ODPOWEDŹ DYNAMICZNA BUDYNKU MIESZKALNEGO PO TERMOMODERNIZACJI NA WSTRZĄSY POCHODZENIA GÓRNICZEGO

Transkrypt

1 CZASOPISMO INŻYNIERII LĄDOWEJ, ŚRODOWISKA I ARCHITEKTURY JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING, ENVIRONMENT AND ARCHITECTURE JCEEA, t. XXXIV, z. 64 (2/I/17), kweceń-czerwec 217, s , DOI:1.7862/rb Krystyna KUŹNIAR 1 Macej ZAJĄC 2 ODPOWEDŹ DYNAMICZNA BUDYNKU MIESZKALNEGO PO TERMOMODERNIZACJI NA WSTRZĄSY POCHODZENIA GÓRNICZEGO 1. Wprowadzene Budynk prefabrykowane, wznesone w drugej połowe dwudzestego weku, nadal stanową lczną grupę wśród budynków meszkalnych w Polsce. W ostatnch latach, w wynku nowych wymagań dotyczących ochrony środowska oraz właścwośc ceplnych budynków, obekty te są modernzowane. Wprowadzane zmany dotyczą główne zolacyjnośc ceplnej ścan zewnętrznych. W typowych technologach zwększenu ulega grubość ścany poprzez wprowadzene dodatkowych warstw styropanu, wełny mneralnej, zbrojonej zaprawy, satk z włókna szklanego. Termomodernzacja budynku skutkuje zatem zwększenem jego masy może zmenć sztywność konstrukcj. W nnejszej pracy analzowano wpływ wykonanej termomodernzacj prefabrykowanego, wysokego budynku meszkalnego zlokalzowanego w obszarze jednego z najbardzej aktywnych sejsmczne regonów górnczych w Polsce Legncko-Głogowskego Okręgu Medzowego, na jego odpowedź dynamczną na dzałane wstrząsów górnczych. W oblczenach wykorzystano metodę elementów skończonych. Rozważano użyce do modelowana ścan przed po termomodernzacj modelu welowarstwowego oraz prostego modelu jednowarstwowego o zastępczych, uśrednonych parametrach. Otrzymane wynk oblczeń wskazują, że termomodernzacja rozważanego budynku praktyczne ne zmena wartośc częstotlwośc drgań własnych tej konstrukcj odpowedz na wymuszene parasejsmczne w postac wstrząsów górnczych. Słowa kluczowe: budynek prefabrykowany, model numeryczny, wstrząsy górncze, drgana budynku, zolacja ceplna budynku, termomodernzacja Budynk prefabrykowane, wznesone w drugej połowe dwudzestego weku, nadal stanową bardzo lczną klasę budynków meszkalnych w Polsce. W ostatnch latach, w wynku nowych wymagań (przepsów) dotyczących ochrony środowska oraz właścwośc ceplnych budynków, obekty te są mo- 1 Autor do korespondencj: Krystyna Kuźnar, Unwersytet Pedagogczny w Krakowe, Instytut Technk, ul. Podchorążych 2, 3-84 Kraków, tel ; kkuznar@up.krakow.pl 2 Macej Zając, Unwersytet Pedagogczny w Krakowe, Instytut Technk, ul. Podchorążych 2, 3-84 Kraków, tel ; mjzajac@up.krakow.pl

2 218 K. Kuźnar, M. Zając dernzowane. Wprowadzane zmany dotyczą główne zolacyjnośc ceplnej ścan zewnętrznych. W typowych technologach zwększenu ulega grubość ścany poprzez wprowadzene dodatkowych warstw styropanu, wełny mneralnej, zbrojonej zaprawy, satk z włókna szklanego. Termomodernzacja budynku skutkuje zatem zwększenem jego masy może zmenć sztywność konstrukcj. W nnejszej pracy analzowano wpływ wykonanej termomodernzacj prefabrykowanego, wysokego budynku meszkalnego zlokalzowanego w obszarze jednego z najbardzej aktywnych sejsmczne regonów górnczych w Polsce Legncko-Głogowskego Okręgu Medzowego (LGOM), na jego odpowedź dynamczną na dzałane wstrząsów górnczych. W oblczenach wykorzystano metodę elementów skończonych. Rozważano użyce do modelowana ścan przed po termomodernzacj modelu welowarstwowego oraz prostego modelu jednowarstwowego o zastępczych, uśrednonych parametrach. 2. Analzowany budynek Analzowany budynek jest typowym w LGOM, wysokm (12-kondygnacyjnym), prefabrykowanym (welkopłytowym) budynkem meszkalnym. Składa sę z dwóch oddylatowanych częśc: jedno- dwuklatkowej. Obe częśc są podpwnczone, posadowone na ławach fundamentowych. Obekt wznesono w poprzeczno-podłużnym układze ścan nośnych. Wysokość kondygnacj wynos 2,7m. Z uwag na oddzaływana w postac wstrząsów górnczych, konstrukcja budynku została wzmocnona poprzez wprowadzene dodatkowych przęseł wykonanych w technolog betonu monoltycznego, przylegających do ścan szczytowych oraz wzmocnena ścan wewnętrznych w skrajnych segmentach. Wzmocnene sęga do pozomu 7 1 kondygnacj odpowedno w częśc jednoklatkowej dwuklatkowej. Dobudowane częśc posadowone są na fundamentach płytowych. Na rys. 1 pokazano wdok rozważanego budynku, a na rys. 2 schematyczne przedstawono rzuty pozome segmentów budynku: segmentu typowego wzmocnonego. Każda z prefabrykowanych ścan zewnętrznych składa sę z trzech warstw: nośnej, zolacj termcznej warstwy elewacyjnej. W ramach termomodernzacj budynku, wprowadzono kolejne warstwy, które złożone są z warstw styropanu, satk z włókna szklanego, zaprawy klejowo szpachlowej. Układ warstw w ścane prefabrykowanej przed doceplenem oraz po dołożenu warstw zolacj ceplnej pokazano na rys. 3, a w tabel 1 podano grubośc parametry materałowe poszczególnych warstw.

3 Odpowedź dynamczna budynku meszkalnego po termomodernzacj Rys.1. Wdok analzowanego budynku Fg. 1. Analysed buldng vew a) b) Rys. 2. Segmenty budynku: a) typowy; b) po wzmocnenu Fg. 2. Buldng segments: a) typcal; b) after renforcement Rys. 3. Ścana budynku: 1-3 warstwy ścany prefabrykowanej, 4-8 warstwy zolacj ceplnej Fg. 3. Buldng s wall: 1-3 layers of prefabrcated wall, 4-8 thermal nsulaton layers

4 22 K. Kuźnar, M. Zając Tabela 1. Parametry materałowe warstw, na podstawe [1, 2, 3] Table 1. Materal parameters of layers, based on [1, 2, 3] Nr warstwy Materał Grubość [cm] E [GPa] ν [-] 1 żelbet 12 2,2 2 styropan 4,3,7 3 beton fakturowy 5 2,2 4 zaprawa klejowo -szpachlowa 1 2,2 5 styropan 1,3,7 6 zaprawa klejowo - szpachlowa,2 2,2 7 satka z włókna szklanego,1 66,23 8 zaprawa klejowo - szpachlowa,2 2,2 3. Model numeryczny Model numeryczny budynku (rys. 4) wykonano w programe Ansys z wykorzystanem 4-węzłowych elementów skończonych typu SHELL o 6 stopnach swobody [4]. Wpływ złączy w ścanach prefabrykowanych na sztywność konstrukcj uwzględnono poprzez redukcję modułu sprężystośc elementów konstrukcyjnych. W oblczenach uwzględnono podatność podłoża oraz przyjęto lnowo-sprężyste modele materałowe. Welowarstwowość ścan zewnętrznych przed po termomodernzacj modelowano na dwa sposoby z użycem modelu A modelu B ścany. W modelu A wykorzystano element welowarstwowy SHELL181 [4], umożlwający uwzględnene w oblczenach parametrów każdej warstwy z osobna (model dokładny). Natomast model B jest prostym modelem jednowarstwowym o zastępczych, uśrednonych parametrach module Younga (E eqv) współczynnku Possona (ν), wylczanych odpowedno według wzorów (1) (2): E d E eqv = (1) d ν d ν eqv = (2) d gdze: E eqv, ν eqv odpowedno zastępczy moduł Younga współczynnk Possona dla całego modelu, E, ν moduł Younga współczynnk Possona poszczególnych, kolejnych warstw, d grubość danej warstwy.

5 Odpowedź dynamczna budynku meszkalnego po termomodernzacj Rys. 4. Model MES analzowanego budynku Fg. 4. FE model of the analysed buldng 4. Analzowane wymuszena drgań od wstrząsów górnczych Źródłem zarejestrowanych wymuszeń knematycznych (na fundamence) drgań rozważanego budynku były wstrząsy pochodzena górnczego, które wystąpły w LGOM. Do analzy wzęto dwa wstrząsy wysokoenegetyczne o energach rzędu 1 8 J. Odległość epcentralna perwszego z nch wynosła ponad 2,5km, a drugego ok. 7m. Uwagę skupono na składowych przebegów przyśpeszeń drgań w dwóch kerunkach drgań pozomych: x y, równoległych odpowedno do os poprzecznej podłużnej budynku. Na rys. 5 pokazano przebeg wypadkowych pozomych przyśpeszeń drgań wymuszena 1 wymuszena 2, a na rys. 6 odpowedne przyśpeszenowe spektra odpowedz od drgań składowych. Wdać, że w wymuszenu 1 domnują stosunkowo nske częstotlwośc, natomast w wymuszenu 2 zauważyć można dwa pasma domnujących częstotlwośc. Wypadkowa a [m/s 2 ],6,3 wymuszene 1 wymuszene 2 2,9 5,8 Rys. 5. Przebeg wypadkowych pozomych przyśpeszeń drgań wymuszena Fg. 5. Records of resultant acceleraton of horzontal vbratons exctatons

6 222 K. Kuźnar, M. Zając a) b) S a [m/s 2 ],6,4,2 kerunek poprzeczny (x) kerunek podłużny (y) S a [m/s 2 ] kerunek poprzeczny (x) kerunek podłużny (y) f [Hz] f [Hz] Rys. 6. Przyśpeszenowe spektra odpowedz Sa: a) wymuszene 1, b) wymuszene 2 Fg. 6. Acceleraton response spectra Sa: a) exctaton 1, b) exctaton 2 5. Wynk oblczeń W tabel 2 porównano oblczone wyznaczone dośwadczalne częstotlwośc pozomych drgań własnych budynku przed po termomodernzacj. Z kole na rys. 7 rys. 1 porównano wybrane przebeg przyśpeszeń pozomych drgań składowych (ker. x, ker. y) budynku przed po termomodernzacj, wyznaczone z użycem modelu A oraz modelu B. Mmo zwększena masy obektu na skutek wprowadzena dodatkowych warstw termomodernzacyjnych, wartośc częstotlwośc drgań własnych budynku jego odpowedz dynamczne na oddzaływana parasesmczne (wstrząsy górncze) praktyczne ne różną sę od tych wyznaczonych dla budynku przed termomodernzacją. Pewnym wyjaśnenem tego efektu może być fakt, że dokładane w procese termomodernzacj budynku elementy nekonstrukcyjne poza tym, że stanową balast dla konstrukcj, mogą też stotne wpływać na zwększene sztywnośc obektów dalej na ch charakterystyk dynamczne [7, 8]. Tabela 2. Porównane oblczonych wyznaczonych dośwadczalne częstotlwośc pozomych drgań własnych budynku przed po termomodernzacj Table 2. Comparson of the computed and expermental values of natural frequences of horzontal vbratons of the buldng before and after thermo-modernzaton Częstotlwość pozomych drgań własnych budynku f [Hz] Przed termomodernzacją Po termomodernzacj Kerunek drgań Z pomarów Oblczone Oblczone Z pomarów [5, 6] model A model B model A model B Poprzeczny (x) 1,56 1,71 1,8 1,82 1,5 1,64 1,8 1,82 Podłużny (y) 2,6 2,28 2,49 2,52 2,8 2,27 2,49 2,53 Różnce w wartoścach częstotlwośc drgań własnych rozważanego budynku oblczonych z użycem modelu welowarstwowego A jednowarstwowego

7 Odpowedź dynamczna budynku meszkalnego po termomodernzacj modelu B (tabela 2), zarówno w przypadku budynku przed termomodernzacją, jak po zwększenu zolacyjnośc ceplnej ścan zewnętrznych, są neznaczne.,8 przed termomodernzacją po termomodernzacj a x [m/s 2 ],2 -,4 -,1 2,9 5,8 Rys. 7. Porównane przebegów przyśpeszeń pozomych drgań budynku w kerunku poprzecznym (x) przed po termomodernzacj wymuszene 1, model A Fg. 7. Comparson of records of horzontal acceleratons of buldng vbratons n transverse drecton (x) before and after thermo-modernzaton exctaton 1, model A,16 przed termomodernzacją po termomodernzacj a y [m/s 2 ],8 -,8 -,16 2,9 5,8 Rys. 8. Porównane przebegów przyśpeszeń pozomych drgań budynku w kerunku podłużnym (y) przed po termomodernzacj wymuszene 1, model A Fg. 8. Comparson of records of horzontal acceleratons of buldng vbratons n longtudnal drecton (y) before and after thermo-modernzaton exctaton 1, model A,8 przed termomodernzacją po termomodernzacj a x [m/s 2 ],2 -,4 2,9 5,8 -,1 Rys. 9. Porównane przebegów przyśpeszeń pozomych drgań budynku w kerunku poprzecznym (x) przed po termomodernzacj wymuszene 1, model B Fg. 9. Comparson of records of horzontal acceleratons of buldng vbratons n transverse drecton (x) before and after thermo-modernzaton exctaton 1, model B

8 224 K. Kuźnar, M. Zając,16 przed termomodernzacją po termomodernzacj a y [m/s 2 ],8 -,8 -,16 2,9 5,8 Rys. 1. Porównane przebegów przyśpeszeń pozomych drgań budynku w kerunku podłużnym (y) przed po termomodernzacj wymuszene 1, model B Fg. 1. Comparson of records of horzontal acceleratons of buldng vbratons n longtudnal drecton (y) before and after thermo-modernzaton exctaton 1, model B a x [m/s 2 ] 1,5 -,5-1 model A model B 1,8 3,6 Rys. 11. Porównane przebegów przyspeszeń pozomych drgań budynku w kerunku poprzecznym (x) wyznaczonych z użycem model A B budynku przed termomodernzacją, wymuszene 2 Fg. 11. Comparson of records of horzontal acceleratons of vbratons n transverse drecton (x) determned usng A and B models of the buldng before thermo-modernzaton, exctaton 2,5 model A model B a y [m/s 2 ] 1,8 3,6 -,5 Rys. 12. Porównane przebegów przyspeszeń pozomych drgań budynku w kerunku podłużnym (y) wyznaczonych z użycem model A B budynku po termomodernzacj, wymuszene 2 Fg. 12. Comparson of records of horzontal acceleratons of vbratons n longtudnal drecton (y) determned usng A and B models of the buldng after thermo-modernzaton, exctaton 2

9 Odpowedź dynamczna budynku meszkalnego po termomodernzacj Równeż za pomjalne małe w praktyce można uznać różnce w wyznaczonych numeryczne z wykorzystanem model A B odpowedzach budynku przed po termomodernzacj na wymuszena generowane wstrząsam górnczym, co przykładowo lustrują rys. 11 rys Uwag końcowe Otrzymane wynk oblczeń wskazują, że termomodernzacja rozważanego prefabrykowanego, wysokego budynku meszkalnego praktyczne ne zmena wartośc częstotlwośc pozomych drgań własnych tej konstrukcj oraz jej odpowedz dynamcznej na wymuszene parasejsmczne w postac wstrząsów górnczych. Stwerdzono ponadto, że zastosowane w oblczenach bardzo prostego modelu ścany o zastępczych parametrach (moduł Younga ułamek Possona) prowadz do wynków bardzo blskch uzyskanym z użycem modelu welowarstwowego, a pozwala na redukcję wysłku numerycznego. Zatem tak prosty model można byłoby rekomendować do oblczeń dotyczących tak dużych konstrukcj, o bardzo dużej lczbe stopn swobody, jakm są prefabrykowane budynk meszkalne. Oblczena do pracy wykonano z wykorzystanem Infrastruktury PLGrd. Lteratura [1] Dzerżewcz Z., Starosolsk W.: Systemy budownctwa welkopłytowego w Polsce w latach , Wolters Kluwer Polska, Warszawa 21. [2] Bathurst R. J., Zarnan S., Gasknszósty A.: Shakng table testng of geofoam sesmc buffers, Sol Dynamcs and Earthquake Engneerng, Elsever, 27(4), 27, s [3] Hartman D., Greenwood M. E., Mller D. M.: Hgh Strength Glass Fbres, AGY Techncal Paper, USA, 26. [4] Release 11. Documentaton for Ansys 27. [5] Macąg E., Kowalsk W.: Ocena zman cech dynamcznych budynków podlegających dzałanom wstrząsów górnczych, ZN Poltechnk Rzeszowskej, Mechanka, 6, 22, s [6] Kowalsk W.: Wyznaczane sł sejsmcznych w budynkach podlegającym wstrząsom górnczym, Rozprawa doktorska, Poltechnka Krakowska, [7] Macąg E., Kuźnar K.: Wpływ elementów nekonstrukcyjnych na częstotlwośc drgań własnych ścanowych budynków prefabrykowanych, Inżynera Budownctwo, nr 1, 1993, s [8] Kowalska A.: Analza wpływu elementów nekonstrukcyjnych na charakterystyk dynamczne budynków, Rozprawa doktorska, Poltechnka Krakowska, 27.

10 226 K. Kuźnar, M. Zając DYNAMIC RESPONSE OF APARTMENT BUILDING AFTER THERMO-MODERNIZATION ON MINE-INDUCED ROCKBURSTS S u m m a r y Prefabrcated buldngs erected n the second half of the twenteth century stll consttute a large group of apartment buldngs n Poland. Nowadays, as a result of new envronmental regulatons as well as the necessty to mprove energy propertes they are modernzed. These changes manly concern thermal nsulaton of external walls. Applcaton of typcal technologes results n ncreasng of the walls thckness by addng the extra layers of styrofoam, rock or mneral wool, renforced mortar, glass fbre textle mesh. Therefore such thermo-modernzaton causes ncreasng of the buldng mass and can change the stffness of structure. In ths paper the nfluence of the performed thermo-modernzaton of the prefabrcated, hghrse, apartment buldng located n the area of the one of the most sesmcally actve mnng regon n Poland Legnca-Glogow Copperfeld, on the mne-nduced buldng dynamc response. Numercal calculatons were carred out usng fnte element method software. A mult-layer model as well as smple one layer model wth equvalent parameters were taken nto consderaton for modellng the walls before and after thermo-modernzaton. The results of calculatons ndcate that the thermo-modernzaton of the consdered buldng practcally does not change the values of frequences of natural vbratons and the dynamc response on the mne-nduced exctatons of the structure. Keywords: prefabrcated buldng, numercal model, mnng tremors, buldng vbratons, buldng thermal nsulaton, thermo-modernzaton Przesłano do redakcj: r. Przyjęto do druku: r.