Оценка сейсмостойкости многоэтажного жилого здания с фрикционно-маятниковыми опорами на примере Индонезии

Полный текст

1. Введение Сейсмическая уязвимость многоэтажных жилых зданий требует постоянного совершенствования конструктивных решений и стратегий снижения рисков [1]. Данная работа посвящена оценке сейсмостойкости многоэтажных жилых зданий, оборудованных системами сейсмоизоляции, и подчеркивает ее актуальность и потенциальный вклад в отечественное сейсмостойкое строительство. Несмотря на то, что территория России охватывает различные сейсмические зоны, в исследовании для обогащения российской практики сейсмостойкого проектирования рассмотрены методики и подходы, применяемые в индонезийской практике [2]. В дополнение к практическим выводам, полученным в ходе исследования, необходимо отметить продолжающиеся исследования в области сейсмоизоляции, что еще больше увеличивает потенциальное влияние на отечественную практику сейсмостойкого строительства [3; 4]. Современные исследования в области сейсмоизоляции посвящены изучению инновационных материалов, передовых аналитических методов и систем динамического управления, направленных на повышение эффективности и адаптивности систем сейсмоизоляции [5]. За последние несколько десятилетий было проведено множество экспериментальных и теоретических исследований по оценке влияния сейсмоизоляции на устойчивость конструкций к землетрясениям. Результаты этих исследований показывают, что сейсмоизоляция приводит к уменьшению сейсмических сил в основании, общей деформации сооружения, числа пластических шарниров и смещений этажей при одновременном увеличении периода колебаний конструкций [6-10]. Учет результатов этих исследований может оказать существенное влияние на развитие практики сейсмостойкого проектирования в России. Динамичный характер исследований в области сейсмостойкого строительства, обусловленный появлением новых технологий и междисциплинарным сотрудничеством, обеспечивает постоянную эволюцию методов расчета и проектирования зданий на сейсмические воздействия [11]. Данное исследование в сочетании с более широким спектром проводимых исследований призвано внести вклад в динамичную дискуссию о сейсмостойкости многоэтажных домов [5; 12], способствуя формированию комплексного понимания, не только применимого к условиям Индонезии, но и переносимого в сейсмоопасные регионы России. Целями настоящего исследования являлись: - исследование методов и подходов к проектированию зданий с применением сейсмоизоляции; - оценка сейсмостойкости многоэтажного сейсмоизолированного жилого здания (на примере Индонезии). 2. Методы и материалы Параметры объекта исследования (рис. 1) представлены в табл. 1. Таблица 1 / Table 1 Параметры объекта исследования / Parameters of target building Параметр / Parameter Значение / Value Место положения / Location Бандунг, Индонезия / Bandung, Indonesia Назначение / Occupancy Жилое / Residential Конструктивная схема / Structural system Рамно-связевой каркас с диафрагмами жесткости / RC Frame - Shear wall Количество этажей / Number of stories 8 Категория площадки / Site class* SD Полная высота, м / Total height, m 27.4 Категория риска / Risk category* II (апартаменты) / II (apartment) Коэффициент ответственности / Seismic importance factor* 1.0 Сейсмические нормы / Building codes SNI 1726:2019 Размеры в плане, м / Plan dimensions, m 60 × 14.8 Год постройки / Constructions year 2021 Прочность бетона, МПа / Concrete Strength, MPa 30 - длябалокиплиты, 35 - для колоннистен / 30 - for Beam and slab, 35 - for Column and Shear wall Предел текучести арматуры, МПа / Yield strength of rebar, MPa 420 Отношение предельной прочности арматуры к пределу текучести / Ultimate and yield ratio 1.25 *Примечание: в соответствии с нормами Индонезии SNI 1726:2019 / *Note: in accordance with Indonesian Seismic code SNI 1726:2019 Рис. 1. Объект исследования (фасад, план) Источ ник: выполнено авторами Figure 1. Target building (elevation & plan) Sou rce: made by the authors В здании применяется шесть типов ригелей (h × b мм): 600 × 400, 600 × 350; 600 × 300, 400 × 250, 400 × 200, 300 × 150. Продольная арматура ригелей (мм): d22 (для h = 600), d19 (для h = 400), d16 (для h = 300). Поперечная арматура (мм): d10, шаг 100 - на приопорных участках; шаг 150 - в середине пролета. Плита перекрытия толщиной 130 мм, арматура плиты d10, шаг 150 мм. Колонны (h × b мм): 600 × 400. Арматура: продольная - 18d22, поперечная - d13, шаг 150 мм. Железобетонные диафрагмы жесткости толщиной 200 мм. Торцевые колонны диафрагм размерами 500 × 200 мм армируются продольными стержнями 16d22, тело стены армируется d10, шаг 150 мм; поперечная арматура d13, шаг 150 мм. Определение нагрузок. Постоянные нагрузки на перекрытие (Dead Load, DL) - 10.25 кН/м2 (собственный вес элементов). Дополнительная постоянная нагрузка (Super Imposed Dead Load, SIDL) - 1.5 кН/м2 (потолок, пол, инженерные коммуникации). Временные нагрузки (Live Load, LL) - 2.0 кН/м2. Полная нагрузка: 1.0 DL + 1.0 SIDL + 0.25 LL = 12.25 кН/м2. Нормативный спектр ускорений (Design Response Spectrum). Параметры нормативного спектра ускорений определяются для площадки строительства в соответствии с SNI 1726:2019. Требуемые параметры могут быть определены с помощью специального онлайн-сервиса [13]. Спектр ускорений для рассматриваемой площадки строительства представлен на рис. 2. Как видно из рисунка, построенный спектр находится между 8 и 9 баллами (MSK 8 и MSK 9 на графике) отечественной шкалы MSK-64 и имеет большую протяженность площадки максимальных ускорений для коротких периодов. Рис. 2. Нормативный спектр ускорений для г. Бандунг Источ ник: выполнено авторами Figure 2. Design Response Spectrum for Bandung Sou rce: made by the authors Нелинейный анализ отклика сооружения. Для анализа отклика сооружения используются нелинейные методы расчета на сейсмическое воздействие: нелинейный статический (Pushover) и нелинейный динамический во временной области (Nonlinear-Time History Analysis, NLTHA). Расчет производится в свободно распространяемой программе STERA 3D. Дистрибьютив программы, а также детальное техническое руководство доступны пользователям всех стран на сайте программы. Автором настоящей работы был выполнен перевод руководства пользователя на русский язык, который также доступен на сайте программы [14]. Программа STERA 3D предназначена для выполнения нелинейных расчетов на динамические воздействия зданий и сооружений. В основе программы лежат модели, состоящие из линейных (упругих) элементов с нелинейными пружинами - концентрированная нелинейность. Жесткость нелинейных пружин характеризуется зависимостями сила-деформация для каждого элемента. Для описания нелинейного поведения пружин используются конститутивные модели, такие как билинейные или трилинейные модели. Более подробная информация о канонических уравнениях каждого элемента, принципах формирования матриц жесткости и работы программы читатель может найти в техническом руководстве программы [14]. Сейсмическое воздействие в STERA 3D задается тремя компонентами акселерограмм X&&0 , Y&&0 и Z&&0 в направлениях X, Y и Z соответственно. Уравнение движения для системы элементов записывается как M a C v K d p , где M , C и K - матрицы масс, демпфирования и жесткости. d , v , a и p - векторы перемещений, скорости, ускорений и внешних сил соответственно. Для интегрирования уравнения движения используется модифицированный Ньюмарк-β метод с инкрементальной формулировкой, использующей пошаговую матрицу жесткости. В настоящем примере использовалось демпфирование, пропорциональное жесткости C a K1 , с коэффициентом демпфирования h = 0.05, коэффициент пропорциональности a1 2h 1 , где 1 - частота первой формы колебаний. В качестве модели гистерезиса в работе используется модель Такеды [15]. Для нелинейного динамического анализа использовалось семь пар горизонтальных компонент записей ускорений грунта, выбранных в соответствии с магнитудой, эпицентральным радиусом и механизмом возникновения рассматриваемой площадки строительства. Спектральное преобразование (spectral matching) выбранных записей ускорений грунта производится обратным преобразованием Фурье для нормативного спектра ускорений с использованием программы STERA WAVE 1.0. Расчет ведется в соответствии с сейсмическими нормами Индонезии SNI 1726:2019. Выбор записей землетрясений. При проведении нелинейного динамического анализа должны быть использованы наборы записей ускорений грунта для проектного и максимального рассматриваемого землетрясения, состоящие минимум из семи пар горизонтальных компонент акселерограмм, выбранных и масштабированных исходя из параметров магнитуды, эпицентрального расстояния и механизма землетрясения, соответствующих рассматриваемой строительной площадке [14; 15]. В случае отсутствия требуемого набора записей ускорений грунта возможно использовать синтетические пары акселерограмм. При использовании нелинейного динамического анализа как основания для проектирования систем сейсмоизоляции расчетные перемещения и силы в элементах здания рассчитываются для среднего значения семи пар акселерограмм. Для территории Индонезии необходимо рассматривать три механизма возникновения землетрясений (рис. 3)[10]: 1) мегаземлетрясение (Megathrust, M); 2) бениоф (Benioff, B); 3) поверхностное (Shallow Crustal, SC) и поверхностное фоновое (Shallow Background, SB). Рис. 3. Результаты процедуры спектрального соответствия для компонентов «E-W» Источ ник: выполнено авторами Figure 3. Spectral Matching of the E-W components Sou rce: made by the authors Записи землетрясений были получены из открытых баз данных: - Центр инженерных данных о сильных движениях, США (CESMD)[11]. - Тихоокеанский исследовательский центр сейсмостойкого строительства, США (PEER)3. - Сети сейсмографов сильных движений K-Net, Япония[12]. Очевидно, что для эффективного внедрения нелинейного динамического метода в отечественную практику необходима серьезная модернизация существующих нормативных документов, включая разработку рекомендаций и критериев по выбору записей землетрясений, аналогичных отмеченным выше. Cпектральное соответствие (spectral matching) записей землетрясений Выбранные записи землетрясений изменялись с помощью процедуры спектрального соответствия (spectral matching). Процедура спектрального соответствия заключается в корректировке спектра ускорений в соответствии с заданным спектром отклика. Процесс включает в себя, прежде всего, масштабирование амплитудного спектра Фурье для согласования амплитуд и корректировку фазового спектра для временного согласования [20; 21]. Учет неопределенностей с помощью вероятностных методов позволяет получить надежные результаты. Валидация по эмпирическим данным и анализ чувствительности завершают процедуру, в результате которой получают скорректированные в соответствии с сейсмичностью площадки записи землетрясений. Процесс сейсмического соответствия выбранных записей землетрясений выполнялся в программе STERA WAVE 1.0. Результаты спектрального соответствия представлены на рис. 3. Параметры записей землетрясений, включая ускорения поверхности грунта (PGAmax) до и после проведения процедуры спектрального соответствия, представлены в табл. 2. Таблица 2 / Table 2 Параметры записей землетрясений / Ground motion parameters *Пр имеч ание: PGA’max - максимальное ускорение поверхности грунта после процедуры спектрального соответствия / *No t e: PGA’max - peak ground acceleration after spectral matching 3. Результаты и обсуждение Результаты модального анализа. Формы колебаний (рис. 4): - первая: T1 = 0.997 сек, коэффициент модальных масс Mx = 0.792, My = 0.003. - вторая: T2 = 0.833 сек, коэффициент модальных масс Mx = 0.009, My = 0.025. - третья: T3 = 0.751 сек, коэффициент модальных масс Mx = 0.002, My = 0.769. а b Рис. 4. Формы колебаний: a - первая, T1 = 0.997 сек; b - третья, T3 = 0.751 сек Источ ник: выполнено авторами с использованием программы STERA 3D Figure 4. Mode shapes: a - first, T1 = 0.997 sec; b - third, T3 = 0.751 sec Sou rce: made by authors using the STERA 3D program Нелинейный статический (Pushover) анализ. На рис. 5 представлена деформированная схема и кривая несущей способности здания вдоль оси Х. Элементы, выделенные желтым цветом, идентифицируют умеренные повреждения, а красные - критические. На рис. 6 представлены кривая несущей способности и нормативный спектр ускорений в преобразованных координатах спектрального ускорения (Sa) и спектрального перемещения (Sd). Рис. 5. Нелинейный статический (Pushover) анализ Источ ник: выполнено авторами с использованием программы STERA 3D Figure 5. Nonlinear static (Pushover) analysis Sou rce: made by the authors using the STERA 3D program Рис. 6. Кривая несущей способности и нормативный спектр Источ ник: выполнено авторами Figure 6. Capacity Curve and Demand Spectrum Sou rce: made by the authors Определение уровней работоспособности (Perfomance levels). В сейсмостойком строительстве уровни работоспособности (эффективности) зданий и сооружений имеют решающее значение для определения ожидаемого поведения конструкций при сейсмических воздействиях. Обычно в строительных нормах и правилах рассматриваются три интенсивности землетрясений (уровни сейсмической опасности) и четыре уровня работоспособности, включающие эксплуатационный (operational), непосредственного пребывания людей (immediate occupancy, IO), безопасности жизнедеятельности (life safety, LS) и предотвращения обрушения (collapse prevention, CP)[13]. Относительный междуэтажный перекос (inter story drift ratio) является одним из важнейших параметров, тесно связанным с уровнем эксплуатационных характеристик. Исследования показали четкую корреляцию между межэтажным перекосом и уровнем работоспособности, причем различные уровни межэтажного перекоса соответствуют определенным критериям работоспособности. В настоящем исследовании используются значения относительного междуэтажного перекоса (рис. 7) и соответствующие им уровни работоспособности, рекомендованные американскими нормами «Руководство по испытанию железобетонных элементов конструкций при медленно действующих симулированных сейсмических воздействиях»[14]. Необходимо отметить, что значения междуэтажных перекосов тесно связаны с определением индекса повреждаемости (damage index) - важнейшего критерия, используемого для количественной оценки степени повреждения конструкции. Он обеспечивает единое определение повреждений, не зависящее от материала, из которого изготовлена конструкция [20; 21]. В настоящем исследовании используется индекс повреждаемости Парка - Энга (Park - Ang), предложенный в [22]. В основе индекса лежит комбинированная мера сейсмического ущерба, которая обеспечивает основу для оценки безопасности конструкций в постмэйншоковый период. Индекс оценивает ущерб как линейную комбинацию максимальной деформации и гистеретической энергии, что позволяет учитывать накопление и распределение повреждений в элементах. В настоящей работе применяются соотношения индекса повреждаемости, междуэтажного перекоса и уровней работоспособности, предложенные в [23]. Таблица 3 / Table 3 Взаимосвязь между индексом повреждаемости Парка и Энга DPA и уровнем работоспособности [22] / Relation between Park and Ang damage index DPA and performance levels [22] Индекс Парка и Энга / Предельный перекос / Степень повреждений / Уровень работоспособности / Park and Ang index DPA Drift limits Damage state Performance level 0.1-0.2 < 0.5% Незначительные / Minor Эксплуатационный / Operational 0.2-0.5 0.5-1.5 % Умеренные / Moderate Безопасность жизнедеятельности / Life safety 0.5-1.0 1.5% - 2.5% Существенные / Severe Предобрушение / Near collapse > 1.0 > 2.5% Обрушение / Collapse Полное обрушение / Total collapse На рис. 7 представлены относительные перекосы этажей для неизолированного здания (жесткое основание). Максимальные перекосы для всех записей землетрясений локализованы в уровне 2-го этажа и находятся в уровнях IO и LS. Соответствующие индексы повреждаемости для каждого этажа представлены на рис. 8 и также свидетельствуют об удовлетворительной сейсмостойкости объекта исследования. Рис. 7. Относительные междуэтажные перекосы (жесткое основание) в направлении X Источ ник: выполнено авторами Figure 7. Inter-storey drift ratio (fixed base) in X direction Sou rce: made by authors Рис. 8. Индекс повреждаемости этажей (жесткое основание) Источ ник: выполнено авторами Figure 8. Story damage index (fixed base) Sou rce: made by authors Описание принятых элементов сейсмоизоляции. В настоящем исследовании используются фрикционно-маятниковые опоры. Данные опоры показали свою высокую эффективность и активно применяются в качестве сейсмоизоляции во всем мире [26; 27]. Параметры опор представлены на рис. 9. Как видно из рис. 10-11, применение сейсмоизоляции позволяет существенно снизить значения междуэтажных перекосов и индекс повреждаемости (для всех записей уровень работоспособности IO). Параметры / Parameters Эффективная жесткость, кН/м - 32722 / Effective stiffness, kN/m - 32722 Коэффициент трения - 0,043 / Friction coefficient - 0.043 Радиус, мм - 4500 / Radius, mm - 4500 Высота, мм - 45 / Height, mm - 45 Максимальное перемещение, мм - 600 / Displacement capacity, mm - 600 Номинальная вертикальная нагрузка, кН - 2945 / Nominal vertical load, kN - 2945 Максимальная нагрузка на сооружение, кН - 2749 / Maximum axial load on structure - 2749 kN Рис. 9. Параметры фрикционно-маятниковой опоры Источ ник: Nippon Steel & Sumitomo Metal. 2017 [26] Figure 9. Friction pendulum properties Sou rce: Nippon Steel & Sumitomo Metal. 2017 [26] Рис. 10. Относительные междуэтажные перекосы (изолированное основание) в направлении X Источ ник: выполнено авторами Figure 10. Inter-storey drift ratio (isolated base) in X direction Sou rce: made by the authors Рис. 11. Индекс повреждаемости этажей (изолированное основание) Источ ник: выполнено авторами Figure 11. Storey damage index (isolated base) Sou rce: made by the authors На рис. 12 представлено сравнение максимальных перемещений для жесткого и изолированного основания. Наблюдается значительное уменьшение деформаций самого сооружения (в 1,9 раза для записи Нортридж и 7 раз для записи Чи-Чи). Рис. 12. Перемещения по этажам для жесткого и изолированного (ISO) оснований Источ ник: выполнено авторами Figure 12. Displacements for fixed and isolated (ISO) base structures Sou rce: made by the authors На рис. 13, 14 представлены сравнения ускорений и сил в основании для жесткого и изолированного здания. Для изолированного здания значения ускорений уменьшены в среднем в 2 раза, а значения сил в основании здания - в 3 раза. Рис. 13. Ускорения на верхнем этаже в направлении X Источ ник: выполнено авторами Figure 13. Acceleration on Top Floor in X-direction Sou rce: made by the authors Рис. 14. Сила в основании здания в направлении X Источ ник: выполнено авторами Figure 14. Base Shear in X direction Sou rce: made by the authors На рис. 15, 16 представлены кривые гистерезиса (сила в основании - перемещение верха здания) для записи Эль Центро, 1940. Изолированное здание характеризуется более высокой степенью рассеяния энергии (площадь петли гистерезиса) и существенным снижением силы в основании (16 430 кН для жесткого основания против 4563 кН - для изолированного). В настоящей работе исследовалась сейсмостойкость 8-этажного жилого железобетонного здания рамно-связевой конструктивной схемы. Объект исследования рассчитывался на семь пар горизонтальных компонент акселерограмм, выбранных в соответствии с параметрами возможных землетрясений для рассматриваемой площадки строительства (г. Бандунг). Выбранные записи землетрясений изменялись с помощью процедуры спектрального соответствия (spectral matching) нормативному спектру ускорений. В качестве сейсмоизолирующих опор были использованы фрикционно-маятниковые опоры. Рис. 15. Кривая гистерезиса для записи Эль Центро (жесткое основание) Источ ник: выполнено авторами Figure 15. Hysteretic curve for El Centro (fixed base Y) Sou rce: made by the authors Рис. 16. Кривая гистерезиса для записи Эль Центро (изолированное основание) Источ ник: выполнено авторами Figure 16. Hysteretic curve for El Centro (isolated base Y) Sou rce: made by the authors 4. Заключение В результате исследования можно сделать следующие выводы: 1. В целом анализ показал, что здание соответствует уровню непосредственного пребывания людей (IO). 2. Выводы, полученные в результате нелинейного динамического анализа во временной области (NLTHA), показывают, что поверхностные землетрясения (shallow) приводят к большим разрушениям по сравнению с мегаземлетрясениями (megathrust), причем в обоих сценариях обеспечивается уровень безопасности жизнедеятельности (LS). 3. Землетрясения, характеризующиеся длинными периодами, вызывают повышенные деформации и повреждения в изолированных конструкциях основания. 4. Применение сейсмоизоляции, в частности использование фрикционно-маятниковых опор, позволяет снизить сейсмические нагрузки, о чем свидетельствует уменьшение ускорений на верхнем уровне и сдвигающих усилий в основании. Соответственно, снижается индекс повреждаемости конструкции, достигая состояния отсутствия повреждений, и повышается уровень эксплуатационных характеристик до уровня непосредственного пребывания людей (IO). 5. В целом использование изолированных конструкций демонстрирует значительную эффективность в повышении уровня эксплуатационных характеристик, особенно для зданий с повышенными требованиями к сейсмической безопасности (например, больницы и госпитали).

Об авторах

Заурбек Камболатович Абаев

Владикавказский научный центр Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: zaurbek_a@yahoo.com
ORCID iD: 0000-0002-6932-2740

кандидат технических наук, доцент, научный сотрудник

Владикавказ, Россия

Фаиз Султан

Министерство общественных работ и жилищного строительства

Email: faiz.sulthan@pu.go.id
ORCID iD: 0000-0002-7792-0337

инженер группы внедрения строительных материалов и конструкций

Джакарта, Индонезия

Список литературы