Оценка эффективности некоторых способов виброизоляции существующих зданий и сооружений от вибродинамических воздействий, распространяющихся в грунтовой среде

В статье приводятся расчеты различных конструктивных схем виброизоляции здания с железобетонным каркасом от источника вибродинамического воздействия, расположенного за его пределами. Отмечается, что в большинстве исследований в качестве критерия риска повреждения несущих строительных конструкций используют максимальную величину скорости вертикальных колебаний фундамента или грунта перед ним. Выделены основные факторы, определяющие риск повреждения конструкций, к которым относятся: инженерно-геологические условия грунта в основании фундаментов, подвергающихся воздействию, степень повреждения здания, тип и конструкция здания или сооружения, частота колебаний, продолжительность действия вибрации, расстояние до источника колебаний, вид источника колебаний, материал сооружения и тип фундамента. На основании анализа факторов, определяющих риск повреждения конструкций, выделены параметры здания или сооружения, наименее чувствительного к вибродинамическим воздействиям и обладающего большей эксплуатационной надежностью. Оно должно быть с каркасом из железобетона или стали, не иметь повреждений, располагаться на фундаментах из свай-стоек в прочных маловлажных крупных песках или твердых глинах. Предлагаемые конструктивные схемы виброизоляции в основном базируются на одном из механизмов демпфирования колебаний в грунтовой среде – рассеянии на неоднородностях. В качестве основного инструмента теоретических исследований использовался метод конечных элементов. Грунтовая среда рассматривалась как упругий инерционный массив, ограниченный неотражающими границами. Достоверность его применения для расчета развития динамических процессов в системе «источник колебаний – среда распространения – приемник колебаний» была подтверждена верификацией на основании данных маломасштабных лабораторных опытов. Использование метода конечных элементов позволяет учесть пространственную изменчивость грунтовых условий, свойства материалов, конструктивные особенности зданий и сооружений, величину, направление и точку приложения динамической нагрузки, а также осуществлять моделирование и оптимизацию различных схем виброзащиты. Рассмотрены семь вариантов виброизоляции: устройство инерционной плиты на поверхности грунтовой среды между источником колебаний и зданием, установка вертикального экрана из газонаполненных баллонов под давлением, комбинация указанных способов, устройство свайного поля в грунтовой среде, усиление столбчатых плитных фундаментов здания микросваями, устройство ребристой плиты на поверхности грунтовой среды между источником и приемником колебаний, устройство железобетонной обоймы вокруг фундамента-источника колебаний. Эффективность каждого способа виброизоляции оценивалась коэффициентом демпфирования К, параметром, показывающим, во сколько раз уменьшается скорость вертикальных колебаний фундамента здания. Среди указанных выше способов виброизоляции выделены два наиболее эффективных варианта в виде горизонтальной инерционной плиты из железобетона на поверхности грунтового массива (снижение скорости вертикальных колебаний в 4,5 раза) и вертикального барьера из газонаполненных баллонов под давлением (снижение скорости вертикальных колебаний в 3,32 раза).

1. Савинов, О. А. Современные конструкции фундаментов под машины и их расчет / О. А. Савинов. 2-е изд. Л.: Стройиздат, 1979. 200 с.

2. Кудрявцев, И. А. Влияние вибрации на основания и сооружения / И. А. Кудрявцев. Гомель: БелГУТ, 1999. 247 с.

3. Кравцов, В. Н. Осадки оснований плитных фундаментов при длительном воздействии на них динамических нагрузок малой интенсивности / В. Н. Кравцов, П. В. Лапатин // Геотехника Беларуси: Наука и практика: материалы Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 23–25 октября 2013 г. / Белорус. национ. техн. ун-т; редкол. М. И. Никитенко [и др.]. Минск, 2013. С. 150–157.

4. Разработка способов повышения эксплуатационной надежности и долговечности конструкций зданий и сооружений при реконструкции и модернизации производства, сопровождающегося интенсивными вибродинамическими воздействиями: отчет о НИР (заключ.) / Белорусский национальный технический университет; рук. темы К. Э. Повколас. Минск, 2018. 82 с. № ГР 20160898.

5. Берлинов, М. В. Основы комплексной оценки динамической работы строительных конструкций при вибрационных воздействиях промышленного оборудования: дис… д-ра техн. наук: 05.23.01 / М. В. Берлинов. М., 2005. 302 л.

6. Калюжнюк, М. М. Сваебойные работы при реконструкции (Влияние колебаний на здания и сооружения) / М. М. Калюжнюк, В. К. Рудь. Л.: Стройиздат, 1989. 160 с.

7. Экспериментальная динамика сооружений. Мониторинг транспортной вибрации / Е. К. Борисов [и др.]. Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2007. 128 с.

8. Основания и фундаменты, инженерные изыскания. Фундаменты плитные. Правила проектирования: ТКП 45-5.01-67–2007. Введ. 2.04.07. Минск: РУП «Строй-технорм», 2007. 136 с.

9. Основания и фундаменты зданий и сооружений. Фундаменты при вибродинамических воздействиях. Правила проектирования: ТКП 45-5.01-264-2012. Введ. 28.05.12. Минск: РУП «Стройтехнорм», 2012. 114 с.

10. Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и ее воздействие на конструкцию: ГОСТ Р 52892–2007. Введ. 27.12.07. М: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии: ОАЛ «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем», 2007. 16 с.

11. Инструкция по расчету перекрытий промышленных зданий, воспринимающих динамические нагрузки / ЦНИИСК им. Кучеренко. М.: Стройиздат, 1967. 57 с.

12. Чернов, Ю. Т. Вибрации строительных конструкций / Ю. Т. Чернов. М.: Издательство Ассоциация строительных вузов, 2006. 288 с.

13. Reiher, H. Die Emfindlichkeit des Menschen Gegen Erschutterungen / Н. Reiher, F. J. Meister // Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesense. 1931. Vol. 2, Nо 11. P. 381–386. https://doi.org/10.1007/bf02578773.

14. Виброизоляция зданий, расположенных в технической зоне метрополитена неглубокого заложения / Ю. В. Василевич [и др.] // Вестник Белорусского государственного университета транспорта: Наука и транспорт. – 2016. № 1. С. 295–297.

15. Массарч, К. Р. Виброизоляция с использованием газонаполненных подушек / К. Р. Массарч // Развитие городов и геотехническое строительство. 2006. № 10. С. 176–191.

16. Massarch, K. R. Ground Vibration Isolation Using Gas Cushions / K. R. Massarch // International Conferences on Recent Advances in Geotechnical Engineering and Soil Dynamics, USA, Luis, 11–15 March 1991 / USA, Missouri, Luis, 1991. P. 1461–1470.

17. Ashref, Alzawi. Full Scale Experimental Study on Vibration Scattering Using Open and In-filled (Geofoam) Wave Barriers / Ashref Alzawi, M. Hesham El Naggar // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2011. Vol. 31, No 3. P. 306–317. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2010.08.010.

18. Naghizadehrokni, M. A full Experimental and Numerical Modelling of the Practicability of thin Foam Barrier as Vibration Reduction Measure / M. Naghizadehrokni, M. Ziegler, J. Sprengel // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2020. Vol. 139. P. 106416. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2020.106416.

19. Кузнецов, С. В. Горизонтальные сейсмические барьеры для защиты от сейсмических волн / Кузнецов С. В., Нафасов А. Э. // Вестник МГСУ. 2010. Вып. 4. С. 131–134.