Повышение сейсмостойкости каркасных зданий с использованием ДПК-панелей и фрикционных демпферов

Более 45%, а именно, 68,6 миллиона человек из всего населения РФ проживает в районах с наибольшей степенью сейсмической опасности. При этом стоит отметить, что в районах с различной степенью сейсмической опасности проживает более 80%. Наблюдая за сейсмической ситуацией в стране, можно проследить, что число сейсмоопасных регионов увеличилось за последние 50 лет, интенсивность землетрясений в сейсмических опасных районах также стала выше на 1-2 балла. Учитывая текущие обстоятельства важно, как можно быстрее предпринять меры к оценке сейсмических свойств и сейсмостойкости различных типов деревянных каркасных систем, чтобы уменьшить ущерб от стихийных бедствий и сохранить архитектурное наследие городов.

Древесина по-прежнему сохраняет свою актуальность благодаря своим ценным свойствам, таким как высокая механическая проч- ность, низкая теплопроводность, небольшой объемный вес, однородность, деформатив-ность и другие. Она широко используется во многих отраслях промышленности: в строительстве жилых, производственных, сельскохозяйственных, животноводческих и складских зданий и сооружений; при возведении железнодорожных путей и подъемных мостовых развязок – в транспортной сфере; а также при создании опор и небольших деревянных мостов – в гидростроительстве.

Усиление зданий для повышения их сейсмостойкости – это важный аспект проектирования и реконструкции, особенно в сейсмо-опасных районах. Усиление может быть направлено на улучшение прочности, жесткости и устойчивости конструкций к динамическим нагрузкам, возникающим при землетрясениях [4, 8]. К основным методам усиления зданий относятся:

Рис. 1. Сейсмическое районирование территории Российской Федерации

• 1.    Усиление каркаса здания

• 2.    Усиление узлов и соединений

• 3.    Усиление стен

• 4.    Усиление фундамента

• 5.    Системы сейсмоизоляции

• 6.    Использование новых технологий и материалов

• 7.    Мониторинг состояния конструкции

Добавление вертикальных и горизонтальных элементов: Установка дополнительных колонн, балок или стен для увеличения жесткости каркаса. Применение также нашли стальные пластины или композитные материалы для усиления существующих элементов (колонн, балок).

Укрепление соединений может осуществляться за счет использования сварки, болтовых соединений или дополнительных элементов для повышения прочности узлов между конструктивными элементами. Установка диагональных связей (кросс-связей) также помогают увеличить жесткость и устойчивость каркаса.

Установка стальных арматурных сеток или использование армированного бетона для повышения прочности несущих стен. Актуальным решением может быть добавление сейсмостойких панелей: внедрение специальных панелей, которые могут поглощать и рассеивать энергию колебаний.

Усиление фундамента может осуществляться за счет увеличения площади фундамента для улучшения устойчивости или уста- новка дополнительных свай для повышения несущей способности фундамента на слабых грунтах.

Системы сейсмоизоляции нашли широкое применение в строительстве. Установка устройств, которые поглощают колебания (например, маятниковые демпферы), позволяет снизить передачу вибраций от грунта к зданию. Также могут быть использованы специальные подушки между фундаментом и зданием для снижения воздействия сейсмических волн.

Легкие и прочные композиты позволяют усилить конструкции без значительного увеличения массы, улучшить общие характеристики прочности и гибкости конструкций.

Установка датчиков для контроля состояния здания в реальном времени позволяет своевременно выявлять повреждения и принимать меры по их устранению.

Эти методы могут быть использованы как по отдельности, так и в комбинации в зависимости от конкретных условий здания, его конструкции и уровня сейсмической активности региона. Усиление зданий – это ком- плексный процесс, который требует тщательного проектирования и анализа.

Одним из наиболее эффективных методов повышения сейсмоустойчивости сооружений является сейсмоизоляция. Сейсмоизолирующие устройства могут быть интегрированы в конструкцию или устанавливаться снаружи. Основная цель этих устройств – снижение энергии сейсмических волн, передаваемых в конструкцию.

Принципы пассивной сейсмозащиты являются более традиционными и известными; они направлены на усиление способности конструкции воспринимать дополнительные нагрузки, возникающие при сейсмической активности. Применение методов пассивной защиты обусловлено тем, что они не изменяют характер работы и саму несущую систему защищаемого объекта.

Что касается активной сейсмозащиты, специалисты предлагают различные устройства и системы для гашения колебаний, которые способны поглощать энергию сейсмических процессов и обеспечивать надежную защиту зданий от сил сейсмического воздействия. Системы активной сейсмозащиты делятся на несколько основных групп:

• 1)    Использование сейсмоизоляции зданий, осуществляемой, как правило, в нижних этажах. В качестве сейсмоизолирующих устройств применяются резинометаллические опоры с низким или высоким демпфированием, а также опоры с сердечником из свинца и других материалов. Также применяются фрикционные скользящие опоры, способные скользить с трением при интенсивных воздействиях;

• 2)    Использование демпфирующих устройств, которые позволяют поглощать энергию и устанавливаются в точках, наиболее подверженных сейсмическому воздействию;

• 3)    Устройство динамических гасителей колебаний (ДГК) на верхних этажах высоких зданий, находящихся в эпицентральной зоне землетрясения. При преобладании вертикальных сейсмических сил установка ДГК на верхнем перекрытии может быть наиболее эффективным способом сейсмозащиты, превосходящим в своей эффективности сейсмоизоляцию фундамента, который защищает

здание от горизонтальных сил. ДГК эффективен при гашении резонансных колебаний в гибких конструкциях с малым затуханием, и может значительно (в 5-10 раз) увеличить логарифмический декремент колебаний высоких, гибких зданий или сооружений;

• 4)    Использование комбинированных методов для высотного строительства, включающих сочетание сейсмоизоляции в нижних этажах, демпферов различных конструкций вдоль высоты здания и установку ДГК наверху, чтобы устранить эффект отражения волн и уменьшить амплитуду резонансных колебаний.

Классификация систем активной сейсмозащиты представлена на рисунке 1.

Анализ применения фрикционных гасителей для повышения сейсмостойкости зданий, выполненных из перекрестно клееной древесины (CLT), представляет собой важное направление в современном строительстве. Фрикционные гасители [9, 11], как устройства, предназначенные для поглощения и рассеивания энергии, возникающей при сейсмических колебаниях, могут значительно улучшить устойчивость деревянных конструкций. Рассмотрим ключевые аспекты этого подхода:

• -    Принцип действия фрикционных гасителей: фрикционные гасители работают на основе трения между поверхностями, что позволяет преобразовывать механическую энергию колебаний в теплоту. Это снижает амплитуду колебаний и уменьшает нагрузки на конструкцию.

• -    Преимущества использования CLT: перекрестно клееной древесина обладает высокой прочностью и жесткостью при относительно низком весе. Это делает ее идеальным материалом для строительства сейсмостойких зданий. В сочетании с фрикционными гасителями, ДПК может обеспечить дополнительную защиту от динамических нагрузок.

• -    Эффективность в условиях сейсмических воздействий: исследования показывают, что применение фрикционных гасителей в зданиях из CLT может значительно снизить деформации и ускорения, возникающие во время землетрясений. Это позволяет не только защитить саму конструкцию, но и обеспечить безопасность людей внутри зданий.

  

  Рис. 2. Классификация систем активной сейсмозащиты

  
  

Принцип e-CLT заключается в системе соединения CLT с существующим зданием – фрикционном соединении. Фрикционное соединение представляет собой пару стальных профилей, один из которых соединен с существующей железобетонной балкой каркаса, а другой – с панелью CLT, зажатых между собой предварительно нагруженными болтами. Один из двух профилей имеет пазовое отвер- стие, обеспечивающее их взаимное скольжение. Одиночные CLT-панели соединяются с главными балками конструкции не менее чем двумя демпферами. Размеры CLT-панелей зависят от размеров пролетов без проемов, в которых они применяются. Обе панели включают в себя теплоизоляционные материалы для повышения энергоэффективности здания и отделочный слой.

Рис. 3. Система сейсмоусиления каркасного здания e-CLT

Рис. 4. Узлы крепления стеновой панели к железобетонным плитамперекрытия здания а – симетричный демпфер типа 1; б – Симметричный демпфер типа 2

В образце Hybrid (обозначенном HYB), представленном на рисунке 5 ， сделана попытка объединить лучшие черты предыдущих конструкций асимметричных демпферов из зарубежных исследований. Образец назван гибридным после предыдущих конструкций AFC, обсуждавшихся в рамках исследования e-CLT. Образец состоит из двух холодногнутых С355 стальных профилей толщиной 8 мм: анкерный профиль соединен с подвижной головкой пресса, а свободный – с панелью CLT.

Два профиля зажимают вместе для образования асимметричного фрикционного соединения (AFC) путем добавления 8-мм стальной крышки и двух 2-мм алюминиевых прокладочных слоев. Соединение между двумя профилями обеспечивается высокой прочностью M16 10,9 болтов, которые скользят в удлиненном отверстии шириной 17 мм. Удлиненное отверстие имеет длину 100 мм плюс некоторый допуск и обеспечивает относительное скольжение между двумя профилями.

Рис. 5. Модель демпферов Hybrid

На основе российских норм

СП 64.13330.2017 была проведена корректировка свободного профиля, как показано на рисунке. Разработаны несколько моделей со- единения с различными характеристиками и геометрическим исполнением прокладок, также разработана зубчатая структура для улучшения характеристик соединения.

Рис. 6. Модели демпферов с различной конфигурацией: a – фрикционный демпфер с алюминиевыми прокладками; б – фрикционный демпфер с резиновыми прокладками; в- фрикционный демпфер с алюминиево-резиновыми прокладками

Экспериментальная установка

– Неподвижный профиль жестко соединен с приводом пресса, а свободный профиль соединен с CLT-панелью с помощью винтов.

– Для предотвращения раскачивания образцов CLT использовались специальные выдвижные планки и профили UPN.

– Электромеханический пресс осуществлял вертикальное скользящее перемещение со скоростью 2 мм/с, а усилие измерялось тензодатчиком 1200 кН.

– Постепенное смещение применялось до достижения предельного смещения (100 мм).

Сила предварительной нагрузки применялась методом крутящего момента, а крутящий момент болта изменялся менее чем на 5% до и после испытания, что указывает на то, что изменение силы скольжения было в основном вызвано температурой и деградацией прокладочного слоя.

Результаты эксперимента

На графике представлены две переменные, изменяющиеся со временем,где по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат – значения переменных (рис. 7 и 8). В начальной фазе нагрузка резко возрастает до примерно 20 кН, после чего начинает колебаться в диапазоне от +20 до -20 кН, демонстрируя циклический характер. График (рис. 9) показывает гистерезисное поведение, что указывает на различное механическое поведение конструкции при нагружении и разгружении. Это важно для оценки способности конструкции к рассеиванию энергии и ее сейсмостойко-сти.Площадь гистерезисной кривой может быть использована для оценки способности конструкции к рассеиванию энергии. Чем больше площадь,тем больше энергии рассеивается конструкцией при циклическом нагружении, что указывает на лучшую сейсмостой-кость.Наклон и пиковые значениягистерезис-ной кривой могут быть использованы для оценки жесткости и прочности конструкции. Чем больше наклон, тем выше жесткость кон-струкции;чем больше пиковые значения, тем выше прочность конструкции.

В соответствии с требованиями ГОСТ 57160-2016, были проведены испытания на усталостную прочность материалов с использованием двух различных циклов нагружения. В рамках исследования применялись следующие параметры циклов нагружения: цикл А включал начальное нагружение 1×5 мм с последующими тремя этапами нагружения 10-20-30-40-50 мм при скорости деформации 0,2 мм/с. Цикл Б состоял из начального нагружения 1×5-10 мм с последующими тремя этапами нагружения 20-40-6080-100 мм при той же скорости деформации 0,2 мм/с.

Рис. 8. График изменения отношения нагрузки и перемещения со временем № 2

Рис. 9. Графикзависимости нагрузки от перемещения

Заключение

Использование деревянных строительных конструкций в сейсмостойком строительстве выглядит весьма многообещающим. Однако для их более широкого применения в строительной практике необходимо провести значительное количество теоретических и экспериментальных исследований, учитывающих особенности сейсмических воздействий и динамические свойства самого материала. Важным направлением в сейсмостойком строительстве является разработка комплексных конструкций, которые объединяют положи-

рантируют безопасность людей в них во время землетрясений.

В ходе исследования была продемонстрирована эффективность использования асимметричных фрикционных демпферов в сочетании с CLT-панелями для повышения сейсмостойкости каркасных зданий.

Кроме того, проведенные испытания выявили, что использование различных комбинаций материалов и геометрических параметров позволяет оптимизировать конструкцию демпферов, обеспечивая их адаптацию к российским строительным стандартам. Это от-

тельные характеристики дерева, например, с металлом или другими материалами. Такие конструкции обеспечат надежное функционирование зданий различного назначения и га-

крывает новые возможности для применения CLT-панелей в строительстве и модернизации зданий, особенно в условиях высокоамплитудных сейсмических нагрузок.