26 окт. 2015 г.

Cравнительный анализ виброизоляционных материалов Sylomer и Nowelle для многоэтажного строительства


Nowelle против Sylomer в фундаменте ЖК Мельковский Екатеринбург
Сегодня мы знакомим вас со статьей группы авторов, работающих на Кафедре 
Систем автоматизированного проектирования объектов строительства Строительного института Уральского федерального университета им. Б.Н. Ельцина, В статье, опубликованной в журнале International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, сравниваются импортный пенополиуретановый материал Sylomer и отечественным эластомерным виброзащитным материалом Nowelle, которые конкурировали для применения в фундаментах зданий жилого комплекса "Мельковский", возводимого группой компаний КиТиМ в Екатеринбурге. Важной особенностью данного проекта было то, что здания планировалось разместить непосредственно на тоннелями екатеринбургского метро.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ
СОВРЕМЕННЫХ ВИБРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ МНОГОЭТАЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
В.Н. Алехин, А.А. Антипин, С.Н. Городилов, Л.Г. Пастухова
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина,
г. Екатеринбург, РОССИЯ

АННОТАЦИЯ: Авторами проведено численное исследование вибрационного воздействия на проектируемый 11 этажный жилой дом с нежилыми помещениями на 1-м этаже и подземной автостоянкой в г. Екатеринбурге, размещенного непосредственно над тоннелями линии действующего метрополитена, с целью сравнения изолирующей способности различных вибродемпфирующих материалов на примере эластомерного материала Nowelle™ mod 1.10 общего назначения (Россия) и полиуретановых виброизоляционных матов Sylomer AG5004 фирмы «Getzner» (Австрия).
Ключевые слова: численный анализ, виброизоляция, многоэтажное строительство,
ПК ЛИРА.

ISOLATING MATERIAL FOR MODERN MULTI-STOREY
BUILDING
Vladimir N. Alekhin, Alexey A. Antipin, Sergey N. Gorodiliv, Lilia G. Pastukhova
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Ekaterinburg, RUSSIA
ABSTRACT: The authors carried out digital study of vibration effects on the designed 11-storey residential building with residential spaces on the 1st floor and an underground car park in Ekaterinburg , placed directly over the existing subway line tunnels , in order to compare the ability of different vibration-damping insulating materials – elastomeric material Nowelle ™, mod 1.10 for general purpose (Russia) and polyurethane vibration control mats Sylomer AG5004 company «Getzner» (Austria).

Key words: digital analysis, vibration isolating, multi-storey building, PK LIRA.

Авторами проведено численное исследование в ПК ЛИРА вибрационного воздействия на проектируемый 11 этажный жилой дом с нежилыми помещениями на 1-м этаже и подземной автостоянкой в г. Екатеринбурге. Площадь застройки 1453,3 кв.м. Глубина заложения туннелей на участке планируемого строительства 30 м. Участок под проектируемое строительство выделен непосредственно над тоннелями линии метрополитена, практически посередине прогона между станциями. В качестве исходных данных использованы результаты экспериментального исследования уровней виброускорения на поверхности грунта на территории проектируемой застройки, выполненные аккредитованной организацией [3].
Экспериментально установлено, что движение поездов создает повышенные уровни вибрации в трех направлениях – горизонтальных X и Y (Х совпадает с осью тоннеля метро, а Y – с направлением, поперечным оси метро) и вертикальном Z – в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5 (70...92 дБ) и 63 Гц (73...96 дБ). В октавных полосах со среднегеометрическим частотами 2, 4, 8 и 16 Гц уровень вибрации от прохождения поездов метро не превышает фоновых значений. Таким образом, общая вибрация носит высокочастотный характер. Уровни виброускорения, создаваемые поездами метрополитена на территории
проектируемой застройки жилого дома, на 6...15 дБ превышают значения, допустимые для жилых помещений. Известно, что при распространении вибраций с грунта на конструкции здания их величина может изменяться – уменьшаться в конструкциях фундамента и увеличиваться в плитах перекрытий и стенах, что может вызывать повышенные уровни вибрации и шум в помещениях проектируемой застройки [4, 5].
Метод виброизоляции (снижение ее на пути распространения) заключается в использовании слоя упругого (виброизолирующего) материала под фундаментной плитой, а также между вертикальными конструкциями подземной части здания и грунтом.
С целью выбора материала виброизоляции проведен сравнительный численный анализ ожидаемых уровней виброускорений на перекрытиях этажей, на которых располагаются жилые и встроенные нежилые помещения для двух вариантов виброизоляционного слоя:
  1. полиуретановых виброизоляционных матов Sylomer AG5004 фирмы «Getzner» (Австрия);
  2. эластомерного материала Nowelle™ mod 1.10 общего назначения (Россия).

Для численного анализа была использована расчетная пространственная модель здания, построенная в ПК ЛИРА-САПР (рис. 1). В модель, нагруженную статической нагрузкой, были введены пластинчатые конечные элементы с характеристиками виброизолирующего материала, располагающиеся в основании (рис. 2).
Построено дополнительное нагружение от воздействия вибрации на конструкции здания, при котором спектры динамических воздействий прикладывались к одноузловым конечным элементам упругих связей и передавались в узлы конечных элементов, моделирующих виброизолирующий материал.
С целью достижения правдоподобности прогнозируемых результатов численную модель следовало максимально возможно приблизить к реальным условиям работы конструкций при прохождении электропоездов по тоннелям метрополитена.
Представляло интерес учесть два обстоятельства:
  • пространственную неравномерность распределения воздействия вибрации на фундаментную плиту,
  • нестационарность этого процесса.
Для учета распределения уровней вибрации по площади фундаментной плиты использованы экспериментальные данные исследования уровней виброускорений, выполненные аккредитованной организацией [3].
Замеры были получены для 8-ми точек (№0…№7), по-разному сориентированных относительно оси стволов метрополитена (рис. 3).
Для учета нестационарности – нарастания и затухания уровней вибрации – выполнена цифровая обработка экспериментальных замеров. В нашем распоряжении были данные о динамике уровней виброускорений в период прохождения поездов в обоих направлениях по тоннелям метро.
Результатом обработки экспериментальных замеров зависимости уровней вибрации грунта от времени La(t) (табл.1) являются акселерограммы a(t) – зависимости виброускорений от времени в период проходов электропоездов по тоннелям метрополитена (табл. 2).
В качестве расчетного интервала времени интегрирования выбран интервал прохождения электропоезда t = 20 с.
Сравнительный численный анализ современных виброизоляционных материалов для многоэтажного
строительства

Рис. 1. Конечно-элементная модель в ПК ЛИРА:
а) пространственная конечно-элементная модель; 




б) поперечный разрез.


Рис. 2. Пластинчатые конечные элементы с характеристиками виброизолирующего
материала.


Рис. 3. Зонирование вибрационных нагружений.

ЖК Мельковский план Nowelle vs Sylomer


Таблица 1. Динамика уровней вибрации при прохождении электропоездов
(пример данных для точки №1, частоты 63 Гц, в вертикальном направлении - по оси Z)

Время, t, с 
Уровни вибрации, Lа, дБ
Среднеквадратические значения (СКЗ) виброускорения,
a, м/с²
Максимальные значения виброускорения,
amax, м/с²
 132
 62,12
 0,0013
 0,00181
 136
 67,42
 0,0024
 0,00332
 141
 81,82
 0,0123
 0,01743
 145
 84,09
 0,0160
 0,02265
 150
 71,97
 0,0040
 0,00561

Переход от уровней виброускорения к среднеквадратическим значениям виброускорения производился по известной зависимости [1]:
(1)

где a – среднеквадратическое значение (СКЗ) амплитуды виброускорения, м/с²10-6 - опорное значение виброускорения, м/с².
Согласно ГОСТ [2] интервал времени осреднения амплитуд виброускорения составляет не менее 1 с, тогда как расчетный временной шаг Δt принят равным полупериоду максимальной анализируемой частоты

Сравнительный численный анализ современных виброизоляционных материалов для многоэтажного
строительства

Таблица 2
Акселерограмма для экспорта в ПК ЛИРА
(пример данных для точки №1, частоты 63 Гц, в вертикальном направлении - по оси Z)

 Ряды данных
 Время, t, с
Максимальные значения
виброускорения, amax, м/с²
 1
 0
 0,001805
 2
 0,015873
 -0,001815
 3
 0,031746
 0,001805
 4
 0,047619
 -0,001815
 ...


 1420
 14,23954
 0,022646
 1421
 14,25542
 -0,022646
 1422
 14,27129
 0,022646
 1423
 14,28716
 -0,022646
 ...


 1996
 19,94372
 -0,005610
 1997
 19,95960
 0,005610
 1998
 19,97547
 -0,005610
 1999
 19,99134
 0,005610
 2000
 20,00722
 -0,005610



, (2)

где fmax – частота 63 Гц.
Тогда Δt = 1/(2*63)= 1/126 = 0,0079  0,01 с.
Для синусоидальных вибраций с постоянными амплитудами среднеквадратическое значение (СКЗ) амплитуды равны самой амплитуде.
Очевидно, что вибрации от поездов метрополитена, передающиеся через грунт, носят сложный несинусоидальный полигармонический характер со сложным спектром и с возможными "внутри секундными пиками", для которых не существует простых соотношений между параметрами вибрации. Для учета этого
обстоятельства при переводе среднеквадратических значений (СКЗ) амплитуд виброускорения в значения
мгновенных амплитуд принято, в соответствии с [2], что отношение пиковых значений к средним квадратическим составляет

(3)
где k – пик-фактор, принятый в расчете равным = 1,41.
В результате реализации численного эксперимента на пространственной конечно-элементной модели получены изменения значения виброускорений во времени с шагом Δt = 0,01 с при почастотном нагружении в нормируемом диапазоне со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16, 31,5 и 63 Гц. Контрольные точки для сравнительного анализа выбраны в узлах модели, расположенных на перекрытиях в центре помещений с наибольшим удалением от стен, как наиболее неблагоприятные для возникновения вертикальных вибраций (рис. 4).
Сравнительный анализ результатов пиковых максимумов уровней вибоускорений на перекрытиях этажей для двух вариантов вибродемпфирующих слоев приведено в табл. 3.

Рис. 4. Результаты численного эксперимента.


Таблица 3. Пиковые максимумы ожидаемых уровней вибрации на перекрытиях этажей, дБ

 Этаж 
 Направление
 Sylomer (Австрия)
 Nowelle (Россия)
 Разница уровней вибрации
Sylomer и Nowelle
 Покрытие
X
Y
Z
91
94
90
92
94
90
-1
0
0
 12 этаж технический
X
Y
Z
87
94
91
89
93
89
-2
1
2
 11 этаж 
X
Y
Z
89
92
90
90
93
90
-1
-1
0
10 этаж 
X
Y
Z
89
90
89
89
93
89
0
-3
0
этаж 
X
Y
Z
89
96
89
88
96
92
1
0
-3
этаж 
X
Y
Z
90
94
91
88
97
91
2
-3
0
этаж 
X
Y
Z
94
97
93
90
99
91
4
-2
2
этаж 
X
Y
Z 
88
99
91
89
97
92
-1
2
-1
этаж 
X
Y
Z
94
90
87
94
90
89
0
0
-2
этаж 
X
Y
Z
94
91
89 
93
89
90
1
2
-1
этаж 
X
Y
Z
92
90
90
93
90
89
-1
0
0
этаж 
X
Y
Z
90
89
89
94
89
88
-4
0
1
этаж 
X
Y
Z
95
89
90
95
92
88
0
-3
2

Рис. 5. Процесс укладки виброизоляционного слоя на бетонную подготовку под фундаментную плиту.
Nowelle виброизоляция фундамента ЖК Мельковский от метрополителна

В результате сравнительного численного анализа установлено:
1. Абсолютные мгновенные пики уровней виброускорений лежат в пределах:
  • для полиуретановых виброизоляционных матов Sylomer AG5004 фирмы «Getzner» (Австрия) – 85...99 дБ;
  • для эластомерного материала Nowelle™ mod 1.10 общего назначения (Россия) – 88...98 дБ.
2. Виброизоляционный материал отечественного производства не уступает импортному по эффективности в 61%
случаев:
  • виброизоляционные маты Sylomer AG5004 фирмы «Getzner» (Австрия) – оказались эффективнее на 1..3 дБ в 15 случаях из 39 (38%);
  • эластомерный материал Nowelle™ mod 1.10 общего назначения (Россия) оказался на 1..4 дБ эффективнее виброизоляционных матов Sylomer AG5004 фирмы «Getzner» (Австрия) в 11 случаях из 39 (28%);
  • оба материала виброизоляции показали одинаковые результаты в 13случаях из 39 (33%).
3. Применение в проекте жилого дома виброизоляционного слоя из эластомерного материала Nowelle™ mod 1.10 общего назначения (Россия) (рис. 5) по сравнению с матами Sylomer AG5004 фирмы «Getzner» (Австрия) позволил сократить затраты на поставку и монтаж в 2,1 раза (в ценах марта 2015 года).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  1. СН 2.2.4/2.1.8.566-96. Санитарные нормы. Производственная вибрация, вибрация в помещения жилых и общественных зданий.
  2. ГОСТ 31191.1-2004 (ИСО 2631-1:1997). Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека. Общие требования.
  3. Отчет 04/13-021 об измерениях вибрации метрополитена на территории застройки жилого комплекса по адресу: г. Екатеринбург, ул. Челюскинцев, 82. Научно-технический отчет. ООО «ЛАИСФ», 2013 г.
  4. Справочник по защите от шума и вибрации жилых и общественных зданий. Под.ред. Заборова В.
  5. Иванов Н.И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом. – М.: Университетская книга, Логос, 2008.

Несколько слов об авторах исследования.
  • Алехин Владимир Николаевич, советник РААСН, профессор, кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Системы автоматизированного проектирования объектов строительства» Строительного института УрФУ
  • Антипин Алексей Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы автоматизированного проектирования объектов строительства» Строительного института УрФУ
  • Городилов Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы автоматизированного проектирования объектов строительства» Строительного института УрФУ
  • Пастухова Лилия Германовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидравлика» Строительного института УрФУ