Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Исследование сейсмостойкости сооружений с повышенным демпфированием
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Анализ данных о повреждениях и разрушениях зданий и сооружений при воздействии сильных землетрясений показывает, что большое количество объектов либо разрушаются, либо получают серьезные повреждения. В некоторых случаях разрушались сооружения, даже рассчитанные по существовавшим в то время Нормам. После этого обычно производятся ревизии и уточнение нормативных документов. В Японии, США, Канаде и в европейских странах за последнее десятилетие, документы, регламентирующие расчёты сооружений на сейсмостойкость пересматривались по нескольку раз.
В Китайской Народной Республике для проектирования зданий используются устаревшие нормативные документы, не учитывающие современные достижения сейсмологии и строительной механики. Территория КНР является зоной повышенной сейсмической активности, о чём свидетельствуют землетрясения за последнее время. Ввиду этого, необходима срочная разработка современных регламентов по усилению и расчету зданий и сооружений.
Целью работы является
- разработка единой методики расчета сейсмостойкости зданий оснащенных элементами активной сейсмозащиты с учетом пространственного характера движения сооружения.
- анализ и совершенствование существующих методов расчёта зданий и сооружений на сейсмические воздействия, для подготовки материалов, необходимых при разработке Норм Китайской Народной Республики, учитывающих достижения сейсмологии и современной строительной науки.
Объектами исследований являются здания и сооружения, подверженные сейсмическим воздействиям.
Предмет исследования: сейсмические воздействия на наземные здания и сооружения.
Методы исследования: аналитические оценки поведения конструкций зданий и сооружений при динамических воздействиях с использованием теории распространения волн и спектральной линейной теории сейсмостойкости. В основе этой теории лежит концепция спектров ответов.
Для достижения этой цели постановлены следующие задачи:
- выполнить обзор и анализ существующих сейсмических нормативных документов различных стран;
- используя опыт исследователей разных стран, оценить влияние различных факторов: магнитуды, эпицентрального расстояния, продолжительности и др., на характер сейсмических движений грунта;
- разработать методы и программы для построения спектров ответа, учитывающие неопределённость задания исходных данных и локальные условия площадки строительства сооружений;
- оценить воздействие поверхностных волн Рэлея на подземные сооружения мелкого заложения;
- оценить воздействие сейсмических волн на подземные сооружения, расположенные в толще мягких грунтов для учёта резонансных явлений в поверхностных слоях;
- подготовить материал для главы Норм КНР: «Расчёт зданий и сооружений, оснащенных сейсмоизолирующими устройствами на сейсмостойкость».
Достоверность результатов исследований подтверждается использованием современных компьютерных технологий, сопоставлением результатов расчетов с данными натурных наблюдений. Поэтому, достоверность и корректность полученных результатов не вызывают сомнения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- выполнен анализ и сравнение российских и зарубежных, в т. ч. китайских, Нормативных документов, используемых при расчёте сооружений на сейсмические воздействия;
- предложен метод построения сглаженных спектров ответов для упругих систем, учитывающий локальные геологические условия площадки строительства;
- выполнен расчёт сейсмоизолирующих устройств зданий и сооружений с использованием концепции спектров ответов.
Практическая ценность:
- разработаны предложения по структуре и содержанию строительных норм и правил «Строительство в сейсмических районах Китайской Народной Республики»;
- подготовлен проект главы «Расчёт зданий и сооружений, оснащенных сейсмоизолирующими устройствами на сейсмостойкость» для Норм «Строительство в сейсмических районах Китайской Народной Республики».
Апробация работы: основные научные результаты докладывались на 14 Всемирной конференции по сейсмостойкому строительству (14WCEE) в Пекине (КНР), 14 октября 2008 г. и на научном семинаре в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко 21 марта 2009 г.
Объём и структура диссертации: диссертации состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 170 страниц машинописного текста, 35 иллюстраций, 6 таблиц, 1 приложение, списка литературы из 111 наименования.
Основное содержание диссертации
сейсмостойкость сооружение строительный
В ведении показана актуальность исследования, цели, объект, предмет, методы исследования, задачи, научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе приведен обзор, анализ и сравнение Нормативных документов разных стран, регламентирующих расчёты и проектирование сооружений в сейсмически активных районах.
Сейсмические нормативные документы, устанавливают минимум требований, для проектирования и строительства сооружений в районах с повышенной сейсмической активностью, основной целью которых является предотвращение разрушений конструкций при воздействии расчётного землетрясения.
Основные положения современных нормативных документов, регламентирующих проектирование сооружений для сейсмоопасных районов.
Задание исходной сейсмической информации. Наиболее широко используемой и общепринятой практически во всех Нормах является концепция спектров ответов. Кроме спектров ответов сейсмические воздействия могут быть представлены в виде одной или набора акселерограмм, совместимых с расчётным спектром ответов.
Для расчёта зданий и сооружений, чувствительных к длиннопериодным воздействиям, с плотным расположением собственных частот в низкочастотным диапазоне, к задаваемым спектрам ответов и акселерограммам предъявляются особые требования. В области низких частот, спектры ответов для таких сооружений должны быть определены с малым шагом дискретизации по частоте (не более 0.05 Гц).
Моделирование и методы расчёта сооружений. Во многих Нормах существует разделы «моделирование, методы расчёта», в которых излагаются принципы построения моделей конструкций и возможные методы расчёта, содержатся данные о свойствах конструкционных материалов: модули упругости, коэффициенты Пуассона, коэффициенты демпфирования.
Моделирование и расчёт взаимодействия сооружений с основанием. Во многих Нормах приводятся подробные рекомендации для учёта эффектов взаимодействия сооружения с основанием для всех конструкций.
Двухуровневое проектирование сейсмостойких конструкций. Категории сейсмостойкости. Важное положение, которое получило распространение в последнее время в Нормах различных стран, является переход на двухуровневое проектирование сейсмостойких конструкций. Уровень колебаний землетрясения первого типа, на которые должны рассчитываться сооружения, не может быть превышен за время эксплуатации сооружения. Уровень землетрясения второго типа, на которое также должны рассчитываться сооружения, значительно выше первого. Это землетрясение, которое происходит значительно реже землетрясения первого уровня и может обладать большой разрушительной силой. Тем не менее, сооружения должны быть рассчитаны так, чтобы даже при таком сейсмическом воздействии не произошло разрушение основных несущих конструкций.
Сравнение современных сейсмических нормативных документов
Задание исходной сейсмической информации. В Европейских нормах EC8 первому уровню соответствуют умеренные землетрясения с 10% вероятностью не превышения в течение 10 лет с повторяемостью один раз в 95 лет.
В Японских нормах BCJ первому уровню соответствуют землетрясения с 50% вероятностью не превышения в течение 30 лет с повторяемостью один раз в течение 43 лет.
Второму уровню в Нормах EC8, и BCJ соответствует сильные землетрясения с 10% вероятностью не превышения в течение 50 лет или с периодом повторяемости 475 лет.
В Российских нормах, СНиП II-7-81* не предлагается рассчитывать на два уровня землетрясений. Максимальные амплитуды ускорения основания рекомендуется принимать не менее 100, 200 или 400 при сейсмичности площадок строительства 7, 8 и 9 баллов соответственно. Средняя повторяемость землетрясений один раз за 100, 1000 и 10000 лет
Учёт местных инженерно геологических условий. В Европейских нормах EC8 для учёта локальных сейсмогеологических условий грунты делятся на пять типов. Классификация грунтов ведётся по параметру «средняя скорость волн сдвига» . Этот параметр определяется для слоёв грунта, расположенных до глубины 30 м от уровня основания по следующей формуле:
, (1)
где число слоёв грунта, толщина i-ого слоя грунта (в метрах), скорость распространения волн сдвига в этом слои.
В Японских нормах BCJ, грунты разделяются на три типа. Классификация ведётся по базовому периоду колебаний грунта основания, который определяется по формуле:
, (2)
где число слоёв грунта находящихся между основанием и скального слоя грунта; , толщина и глубина i-ого слоя грунта (в метрах) и скорость распространения волн сдвига в этом слои.
Согласно Российским нормам СНиП II-7-81* грунты по сейсмическим свойствам делятся на три категории. В международных строительных нормах СНГ. «Строительство в сейсмических районах (проект)» 2001 г. к трём типам грунта добавляется IV тип. В этой классификации не учитываются в явном виде ни скорость распространения волн, ни число, ни мощность, ни глубина слоев грунта.
В Американских нормах (NEHRP-1997, UBC-1997 и IBC-2000), классификация грунтов ведётся по скоростям распространения волн сдвига. В этих нормах грунты подразделяются на 6 типов.
В нормах КНР, грунты разделяются на шест типов в зависимости от скоростей волн сдвига. При этом принимаются в расчёт слои грунта до глубины 30,5 м.
Спектры ответов. Практически во всех Нормах разных стран спектры ответов строятся в виде семейства кривых, в зависимости от периода колебаний осциллятора для разных типов грунтов. По оси ординат откладывается ускорение, отнесённое к ускорению свободного падения, по оси абсцисс периоды колебаний.
В российских нормах сейсмических нормах вместо понятия «спектр ответов» используется понятие «динамический коэффициент». В нормативных документах, регламентирующие расчёты атомных станций, используется концепция спектров ответов.
В нормах КНР, для построения спектров ответов для упругих систем используется только два параметра, зависящие от типа грунтов.
Сравнение спектров ответов, используемых в нормах разных стран, показывает, что величины спектров в разных полосах иногда имеют существенные различия. Например, спектры ответов для землетрясений умеренной силы в нормах ЕС8 в три раза превышают спектры ответов BCJ для систем с периодами колебаний с.
Определение усилий в элементах конструкций от сейсмических воздействий
Практически во всех Нормах для определения усилий от сейсмических воздействий рекомендуется использовать следующие методы:
- пошаговый динамический метод расчёта во времени,
- метод спектров ответа с разложением колебаний по собственным формам,
- метод комплексных спектров ответа (метод передаточных функций),
- упрощённый эквивалентный статический метод.
Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с заданием исходной сейсмической информации.
При расчёте сооружений на сейсмические воздействия особый интерес представляют следующие параметры движения грунта:
- максимальные (пиковые) значения кинематических характеристик движения, а именно пиковое значение перемещения, пиковое значение скорости и пиковое значение ускорения;
- продолжительность сейсмического воздействия;
- частотный (спектральный) состав колебаний грунта.
Для оценки частотного состава используется преобразование Фурье.
На характер колебаний грунта при землетрясениях влияет большое количество факторов. Отметим наиболее важные из них:
- магнитуда землетрясения,
- расстояние от источника землетрясений,
- локальные геологические условия,
- геологические условия вдоль пути распространения сейсмических волн от источника до площадки строительства,
В результате обработки большого количества акселерограммы разными учёными получены зависимости пиковых ускорений от эпицентрального расстояния и магнитуды землетрясений. Учёным Donovan установлено, что уменьшение пиковых значений ускорений по мере удаления от эпицентров, существенно отличаются в разных районах земного шара.
Boore, D.M., и др., после обработки 275 акселерограмм землетрясений получили зависимости пиковых ускорений, в которых используются следующие параметры: расстояние от сейсмостанции до эпицентра, магнитуда землетрясения, средняя скорость волн сдвига верхнего тридцатиметрового слоя грунта и тип очага землетрясения.