Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из самых разрушительных
явлений природы является землетрясение. В соответствии с картами общего
сейсмического районирования, около 40% территории России являются сейсмически
опасными. На Земле ежегодно происходят более 15 разрушительных
катастрофических землетрясений, и около 150 землетрясений средней интенсивности. К мерам предупреждения разрушительных последствий землетрясений можно отнести: создание достоверных карт сейсмического районирования, применение адекватных норм сейсмостойкого строительства и новых методик расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия, учитывающих нелинейный характер деформирования зданий и сооружений и совместную работу сооружения с нелинейно деформируемым грунтовым основанием, применение методов теории надежности строительных конструкций и теории вероятностей.
Лежащая в основе действующих норм проектирования линейно-спектральная теория не позволяет получить достоверную информацию о реакции сооружения во времени при землетрясении. Практика проектирования и анализ последствий произошедших землетрясений свидетельствует о том, что расчетное сейсмическое воздействие должно назначаться с учетом параметров самой конструкции и являться наихудшим для сооружения. При проведении расчетов в более строгих постановках необходимо использовать соответствующие нелинейные методы расчета, которые позволят учитывать физическую, геометрическую и конструктивную нелинейности в работе надфундаментных конструкций и грунта основания. Наиболее адекватно расчет может быть произведен только с применением нелинейных динамических методов расчета, которые позволяют получить решения во временной области, и которые основываются на прямом интегрировании уравнений движения.
Особые требования необходимо предъявлять и к самому расчетному воздействию. Так как сейсмическое воздействие является ярко выраженным нестационарным случайным процессом, то при расчете необходимо использовать методы теории надежности и теории случайных процессов. При этом одним из возможных подходов может быть использование представительного набора акселерограмм, который содержит записи ускорений различной интенсивности, спектрального состава и продолжительности, а также использование методов непосредственного моделирования случайного сейсмического воздействия.
Для обеспечения требуемой сейсмостойкости необходимо использовать методики, позволяющие корректно учитывать взаимодействие сооружения с основанием и оценивать надежность всей системы. В этом случае расчеты следует производить в вероятностной постановке, принимая параметры грунта случайными, а сейсмическое воздействие представлять в виде нестационарного случайного процесса.
Учет вышеперечисленных особенностей возможен только при использовании современных расчетных комплексов, а также мощных и производительных вычислительных систем, в том числе позволяющих производить параллельные вычисления.
Степень разработанности темы диссертации. Проблемами сейсмостойкого строительства, развитием динамических методов расчета, а также проблемами учета взаимодействия конструкции с грунтом основания занималось большое количество отечественных и зарубежных ученых. Проблему учета взаимодействия конструкции с
грунтом основания изучали Д.Д. Баркан, Н. Бируля, Б.К. Карапетян, А.З. Кац, И.Т. Мирсаяпов, А.Г. Назаров, Ш.Г. Напетвиридзе, А.Л. Невзоров, А.Е. Саргсян, Н.К. Снитко, З.Г. Тер-Мартиросян, А.Г. Тяпин, М.Т. Уразбаев, Дж. Хаузнер, Э.Е. Хачиян и другие.
Исследования по учету влияния протяженности сооружения на его сейсмостойкость провели Г.П. Кобидзе, ИЛ. Корчинский, Ш.Г. Напетваридзе, А.П. Синицын, Дж. Хаузнер и другие.
Пространственную работу строительных конструкций изучали А.Г. Берая, В.К. Егупов, Т.А. Командрина, М.А. Марджанишвили, Ю.П. Назаров, Н.А. Николаенко, А.П. Сапожников.
Различные вопросы теории сейсмостойкости специальных сооружений нашли свое отражение в работах И.И. Гольденблата, Г.А. Джинчвелашвили, Г.Н. Карцивадзе, Б.Г. Коренева, Ш.Г. Напетваридзе, Н.А. Николаенко, Т.Р. Радишидова, Т.Г. Сагдиева, А Е Саргсяна, М.Т. Уразбаева, Г.Э. Шаблинского и других авторов.
Проблемы применения методов теории вероятностей к оценке эффекта сейсмического воздействия на сооружения исследовали Р.О. Амасян, ЯМ. Айзенберг, М.Ф. Барштейн, В.А. Багдавадзе, В.В. Болотин, И.И. Гольденблат, С.С. Дарбинян, А.М. Жаров, В.Л. Мондрус, О.В. Мкртычев, А.Г. Назаров, НА. Николаенко, ЭФ. Пак, Ю.И Романов, В. И. Смирнов, Л. Р. Ставницер, А.Г. Тамразян, СВ. Ульянов и другие.
Вопросы оценки надежности системы сооружение-основание при случайном сейсмическом воздействии и случайных свойствах грунта основания требуют дальнейшего развития. Без разработки специальных методик невозможно проектировать здания и сооружения с требуемым уровнем сейсмостойкости при заданной обеспеченности.
Целью диссертационной работы является исследование надежности зданий, расположенных на грунтовом основании, при сильных землетрясениях с использованием прямых динамических методов с учетом нелинейного характера деформирования конструкций и грунтов основания.
Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:
проанализировать существующие в настоящее время нелинейные модели грунтов;
проанализировать и обобщить используемые методы детерминированного расчета зданий и сооружений на землетрясения;
провести апробацию и верификацию расчетных моделей в применяемом программном комплексе;
проанализировать устойчивость работы нелинейных моделей грунтов при решении динамических задач с помощью численных методов с использованием прямого интегрирования уравнений движения;
разработать методику корректного учета совместной работы системы надфундаментная конструкция-фундамент-грунт основания при расчете на сейсмическое воздействие;
решить комплекс задач о расчете систем и зданий различных конструктивных схем на акселерограммы землетрясений с различным спектральным составом и интенсивностью;
разработать методику детерминированного расчета системы сооружение-основание, основанную на модифицированной модели Мора - Кулона с введением критерия разрушения;
произвести вероятностное моделирование грунтового массива со случайными параметрами и сейсмического воздействия, как нестационарного случайного процесса;
выполнить оценку надежности системы сооружение-основание при случайном сейсмическом воздействии с учетом различного спектрального состава акселерограмм землетрясений, при случайных параметрах грунта, а также при случайном положении повреждений основания, возникающих в процессе землетрясения.
Объектом исследования являются железобетонные здания и системы различных конструктивных схем, расположенные на грунтовых основаниях при случайных интенсивных сейсмических воздействиях.
Предметом исследования являются: напряженно-деформируемое состояние основания при землетрясении (интенсивность деформаций и напряжений), напряженно-деформируемое состояние железобетонных зданий, распложнных на грунтах с разными характеристиками, при интенсивных сейсмических воздействиях; надежность системы надфундаментная конструкция-фундамент-грунт основания при случайном сейсмическом воздействии и случайных свойствах грунтов основания, а также случайном положении повреждений основания, возникающих в процессе землетрясения.
Новизна научной работы:
разработана методика корректного учета взаимодействия сооружения с основанием при расчете на землетрясения;
предложена модифицированная модель грунтового основания Мора-Кулона с введением критерия разрушения;
проведены численные исследования систем грунт-конструкция на землетрясения с учетом возможной потери прочности грунта основания;
проведены численные исследования совместной работы грунта основания с железобетонными конструкциями, материал которых был задан с помощью нелинейной модели, в которой учитывалось фактическое армирование;
проведен сравнительный анализ реакции зданий различной этажности, расположенных на грунтах, с использованием линейных и нелинейных моделей, на интенсивное сейсмическое воздействие;
проведен расчет 9-ти этажного жилого железобетонного здания на интенсивное землетрясение в соответствии с методиками, разработанными в диссертационной работе;
выполнен анализ результатов исследования системы сооружение-основание на сейсмическое воздействие различного спектрального состава и интенсивности;
решена вероятностная задача моделирования взаимодействия сооружения с основанием при случайных параметрах грунтов, при различной доминантной частоте случайного сейсмического воздействия, а также при случайном положении повреждений основания в процессе землетрясения;
выполнена оценка надежности железобетонного здания при учете совместной работы с грунтом основания при случайных параметрах сейсмического воздействия и случайных свойствах грунтов.
Теоретическая значимость работы состоит в развитии методов теории надежности строительных конструкций, основанных на прямых нелинейных динамических методах расчета конструкций, в которых используется
непосредственное интегрирование уравнений движения по явным схемам, что позволило получить решения во временной области с учетом физической, геометрической и конструктивной нелинейностей. Разработанные методики позволяют учесть совместную работу сооружения с основанием в корректной постановке (Soil Structure Interaction - SSI). В исследованиях применяется теория демпфирующих слоев (PML- perfectly matched layer), которая позволяет уменьшить размеры используемого в расчетах массива основания и применять неотражающие границы. Все это позволило разработать методику оценки надежности рассматриваемых систем методом статистических испытаний, позволяющую проектировать здания и сооружения с требуемым уровнем сейсмостойкости при заданной обеспеченности.
Практическая значимость работы заключается в:
использовании результатов проведенных исследований при проектировании зданий и сооружений в сейсмических районах проектными и исследовательскими организациями;
возможности применения представленных методик и предложенных подходов к актуализации документов в области сейсмостойкого строительства;
возможности на стадии проектирования учитывать вероятностную природу сейсмического воздействия, а также случайные параметры грунтов основания;
возможности использования разработанной методики при выполнении нормативных расчетов на землетрясения уровня проектного землетрясения (ПЗ) и уровня максимально расчетного землетрясения (МРЗ).
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования являлись труды отечественных и зарубежных авторов в области сейсмостойкости и надежности строительных конструкций. В диссертационной работе применялись следующие методы.
Моделирование. Проводилось численное моделирование различных систем сооружение-основание, которые затем рассчитывались на сейсмические воздействия с помощью прямого нелинейного динамического метода интегрирования уравнений движения по явным схемам. Осуществлялось моделирование случайного сейсмического воздействия с помощью метода канонических разложений.
Сравнение. В процессе проведения исследований сравнивался уровень надежности железобетонных зданий различных конструктивных схем, расположенных на линейном и нелинейном грунтовом основании.
Анализ. Все полученные результаты численных расчетов подвергались подробному анализу, на основании которого делались выводы о работе рассматриваемых конструкций в процессе землетрясения.
Личный вклад автора диссертации заключается в следующем:
разработана методика корректного учета взаимодействия сооружения с основанием при расчете на землетрясения;
предложена модифицированная модель грунтового основания Мора-Кулона с введением критерия разрушения;
проведены численные исследования систем грунт-конструкция на землетрясения с учетом возможной потери прочности грунта основания;
проведены численные исследования совместной работы грунта основания с железобетонными надфундаментными конструкциями, материал бетона для которых
был задан с помощью нелинейной модели Continuous Surface Cap Model (CSCM), в которой учитывалось фактическое армирование, при этом материал арматуры задавался с помощью идеально-упруго пластической модели Прандтля с ограничением предельных пластических деформаций;
- проведен сравнительный анализ реакции зданий различной этажности,
расположенных на грунтах, заданных по различным моделям, на интенсивное
сейсмическое воздействие;
проведен расчет 9-ти этажного жилого железобетонного здания на интенсивное землетрясение с использованием разработанной методики;
выполнено вероятностное моделирование взаимодействия сооружения с основанием при случайных параметрах грунтов, при различном спектральном составе сейсмического воздействия, а также при случайном положении повреждений основания, возникающих в процессе землетрясения;
- выполнена оценка надежности 9-ти этажного железобетонного здания при
учете совместной работы с грунтом основания при случайных параметрах
сейсмического воздействия и случайных свойствах грунтов.
Представленные в диссертационной работе исследования, включающие численное моделирование конструкций, грунтов основания, проведение расчетов, сравнение, анализ и апробация полученных результатов, были выполнены лично автором.
Достоверность результатов достигается:
использованием при постановке задач гипотез, принятых в механике деформируемого твердого тела, в механике грунтов, в теории сейсмостойкости, теории надежности строительных конструкций, теории вероятностей и теории случайных процессов;
сравнением полученных результатов с экспериментальными данными и аналитическими решениями, полученными другими авторами по ряду исследуемых в работе вопросов;
применением при расчете современных апробированных численных методов расчета строительных конструкций и оснований, а также расчетных программных комплексов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на:
III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон взгляд в будущее», Москва, РАН, 2014 г.
III Международной научно-практической конференции 21 век: фундаментальная наука и технологии, Москва, 2014 г.
XI Всероссийской научно-практической и учебно-методической конференции «Фундаментальные науки в современном строительстве», Москва, МГСУ, 2014 г.
VI Международной научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях», Москва, 2014 г.
XXIII, XXIV, XXV, XXVI R-S-P Seminar «Theoretical Foundation of Civil Engineering», Вроцлав, Самара, Жилина, Варшава, 2014, 2015, 2016, 2017 гг.
XIII Всероссийской научно-практической конференции «Современная строительная наука и образование», Москва, НИУ МГСУ, 2016 г.
V International conference «Integration, partnership and innovation in construction science and education», Москва, НИУ МГСУ, 2016 г.
7th International Conference on Mechatronics, Control and Materials, Китай, 2016 г.
XX международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистров, аспирантов и молодых ученых «Строительство -формирование среды жизнедеятельности», Москва, НИУ МГСУ, 2017 г.
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на объединенном заседании кафедр «Сопротивление материалов» и «Механика грунтов и геотехника» ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (г. Москва, 2018 г.).
Публикации. Научные результаты достаточно полно изложены в 20 научных публикациях, из которых 4 работы опубликованы в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук. А также представлены в одном объекте интеллектуальной собственности: базе данных «Библиотека методов расчета многоэлементных систем на сейсмическое воздействие с учетом взаимодействия с грунтом основания в корректной постановке».
На защиту выносятся:
методика детерминированного расчета систем сооружение-основание в корректной постановке;
результаты исследований систем грунт-конструкция на землетрясения с учетом возможной потери прочности грунта основания;
результаты исследований совместной работы грунта основания с железобетонными конструкциями, материал которых был задан с помощью нелинейной модели, в которой учитывалось фактическое армирование;
результаты сравнительного анализа работы зданий различной этажности, расположенных на грунтах, заданных по различным моделям, на интенсивное сейсмическое воздействие;
результаты детерминированного расчета 9-ти этажного жилого железобетонного здания на интенсивное землетрясение;
результаты анализа реакций системы сооружение-основание на сейсмическое воздействие с различным спектральным составом и интенсивностью;
результаты решения вероятностной задачи моделирования взаимодействия сооружения с основанием при случайных параметрах грунтов, при различных доминантных частотах случайного сейсмического воздействия, а также случайном положении повреждений грунта основания, возникающих в процессе землетрясения;
результаты выполненной оценки надежности железобетонного здания при учете совместной работы с грунтом основания при его случайных параметрах и случайном сейсмическом воздействии, заданном в виде нестационарного случайного процесса.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (127 наименований). Общий объем диссертации составляет 144 страницы (в том числе приложение 33 страницы), включая 5 таблиц, 168 рисунков.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует пунктам 4 и 6 Паспорта специальности 05.23.02 -Основания и фундаменты, подземные сооружения.