Способ испытания углов сейсмостойких зданий и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к строительству, а именно к испытанию зданий и сооружений и защите их от сейсмических нагрузок. Задачей изобретения является определение степени взаимодействия стен углов зданий с основанием, определение коэффициентов сейсмостойкости материалов. Создание совместно-наложенных нагрузок, наложение связей позволило выяснить влияние стен на основание. Горизонтально-пульсирующие нагрузки вдоль стен отдельно создавались силовозбудителями с периодами частот 5, 11, 17 Гц. Вертикальные колебания создавались при помощи виброплощади типа СМЖ - 460. Получены коэффициенты сейсмостойкости материалов K_σ,K_σt и ε_σ - деформации для предельной стадии и стадии разрушения. Величины K_σ, K_σt, ε_σ при наличии демпфера, установленного между стенами и их основаниями, оказались в 3-4 раза ниже, чем без него. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл. 3 ил.

Изобретение относится к области строительства, в частности, к наиболее ее малоизученной части и имитации землетрясений зданий.

Известен способ испытания каменных конструкций сейсмостойких зданий (см. Базилевский С. В. Строительство и архитектура. Серия 14. Сейсмостойкое строительство. Реферативный сборник. М., 1979, вып. 1, 41 с.) на сдвиг при переменном нагружении элементов стен, загруженных сверху пружинами, закрепленных при помощи стоек снизу в бетонное основание.

Недостатком способа является то, что он не обеспечивает создания вертикальных вибрационных нагрузок, не включает создания взаимно перпендикулярных горизонтальных нагрузок, не позволяет выявить связи стен с основанием.

Известны способы испытаний сейсмических зданий, включающие приложение инерционных нагрузок на образцы-призмы при помощи виброплощадки. Образцы размером 25·51·200; 38·102·200 см были испытаны при трех положениях: свободно помещались на платформе; с погружением одним концом в грунт; при жестком закреплении образца одним концом к платформе [1].

Недостатками способов являются: невозможность приложения вертикально, взаимно перпендикулярно горизонтально-пульсирующих, а также крутящих нагрузок; невозможность приложения одновременно действующих по трем направлениям нагрузок.

Известен стенд для испытания строительных конструкций (прототип), включающий раму с нижней балкой, приспособление для закрепления конструкции, пружины, приспособления для вертикального и бокового загружений. Верхняя балка выполнена в виде полой коробки, плиты с шаровыми опорами, внутри которой размещены силовозбудители. Нижняя и верхняя балки закреплены между собой качающимися стойками на шарнирах [2].

Недостатки способа и устройства заключаются в том, что они не обеспечивают испытания углов зданий при сейсмических нагрузках, поясняется это следующим: способ не позволяет под углом 90^o не раздельно, не одновременно прикладывать взаимно перпендикулярно горизонтально-пульсирующие, ударно-вибрационные вертикальные нагрузки при различных частотах; способ не позволяет изучить степень влияния различных связей стен зданий с основанием и изучить сейсмостойкость материалов.

Задача изобретения состоит в измерении степени влияния различных связей стен углов зданий с основанием и в определении сейсмостойкости материалов.

Поставленная задача в способе достигается тем, что в способе испытания углов сейсмостойких зданий, включающем наложение в одной плоскости при постоянных частотах горизонтально-пульсирующих нагрузок, создание тем самым ускорений и деформаций в стенах зданий, их измерение, вычисление величины ускорений и деформаций при сжатии и растяжении, определение разрушающих значений этих величин, сначала создают деформации и ускорения от взаимно перпендикулярно горизонтально-пульсирующих, затем от ударно-вибрационных, а после от совместно-наложенных нагрузок, при этом в процессе определения разрушающих деформаций и ускорений изменяют амплитуду и частоту колебаний в диапазоне, предусмотренном нормами в заданных промежутках времени и параметрах.

Кроме того, уменьшение величин деформаций, ускорений и коэффициентов сейсмостойкости материала стен на 2/3 от разрушающих величин может быть достигнуто путем включения в работу песчаного демпфера, установленного между стенами и их основанием.

Задача в части устройства решается тем, что устройство испытания углов сейсмостойких зданий со стенами и плитой перекрытия, содержащее тяги с траверсами и пригрузочными пружинами, силовозбудители и опоры, снабжено размещенной в приямке ударно-кулачковой виброплощадкой с четырьмя парами вертикально установленных тяг, закрепленных к нижней раме виброплощадки, и качающимися траверсами сверху, под которыми размещены пригрузочные пружины на взаимно перпендикулярно расположенных стенах, снабженных силовыми возбудителями, размещенных на опорных рамах, анкерами для закрепления краев плиты перекрытия, под которой размещены шарнирные опоры, выполненные в виде качающихся стоек, и накладками для создания жестких связей между стенами и основанием.

Устройство может быть снабжено установленным между стенами и основанием демпфером, выполненным в виде двух соприкасающихся между собой полусфер, между которыми размещен слой песка, и накладок, размещенных поперек линий соприкасания полусфер.

В способе при одновременном приложении нагрузок по трем направлениям создается полная имитация воздействия сейсмических нагрузок на здание.

Степень влияния стен с основанием определяют сравнением коэффициентов сейсмостойкости при сжатии и растяжении материала и деформациями в предельном состоянии и стадии разрушения. Для образования крутильных колебаний устройство снабжено взаимно перпендикулярно расположенными в плане стенами, плитой перекрытия, жестко закрепленной с двух сторон при помощи анкеров, свободной с третьей и шарнирно опертой - с четвертой.

На фиг. 1 изображено устройство в плане; на фиг. 2 - вид по стрелке А; на фиг. 3 - вид по стрелке (сечению) Б.

Устройство размещено в бетонном приямке, состоящем из днища, бортов 1, ударно-кулачковой (резонансной) виброплощадки 2 с приводом продольной стены 3, тяги 4 с траверсой и пригрузочной пружиной, силовозбудителя 5 с опорной рамой, поперечной стены 6, тяги 7, силовозбудителя 8 с опорной рамой, плиты 9 перекрытия, закрепленной в стенах 3, 6 при помощи анкеров 10 шарнирными опорами 11.

Устройство содержит полезную нагрузку 12, уплотнители 13 (клинья) для создания жестких связей между площадкой и бортом приямка, энергопоглотители 14, размещенные в оконных проемах, накладки 15 для создания жестких связей между основанием и стенами, песчаный демпфер 16, расположенный между стенами 3 и 6 и основанием.

Для создания горизонтально-пульсирующих нагрузок использовались силовозбудители 5, 8, работающие в пределах частот 5, 11, 17 Гц. Для создания сейсмических нагрузок (составляющих) принята наиболее пригодная для этих целей ударно-вибрационная площадка типа СМЖ-460. Размер размещаемого на ней изделия 3·6 м, грузоподъемность - 15 т, амплитуда смещений 6-11 мм, частота колебаний или ударов 9-11 Гц, мощность привода 29 кВт. Площадка развивает как вертикальные, так и горизонтальные (и резонансные) колебания. В площадке используется асимметричный режим колебаний. Ускорение рабочей рамы площадки равно при движении вверх - α_z = /1370-1670/ мм/сек², при движении вниз α_z = (3924-5886) мм/сек².

Как известно, спектр частот сейсмических колебаний простирается в пределах от 0,1 до 100 Гц, при 9-ти бальном землетрясении расчетное ускорение принимается равным 1000 мм/сек².

Проведены испытания двух образцов зданий, выполненных из керамзитобетона M100/R_σ=100; R_σt=10 кг/см² . Размеры стен 20·200·250 см, толщина перекрытия 10 см. Общая масса образца - 10 т. На высоте 20 см от низа стен был выполнен в виде двух соприкасающихся между собой полусфер демпфер, заполненный песком с толщиной слоя 5 см. Накладки поочередно приваривались к арматуре стен и основания. Полезная нагрузка на 1 м² перекрытия составляла - 100 кг; от пригрузочных пружин на стены передавалась нагрузка - 1530 кг/см², имитирующая нагрузку верхних этажей.

В таблице представлены величины предельных и разрушающих ускорений, записанных вдоль стен, коэффициенты сейсмостойкости при сжатии и растяжении, а также деформации материала стен.

Условно действующую на образец совместно-наложенную нагрузку, критическое ускорение при статическом действии сил инерции можно представить соответственно: .

Коэффициенты сейсмостойкости K_σ и K_σt можно представить в виде: K_σ=α_x/R_σ; K_σt=α_x/R_σt; .

В этих формулах I - момент инерции сечения отколовшейся части; V - ее объем; α_x - ускорение возмущающей силы вдоль оси x: R_σ и R_σt - расчетные сопротивления материалов на сжатие и растяжение.

Данные таблицы показывают, что при наличии демпфера предельные коэффициенты сейсмостойкости K_σ и K_σt в 4-5 раз ниже разрушающих величин коэффициентов. Относительные деформации растяжения, вызывающие разрушение, отмечены при совместно-наложенных видах импульсов.

Полученные основные параметры дают возможность выявить влияние различных условий заделок образцов и основную роль демпфера в погашении сейсмических нагрузок.

Устройство работает следующим образом.

При помощи тяг 4, 7 и гаек стены к основанию и виброплощадке крепятся жестко. Пружины нагружают стены. Как известно, наиболее слабым местом в зданиях являются углы примыкания и пересечения стен. В этих местах происходит концентрация усилий и разложение их по направлениям продольных и поперечных стен.

В основу динамических испытаний образцов из керамзитобетона был принят сравнительный метод-эталон из кирпичной кладки.

Для измерения величин и ускорений и динамических деформаций одновременно в нескольких точках применялись (кроме вибрографов Аксания) электрические приборы и регистрирующая аппаратура.

При отсутствии связей на демпфере работу начинали с установки клиньев между рамой виброплощадки и бортом приямка 1. Сначала вдоль продольной силы 3 силовозбудителем 5 создавали возвратно-поступательные усилия в частотах 5, 11, 17 Гц. Затем, останавливая подачу нагрузки с одной стороны, создавали нагрузку пульсатором 8 вдоль стены 6. Далее отстраняли зажимы-клинья 13 от виброплощадки. Отдельно включали виброплощадку 9, вызывая вертикальные колебания для образца.

Упругие связи массы виброплощадки выполнены из условия возбуждения резонансных колебаний, соответственно с ускорениями, равными (1370-1670); (3924-5886) мм/сек². Этап со свободными демпфером заканчивался передачей совместно-наложенных импульсов на образец в течение 30-40 с с соответствующей записью показаний.

Второй этап начинают с наложения связей 15 на основание и стены (на демпфер - приварка четырех накладок на каждую стену) - создание жестких связей. Виброплощадка вновь закрепляется жесткой связью с бортом приямка при помощи клиньев 13.

Очередность загружения образца повторяется. Сначала вдоль продольной стены силовозбудителем, затем вдоль поперечной стены силовозбудителем 8 отдельно прикладывали горизонтально-пульсирующие нагрузки. Для каждого случая загружения отдельно производили соответствующие замеры ускорений, перемещений, деформаций. Далее удаляли связи 13, возвращая проектное число степеней свободы виброплощадке. При помощи ее создавали ударно-вибрационную нагрузку с амплитудами, равными A = 6; A = 11 мм.

Предельные деформации замерялись примерно при нагрузках, равных 90% от разрушающих. Разрушения образцов достигали при совместно-наложенных импульсах: горизонтально-пульсирующих в двух плоскостях и ударно-вибрационных при асимметричном режиме колебаний 9-11 Гц.

При невключении демпфера разрушение образца N 1 наступило при действии нагрузки в течение 120, N 2 - в течение 150 с. Ширина раскрытия наклонных трещин на гранях стен составила соответственно 3,4 мм.

Использование изобретения позволяет выявить степень влияния различных условий закрепления стен здания с основанием.

Кроме того, способ и устройство позволяют: снизить общую трудоемкость эксперимента на 20% на проведение подобного рода работ; снизить затраты до 50% на возведение экспериментального здания и громоздкость постановки опытов в целом; регистрировать горизонтальные и вертикальные смещения при сейсмических возмущениях с охватом большего диапазона периодов от 10 до 150 с.

Основным преимуществом устройства является доказательство на нем влияния песчаного демпфера как меры, значительно снижающей эффект сейсмического воздействия на здания.

Результаты проведенных работ будут использованы при проектировании сейсмостойких зданий и сооружений.

Формула изобретения

1. Способ испытания углов сейсмостойких зданий, включающий наложение в одной плоскости при постоянных частотах горизонтально-пульсирующих нагрузок, создание тем самым ускорений и деформаций в стенах здания, их измерение, вычисление величин ускорений и деформаций при сжатии и растяжении и определение разрушающих значений этих величин, отличающийся тем, что сначала создают деформации и ускорения от взаимно перпендикулярно горизонтально-пульсирующих, затем от ударно-вибрационных, а после от совместно-наложенных нагрузок, при этом в процессе определения разрушающих деформаций и ускорений изменяют амплитуду и частоту колебаний в диапазоне, предусмотренном нормами в заданных промежутках времени и параметрах.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уменьшение величин деформаций, ускорений и коэффициентов сейсмостойкости материала стен на 2/3 от разрушающих величин достигают путем включения в работу песчаного демпфера, установленного между стенками и их основанием.

3. Устройство испытания углов сейсмостойких зданий со стенами и плитой перекрытия, содержащее тяги с траверсами и пригрузочными пружинами, силовозбудители и опоры, отличающееся тем, что оно снабжено размещенной в приямке ударно-кулачковой виброплощадкой с четырьмя парами вертикально-установленных тяг, закрепленных к нижней раме виброплощадки, и качающимися траверсами сверху, под которыми размещены пригрузочные пружины на взаимно перпендикулярно расположенных стенах, снабженных силовозбудителями, размещенными на опорных рамах, анкерами для закрепления краев плиты перекрытия, под которой размещены шарнирные опоры, выполненные в виде качающихся стоек, накладками для создания жестких связей между стенами и основанием.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено установленным между стенами и их основанием демпфером, выполненным в виде двух соприкасающихся между собой полусфер, между которыми размещен слой песка, и накладок, размещенных поперек линий соприкосновения полусфер.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4