CC BY
34
ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
УДК 624.131.551.4+624.042.8
Д.Г. КОПАНИЦА, д-р техн. наук, доцент,
Г.И. ОДНОКОПЫЛОВ
ДИНАМИКА ГРУНТОВ И КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ ДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ, ВОЗНИКАЮЩИХ ОТ ПРОХОДЯЩЕГО ТРАМВАЯ
Приводятся результаты экспериментальных исследований динамики грунтов и конструкций здания при действии сил, возникающих от проходящего рядом со зданием трамвая. Приводятся диаграммы ускорений колебаний грунта в окрестности рельсового пути, а также соответствующие им параметры ускорений колебаний подошвы фундамента и цоколя здания. Обсуждается эффективность инженерной защиты здания, выполненной в виде траншеи, заполненной песком.
Проходящие трамваи являются причиной возникновения динамических нагрузок, вызывающих непродолжительные, но весьма ощутимые вибрации фундаментов и других конструкций здания. Это негативным образом может сказаться на долговечности отделки [1], выполняемой в процессе реконструкции. Более того, периодически возникающие колебания элементов здания приводят к дискомфорту и повышенной утомляемости работающего персонала.
Ниже излагаются результаты экспериментальных исследований динамики здания учебного корпуса Высшего военного командного училища связи в г. Томске по проспекту Фрунзе, 9, находящегося в процессе реконструкции. Кирпичное здание имеет коробчатую форму с внутренним двором. Максимальные размеры здания в плане 81,1 и 67,80 м. Высота здания 13,70 и 18,17 м. Фундаменты бутовые. Подошва фундамента несущих стен здания заглублена от - 2,70 м до 3,03 м. Ширина фундаментов составляет от 1,24 м до 1,50 м - для наружных стен и 0,8 и 0,96 м - для внутренних стен. Толщина внешних несущих стен 1,20 м. Толщина внутренних несущих стен 0,76 м. Уровень грунтовых вод - на глубине семи метров [2].
Геометрические измерения показали, что трамвайный путь проходит по улице под углом 0,1 градуса к зданию. Трамвай, двигаясь со скоростью 30 км/ч, при подходе к зданию поворачивает налево и за счет взаимодействия колеса с ребордой рельса создает динамическую нагрузку в горизонтальном направлении (рис. 1).
Далее на стыке колесо трамвая падает с предыдущего рельса на последующий с высоты 6 мм. В результате чего возникает сложная картина образования волн, которые условно можно разделить на горизонтальные и вертикальные.
Рельсовый стык Трамвайный путь
Методика проведения экспериментов
Для измерения динамических параметров грунтов и конструкций здания был использован измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) MIC-3GG, имеющий сертификат RU.C.34.G1G.A N0 95б9 Госстандарта России и сертификат соответствия № РОСС. RU. Ф. Я 4б. В 37 195 ГЦИ СИ РОСТЕСТ -МОСКВА.
MIC-3GG обеспечивал одновременную запись показанийакселерометров (A1-A9) с частотой 64GGG Гц и точностью оцифровки 1б двоичных разрядов (2і6 = б553б уровней измерений).
Акселерометры типа 4332, усилители заряда 2634, блок питания 28G5 производства датской фирмы «Брюль и Къер». Фильтр типа Е 1G обеспечивал подавление помех сети на 1G дБ для исключения аппаратных сбоев в процессе измерений.
Проверка ИВК MIC-3GG, акселерометров и усилителей проведена с использованием виброкалибратора АТ G2 № 31G1.
Акселерометры устанавливались посредством крепежных магнитов на металлические штыри, выполненные из прокатного уголка № 5G, которые забивались в грунт, асфальт или стену здания по месту измерений.
Схема подключения оборудования при проведении измерений показана на рис. 2.
Акселерометр № А1-Ф9
Рис. 2. Схема подключения измерительных приборов
Для проведения измерений использованы две схемы. Согласно первой схеме (рис. 3) акселерометры установлены вдоль трамвайного пути (А4-А9) и на цоколе здания (А1-А3). В каждой точке измерений определялись диаграммы ускорений смещений грунта вдоль рельсового пути и перпендикулярно его направлению. На цоколе здания проведены измерения в трех направлениях, совпадающих с главными осями здания.
Рис. 3. Схема №1 расстановки акселерометров
В процессе измерений по схеме №1 были определены соотношения ускорений колебаний грунта вдоль рельсового пути. Получено, что наибольшие ускорения смещения подошвы фундаментов и конструкций здания возникли в створе стыка рельсового пути.
С использованием схемы измерений № 2 (рис. 4) проведено определение параметров вибрации грунта по мере прохождения волны от источника излучения к зданию.
Выявлена степень влияния инженерной защиты здания, выполненной в виде траншеи, засыпанной песчаным грунтом. Определены динамические параметры грунта на уровне подошвы фундамента.
На схеме №2 акселерометры А3, А4, А6, А8 ориентированы вертикально, т.е. измеряют колебания, нормальные по отношению к поверхности земли. Акселерометры А1, А4, А7, А9 ориентированы нормально к фронтальной стене здания.
Измерение колебаний грунта на уровне подошвы фундамента проведено посредством объемного акселерометра, позволяющего определить динамические характеристики в трех ортогональных направлениях. Акселерометры А1,
А2, А3 и соответствующие усилители, размещенные в приямке у подошвы фундамента, показаны на рис. 5.
Рис. 5. Акселерометры А1, А2, А3 в приямке у подошвы фундамента
Результаты экспериментальных исследований
Определение скорости движения трамвая проводилось по пяти последовательным измерениям по схеме №2, с занесением данных в файл, с последующей обработкой по программе WINPOS методом курсорных измерений по срабатыванию акселерометра А9 от действия 2-й и 3-й колесных пар трамвая. Средняя скорость трамвая равна 30,5 км/ч.
В соответствие с нормами (СНиП 2.05.09-90 [3]) скорость обычного трамвая не должна превышать 24 км/ч. При скорости движения более 24 км/ч трамвай считается скоростным. Таким образом, на данном участке пути трамваи движутся в режиме скоростного трамвая.
Рассмотрим результаты измерений по схеме №1, определяющие соотношение сейсмических сил, в окрестности рельсового пути на гладком участке и в створе стыка.
Измерения проведены для определения уровня вибраций грунта в направлении от рельса к зданию. Акселерометр А9 расположен в зоне рельса, не имеющего повреждений. Акселерометр А5 размещен у стыка рельсов. Акселерометр А7 закреплен в окрестности участка рельса, имеющего повреждения поверхности (волнистая поверхность). Сопоставление диаграмм ускорений, представленных на рис. 6 показывает, что наибольшие сейсмические силы возникли при прохождении колеса трамвая через стык. На участке после сты-
ка по ходу движения трамвая величины сейсмических сил регистрировались в два раза меньшие.
Рис. 6. Акселерограммы преобразователей А5, А7, А9
Практически отсутствуют сейсмические силы на участке пути по рельсам, не имеющем видимых повреждений. Если представить соотношения сейсмических сил для акселерометров А5, А7, и А9, начиная от больших величин, то получим, что величина сейсмической силы на стыке рельсов, направленная в сторону здания в 1,92 раза больше величины сейсмической силы на участке после стыка и в 8,36 раз больше сейсмической силы, возникающей на участке с рельсами без видимых повреждений. Измерения по схеме №2 проведены в створе стыка рельсов. Результаты представлены в виде закономерностей сейсмических сил во времени. В окрестности рельса вертикальная амплитуда ускорений, снятая с акселерометра А8, составила 4499 см/с2, максимальные ускорения в горизонтальном направлении с преобразователя А9 достигли величины 5000 см/с2. По мере продвижения от стыка, на расстоянии 3,1 метра, амплитудные значения ускорений волны снизились, и вертикальная составляющая ускорений по показаниям преобразователя А6 упала до 242,0 см/с2.
Диаграммы ускорений, снятые посредством акселерометров А6 и А4, представлены на рис. 7.
Сопоставление пиковых значений сейсмических сил по акселерограммам для точек перед траншеей с песком (А6) и после нее (А4) показывает, что горизонтальная волна при прохождении траншеи ослабевает. Соотношение пиковых значений ускорений для преобразователей А5 и А7 составляет 0,74. В то же время вертикальные ускорения на противоположной стороне траншеи возрастают, и соотношение пиковых значений перегрузок для преобразовате-
лей А4 и А6 составляет 1,12. На рис. 8 показана упрощенная схема волнообразования, возникающая при движении колеса трамвая через стык рельсов. Здесь упругая падающая волна обозначена Р1. После отражения от границы раздела, находящегося на уровне грунтовых вод, отраженная волна Ротр. распространяется вверх, к фундаменту здания, поэтому значения вертикальных перегрузок увеличиваются на противоположной стороне траншеи. Упругопластическая (сдвигающая) волна распространяется со скоростью в два раза меньшей, чем упругая, но обладает большой сдвигающей силой. На рис. 8 падающая сдвигающая волна обозначена 81, отраженная - 8отр.
А, см/с
А6
JIUL.ll ПИ
НІМІ ч 1
- 222.0
0.0 1
+ 242.0
А , см/с2
0.0
3.0
1.0
2.0
3.0
4.0
і, с
4.0
і, с
Рис. 7. Акселерограммы преобразователей А6 и А4
Ускорения подошвы фундамента достигли значительных величин, их пиковые значения соответствуют ускорениям девятибального землетрясения. Акселерограммы преобразователей А1, А2, А3 показаны на рис. 9.
Рис. 8. Схема образования волн в грунте при прохождении колеса трамвая через стык рельсов. Схема расстановки преобразователей ускорений:
Рь Ротр - упругая падающая и отраженная волна, соответственно;
§і, §отр - упругопластическая падающая и отраженная волна соответственно
Нижний спектр частоты, излучающей нагрузки по показаниям преобразователя А8, находится в окрестности 75 Гц, в то время как горизонтальная волна резонирует в нижнем спектре с частотой 125 Гц. Отражаясь от водонасыщенного слоя, отраженная вертикальная волна становится доминирующей, и нижние спектры частот у основания фундамента так же, как и в окрестности излучателя, по показаниям акселерометров А1 и А3 близки 75 Гц. Спектры частот для акселерометров А8, А9 и соответствующие им спектры частот, возникающие в грунте у основания фундамента для акселерометров А1 и А3, показаны на рис. 10.
Наибольшие смещения основания фундамента, полученные при измерении посредством преобразователя А3, возникли в третьем цикле колебаний. Размах амплитуды здесь был равен 0,143 мм. Результат интегрирования диаграммы ускорений преобразователя А3 показан на рис. 10 в виде диаграммы перемещений.
А, см/с2
А, см/с2
А , см/с2
0.0 0.5
і, с
0.0 0.5
1.0
1.5
2.0
і, с
і, с
Рис. 9. Диаграммы ускорений А1, А2 и А3
Рис. 10. Спектры для преобразователя А1, А3, А8, А9
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 ( с
Рис. 11. Диаграмма вертикальных перемещений основания фундамента (третий период)
Выводы
1. Проведенные исследования показали, что движение трамваев вдоль фасада исследуемого здания вызывает значительные сейсмические силы, действующие на фундаменты стен и вызывающие ускорения основания фундамента в горизонтальном направлении до 475 см/с2, в вертикальном направлении 364 см/с2, что соответствует ускорениям при 8- и 9-балльном землетрясении [4]. При этом размах амплитуды перемещений достигал 0,143 мм.
2. К основным причинам возникновения динамических нагрузок можно отнести неисправность трамвайного пути;
3. Экспериментальная оценка эффективности инженерной защиты, выполненной вдоль здания в виде траншеи, заполненной песком, показала ее неэффективность. Траншея, выполненная на глубину заложения фундамента, не защищает здание от вертикальной волны, которая действует на фундамент снизу вверх, отражаясь от нижележащего водонасыщенного слоя грунта.
4. Устранение причин, вызывающих вибрации фундаментов и конструкций здания, позволит создать благоприятные условия для нормальной эксплуатации здания и комфортных условий работы для персонала.
Библиографический список
1. Василик П.Г. Трещины в штукатурках / П.Г. Василик, И.В. Голубев // Строительные материалы. № 4. 2003. С. 14-19.
2. Обследование технического состояния строительных конструкций административного здания по ул. Советская, 40 и разработка рекомендаций по их дальнейшей эксплуатации. Отчет о НИР / В.С. Плевков (научн. руковод.), И.В. Балдин, А.М. Болдышев и др. Книга 1. Конструктивное решение, обследование технического состояния строительных конструкций административного здания про ул. Советская, 40. Определение прочностных характеристик материалов строительных конструкций. Томск: ТГАСУ, 1999. 280 с.
3. СНиП 2.05.09-90 Трамвайные и троллейбусные линии.
4. СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах.
Материал поступил в редакцию 20.03.04.
D.G. KOPANITSA, G.I. ODNOKOPYLOV
DYNAMICS OF SOILS AND BUILDINGS AT THE INFLUENCE OF SEISMIC FORCES FORMED BY THE PASSING TRAM
The results of experimental investigations of soil and building dynamics at the influence of the seismic forces formed by the passing tram are considered in the paper. The diagrams of the acceleration of soil vibration near rails and also the parameters of acceleration of the substructure and the socle vibration are presented. The efficiency of building engineering protection that can be made as a trench filled with sand is considered.
