Напряженно-деформированное состояние стальной рамы с использованием различных систем сейсмозащиты

DOI: 10.37153/2618-9283-2025-5-73-105

Авторы:  
Рубрики:    Теоретические и экспериментальные исследования, научно-технические разработки   
Ключевые слова: сейсмозащита, расцентрованные связи, избыток прочности, допускаемые повреждения, гистерезис, акселерограмма, пластические деформации
Аннотация:

Введение. В работе рассмотрено напряженно-деформированное состояние стальной рамы с различными системами сейсмозащиты. Основной целью проведения численных исследований было сравнение способности гашения сейсмических нагрузок различными системами сейсмозащиты и определение коэффициента допускаемых повреждений К₁ и избыточной прочности Ω для рамы с расцентрованными связями. Так как в СП 14.13330.2018 нет данной конструктивной системы при выборе коэффициента К₁, а также нет никаких требований для учета избыточной прочности, надеемся, что данное исследование станет шагом вперед в совершенствовании норм по сейсмостойкому строительству нашей страны.

Материалы и методы. Исследование выполнялось в программном комплексе SAP2000 с учетом физической и геометрической нелинейности. Рассматривалась работа двухэтажной стальной рамы пролетом 6 м и высотой этажа 3 м с различными системами сейсмозащиты. Землетрясение моделировалось при помощи акселерограммы Эль-Сентро 1940 г. В качестве сейсмозащиты рассматривались система с жестким узлом балка-колонна, система с расцентрованными связями, система с центрованными связями и сейсмоизоляция в виде резинометаллических опор (РМО). Коэффициент К₁ и Ω вычислялись аналитическим методом на основании результатов МКЭ-расчета.

Результаты. Численно доказана способность к максимальному снижению усилий от сейсмического воздействия рамы с расцентрованными связями, усилия в элементах при пластификации энергопоглотителя (участок балки между связями) могут снижать усилия в элементах до 76 % по сравнению с другими системами сейсмозащиты. Выведен коэффициент допускаемых повреждений К₁=0.222 для рамы с расцентрованными связями. Также определены коэффициенты избыточной прочности Ω для элементов рамы с данным типом сейсмозащиты. Для колонн Ωк=3.47, для связей Ωсв=1.8, для балок Ωбалк=2.76.

Выводы. Исследование доказало существенное превосходство сейсмозащиты на основе системы с расцентрованными связями по сравнению с другими наиболее простыми в реализации системами. Также были выведены коэффициенты допускаемых повреждений К₁ и коэффициент избыточной прочности Ω для данной системы. По данным расчета коэффициентов К₁ и Ω следует вывод, что за счет пластических деформаций в энергопоглотителе усилия в элементах конструкции уменьшаются непропорционально. Поэтому, на взгляд авторов, введение одного только коэффициента К₁ согласно СП 14.13330.2018 для расчета на сейсмические воздействия является недостаточным, так как может привести к обрушению конструкции.

Список литературы:

1.                  US Standard ASCESEI 7-22. Minimum design loads and associated criteria for buildings and other structures. 2022. 1046 р.

2.                  EN 1998-1:2004. Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. 2004. 231 р.

3.                  СП 14.13330.2018. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81* (с изм. 1–3). Минстрой России, 2018. 164 с. [SP 14.13330.2018. Seismic building design code. Updated version of SNiP II-7-81* (with amendments 1–3). Ministry of Construction of Russia, 2018. 164 p. [In Russian]

4.                  Омаров Х.М. Оптимальные параметры систем активной сейсмозащиты сооружений с резинометаллическими опорами. Махачкала: Алеф, 2018. 122 с. [Omarov Kh.M. Optimal parameters of active seismic protection systems for structures with rubber-metal supports. Makhachkala: Alef, 2018, 122 p.]

5. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. СПб: Наука, 1998. 253 с. [Birbraer A.N. Structural Analysis for seismic resistance. SPb: Nauka, 1998, 253 p.]

6.                  Landolfo R., Mazzolany F., Dubina D., D’Aniello M. Design of Steel Structures for Buildings in Seismic Areas. ECCS Press, 2017. 433 р.

7.                  Okazaki T., Arce G., Ryu H-Ch., Engelhardt M.D. Experimental Study of Local Buckling, Overstrength, and Fracture of Links in Eccentrically Braced Frames. Journal of Structural Engineering, vol. 131(10), 2005, pp. 1526–1535. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2005)131:10(1526)

8.                  Kazemzadeh S.A., Topkaya C. A Review of Research on Steel Eccentrically Braced Frames. Journal Constructional Steel research, vol. 128(4), 2017, pp. 53–73. DOI: 10.1016/j.jcsr.2016.07.032

9.                  Roeder C.W., Popov E.P. Inelastic Behavior of Eccentrically Braced Steel Frames under Cyclic Loadings. NASA STI/Recon Technical Report N, vol. 78(2), 1977, article № 20375.

10.              Bishay-Girges N.W. An Alternative System for Eccentrically Braced Frames Resisting Lateral Loads. Engineering, Technology and Applied Science research, vol. 9(3), 2019, pp. 4281–4286. DOI:10.48084/etasr.2778

11.              Hjelmstad K., Popov E.P. Cyclic behavior and design of link beams. Journal of Structural Engineering, vol. 109(10), 1983, pp. 2387–2403.

12.              ANSI/AISC Standard 341–10. Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, Chicago: American Institute of Steel Construction, 2010. 344 p.

13.              Xu G., Yamanari M. Performance of Steel Frame with Linkage System under Earthquake Excitation. Engineering, Technology and Applied Science research, vol. 9(1), 2019, pp. 3796–3802. DOI: 10.48084/etasr.2519

14.              Li S., Wang Q., Li X., Tian J. Seismic performance of Y-type eccentrically braced frames combined with high-strength steel based on performance-based seismic design. The Structural Design of Tall and Special Buildings, vol. 29(11), 2020, article № e1689. DOI: 10.1002/tal.1689