13

по результатам инструментального обследования здания гостиницы "Москва"

Санкт-Петербург

2005 г.

СОДЕРЖАНИЕ

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ

3.1 Динамические характеристики

Динамические испытания здания и несущих конструкций ферм проводились в соответствии со схемой, представленной на рис. 3.1.

На рисунке приведены две схемы расстановки датчиков. Первая схема расстановки (датчики обозначены синим цветом) использовалась для определения фактических динамических характеристик несущих ферм и соседних конструкций. Вторая (датчики обозначены красным цветом) - для определения динамических характеристик всего здания. Свободные колебания регистрировались как от фоновых микросейсмических воздействий, так и от воздействий, вызванных сбрасыванием мешка с песком весом около 50 кг на перекрытие в середине пролета между фермами.

Результаты динамических испытаний в виде исходных реализаций, спектров и форм колебаний здания на различных собственных частотах представлены на рис. 3.2 - 3.11.

Рис.3.2. Кросспектры, 1 расстановка (на ферме, по оси 38)

Рис.3.3. Кросспектры, 1 расстановка (на ферме, по оси 38)

Рис.3.4. Фазы кросспектров по 2 расстановке

Рис. 3.5. Пример исходных микросейсмических колебаний

Рис. 3.6. Кросспектры, 2 расстановка (А5, А3 и А4 - вертикальный створ на оси 40)

Рис. 3.7. Диаграмма перемещений конструкций здания (вертикальный створ, поперечное направление) на частоте 1,47 Гц

41

Рис. f=1.47 Гц

Рис. f=6.87 Гц

Рис. f=11.9 Гц

3.2 Анализ полученных результатов

Чтобы провести предметный анализ полученных форм колебаний, рассмотрим в качестве расчетной схемы нашего здания дискретную многомассовую систему. Для нее справедливо следующее уравнение колебаний:

D·C = M·W·P²,

где

= D,

где P - собственная частота колебаний здания по форме W = (U₁, …,U_n,f₀).

Физически это означает, что:

- существует «n» собственных форм колебания системы;

- колебания каждой из этих форм могут быть описаны соответствующим уравнением в нормальных координатах;

- результирующее колебание в каждой точке представляется суммой колебаний по всем собственным формам;

- форма колебаний в каждой собственной форме выражается соответствующим столбцом матрицы W.

Разделение систем с затуханием может быть произведено лишь в нескольких частных случаях. Так Рэлей показал, что разделенными являются те системы, у которых матрица демпфирования является линейной комбинацией матриц жесткости и масс. Это условие было обобщено в работах Коуэя и Нильсена .

В общем случае системы с затуханием полностью не разделяются, так как не удается исключить произведение коэффициентов демпфирования различных форм. Физически это означает, что не существует изолированных собственных форм колебаний, а при колебаниях по любой форме движения различных точек несофазны. Однако позднее было установлено, что при достаточно малом затухании этим обстоятельством можно пренебречь и предполагать, что демпфированной системе присущи классические собственные формы колебания, при которых все массы одновременно достигают своих максимальных отклонений.

В нашем случае имеет место малое затухание, поэтому разделение частот в спектре колебаний происходит уверенно. Это в свою очередь свидетельствует о совместной работе несущих конструкций всего сооружения с относительно более гибким первым и вторым этажами.

Остановимся подробнее на анализе полученных при обследовании форм свободных колебаний здания. Очевидно, что собственные частоты колебаний имеют значение не только для проведения адаптации расчетных моделей, но и должны учитываться при расчетах на статическую нагрузку. В работе /7/ приведено значение собственной частоты колебаний по первой форме для высоких зданий с «несущими или массивными» стенами. Оно составляет 2,1 Гц и отличается от фактически полученного - 1,47 Гц, на 42 %. Причиной такого значительного различия является отсутствие, как уже отмечалось, поперечных несущих стен, а также наличие конструкций, работающих по изгибной схеме, в уровне до 8 м.

Все это свидетельствует, что в целом здание имеет удовлетворительную пространственную жесткость, однако особенности конструктивной схемы (гибкие нижние этажи и продольные несущие стены) в значительной степени влияют на значение собственной частоты колебаний. К тому же, отсутствие визуально фиксируемых повреждений несущих конструкций и низкая степень затухания собственных колебаний позволяет утверждать, что явной угрозы устойчивости конструкций на момент обследования не существует.

Для несущих ферм базовой частотой, которая была выбрана для адаптации расчетной модели, стала частота 11,9 Гц - частота собственных колебаний по третьей форме. Такой выбор обусловлен особенностями конструкции ферм, в которых опорная часть находится на расстоянии около двух метров от края фермы.

Сравнивая значения этой частоты, полученной при испытаниях, и значения ее в расчетной модели технического заключения ООО "Стройреконструкция" (около 5 Гц), следует сделать вывод, что предложенная специалистами "Стройреконструкции" модель фермы имеет интегральную жесткость более низкую, чем фактическая. Поэтому при разработке уточненной расчетной модели это обстоятельство также учитывалось путем ужесточения заделок верхнего и нижнего поясов ферм. Причем монолитное верхнее перекрытие в местах заделки фермы создает условие для того, чтобы значительная часть нагрузки от наружных стен передавалась непосредственно на опорный узел.

4. ХАРАКТЕРИСТИКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ

4.1 Конструктивное решение и принятые допущения

Конструкция здания относится к конструкциям смешанного типа. Жилые помещения располагаются, начиная с 4-ого этажа, наружные несущие стены в них выполнены из кирпича со вставками из керамзитобетона. Несущий каркас в уровне нижних этажей здания выполнен из колонн с шагом 7.2 м10 м. Ригелями в поперечном направлении здания являются спаренные стальные фермы, а в продольном железобетонные балки. Кирпичные диафрагмы, выполненные в виде перегородок между помещениями в поперечном направлении, учитывались как присоединенная масса (в запас). Толщина металла конструкций ферм принималась по чертежам ( в запас), хотя реально она по всей длине ферм была одинаковой и составляла около 15 мм. При расчете на ветровую нагрузку учитывалось, что опора находится на высотной отметке 9.40.Модель строилась для части здания в осях 12-16 (смотри маркировочный план на черт. К-III).

4.2 Нагрузки и воздействия.

Расчет несущей способности стальных ферм выполнялся на нагрузки основного сочетания и ветровое воздействие.

Статические нагрузки.

В соответствии с исходными данными в качестве нагрузок основного сочетания принимались следующие нагрузки:

- Постоянная нагрузка от собственного веса элементов конструкции;

- Временная нагрузка для жилых зданий;

- Снеговая нагрузка принята 180 кгс/м².

При определении собственного веса считалось, что плотность материала для стали 7.8 т/м³, для бетона 2.5 т/м^3,, для кирпичной кладки . 1.8 т/м³. Коэффициент надежности по нагрузке - 1.1. Для временных нагрузок коэффициент надежности принят равным 1.3.

Ветровая нагрузка.

ВЕТЕР

4.3 Характеристика расчетной модели

Расчетная конечно-элементная модель здания разработана в проектно-вычислительном комплексе SCAD 7.31-R5. Краткая. Конструкция здания моделируются пространственной системой стержневых и пластинчатых элементов, соединенных между собой в узловых точках (рис.4.1).

Рисунок 4.1. Модель. Общий вид

Для задания данных о расчетной схеме используются следующие декартовы системы координат:

Глобальная правосторонняя система координат XYZ, связанная с расчетной схемой следующим образом: начало системы координат располагается в правом нижнем углу, ось OY направлена вдоль длинной стороны здания, ось OX направлена поперек здания, ось OZ направлена вверх перпендикулярно поверхности земли.

Локальные правосторонние системы координат, связанные с каждым конечным элементом так, что ось O₁X₁ всегда направлена вдоль стержневого элемента.

Расчетная схема определена как система с признаком 5. Это означает, что рассматривается система общего вида, деформации которой и ее основные неизвестные представлены линейными перемещениями узловых точек вдоль осей X, Y, Z и поворотами вокруг этих осей.

Расчетная схема характеризуется следующими параметрами:

Количество узлов -- 6438

Количество конечных элементов -- 7327

Общее количество неизвестных перемещений и поворотов -- 35343

Количество загружений -- 6

Количество комбинаций загружений -- 1

В Приложении 2 представлена таблица с описанием используемых в модели жесткостных характеристик стержневых и пластинчатых элементов.

Для всех узлов на отм. 0.0 м наложены ограничения, запрещающие все линейные и угловые перемещения. Для всех узлов на торцах модели запрещены линейные перемещения вдоль оси OY (это компенсирует влияние отброшенной части здания).

Точки примыкания конечного элемента к узлам (концевые сечения элементов) имеют одинаковые перемещения с указанными узлами.

В расчетную схему включены конечные элементы следующих типов.

Стержневые конечные элементы, для которых предусмотрена работа по обычным правилам сопротивления материалов. Описание их напряженного состояния связано с местной системой координат, у которой ось X1 ориентирована вдоль стержня, а оси Y1 и Z1 -- вдоль главных осей инерции поперечного сечения.

Некоторые стержни присоединены к узлам через абсолютно жесткие вставки, с помощью которых учитываются эксцентриситеты узловых примыканий. Тогда ось X1 ориентирована вдоль упругой части стержня, а оси Y1 и Z1 -- вдоль главных осей инерции поперечного сечения упругой части стержня.

К стержневым конечным элементам рассматриваемой расчетной схемы относятся следующие типы элементов:

- Элемент типа 5, который работает по пространственной схеме и воспринимает продольную силу N, изгибающие моменты Мy и Mz, поперечные силы Qz и Qy, а также крутящий момент Mk.

- Конечные элементы оболочек, геометрическая форма которых на малом участке элемента является плоской (она образуют многогранник, вписанный в действительную криволинейную форму срединной поверхности оболочки). Для этих элементов, в соответствии с идеологией метода конечных элементов, истинная форма перемещений внутри элемента приближенно представлена упрощенными зависимостями. Описание их напряженного состояния связано с местной системой координат, у которой оси X1 и Y1 расположены в плоскости элемента и ось Х1 направлена от первого узла ко второму, а ось Z1 ортогональна поверхности элемента.

- Треугольный элемент типа 42, не является совместным и моделирует поле нормальных перемещений внутри элемента полиномом 4 степени, а поле тангенциальных перемещений полиномом первой степени. Располагается в пространстве произвольным образом.

- Четырехугольный элемент типа 44, который имеет четыре узловые точки, не является совместным и моделирует поле нормальных перемещений внутри элемента полиномом 3 степени, а поле тангенциальных перемещений неполным полиномом 2 степени. Располагается в пространстве произвольным образом.

5. Результаты расчета