Динамическое гашение колебаний конструкций высотных зданий ствольно-подвесного типа при сейсмических воздействиях

Введение. Ствольно-подвесные здания обладают рядом важных конструктивных особенностей, заключающихся в повышенной гибкости их несущих элементов. Это может быть использовано для снижения сейсмической нагрузки на конструкции высотных зданий. Однако технические сложности возведения, а также методы расчета, не позволявшие получить данные о поведении подвесных конструкций при сейсмическом воздействии, послужили препятствием для применения ствольно-подвесной системы при строительстве высотных зданий. Другим подходом к обеспечению сейсмической защиты высотных зданий является устройство динамических гасителей колебаний. Подвесные конструкции в зданиях с несущим стволом потенциально могут выполнять роль динамических гасителей колебания. Современные методы расчета математических моделей дают возможность проверить это предположение. Представлено новое конструктивное решение ствольно-подвесного здания, а также дана оценка влияния инженерных параметров подвешенной части здания на его сейсмостойкость.

Материалы и методы. Численное моделирование зданий с предлагаемым конструктивным решением в условиях сейсмического воздействия выполнено в программном комплексе ЛИРА во временной области в шаговой нелинейной постановке. Эффективность применения рассматриваемого конструктивного решения здания оценивается на основе данных о перемещениях и ускорениях несущих конструкций при сейсмическом воздействии.

Результаты. Обнаружены закономерности влияния величины продольной жесткости упругих связей и массы верхнего подвешенного блока этажей на перемещения и ускорения несущих конструкций здания. На основе сравнительного анализа сведений о деформированном состоянии сооружения в ходе сейсмического воздействия определены оптимальные параметры подвешенных конструкций, позволяющие снизить колебания всего здания.

Выводы. Изменение массы подвешенных этажей и жесткости связей между элементами ствольно-подвесного здания может привести к снижению перемещений и ускорений несущих конструкций, гашению колебаний системы. Дальнейшие исследования могут быть посвящены аналитическому определению оптимальных параметров подвешенных конструкций, обеспечивающих восприятие и рассеивание колебательной энергии сейсмического воздействия.

1. Belash T., Svitlik I. Damping of Structures of Earthquake-Resistant Suspended Buildings // Lecture Notes in Civil Engineering. 2023. Pp. 289–297. DOI: 10.1007/978-3-031-21120-1_28

2. Белаш Т.А., Свитлик И.В. К вопросу о повышении сейсмостойкости зданий подвесного типа в районах высокой сейсмической активности // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2023. № 2. С. 54-66. DOI: 10.37153/2618-9283-2023-1-54-66.EDN XPGUVQ.

3. Цейтлин А.И., Ким Л.И. Сейсмические колебания многоэтажного здания с «гибким» верхним этажом // Снижение материалоемкости и трудоемкости сейсмостойкого строительства : тез. докл. Всесоюзного совещания. 1982. 85 с.

4. Белаш Т.А., Беляев В.С., Уздин А.М., Ермошин А.А., Кузнецова И.О. Сейсмоизоляция. Современное состояние // Избранные статьи профессора О.А. Савинова и ключевые доклады, представленные на четвертые Савиновские чтения. 2004. С. 95–128.

5. Уздин А.М., Нестерова О.П., Федорова М.Ю., Гуан Ю.Х. Особенности расчетного обоснования параметров динамических гасителей колебаний для сейсмозащиты зданий и сооружений // XIV Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию : мат. науч.-практ. конф. 2021. С. 135–136. DOI: 10.37153/2687-0045-2021-14-135-136. EDN HGYZHA.

6. Нестерова О.П., Уздин А.М., Федорова М.Ю. Особенности применения динамических гасителей колебаний для сейсмозащиты зданий и сооружений // IX Поляховские чтения : мат. Между­нар. науч. конф. по механике. 2021. С. 119–121. EDN OUDZYG.

7. Нестерова О.П., Уздин А.М., Фрезе М.В. Учет демпфирования при подборе параметров динамических гасителей сейсмических колебаний // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. 2022. № 5 (60). С. 35–42. DOI: 10.55341/ptrbs.2022.60.5.002. EDN CUDKGF.

8. Нестерова О.П., Уздин А.М. Особенности подбора динамических гасителей колебаний (ДГК) сейсмических колебаний при сильных землетрясениях // Архитектура – строительство – транспорт : мат. 74-й науч. конф. профессорско-преподавательского состава и аспирантов университета, в 2 частях. 2018. С. 43–48. EDN WYYHZB.

9. Нестерова О.П., Уздин А.М., Ухова Н.Ю., Фролова Е.Д., Фрезе М.В., Гуань Ю. Об одном способе повышения сейсмостойкости портовых причалов // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. 2022. № 3 (58). С. 26–28. DOI: 10.55341/ptrbs.2022.58.3.003. EDN USNBSY.

10. Сафронова В.Ю., Пронина А.А., Уздин А.М. Эффективность надстройки гибкого верхнего этажа для повышения сейсмостойкости зданий на нескальных основаниях // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2022. Т. 1. С. 483–487. EDN ANOOZD.

11. Желиостов Д.А., Медведева А.А., Уздин А.М., Ухова Н.Ю., Нестерова О.П. Некоторые особенности подбора параметров двухмассовых динамических гасителей сейсмических колебаний // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. 2023. № 1 (62). С. 27–31. DOI: 10.55341/ptrbs.2023.62.1.006. EDN LUEGHZ.

12. Vaghela V., Patel V., Bhatt P. Behavior of Structures Under Dynamic Loading Having Water Tank Designed as Tuned Mass Damper // International Journal of Civil Engineering. 2022. Vol. 9. Issue 6. Pp. 62–71. DOI: 10.14445/23488352/ijce-v9i6p106

13. Maddah Sadatieh M.S., Ghorbani-Tanha A.K. An innovative semi-active pendulum tuned mass damper and its application in vibration control // Journal of Vibration and Control. 2023. Vol. 29. Issue 7–8. Pp. 1820–1832. DOI: 10.1177/10775463211070903

14. Xiang Y., Tan P., He H., Shang J., Zhang Y. Seismic optimization of variable friction pendulum tuned mass damper with hysteretic damping characteristic // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2022. Vol. 160. P. 107381. DOI: 10.1016/j.soildyn.2022.107381

15. Kang Y., Peng L., Pan P., Wang H., Xiao G. Seismic performances of a structure equipped with a large mass ratio multiple tuned mass damper // The Structural Design of Tall and Special Buildings. 2020. Vol. 29. Issue 17. DOI: 10.1002/tal.1803

16. Prakash Sh., Jangid R.S. Optimum parameters of tuned mass damper-inerter for damped structure under seismic excitation // International Journal of Dynamics and Control. 2022. Vol. 10. Issue 5. Pp. 1322–1336. DOI: 10.1007/s40435-022-00911-x

17. Fahimi Farzam M., Hojat Jalali H. Tandem tuned mass damper inerter for passive control of buildings under seismic loads // Structural Control and Health Monitoring. 2022. Vol. 29. Issue 9. DOI: 10.1002/stc.2987

18. Rahman S., Jain A.K., Jha K.N., Bharti S.D., Datta T.K. Response control of chimneys using tuned mass damper, multi-tuned mass damper and tuned mass inerter system // Structures. 2024. Vol. 69. P. 107526. DOI: 10.1016/j.istruc.2024.107526

19. Dirbas W., Diken H., Alnefaie K. The Effect of Tuned Mass Damper Mass Ratio on Wind Turbine Vibration Mitigation // Engineering, Technology & Applied Science Research. 2024. Vol. 14. Issue 6. Pp. 18388–18394. DOI: 10.48084/etasr.9170

20. Akbari-Helm M., Massoudi M.S. A comparison of deterministic and reliability-based optimization of tuned mass damper under uncertainties // Asian Journal of Civil Engineering. 2022. Vol. 23. Issue 2. Pp. 203–217. DOI: 10.1007/s42107-022-00418-y

21. Araz O. Optimization of tuned mass damper inerter for a high-rise building considering soil-structure interaction // Archive of Applied Mechanics. 2022. Vol. 92. Issue 10. Pp. 2951–2971. DOI: 10.1007/s00419-022-02217-y