыми амортизаторами, выполненными в натуральную величину, при испытаниях модели на сейсмоплатформе устанавливались в направлении колебаний с зазором, превышающим двойную амплитуду смещений сейсмоплатформы. Для исследования влияния жесткости упругих ограничителей на смещения, скорости и ускорения модели выше скользящего пояса изготовлены ограничители с пружинами. Горизонтальная жесткость одной цилиндрической пружины равна 0,256 кН/см, в каждом ограничителе может быть установлено по одной или по две пружины.

Упругие ограничители с резиновыми амортизаторами, устанавливаемые в зданиях, должны обеспечить возможность сравнительно больших смещений здания относительно фундамента, т. е. быть податливыми в направлении колебаний и поглощать часть энергии сейсмического воздействия. Учитывая опыт проектирования и применения резиновых опорных частей мостов, применяли резины марки НО-68—1 7 НО-68—1, 2959, 1847, ИРП-1347—1. В экспериментальных исследованиях использовались амортизаторы из протекторной резины, выпускаемой по ГОСТ 2631—71, которая по своим свойствам близка к предлагаемым типам резины.

Для снижения горизонтальной жесткости резиновые амортизаторы целесообразно выполнять со сквозными цилиндрическими отверстиями. Для экспериментальных исследований было изготовлено четыре типа резиновых амортизаторов в натуральную величину 240x194x125 мм. В зависимости от количества и размеров отверстий коэффициент жесткости резиновых амортизаторов находится в пределах 2,13-6,03 кН/см.

В зданиях упругие ограничители горизонтальных перемещений целесообразно устанавливать с зазором в направлении колебаний, что. обеспечивает возможность свободного проскальзывания фундамента относительно здания при больших ускорениях основания. В зданиях с резиновыми амортизаторами в момент, когда перемещение здания относительно фундамента превысит зазор, происходит неупругий удар. При этом часть кинетической энергии теряется, так как она затрачивается на внутреннее трение в резине. Количество потерянной энергии зависит от упругих свойств амортизаторов и характеризуется коэффициентом восстановления у. При прямом ударе

где u - модуль скорости в конце удара; v — модуль скорости в начале удара.

Значение коэффициента восстановления находится опытным путем. Для определения коэффициента восстановления резиновых амортизаторов изготовлена специальная ударная установка маятникового типа (рис. 4.21). Маятник 1 с массой m_пр и длиной l отклоняется на некоторый угол ?, затем свободно отпускается. В момент, когда центр тяжести маятника находится в крайнем нижнем положении, происходит прямой неупругий удар маятника о резиновый амортизатор 2, после удара маятник отскакивает на угол ?₁. Коэффициент восстановления можно определить, если пренебречь трением в подшипниках качения и сопротивлением воздуха, используя принцип равенства максимальных кинетической и потенциальной энергий маятника.

Коэффициент восстановления ? определяется через углы ? и ?₁

Потери скорости в момент удара об амортизатор:

а потери кинетической энергии

Коэффициент восстановления испытанных амортизаторов у находится в пределах 0,603—0,628, практически он не зависит от размеров и количества отверстий. Потери скорости достигают 37%, а потери кинетической энергии 60%.

При испытаниях одномассовой модели на сейсмоплатформе отмечено, что при небольших частотах колебаний сейсмоплатформы верхний и нижний пояса фундамента совершали колебания как одно целое. По мере увеличения-частоты колебаний сейсмоплатформы начиналось проскальзывание нижнего пояса фундамента относительно верхнего. В момент установившегося скольжения зрительно казалось, что верхний пояс неподвижен, а нижний пояс фундамента колеблется вместе со столом сейсмоплатформы.

На рис. 4.22 показана запись колебаний при установившемся скольжении поясов фундамента в эксперименте с антифрикционными прокладками в два слоя: из фторопласта-4 и нержавеющей стали, с упругими ограничителями (резиновыми амортизаторами) и с массой грузов в 1800 кг, установленных на верхнем поясе фундамента. Смещения скорости и ускорения верхнего пояса фундамента значительно меньше скоростей и ускорений сейсмоплатформы. Следует отметить, что на записи 6 четко наблюдается "срезка" ускорений верхнего пояса. Таким образом, экспериментально подтверждается ограничение ускорений величиной, определяемой силой сухого трения в скользящих опорах.

Эффективность устройства скользящего пояса в фундаменте иллюстрируется на рис. 4.23, где показаны экспериментальные и расчетные значения амплитуд смещения А₁, амплитуд ускорения ?₁ верхнего пояса фундамента и соотвественно аллитуд смещения А₀ и амплитуд ускорения ?₀ стола сейсмоплатформы. Они получены при испытаниях одномассовой модели с антифрикционными прокладками из фторопласта-4 и нержавеющей стали и с пружинными ограничителями горизонтальных перемещений (масса грузов на верхнем поясе фундамента 1800 кг) при изменении частоты колебаний сейсмоплатформы от 4 до 6 Гц. Расчетные значения амплитуд определены по формуле (4.6).

Коэффициент динамичности ?₁ определяется как отношение амплитуды ускорений верхнего пояса фундамента к амплитуде ускорений сейсмоплатформы для каждой частоты колебаний сейсмоплатформы.

В результате исследования колебаний одномассовой модели здания с сейсмоизолирующим скользящим поясом и упругими ограничителями горизонтальных перемещений сделаны следующие выводы: для создания скользящего пояса оптимальной парой из исследованных материалов являются антифрикционные прокладки из фторопласта-4 и нержавеющей стали; после срабатывания системы сейсмозащиты при установившемся скольжении поясов фундамента амплитуды смещений, скоростей и ускорений конструкций, находящихся выше скользящего пояса, значительно меньше амплитуд смещений, скоростей и ускорений нижнего пояса фундамента; эффективность устройства скользящего пояса возрастает с увеличением частоты колебаний и ускорений сейсмоплатформы; ускорения конструкций, расположенных выше скользящего пояса, снижаются с уменьшением жесткости упругих ограничителей; в качестве упругих ограничителей целесообразно использовать резиновые амортизаторы, поставленные в пазы фундамента с зазором, так как они позволяют погасить значительную часть энергии колебаний в момент включения их в работу.

Испытание двухмассовой модели показало, что характер колебаний модели был таким же, как и одномассовой модели, однако при установившемся скольжении поясов фундамента амплитуды смещений А₁ и ускорений ?₁ верхнего пояса фундамента возросли по сравнению с амплитудами A₁ и ?₁ в одномассовой модели. Амплитуды смещений А₂ и ускорений ?₂ верхней рамы каркаса с грузами больше амплитуд A₁ и ?₁ верхнего пояса фундамента. На рис. 4.24 и 4.25 показаны амплитуды колебаний модели в экспериментах с массой грузов 1800 кг, установленных на верхней раме каркаса и с антифрикционными прокладками из фторопласта-4 и нержавеющей стали. Данные на рис. 4.24 относятся к эксперименту, когда использовались пружинные ограничители горизонтальных перемещений, а рис. 4.25 - ограничители с резиновыми амортизаторами. На рис. 4.26 показаны результаты испытаний модели при жестко скрепленных поясах фундамента.

Расчетные значения амплитуд колебаний (показаны пунктиром) определялись по формулам (4.6) и (4.8). Анализ результатов на рис. 4.24 свидетельствует, что амплитуды колебаний (A₁ и ?₁) верхнего пояса фундамента и верхней рамы каркаса (А₂ и ?₂) при установившемся скольжении значительно меньше амплитуд колебаний (А₀ и ?₀) сейсмоплатформы. В эксперименте с жестко скрепленными поясами фундамента (см. рис. 4.26) характер колебаний модели другой: амплитуды колебаний в уровне верхней рамы каркаса значительно больше колебаний сейсмоплатформы.

Таким образом, исследование колебаний двухмассовой модели и снижение амплитуд колебаний конструкций, расположенных выше скользящего пояса, по сравнению с амплитудами колебаний модели без скользящего пояса (при жестко скрепленных поясах фундамента) подтвердило эффективность устройства сейсмоизолирующего скользящего пояса. Вместе с тем испытания показали, что при расчетном анализе параметров деформирования надземных конструкций необходимо более полно учитывать их инерционные, упругие и диссипативные характеристики, особенно в части неравномерности распределения в плане и по высоте здания. На основании этих выводов были поставлены и проведены последующие этапы исследований, которые позволили качественно и количественно изучить механизмы ограничения перерезывающей силы в уровне скользящего пояса постоянной величиной f_тпQ, где Q — вес вышележащих конструкций с учетом длительных и кратковременных нагрузок (см. п. 4.3).

В 1983-1984 гг. в ЦНИИСК им. Кучеренко на сейсмоплатформе были проведены испытания модели объемно-блочного здания типа БКР (конструкции ЦНИИЭП жилища) в 1/6 натуральной величины, массой 10,8 т, с элементами двух систем сейсмозащиты — скользящим поясом и динамическими гасителями колебаний с вязким и сухим трением.

Испытания проводились с помощью статических домкратов ДГ-20 и при возбуждении колебаний сейсмоплатформы с заданной амплитудой перемещений и плавным изменением частоты колебаний. Регистрация параметров движения модели осуществлялась при жестком ее закреплении к столу сейсмоплатформы (модель-аналог) и при установке модели через стальную раму на четыре пластины с размером 80x80x4 мм из фторопласта-41 (парафторопласт по фторопласту). В процессе кинематического возбуждения осуществлялось плавное прохождение резонансов (по первой и второй формам собственных колебаний модели) в прямом и обратном направлениях. Диапазон изменения частот от 2 до 14 Гц, собственные частоты колебаний модели f₁ ? 4 Гц и f₂ ? 13,2 Гц.

Некоторые результаты испытаний представлены в табл. 4.1. Не останавливаясь на исследовании двух систем сейсмозащиты (они будут рассмотрены в гл. 6), отметим следующие принципиальные результаты испытания модели здания со скользящими опорами: коэффициент трения скольжения при статическом нагружении составлял f_тр = 0,07 при общей массе модели с при-грузом Q = 10,8 т и давлении на опору 4,15 МПа; коэффициент динамичности (отношение амплитуд перемещений верха модели и стола сейсмоплатформы в резонансном режиме колебаний) при жесткой кинематической связи модели с сейсмоплатформой, т. е. при испытании модели объемно-блочного здания традиционной схемы, достигал 15—18, что соответствует логарифмическому дикременту S = 0,17—0,21; при прочих равных условиях коэффициент динамичности уменьшался с ростом амплитуды колебаний сейсмоплатформы, ускорения верха модели были весьма значительными (до 0,58g); при установке на скользящие опоры по мере приближения к резонансу по первой форме колебаний f₁ = 4 Гц начиналось проскальзывание модели относительно опорной рамы, жестко прикрепленной к столу сейсмоплатформы; коэффициент динамичности снижался до 4-7, что соответствует увеличению 5 до 0,47-0,8, а ускорения верха модели не превышали 0,25g; модель совершала сложные колебания с поворотом в плане; для возвращения ее в исходное положение необходимо было приложить усилие не более 150-400 Н; при увеличении частоты колебаний до второй резонансной частоты f₂ = 13,2 Гц вновь наблюдалось проскальзывание при незначительных деформациях конструкций выше скользящего пояса; визуально наблюдалась картина, при которой положение модели в пространстве было практически неизменным, а сейсмоплатформа проскальзывала под основанием модели. Другие качественные результаты были аналогичны испытаниям в ФПИ.