Материалы и конструкции для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений (системный подход)

На правах рукописи

МАЖИЕВ Хасан Нажоевич

Материалы и конструкции для повышения

сейсмостойкости зданий и сооружений

(Системный подход)

Специальности:

05.23.05 – Строительные материалы и изделия;

05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Махачкала – 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова»

Научные консультанты:	-	доктор технических наук, профессор Айзенберг Яков Моисеевич; доктор технических наук, профессор Батаев Дена Карим-Султанович
Официальные оппоненты:	-	член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Меркулов Сергей Иванович;
Ведущая организация –	- - -	доктор технических наук, профессор Ахматов Мусса Ахматович; доктор технических наук, профессор Курочка Павел Никитович Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона (НИИЖБ) им. А.А. Гвоздева

Защита состоится « 17 » декабря 2011 года в 14.00 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.052.03 при ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» по адресу: 367015, г. Махачкала, пр. Имама Шамиля, 70, ауд. 202. Факс (8722) 623761, e-mail: dstu@dstu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет».

Автореферат разослан “____”______________2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук Х.Р. Зайнулабидова

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Развитие методов, способов и средств обеспечения надежности зданий и сооружений в сейсмических районах и снижение затрат, связанных с сейсмической опасностью, является глобальной проблемой, решение которой имеет важное научно-прикладное значение.

Важным компонентом, обеспечивающим надежность зданий и сооружений при сейсмических воздействиях является, как известно, материал конструкций. Основными свойствами, обеспечивающими сейсмостойкость конструкций зданий и сооружений, являются прочность при повторных нагружениях, ударная и динамическая прочность, выносливость, деформативность, энергопоглощаемость и пр.

В сейсмически опасных районах эффективным для строительства материалом может быть мелкозернистый бетон, полученный из техногенного сырья, который обладает рядом свойств, обеспечивающих сейсмостойкость конструкций.

Традиционные методы повышения сейсмостойкости бетонных и железобетонных конструкций сводятся, в основном, к наращиванию новых армированных слоев бетона, созданию стальных обойм или полной замене конструкций, что достаточно трудоемко и приводит к дополнительным материальным затратам.

Рассматриваемые в работе методы повышения сейсмостойкости зданий и сооружений с применением мелкозернистых пропитанных бетонов, многокомпонентных бетонов, фибробетонов, шлакозолобетонов, безусадочных и расширяющихся бетонов являются более эффективными и способствуют повышению качества и производительности труда.

Очевидно, что разработка и широкое применение сейсмостойких мелкозернистых бетонов, в том числе на основе использования техногенного сырья, является задачей весьма важной и актуальной.

Оценить в целом поведение зданий и сооружений при сейсмических воздействиях невозможно без анализа реального характера разрушения, сведений о свойствах материала конструкций и расчетных схемах. Исследования по дальнейшему развитию методов расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия с учетом антисейсмических свойств материалов несущих конструкций актуальны как для теории, так и для практики строительства. Другое важное направление оптимизации объемов антисейсмических мероприятий - снижение сейсмических нагрузок на сооружение за счет рационального выбора его динамических характеристик.

В условиях неопределенности характеристик сейсмического воздействия эффективными оказываются сейсмостойкие строительные материалы, конструкции и системы сейсмозащиты, параметры которых могут меняться в процессе землетрясения, приспосабливаясь к сейсмическим воздействиям. Речь идет в частности о системах с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами (СТФ) и выключающимися связями (ВС), применение которых обеспечивает дополнительные резервы несущей способности конструкций и значительно повышает сейсмостойкость зданий и сооружений.

При использовании в городской застройке зданий повышенной этажности в случаях, когда они строятся в районах, подверженных не только высоким сейсмическим, но и значительным ветровым воздействиям, возникает необходимость статистического сочетания этих двух видов нагрузок. Поскольку спектры сейсмических колебаний грунта и флуктуации ветра существенно различны, эффективной защитой зданий от сейсмических и ветровых воздействий является использование систем с СТФ и ВС с перестраивающимися динамическими характеристиками.

Таким образом, в диссертационной работе проблема повышения сейсмостойкости зданий и сооружений решается на основе единого комплексного подхода к системе «сейсмостойкие строительные материалы – строительные конструкции – грунтовое основание – сейсмические, ветровые и другие воздействия» и является актуальной, имеющей важное хозяйственное значение.

Степень изученности проблемы. Проведенный анализ позволил сделать вывод, что методы ремонта и усиления железобетонных конструкций с применением мелкозернистых составов пропитанных бетонов, фибробетонов, шлакозолобетонов, композиционных бетонов, а также расширяющих и напрягающих составов не достаточно отработаны и свидетельствует об актуальности проблемы разработки сейсмостойких строительных материалов и поиска рациональных динамических характеристик высоких зданий с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями (СТФ и ВС) в условиях вероятности возникновения воздействий с существенно различающимися характеристиками (сейсмические и ветровые воздействия).

Целью диссертационного исследования является разработка и исследование материалов, конструкций и устройств для обеспечения и повышения сейсмостойкости зданий и сооружений в системе «сейсмостойкие строительные материалы – строительные конструкции – грунтовое основание – сейсмические, ветровые и другие воздействия».

В диссертации ставятся и решаются следующие задачи:

- теоретические и экспериментальные исследования стойкости и структурообразования, физических и физико-механических свойств мелкозернистых бетонов для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений;

- разработка и исследование безусадочных и расширяющихся мелкозернистых бетонов, пропитанных бетонов, а также мелкозернистого бетона с дисперсным армированием и мелкозернистого шлакозолобетона;

- теоретические и экспериментальные исследования механизма обеспечения связи старого бетона с новым и омоноличивания контактной зоны;

- исследования реальных зданий с СТФ и ВС;

- построение расчетных моделей для определения динамической реакции высоких зданий с СТФ и ВС, в том числе с учетом результатов экспериментальных исследований для случая расположения СТФ и ВС в нижнем этаже;

- анализ динамической реакции высоких зданий с СТФ и ВС при действии сейсмической и ветровой нагрузок;

- анализ статистического сочетания сейсмической и ветровой нагрузки для зданий с СТФ и ВС;

- исследование задачи выбора рациональных динамических характеристик зданий с СТФ и ВС в зависимости от конструктивного решения и высоты здания, а также от интенсивности ветровой и сейсмической нагрузки и составление практических рекомендаций;

- разработка методики оценки степени повреждений зданий и сооружений;

- исследование грунтового основания разрушенных зданий и сооружений с помощью современных геофизических методов.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов.

Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, предложенных в работе, подтверждены исследованиями, выполненными с применением современных методов и технических средств, а также практическими результатами внедрения теоретических положений и сопоставлением с данными других авторов.

Достоверность положений и выводов диссертационной работы подтверждена также патентами РФ и положительными результатами их внедрения на ряде строительных предприятий.

Научная новизна:

- разработаны теоретические положения повышения сейсмостойкости зданий и сооружений за счет использования мелкозернистых пропитанных бетонов, фибробетонов, шлакозолобетонов и безусадочных и расширяющихся бетонов на основе комплексного использования вторичного сырья;

- разработаны положения целенаправленного управления техническими, технологическими и эксплуатационными свойствами мелкозернистых бетонов для ремонта и восстановления конструкций с применением эффективных модификаторов;

- разработаны теоретические положения повышения сейсмостойкости мелкозернистых бетонов;

- установлены закономерности структурообразования мелкозернистых бетонов;

- установлены закономерности сцепления старого бетона с новым и омоноличивания контактной зоны;

- установлены многофакторные математические зависимости кинетики пропитки материалов;

- установлен механизм разрушения слоистых систем при механическом воздействии и действии окружающей среды;

- разработана методология оценки степени повреждений и состояния зданий и сооружений;

- впервые осуществлены экспериментальные исследования на реальных объектах с выключающимися связями, исследована динамическая жесткость конструктивных элементов системы сейсмической защиты;

- на основании экспериментальных исследований сформулированы рекомендации по усовершенствованию конструктивных решений системы сейсмозащиты;

- предложены теоретические расчетные модели и исследована задача определения сейсмической реакции зданий типа исследовавшихся в эксперименте, а также высоких зданий с выключающимися связями;

- выполнен параметрический анализ динамической реакции зданий с СТФ и ВС на сейсмические и ветровые воздействия;

- разработан алгоритм расчета, с учетом реальных акселерограмм, сооружений с выключающимися связями, расположенными в нижней части и по высоте здания;

- выполнен анализ статистического сочетания сейсмических и ветровых нагрузок применительно к зданиям с СТФ и ВС;

- разработана методика и выполнен расчет высокого здания с выключающимися связями, проектируемого с учетом сейсмических и ветровых воздействий.

Практическая значимость диссертационного исследования:

- получены мелкозернистые безусадочные и расширяющиеся бетоны, пропитанные бетоны, бетоны с дисперсным армированием и шлакозолобетоны для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений;

- разработаны конструкции СТФ и ВС для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений;

- предложена методика оценки степени повреждения зданий и сооружений;

- разработаны технические условия ТУ 5745-001-45267841-10 «Мелкозернистый ремонтный бетон класса В20 на основе портландцемента, кварцевого песка и органической добавки»;

- разработаны технические условия ТУ 5711-001-02066501-08 «Мелкозернистый бетон класса по прочности до В30-В45 на золошлаковых смесях, портландцементе и органоминеральной добавке»;

- разработана инструкция РДС РК-01-07-10 «Инструкция по проектированию зданий с использованием сейсмоизолирующих кинематических фундаментов»;

- получены патенты на сейсмоизолирующий тарельчатый фундамент (RU 2007146296 А), универсальный сейсмоизолирующий фундамент (RU 2406804 А) и др.

Апробация результатов исследования.

Разработанные составы, технологии и технические средства нашли применение при ремонте, восстановлении и реконструкции зданий и сооружений Чеченской Республики (ГУП «Чеченское управление строительства», ГУП «Чеченгражданстрой», ООО «Модернпроект» (генеральная проектная организация выполнения ФЦП «Социально-экономическое развитие ЧР на 2008-2012 гг.»), ПРСК «Лам», Сейсмофонд, ООО «СК «Чеченстрой», ООО «Интер­стройхолдинг», ЗАО «Внешторгсервис», ООО «Импексстрой»).

Результаты диссертационной работы внедрены и используются на объектах Министерства строительства ЧР, Министерства жилищно-коммунального хозяйства ЧР и УНР 328 Минобороны РФ.

Работа выполнялась в соответствии с федеральными целевыми программами «Сейсмобезопасность территории России» (2002-2010 гг.), «Восстановление экономики и социальной сферы Чеченской Республики на 2002 и последующие годы», «Социально-экономическое развитие Чеченской Республики на 2008-2011 гг.» и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».

Ориентировочные расчеты показали, что экономический эффект за десять лет составит 240-250 млн. руб. Получен также социальный эффект – экологи­ческое оздоровление окружающей среды за счет утилизации отходов.

Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались с 1982 по 2010 гг. на всемирных, европейских, международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических симпозиумах, конференциях, совещаниях и семинарах по проблемам сейсмостойкого строительства и сейсмостойких материалов, в том числе:

- на Всесоюзных, Всероссийских, региональных и республиканских конференциях (Алма-Ата – 1989 г., Москва – 1985 г., Махачкала – 1987, 2006, 2009 г., Симферополь – 1988 г., Ташкент – 1988 г., Владикавказ – 1992, 2005, 2007, 2009 г., Ростов-на-Дону – 2006 г., Сочи – 1997, 2001, 2005, 2007, 2008 г., Ялта – 2005 г.);

- на европейских конференциях по сейсмостойкому строительству (Москва – 1990 г., Париж – 1998 г., Лондон – 2002 г.);

- на всемирных конференциях по сейсмостойкому строительству (Мадрид – 1992 г., Акапулько – 1996 г., Ванкувер – 2004 г.);

- на международных конференциях (Анкара – 1997 г., Стамбул – 2006 г., Москва – 2008, 2009 г., Сочи – 2009 г., Владикавказ – 2009, 2010 г., Санкт-Петербург – 2010 г.).

Материалы диссертации опубликованы в 74 работах, в том числе 9 статьях в научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертационного исследования на соискание ученой степени доктора наук, 6 монографиях, 9 описаниях изобретений к патентам и учебном пособии с грифом УМО.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Объем работы – 452 стр. машинописного текста, содержит 68 таблиц, 144 рисунка, список литературы включает 441 наименование.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «Анализ состояния проблемы» проведен анализ основных материалов, используемых для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений, который показал, что традиционные методы ремонта и восстановления бетонных и железобетонных конструкций, применяемые в отечественной практике, сводятся, в основном, к наращиванию новых слоев бетона, созданию стальных или железобетонных обойм или полной замене конструкций, что, как правило, весьма трудоемко и не обеспечивает достижение поставленной в диссертационной работе цели. Изучены опыт повышения прочности материалов при немногочисленных повторных нагружениях, а также особенности поведения различных строительных материалов при сейсмических воздействиях.

Методы ремонта и усиления железобетонных конструкций с применением полимерных материалов, композиционных бетонов, мелкозернистых составов, фибробетонов, пропитанных бетонов, а также расширяющих и напрягающих составов более эффективны. Проведенный анализ позволил сделать вывод, что технологии их использования не достаточно отработаны, поэтому разработка и широкое применение технологичных и эффективных методов повышения сейсмостойкости конструкций зданий и сооружений является проблемой весьма важной и актуальной. Решению ее может в значительной степени содействовать использование различных современных материалов на основе мелкозернистых наполнителей.

В главе отмечается большой вклад в области исследования сейсмостойкости зданий и сооружений советских и российских ученых К.С. Завриева, А.Г. Назарова, В.А. Быховского, И.И. Гольденблата, И.Л. Корчинского, Ш.Г. Напе­тва­ридзе, Б.К. Карапетяна, Н.А. Николаенко, С.В. Полякова, В.Т. Рас­сказовского, О.О. Савинова, А.П. Синицина, Я.М. Айзенберга, Т.Ж. Жунусова, В.А. Ильичева, Ю.В. Измайлова, Э.Е. Хачияна, В.Д. Райзера, Г.Л. Коффа, А.Д. Абакарова, Т.А. Абаканова, К.С. Абдурашидова, Ф.Ф. Аптикаева, М.У. Ашимбаева, В.А. Бабешко, В.С. Беляева, Т.А. Белаш, К.В. Егупова, В.Б. Заалишвили, М.А. Клячко, Э.Н. Кодыша, П.А. Коновалова, Ю.П. Назарова, Ю.И. Немчинова, С.Х. Нигматуллаева, Т.Р. Рашидова, В.А. Ржевского, А.М. Уздина, А.М. Жарова, Г.В. Мамаевой, А.М. Мелентьева, В.И. Смирнова, И.Е. Ицкова, А.В. Перельмутера, В.И. Римшина, Л.Р. Ставницера, А.Г. Тяпина, В.И. Уломова, Ш.А. Хакимова, К.Ш. Шадунца, А.К. Юсупова, и др.

Значительные по объему экспериментальные и теоретические исследования различных видов сейсмоизоляции выполнялись в последние десятилетия В.В. Назиным, Ю.Д. Черепинским, С.В. Поляковым, Л.Ш. Килимником, Л.А. Солдатовой, А.Г. Яременко, А.М. Курзановым, С.Ю. Семеновым и др.

Проведенный анализ состояния исследования вопроса свидетельствует об актуальности проблемы разработки сейсмостойких строительных материалов и поиска рациональных динамических характеристик высоких зданий с сейсмоизолирующими тарельчатыми фундаментами и выключающимися связями (СТФ и ВС) в условиях вероятности возникновения воздействий с существенно различающимися характеристиками (сейсмические и ветровые воздействия).

Следует отметить в данной области работы А.В. Александрова, М.Г. Алишаева, В.О. Алмазова, Ю.М. Баженова, В.М. Бондаренко, М.М. Батдалова, Д.К.-С. Батаева, В.В. Болотина, Г.В. Василькова, Г.А. Гениева, Н.И. Карпенко, Б.А. Крылова, И.А. Иванова, В.А. Ивовича, Р.Л. Маиляна, Л.Р. Маиляна, С.И. Меркулова, С.-А.Ю. Муртазаева, И.Е. Путляева, М.З. Симонова, А.Ф. Смирнова, Н.Н. Стрелецкого, Н.Н. Складнева, Б.С. Расторгуева, П.А. Реквава, В.В. Ремнева, А.Г. Тамразяна, В.И. Травуша, В.П. Чиркова, Г.И. Шапиро, А.И. Цейтлина, М.А. Ахматова, П.Н. Курочки, Г.В. Несветаева, Л.В. Моргун, С.Х. Байрамукова, М.Ю. Беккиева, М.Н. Кокоева, Е.Н. Пересыпкина, Б.Г. Печеного, С.И. Полтавцева, В.А. Пшеничкиной, Ш.М. Рахимбаева, Т.А. Хежева, О.М. Устарханова, Г.Н. Хаджишалапова и др.

Во второй главе «Мелкозернистые бетоны для сейсмостойких конструкций» проведено исследование физико-механических свойств обычных мелкозернистых бетонов для ремонтно-восстановительных работ.