Материал: Информационная система расчета строительных объектов в сейсмоопасных регионах

Информационная система расчета строительных объектов в сейсмоопасных регионах

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК РАСЧЕТА СООРУЖЕНИЙ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

1.1 Статический метод расчета

.2 Спектральный метод расчета

.2.1 Понятие о спектральном методе расчета сооружений

.2.2 Нормирование сейсмических нагрузок по спектральной методике

.3 Динамические методы расчета

.3.1 Возможности динамических методов при оценке сейсмостойкости

.4 Современные программные комплексы

.4.1 ANSYS

.4.2 MicroFE

.4.3 ПК ЛИРА

.5 Выводы по главе

Глава 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ

2.1 Функциональные и эксплуатационные требования к системе

.2 Обоснование выбора программных и аппаратных средств

.3 Расчет на основе СНиП II-7-81*

.4 Расчет пространственной конструкции в ANSYS

.5 Сравнительный отчет

.6 Разработка информационной системы

Глава 3. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММЫ

3.1 Тестовый пример

.2 Анализ результатов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ВВЕДЕНИЕ

Современные проблемы строительства зданий в сейсмических районах, повышенные требования к надежности возводимых сооружений и совершенствование технологий требуют развития методов расчета сооружения на различного рода динамические, в том числе и сейсмические нагрузки.

Анализ последствий разрушительных землетрясений в начале XX века показал, что сейсмическое воздействие на сооружение существенно зависит от его динамических характеристик: жесткости, определения масс, частот собственных колебаний и т.д. Приведение сложной пространственной конструкции здания к упрощенной расчетной модели в виде консольного стержня с сосредоточенными массами не может с достаточной достоверностью описать работу здания при сейсмических воздействиях.

Современные методы расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия основаны на нескольких подходах, область использования которых определяется полнотой исходной сейсмологической информации, степенью детальности учета жесткостных характеристик конструкций и выбором критериев, обеспечивающих надежную работу сооружений.

По мере накопления информации о параметрах сейсмических воздействий и поведении зданий и сооружений осуществляется переход к более полному учету несущей способности сооружений. Это позволяет разрабатывать более обоснованные методы проектирования и строительства, повышать экономичность зданий и сооружений при сохранении требуемого уровня надежности.

К настоящему времени появилось более сотни программных комплексов (ЛИРА, MicroFE, ANSYS и пр.), с помощью которых можно выполнить расчет пространственных конструкций, в том числе и на сейсмическое воздействие, но для работы с ними зачастую требуется знание компьютера на уровне профессионального пользователя, а также определенное количество времени.

Цель дипломного проекта - автоматизация методики расчета строительных объектов в соответствии со СНИП II-7-81*[1] и методическими рекомендациями по строительству зданий в сейсмоопасных регионах на основе программного комплекса ANSYS.

Актуальность темы дипломного проекта заключается в том, чтобы создать понятную и простую в использовании информационную систему для расчета строительных объектов в сейсмоопасных регионах, которая, опираясь на пространственную модель конструкции, давала бы достоверные результаты за минимально возможное количество времени.

Задачи, которые необходимо решить в ходе выполнения дипломного проекта:

ü  изучить возможности современных пакетов МКЭ по проведению анализа на сейсмические воздействия;

ü  выполнить расчеты строительных объектов в сейсмоопасных регионах с помощью формул СНиП II-7-81*[1] и комплекса ANSYS;

ü  разработать информационную систему расчета строительных объектов в сейсмоопасных регионах на основании СНиП II-7-81*[1] и комплекса ANSYS.

Глава 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК РАСЧЕТА СООРУЖЕНИЙ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

По мере развития теории сейсмостойкости зданий и сооружений использовались статический, спектральный и динамический методы их расчета.

1.1 Статический метод расчета

Первая попытка создать теоретические методы расчета и проектирования сейсмостойких зданий и сооружений была сделана в 1900 году японским ученым Омори. Для анализа сейсмических сил в сооружениях Омори проводил опыты с кирпичными столбиками, которые устанавливались на сейсмической платформе. Платформе сообщались гармонические колебания в горизонтальной плоскости. Увеличением интенсивности колебаний столбики доводили до разрушения, что давало возможность определять наибольшие ускорения и соответствующие им разрушающие инерционные силы.

На основании этих исследований Омори разработал методику определения сейсмических сил, получившую название статической теории сейсмостойкости. Этой теорией не учитывались деформации сооружения, его колебания сводились лишь к переносному движению всех точек сооружения вместе с основанием. В соответствии с этим методом сооружение и его основание рассматриваются как абсолютно жесткие. В соответствии с принципом Даламбера можно считать, что к каждой массе mi сооружения приложена инерционная нагрузка (сейсмическая сила) si:

                                                   (1)

где А - максимальное ускорение основания, выражаемое в долях силы тяжести g.

Сейсмические силы прикладывают как статические в центре тяжести каждой массы mi и на их действие производят расчет конструкции. Значение статической теории для развития теории сейсмостойкости состояло в том, что в ее рамках впервые удалось получить количественную, хотя и приближенную, оценку сейсмических сил, т.е. свести проектирование сейсмостойких сооружений к обычной инженерной задаче.

Однако очевидно, что статическая теория приближенно справедлива лишь для весьма жестких сооружений, деформации которых, по сравнению со смещением основания, пренебрежимо малы.

Существенным недостатком статического метода является невозможность учета в его рамках динамических свойств конструкции. Пренебрежение этими свойствами ведет к существенным ошибкам в расчетах сооружений, которые идут не в запас прочности.

1.2 Спектральный метод расчета

1.2.1 Понятие о спектральном методе расчета сооружений

Спектральный метод расчета конструкций на сейсмические воздействия является в настоящее время основным, как в нашей стране, так и за рубежом. Он занимает промежуточное место между статическим и динамическим методами. Как и статический спектральный метод расчета предполагает определение сейсмических инерционных нагрузок (сил) si, приложенных в центре тяжести массы mi, а затем конструкция рассчитывается на действие сил si, приложенных к конструкции статически. Динамические свойства конструкции учитываются при определении нагрузок si. Для этого движение системы раскладывается по формам колебаний, т. е. представляется как сумма некоторых движений (форм колебаний):

                  (2)

Здесь yi(t) - смещение массы тi, зависящее от времени t;

xij - коэффициент разложения движения по формам колебаний; (i-я компонента j-о собственного вектора системы);

ξj(t) - функция, определяющая изменение во времени перемещения по j-й форме колебаний;

yij(t) - смещение массы mi по j-й форме колебаний;

п - число степеней свободы системы.

Если рассмотреть движение всей системы по одной форме колебаний, то все точки будут смещаться синхронно и форма колебаний не меняется во времени (рис. 1).

Рис. 1 - Разложение движения по формам колебаний

Сейсмические нагрузки определяются по каждой форме колебаний:

сейсмостойкость строительный спектральный

                  (3)

где sij - сейсмическая нагрузка по j-й форме колебаний, действующая на массу mi;

β (Tj, γj) -коэффициент динамики, зависящий в общем случае от периода колебаний по j-й форме Tj, коэффициента неупругого сопротивления γj и вида воздействия (расчетной акселерограммы основания );

ηij - коэффициент формы, учитывающий распределение инерционных нагрузок по формам колебаний.

Формулы (1) и (3) отличаются друг от друга, во-первых, наличием коэффициентов динамики β и формы η, и, во-вторых, тем, что формула (3) применяется для каждой формы колебаний. По каждой форме колебаний проводится и статический расчет конструкции на действие сил sij, в результате чего определяются усилия в элементах конструкции по формам колебаний.

1.2.2 Нормирование сейсмических нагрузок по спектральной методике

Спектральная методика принята в настоящее время в качестве основной в нормативных документах на проектирование и строительство сейсмостойких сооружений. Эта методика регламентируется строительными кодами большинства стран и в частности СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах»[1].

При разработке нормативного варианта спектральной методики в основу расчета положена формула определения инерционных сейсмических нагрузок (2.3). Однако входящие в нее параметры определены эмпирически на основе имеющегося опыта прошлых землетрясений.

В соответствии с действующим СНиП формула для определения инерционных сейсмических нагрузок sij на массу mi, по j-й форме колебаний имеет вид:

                                     (4)

В формулу (4) введены два дополнительных коэффициента:

Кк - конструктивный коэффициент;

K1 - коэффициент, названный при обосновании последней редакции норм коэффициентом предельных состояний.

Кроме того анализ записей землетрясений и повреждаемости сооружений, эксплуатируемых в различных грунтовых условиях, позволил дифференцировать зависимость βi (Tj) по грунтам I, II и III категорий (i - категория грунта). Соответствующие зависимости βi (Tj) приведены на рис. 2.

Рис. 2 - Нормативные кривые динамичности

Согласно имеющимся теоретическим разработкам коэффициент Kψ в общем случае должен приниматься различным для разных форм колебаний. Однако в настоящее время отсутствуют апробированные методы задания параметров затухания различных конструктивных элементов сооружений и основания. В связи с этим в действующих СНиП вводится осредненный коэффициент Кψ одинаковый для всех форм колебаний и назначаемый по опыту прошлых землетрясений.

Конструктивный коэффициент Кк вводится для сооружений, конструктивные особенности которых существенно отличают их работу при землетрясениях от работы сооружений массовой застройки (жилых и промышленных зданий средней этажности).

Оценивая в целом нормативную методику определения сейсмических нагрузок, следует отметить, что несмотря на обилие допущений при ее построении, эта методика удовлетворительно согласуется с имеющимся опытом прошлых землетрясений. Это обусловлено тем, что коэффициент динамичности β и другие расчетные коэффициенты назначены с учетом богатого опыта прошлых землетрясений.

1.3 Динамические методы расчета

С конца 70-х годов благодаря развитию вычислительной техники в расчетах сейсмостойкости сооружений начали применять динамические методы. При этом воздействие задается акселерограммой землетрясения ; значения перемещений, скоростей, ускорений и других факторов определяются для каждого момента времени t. Такого рода расчеты используются обычно при оценке сейсмостойкости АЭС, больших плотин и других ответственных сооружений. С 1978 г. возможность динамического расчета по акселерограммам землетрясений была предусмотрена в СНиП СССР.

Однако использование динамических расчетов сооружений при оценке их сейсмостойкости требует большой осторожности. Для правильного понимания и использования результатов динамических расчетов необходимо представлять три аспекта проблемы:

а) общеинженерный, характеризующей место и возможности динамических расчетов при оценке сейсмостойкости сооружений;

б) инженерно-технический, определяющий требования к заданию исходных данных и воздействия для динамических расчетов;

в) формально-математический, анализирующий методы численного решения уравнений динамики.

1.3.1 Возможности динамических методов при оценке сейсмостойкости

Как отмечалось ранее, спектральная методика оценки сейсмостойкости сооружений является основной в нормах большинства стран. Эта методика базируется на опыте прошлых землетрясений и обеспечивает необходимую сейсмостойкость сооружений путем использования при расчете эмпирической системы расчетных коэффициентов. Это позволяет по разному трактовать не только результаты, но и исходные посылки нормативной методики.

Динамические расчеты в полной постановке в основном выполняются лишь при анализе сейсмостойкости наиболее ответственных объектов: больших плотин, АЭС, взрывоопасных производств и т. п.

Для других сооружений применение динамических расчетов носит вспомогательный характер. Во всех случаях применения динамических методов расчета их результаты должны рассматриваться совместно с результатами нормативных расчетов (если такие возможны) и материалами экспериментальных исследований.

Обычно динамические расчеты применяются в исследованиях сейсмостойкости существенно нелинейных систем, например, сооружений на сейсмоизолированных фундаментах и при анализе работы конструкций за пределами упругости.

Для современного этапа развития теории сейсмостойкости характерна общая тенденция уточнения постановки расчетной задачи. Это предусматривает более полное и подробное описание сейсмического воздействия и требует привлечения более строгих методов расчета.

Весьма перспективной является теория сейсмического риска. В основу этой теории положена концепция о том, что любая конструкция в процессе эксплуатации неизбежно подвергается риску, и если этот риск слишком велик, конструкция может быть разрушена. Понятие “риск” позволяет оценить возможное отклонение от цели, ради которой принято данное решение. Применение этой теории может привести к экономии за счет обоснованного снижения расходов на антисейсмические мероприятия.

Актуальным является разработка методов расчета зданий и сооружений с учетом упругопластических свойств материала, что важно для оценки действительной несущей способности пространственных конструкций при сейсмических воздействиях.

1.4 Современные программные комплексы

В настоящее время существует более сотни программных комплексов, в той или иной степени ориентированных на расчет конструкций. Всех их объединяет реализация МКЭ в перемещениях.