PDF (1.2 МБ) - MSC Software

ЗАЩИТА ОТ СТРУКТУРНОГО ШУМА И ВИБРАЦИИ
СУЩЕСТВУЮЩИХ ЗДАНИЙ, ПОПАДАЮЩИХ В ЗОНУ
ДИНАМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ МЕТРОПОЛИТЕНА
Московский Государственный Строительный Университет
совместно с ООО «ВИБРОСЕЙСМОЗАЩИТА»
Зав. кафедры строительной механики МГСУ, профессор, д.т.н. Мондрус В.Л.
Нач. отд. ООО «ВИБРОСЕЙСМОЗАЩИТА», к.т.н. Сизов Д.К.
Вед. инж. ООО «ВИБРОСЕЙСМОЗАЩИТА» Шутовский С.Н.
В современном строительном комплексе Москвы остро стоит вопрос расширения
транспортной инфраструктуры города, в том числе и за счет увеличения протяженности
линий метрополитена. Одним из таких проектируемых участков является новая линия
метрополитена между ст. метро «Речной вокзал»-«Ховрино», в непосредственной
близости от которой расположены существующие здания, а также предполагается новое
строительство жилых объектов.
Необходимость проведения виброзащитных мероприятий установлена натурными
обследованиями, выполненными на участке–аналоге той же линии. По результатам
прогноза ожидается превышение допустимого уровня вибрации на 20-23 дБ в октаве 31,5
Гц.
Для виброзащиты зданий, попадающих в техническую зону метрополитена
предполагается использовать систему виброзащиты, основанную на отечественных
перфорированных резиновых виброизоляторов, устанавливаемых на боковую поверхность
подземной части здания выше подошвы фундамента.
Виброизоляция вертикальных поверхностей здания, примыкающих к грунту
выполняется посредством создания защитного зазора между конструкцией стены,
непосредственно контактирующей с грунтом и внутренней стеной подземной части
здания. Зазор между непосредственно контактирующей с грунтом стеной и внутренней
стеной здания составляет 100 мм. В процессе строительства производится его заполнение
при помощи типовых модулей виброзащиты, включающих в себя элемент опалубки из
стеклофибробетона, слоя ПСБС и выступающих из него резиновых виброизоляторов БВИ1-1. Толщина слоя ПСБС-50 составляет 80 мм, что при толщине резинового
виброизолятора в 100 мм позволяет оставить воздушный зазор между слоем ПСБС и
1
внутренней виброизолируемой стеной здания. С целью предотвращения разрушения
виброзащитных блоков от внешних воздействий вокруг тех участков, где предусмотрена
их установка, необходимо возвести защитную кирпичную стенку. Схематично
предлагаемая система виброзащиты, основанная на применении резиновых
виброизоляторов приводится на рис.1.
Рис.1. Принципиальная схема виброзащиты зданий с использованием резиновых
виброизоляторов (вид сбоку).
Для
обоснования
использовании
эффективности
отечественных
виброзащитных
перфорированных
работ,
основанных
виброизоляторов
на
выполнено
моделирование фрагмента сечения грунтового массива поперек туннелей с учетом
пространственного
расположения
одного
из
существующих
зданий
туннеля
метрополитена. Внешний вид разработанной конечноэлементной модели представлен на
рис.2. Решение задачи проводилось в рамках плоской задачи, т.е. условиями закрепления
конечно-элементной модели предполагается возможность перемещения всех точек
грунтового основания, стенок туннеля, а также характерного сечения здания только в
одной из плоскостей (в плоскости перпендикулярной направлению движения поездов
метрополитена).
2
Рис.2. Внешний вид конечно-элементной модели системы здание-грунт-туннели
метрополитена.
Целью расчета является сравнение максимальных амплитудных значений величин
виброускорений, наблюдающихся в процессе распространения колебательного процесса
по грунту от движущихся поездов метрополитена. При создании конечноэлементной
задачи принимались следующие исходные данные:
- размер конечного элемента грунтового массива принимался в среднем равным
0,5 м., характеристики грунта принимались усреднено без учета действительного
геологического строения. Характеристики грунтового массива – модуль упругости грунта
25 МПа, коэффициент Пуассона 0.2;
-
сечение
туннеля
моделировалось
балочными
конечными
элементами,
обладающими узлами, совпадающими с узлами конечных элементов грунтового массива.
Толщина стенок туннеля принималась равной 300 мм, материал туннеля -
бетон.
Свойства материала - модуль упругости E = 3.06х106 Т/м2, коэффициент Пуассона -0.2,
объемный вес – 2.5 т/м3.
- конструкция подвального этажа также учитывается условно. Для выполнения
динамического
расчета
к
конструкциям
туннельных
обделок
прикладывалась
полигармоническая нагрузка по следующей формуле:
 A1 sin 2    f1  t   A2 sin 2    f 2  t   
F
M ,
 A3 sin 2    f 3  t   A4 sin 2    f 3  t  
3
(1)
где: Ai  амплитуды виброускорений, характерные для частот f i ;
t  время;
M  половина массы, приходящейся на одну тележку вагона.
M
15000
 7350 кг
2 2
(максимальная масса, приходящаяся на одну тележку
приблизительно составляет 15 т).
Наиболее характерным для метрополитена является вибрационное воздействие с
частотами 16 Гц, 31,5 Гц, а также 63,0 Гц. Это может быть проиллюстрировано путем
выполнения анализа собственных частот туннеля метрополитена в полупространстве. На
рис. 3-4 приводятся несколько первых (существенно различных) форм колебаний
туннельных обделок, как раз и соответствующих частотам 16,3 Гц, 32,35 Гц.
Рис. 3. Первая форма колебаний туннельных обделок, частота 16,3 Гц.
Рис. 4. Вторая форма колебаний туннельных обделок, частота 32,35 Гц.
4
В связи с этим в формуле (1) принимаются частоты f1  8,0 Гц , f 2  16,0 Гц ,
f 3  31,5 Гц , f 4  63,0 Гц Амплитудные значения виброускорений в формуле (1) приняты
на основании данных виброизмерений, полученных на одном из виброизолируемых
объектов г. Москвы:
0,007763 м/с2 в октавной полосе 8 Гц;
0,077624 м/с2 в октавной полосе 31,5 Гц;
0,010100 м/с2 в октавной полосе 16 Гц. ;
0,128800 м/с2 в октавной полосе 63 Гц.
На рис. 5. приводится амплитудно-частотная характеристика модельного внешнего
воздействия.
Рис.5. Функциональная зависимость амплитуды ускорений от частоты
(амплитудно-частотная характеристика внешнего воздействия).
Динамический расчет полупространства с двумя туннелями метрополитена
осуществляется в предположении синфазного действия поездов в обоих туннелях, т.е.
рассматривается наихудший случай. Задача решается методом прямого интегрирования.
Шаг по времени принимается равным 0,008 сек, число шагов по времени 250. То
есть рассматривается интервал времени 2 сек, что позволяет гарантированно получить
величины виброускорений, соответствующим частотам внешнего воздействия.
Далее
на
рис.
6-10
приводятся
результаты
динамического
расчета,
соответствующие различным временам времени, иллюстрирующие развитие волнового
процесса.
5
Рис. 6. Величины виброперемещений, соответствующие моменту времени
t = 0,28 сек.
Рис. 7. Величины виброперемещений, соответствующие моменту времени
t = 0,8 сек.
Рис. 8. Величины виброперемещений, соответствующие моменту времени
t = 1,52 сек.
Рис. 9. Величины виброперемещений, соответствующие моменту времени
t = 1,76 сек.
6
Рис. 10. Величины виброперемещений, соответствующие моменту времени
t = 2,00 сек.
Далее в таблице 1 приводятся величины виброускорений в характерной точке
конечноэлементной модели (см. рис. 11). В одной из колонок таблицы приводятся
величины
виброускорений,
характерные
для
исследуемой
точки
здания
без
виброзащитного зазора, а в другой колонке приводятся величины виброускорений,
характерные для той же точки, но уже при использовании виброзащитного зазора.
Рис. 11. Расположение анализируемой точки на конечноэлементной расчетной
модели колеблющейся системы: здание—грунт—туннель (схема с виброзащитным
зазором).
Таблица 1. Величины виброускорений точки 1.
Время с
момента
прохождения
поезда, сек
Величины
Величины
виброускорений в точке
виброускорений в точке 1
1 конечноэлементной
конечноэлементной модели
модели
(виброзащитный зазор есть),
(виброзащитного зазора
м/с2
Уменьшение
амплитуд
виброускорений,
вызванное наличием
виброзащитного
нет), м/с2
7
зазора, дБ.
0,28
0.050342
0.030138
4.46
0,56
0.079796
0.010328
17.76
0,80
0.024224
0.024255
-0.01
1,04
0.054228
0.053187
0.17
1,28
0.082761
0.029954
8.83
1,52
0.070356
0.024266
9.25
1,76
0.10177
0.017852
15.12
2,00
0.06282
0.032684
5.68
Как видно из представленных материалов, влияние виброзащитной щели приводит к
существенному снижению вибрационного воздействия на конструкцию здания.
Оценить эффективность уже реализованной системы виброзащиты, основанной на
применении отечественных грунтовых виброизоляторов, устанавливаемых между зданием
и защитной стенкой возможно на примере возведенного и успешно эксплуатирующегося в
настоящий момент времени здания Арбитражного Суда на Тульской.
В процессе выполнения работ по возведению виброизолированного здания
Арбитражного Суда выполнялась серия натурных испытаний уровней вибрации, в
частности, выполнялись замеры уровней вибрации до и после засыпки пазухи между
конструкцией «стены в грунте» и защитной стенкой, отделяющей грунт засыпки от
виброзащитной системы.
На рис. 12 приводятся схемы натурных измерений уровней вибрации, выполненных в
процессе строительства здания Арбитражного Суда.
8
Рис.12. Схемы натурных измерений уровней вибрации при строительстве здания
Арбитражного Суда на Тульской.
В процессе выполнения виброизмерений, соответствующих схеме А рис.12, было
выявлено
значительное
превышение
прогнозируемых
уровней
вертикальных
и
горизонтальных составляющих вибрации. Так, максимальный уровень вертикальных
колебаний перекрытий здания мог достигать уровня в 97 дБ (на 12 дБ выше нормы) в
октавной полосе 31,5 Гц и уровня в 93,1 дБ (на 2,1 дБ выше нормы) в октавной полосе
63 Гц. В дальнейшем при строительстве здания использовалась система виброзащиты,
основанная
на
применении
отечественных
резиновых
и
резинометаллических
виброизоляторах.
Повторные измерения производились в том числе и на стене в грунте и на уже на
возведенном фрагменте стены здания в подвальной части (схемы Б и В) рис. 12. Данные о
максимальных уровнях вибрации стены в грунте и возведенной к тому моменту
фрагменту стены здания приводятся в таблице 2.
9
Таблица 2. Максимальные уровни вертикальной, продольной и поперечной
вибрации стены в грунте и стены здания.
Изм. 02.04.07
Z (верт.)
X (поперечные)
Y (прод.)
31,5 Гц
31,5 Гц
63 Гц
31,5 Гц
стена в
грунте
69,2
83,7
92,2
68,4
стена здания
69,8
79,1
78,5
67,8
Из данных таблицы 2 следует, уровни вертикальных и продольных колебаний
стены в грунте и стены здания практически совпадают, а поперечных колебаний –
различны. Уровень поперечной вибрации стены в грунте больше, чем стены здания,
так как
они были разделены пазухой, а в этом случае здание не воспринимает
динамического давления грунта полностью.
Дальнейшие измерения уровня вибрации выполнялись уже после установки
виброзащитной системы на вертикальные поверхности боковых стен здания и
засыпки пазух между защитной стенкой и стеной в грунте. Установка системы
виброзащиты позволила снять передачу горизонтальных колебаний от стены в грунте к
стене здания (78,4 дБ на стене в грунте и 73,5 дБ) на стене здания в октаве 63 Гц), что
подтверждает проектную эффективность виброзащиты, основанной на использовании
защитной стенки с резиновыми перфорированными виброизоляторами, полученную в
результате выполненного динамического расчета.
Литература
1. Виброзащитная конструкция верхнего строения пути. М.А.Дашевский и др.
Метро.Тоннели, 2005, №4, стр. 41 - 43.
2. М. А. Дашевский. Инженерный метод нелинейного расчета резинометаллических
виброизоляторов для зданий. (Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений.
2006г.№6. стр. 37 – 41; Строительные материалы XXI века, 2006, №6, стр. 64 – 65).
3. Справочник проектировщика (расчетно – теоретический). 5.5.6. Балки на упругом
основании. Изд-во л-ры по строительству, архитектуре и стр. м-лам. Москва, 1960 г.
4. MSC/NASTRAN for Windows User’s Guide
5. Сегеглинд Л. Применение метода конечных элементов. – М: Мир, 1979.
6. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. –Л.:
Машиностроение, 1976.
7. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем – М,:
Наука, 1964.
8. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. –М.:
Машиностроение, 1985.
10