Коренев Б. Г., Рабинович И. М. - Справочник по динамике сооружений

СПРАВОЧНИК ПО ДИНАМИКЕ СООРУЖЕНИЙ

Под редакцией профессоров Б. Г. Коренева, И. М. Рабиновича

Стройиздат 1972

УДК 624.042.8(031)

Справочник по динамике сооружений. Под ред. Б. Г. Коренева, И. М. Рабиновича. М., Стройиздат, 1972 .511 с.

Справочник содержит материалы по прикладной динамике сооружений, относящиеся к расчету строительных конструкций на динамические воздействия, измерению колебаний и методам борьбы с колебаниями зданий и сооружений. Подробно рассмотрены специальные вопросы: действие динамических нагрузок, динамические характеристики материалов, влияние колебаний на людей и технологические процессы, расчет конструкций на прочность и выносливость, распространение упругих волн, ветровые воздействия, виброизоляция, моделирование, колебания отдельных видов конструкций и др.

Справочник рассчитан на инженеров-проектировщиков, научных работников, аспирантов и студентов.

Табл. 109, ил. 172, список лит.: 457 назв.

Научный редактор—д-р техн. наук А. И. Цейтлин

47—72

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проектирование зданий и сооружений на современном этапе невозможно без учета динамических воздействий. Это объясняется многими причинами. Наиболее очевидная — рост динамических нагрузок, вызываемых машинами, кранами и другим оборудованием, широкое применение вибраций, ударов и производственных взрывов, как элементов технологического процесса; строительство гибких висячих сооружений, для которых необходимо учитывать динамическое действие ветра, и др. Повышенное внимание к динамике связано также с развитием точных технологических процессов, требующих снижения уровня вибраций, применением точных измерительных приборов и специального лабораторного оборудования при проведении научных исследований. И, наконец, одна из важнейших технических задач — обеспечить такой уровень вибраций, который допустим с санитарно-гигиенической точки зрения.

Поэтому при проектировании сооружений наряду со статическими необходимо также учитывать динамические воздействия и нагрузки. Попытки ограничиться статическим расчетом и учитывать динамические воздействия некоторыми по существу априорными динамическими коэффициентами уже давно признаны несостоятельными.

Динамика сооружений, закладывающая теоретические основы динамического расчета зданий, получила широкое развитие. Эта область строительной механики представлена огромным числом работ, которые лишь в самой общей форме отражены в обзорной литературе. Практическое применение всего многообразия результатов, естественно, затруднено; очевидно, что одной из причин этого является и многочисленность самих работ. Поэтому возникла острая необходимость в создании таких материалов, которые помогли бы инженеру-проектировщику в проведении динамических расчетов и ориентировали бы его на правильный и целесообразный выбор не только методов расчета, но и, что_ отнюдь не менее важно, на разумный выбор расчетных схем; эта задача в большей мере была решена в результате создания ряда инструкций и руководств по динамическому расчету сооружений, которые разрабатывались в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. Указанные инструкции существенно упрощают проведение динамических расчетов. Однако они освещают далеко не все возникающие при проектировании вопросы; кроме того, без получения многих справочных данных расчет крайне затрудняется.

Цель настоящего издания — дополнить инструктивную н учебную литературу, дав инженеру-проектировщику справочные данные, необходимые для динамического расчета сооружений.

Справочник содержит разнообразные материалы, относящиеся к динамическому расчету сооружений и методам борьбы с вибрациями. В частности приводятся подробные сведения о динамических свойствах строительных материалов, динамических нагрузках и требованиях, предъявляемых к результатам  динамического   расчета.   Основная   часть  справочника   посвящена непосредственно вопросам динамического расчета; широко представлены вопросы расчета стержней и стержневых систем, пластинок, оболочек, висячих конструкций. Эти разделы содержат весьма, обширный справочный материал. Наряду с этим в справочнике имеются разделы, посвященные инженерным методам расчета — их обоснованию и пояснению. Эти разделы, поясняющие и развивающие материалы, опубликованные в инструкциях, бесспорно будут способствовать правильному пониманию существа основных положений современных инженерных методов расчета. С этих позиций рассмотрены вопросы расчета зданий на действие нагрузок от машин, расчет гибких сооружений на действие ветра, расчет фундаментов под машины, а также расчет сооружений на действие импульсивных нагрузок.

Большое внимание в современной динамике сооружений уделяется вопросам, связанным с разработкой методов борьбы с вибрациями, которые широко представлены в справочнике. Раздел, посвященный линейной теории виброизоляции, имеет четкую инженерную направленность. В перспективе можно ожидать развития нелинейной теории виброизоляции, и этот вопрос также отражен в специальном разделе. Кратко рассмотрены динамические и ударные гасители колебаний, которые применяются еще не очень часто, однако применение гасителей является перспективным и эффективным методом борьбы с вибрациями. Два раздела посвящены вопросам моделирования и методам измерения вибраций, которые дают известное представление об экспериментальных методах изучения колебаний.

Настоящий справочник ориентирован на те проблемы динамики, которые возникают в основном при проектировании обычных промышленных зданий и сооружений. Вопросы динамики гидросооружений, транспортных сооружений (мостов, виадуков и т. д.) не рассматриваются. Не освещены и некоторые весьма важные стороны динамического расчета, относящиеся к учету специальных видов динамических воздействий. К ним относятся в первую очередь расчеты на сейсмические воздействия, такой сравнительно новый вопрос, как расчет сооружений на действие взрывов при взрывоопасных производствах, а также вопросы динамики, имеющие отношение к проблемам противовоздушной обороны.

В справочник не вошел ряд разделов общего характера, необходимых в равной мере как для проведения динамических расчетов, так и расчетов статических, в частности, раздел «математика» и таблицы математических величин; в нем нет раздела «теоретическая механика», несмотря на то, что знание теоретической механики и особенно такого ее раздела как теория малых линейных колебаний являются совершенно необходимыми для читателей. Справочник не включает также вводных разделов динамики сооружений, которые имеются практически во всех начальных курсах этой дисциплины.

Б. Г. Коренев, И. М. Рабинович

РАЗДЕЛ  1

ОЦЕНКА ДОПУСТИМОГО УРОВНЯ КОЛЕБАНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

(A. М. Сизов)

1.1. Общие положения

Допустимый уровень колебаний конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям, определяется: а) физиологическим воздействием колебаний на людей; б) несущей способностью конструкции (прочностью и выносливостью); в)  влиянием колебаний на производственный процесс.

Нормирование уровня колебаний представляет сложную проблему. Наиболее полные и обоснованные данные о допустимом уровне колебаний определяются условиями обеспечения несущей способности сооружений. Они могут быть получены в результате динамического расчета конструкций. Менее обоснованными являются данные, определяемые санитарно-гигиеническим характером воздействия колебаний на людей. Наиболее сложно общее обоснование допустимого уровня колебаний в зависимости от условий производства, определяемых точностью обработки изделий, влиянием колебаний на работу контрольно-измерительной  аппаратуры,  на  технологический  процесс и  т.  п.

Критерии допустимости колебаний по несущей способности конструкций и производственным условиям приводятся в разделе 4.

В настоящем разделе основное внимание уделено описанию экспериментальных данных о физиологическом воздействии колебаний на людей, санитарно-гигиеническим нормам вибраций и данным о предельно допустимых динамических прогибах.

Допустимый уровень колебаний строительных конструкций, обусловленный физиологическим воздействием, определяется характером действия колебаний на людей. Превышение некоторого уровня колебаний может оказаться неприятным, вызвать повышенное утомление, снизить производительность труда и даже вызвать вибрационную, болезнь.

Различают два способа воздействия колебаний на человека: 1) непосредственное — при колебаниях всего тела или отдельных его частей и 2) косвенное (визуальное) — при колебании отдельных предметов, находящихся в поле зрения.

Возможны три случая непосредственного действия колебаний на человека. При этом колебания называются: а) общими — когда человек находится на колеблющемся основании (на колеблющемся перекрытии, на площадке, на полу, в вагоне движущегося поезда, автомобиле, на эскалаторе и т. п.) и колебания передаются через опорную поверхность всему телу; б) местными — при действии колебаний на отдельные части тела (при работе с виброинструментом, переносными вибраторами, касании колеблющихся элементов машин и т. п.); в) объемными — когда человек находится в вибрирующей (пульсирующей) среде (воздушной, водной) и колебания передаются от среды всей поверхности тела.

При косвенном (визуальном) воздействии колебания оказывают на человека психологическое действие. Например, заметные на глаз колебания связей между фермами покрытия, коробов вентиляции, проводки электроосвещения, светильников, транспарантов и тому подобных предметов, подвешенных к различным конструкциям, воспринимаются обычно неприятно, хотя и действуют только зрительно.

В настоящее время отсутствуют экспериментальные данные о предельных значениях параметров колебаний при косвенном их воздействии. Однако для того, чтобы ограничить колебания предметов, подвешенных к колеблющимся конструкциям (фермам покрытий, перекрытиям), необходимо ограничивать колебания опорных строительных конструкций предельно допустимым динамическим прогибом.

1.2. Допустимый уровень колебаний,

определяемый характером физиологического воздействия

Впервые у нас в стране данные о характере восприятия человеком гармонических колебаний (табл. 1.1) были введены в строительные нормы проектирования в 1954 г. Е. С. Сорокиным. Качественная оценка восприятия колебаний, приведенная в инструкции [4], позволила проектировать промышленные сооружения с безопасным для здоровья люден уровнем колебаний. При этом практика проектирования показала, что, как правило, назначались разумные границы допускаемых колебаний («хорошо ощутимые» при .продолжительном действии колебаний и «сильно ощутимые» при кратковременных воздействиях), которые в основном получили подтверждение в Санитарных нормах 1959 г. № 280-59 [2]*.

Качественные оценки характера воздействия колебаний на люден (табл. 1.1) не утратили своего значения до настоящего времени, поскольку официальные нормативные документы о допустимом уровне колебаний с количественными характеристиками имеются только для промышленных сооружений при действии колебаний на людей в тяжелых производственных условиях.

При расчете строительных конструкций по методике предельных состояний требованием обеспечения необходимых санитарно-гигиенических условий труда определяется второе предельное состояние колеблющейся конструкции (при отсутствии требований, ограничивающих колебания по производственным и технологическим условиям). Как известно, второе предельное состояние характеризуется такими упругими деформациями или перемещениями, при которых конструкция, не достигшая предела несущей способности (первого предельного состояния), перестает отвечать своему назначению и ее эксплуатация должна быть прекращена.

Обозначая амплитуду колебаний строительной конструкции, на которой находятся люди, через г0, а допускаемую по санитарно-гигиеническим условиям труда амплитуду колебаний через [а0], получаем условие, обеспечивающее безопасное для здоровья пребывание людей на колеблющейся конструкции.

Если условие (1.1) не соблюдается, необходимо принять меры по уменьшению колебаний конструкции или исключить возможность пребывания на ней людей. Многочисленные обследования колебаний эксплуатируемых зданий и сооружений, а также расчеты строительных конструкций на прочность показали, что в большинстве случаев требования уменьшения колебаний конструкций, на которых находятся люди, определяются характером физиологического воздействия колебаний, т. е. нарушением условия (1.1), а не влиянием колебаний на прочность.

Обеспечить безопасный для человека уровень колебаний часто бывает труднее, чем создать конструкцию необходимой прочности, рассчитанную на действие динамических нагрузок. Объясняется это тем, что человек чрезвычайно чувствителен к механическим колебаниям. Он способен ощущать весьма малые колебания с амплитудой порядка 0,001—0,0001 мм. При этом чем больше частота, тем меньше величины амплитуд ощутимых колебаний. При частоте 100 кол/мин человек почти не ощущает колебаний с амплитудой 0,1 мм, а при частоте 3000 кол/мин он ощущает колебания с амплитудой 0,001 мм.

Обеспечению необходимых санитарно-гигиенических условий труда в производственных помещениях уделяется большое внимание. Достаточно назвать выпуск санитарных норм [2, 10, 11], инструкций и норм проектирования зданий и сооружений, подвергающихся действию динамических нагрузок [4—8].

1.3. Экспериментальные данные о физиологическом воздействии колебаний и их нормирование

Известные экспериментальные данные о влиянии колебаний на людей относятся к колебаниям со сравнительно низким частотным диапазоном — от 1 до 100 гц. Это объясняется тем, что частоты изменения динамических нагрузок от применяемого промышленного оборудования находятся в этом частотном диапазоне.

Здесь приводятся данные о восприятии людьми общих колебаний и их оценке, поскольку как при проектировании новых, так и при уменьшении колебаний эксплуатируемых промышленных зданий и сооружений инженера интересует только общее воздействие колебаний на человека, передающееся всему телу через опорные поверхности.

Изучением влияния колебаний на людей занимались многие исследователи [1, 3, 12, 13]. Однако это влияние еще не изучено полностью и требуются дальнейшие исследования, особенно по изучению физиологического действия полигармонических, негармонических, импульсивных, случайных и других сложных динамических воздействий, а также установлению допускаемых колебаний для различных условий труда и деятельности человека (производственных, жилищно-бытовых и т. п.). Экспериментальные данные позволяют в ряде случаев определить качественный характер восприятия колебаний человеком, а также установить безопасные для здоровья границы колебаний.

Характер восприятия колебаний обычно определяется несколькими категориями чувствительности, а именно: неощутимые колебания, слабо ощутимые, хорошо ощутимые, сильно ощутимые, вредные при длительном воздействии (неприятные), безусловно вредные даже при кратковременном действии.

На рис. 1.1 приведены графики из работы [12], полученные различными исследователями, на которых показаны низшие границы слабо ощутимых и неприятных (вредных) колебаний. Чувствительность людей к колебаниям изменяется в довольно широких пределах, и поэтому результаты различных исследователей несколько отличаются друг от друга. В качестве критериев оценки действия колебаний на людей исследователями предлагаются различные характеристики колебаний: перемещения, скорости, ускорения, скорости изменения ускорения и некоторых других параметров. При этом используются как пиковые (амплитудные), так и среднеарифметические и среднеквадратичные значения этих характеристик.