Рассмотрено то же здание, что и в примере 6.7.1. Сейсмоизоляция устроена в уровне фундаментной плиты. Все характеристики верхнего строения приняты из предыдущего примера, за исключением максимальной упругой силы в подвальной части, которая в данном примере составляет 1 600 кН. Подвижность сейсмоизолированной части относительно фундаментной плиты обеспечивается стальными витыми пружинами, работающими на сжатие и сдвиг [43]. Жесткость пружин на сдвиг зависит от степени их сжатия. Пружины должны быть подобраны таким образом, чтобы их сжатие от вертикальной статической нагрузки не превышало 10 %. Отношение длины пружины к ее диаметру следует назначать исходя из горизонтальных перемещений здания от ветровых нагрузок. При этом необходимо учитывать поворот здания как жесткого тела относительно вертикальной оси. РДМ представлена на рис. 6.47.
Демпферы вязкого трения, как правило, устанавливаются совместно с пружинами и работают в двух направлениях независимо. Основное преимущество демпферов вязкого трения заключается в том, что они не увеличивают жесткости всей конструкции. Характеристики стальных спиральных пружин определены по методике [43]. Жесткость пружины на сдвиг выражается зависимостью
где Kz — жесткость пружины на сжатие; 0,72 и 1,28 — коэффициенты, принятые по [43] для пружин с отношением длины к диаметру, равным 2; Dl — вертикальное перемещение пружины; l = 0,5 — длина пружины, м.
Рис. 6.47. Расчетная динамическая модель сейсмоизолированного здания
Результаты расчета здания без сейсмоизоляции приведены в табл. 6.9. Обозначения те же, что и в примере 6.7.1.
Таблица 6.9
Перемещение пружин от статической вертикальной нагрузки составило при Kz = 4 000 кН 40 мм и при Kz = 3 000 кН — 53 мм. Периоды колебаний первой формы соответствующих консервативных упругих систем соответственно равны 1,101 и 1,275 с.
Для возможности учета демпферов вязкого трения матрица демпфирования принята пропорциональной матрице жесткости РСМ. Демпферы вязкого трения добавляются в матрицу демпфирования. Ввиду небольшой скорости перемещения верхней части здания относительно фундаментной плиты динамическая жесткость вязкого трения предполагается постоянной в процессе всего воздействия. Максимальная скорость перемещения верхней части относительно фундаментной плиты составляет 0,275 м/с в горизонтальном направлении и 0,248 м/с в вертикальном для пружин жесткостью 3 000 кН.
Элементы сейсмоизоляции исследованы в двух вариантах с демпферами вязкого трения и без них. Результаты расчета приведены в табл. 6.10.
Таблица 6.10
При использовании одних пружин без демпферов вязкого трения суммарная энергия деформирования в процессе воздействия уменьшается. Энергия, поглощенная неупругими деформациями в максимальном пластическом по-луцикле, увеличивается при жесткости пружин 4 000 кН и уменьшается при жесткости 3 000 кН. На рис. 6.48 и 6.49 приведены диаграммы деформирования первого этажа в координатах «перекос этажа — поперечная сила». Увеличение энергии в полуцикле для пружин с жесткостью 4 000 кН связано с особенностями акселерограммы Эль Центро, спектр которой имеет небольшой пик в районе частоты 5,7 рад/с. Установка вязких демпферов позволяет существенно снизить величину сейсмического воздействия на верхнее строение. При этом для достижения соответствующего эффекта жесткость демпферов для пружин 4 000 кН должна быть на порядок выше, чем для пружин 3 000 кН. Исключение составляет четвертый этаж. Для него не удается добиться существенного уменьшения энергии пластического полуцикла при различных комбинацях пружин и демпферов для заданной несущей способности. Если повысить его несущую способность до 700 кН, то, комбинируя жесткости пружин и демпферов, можно добиться многократного снижения сейсмической нагрузки на все здание.
Рис. 6.48. Диаграмма деформирования первого этажа при пружинах жесткостью 4 000 кН и отсутствии демпферов вязкого трения
Рис. 6.49. Диаграмма деформирования первого этажа без сейс-моизоляции
Строго говоря, данная методика может применяться только для предварительного назначения характеристик элементов сейсмоизоляции. Для окончательного расчета необходимо более точно задать диаграмму деформирования верхней части и определить критерии ее разрушения. Расчеты необходимо выполнять на несколько акселерограмм либо на синтезированную акселеро-грамму, достоверно отражающую весь спектр сейсмического воздействия на конкретной площадке. Эффективность сейсмоизоляции возрастает с уменьшением жесткости стальных витых пружин. Величину жесткости регламентирует величина осадки пружин от статических нагрузок и вертикальные перемещения от ветровых. В данной схеме величина перемещения от ветровой нагрузки третьего ветрового района для классической схемы составила 0,15 мм; жесткостей пружин 4 000 и 3 000 кН — 4,10 и 5,43 мм соответственно.
При применении любой системы изоляции невозможно полностью исключить передачу нагрузки на верхнее строение.
