Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование существующих методов определения воздействия сейсмических колебаний на здания и сооружения при производстве взрывных работ .
1.1 Существующие способы оценки сейсмического действия взрыва
1.1.1. Оценка негативного воздействия сейсмических волн на здания и сооружения по скорости колебания грунта . 9
1.1.2. Оценка негативного воздействия сейсмических волн на здания и сооружения по их амплитудно - частотным характеристикам. JQ
1.2. Существующие методики обеспечения сейсмобезопасности сооружений.
1.2.1. Снижение интенсивности действия сейсмовзрывных волн управлением параметрами массового взрыва. ц
1.2.2. Снижение интенсивности действия сейсмовзрывных волн с помощью искусственных преград. 14
1.3. Обзор состояния вопроса по реакции сооружения на действие СВВ и
УВВ.
1.3.1. Методы расчета откликов зданий на внешние воздействия. j$
1.3.2. Механика трещинообразования в конструкциях зданий и сооружений. и
1.4. Анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований воздействия СВВ и УВВ на здания г. Каменногорска.
1.4.1. Анализ основных результатов экспериментальных исследований воздействия СВВ и УВВ на здания г. Каменногорска проводимых кафедрой РГП СПГГИ(ТУ) с 1978 по 1996 гг. 20
1А.2. Обобщение основных параметров БВР, влияющих на сохранность зданий и сооружений г. Каменногорска при массовых взрывах. 25
1.4.3 Обобщение основных параметров БВР, влияющих на сохранность зданий и сооружений г. Каменногорска при массовых взрывах 26
1.5. Выводы по главе 1 и постановка задач исследований. з8
Глава 2 Изучение прочностных характеристик материалов стен исследуемых зданий.
2.1. Мониторинг возникновения и роста трещин в зданиях г. Каменногорска при производстве массовых взрывов на Каменногорском
карьероуправлении и Каменногорском комбинате нерудных материалов. 40
2.1.1. Фотофиксация повреждений зданий. 41
2.1.2. Обработка результатов наблюдений . 46
2.1.3. Анализ результатов обследования зданий. 48
2.2. Определение прочности материалов в лабораторных условиях. 50
2.3. Определение микротрещиноватости материалов в лабораторных условиях. 58
2.4. Выносливость конструктивных материалов в условиях взрывных воздействий. 65
2.5. Выводы по главе 2. 67
Глава 3. Оценка локальных напряжений, возникающих в узлах конструкций здания при воздействии СВВ и УВВ .
3.1. Переход от параметров сейсмических волн к напряжениям. 69
3.2. Расчет распределения напряжений в элементах конструкций панельного 9-ти этажного и кирпичного 5-ти этажного зданий 72
3.3. Расчет напряжений и концентрации напряжений в очагах разрушения конструкции аналитическими методами. JJ
3.4. Расчет концентраторов напряжений с помощью компьютерного моделирования в пакете ANSYS. 80
3.5. Выводы по главе 3. 83
Глава 4. Разработка методики расчета роста трещин в элементах конструкции и прогноз развития очагов разрушения в конструктивных
узлах. 84
Заключение
Приложения
- Оценка негативного воздействия сейсмических волн на здания и сооружения по скорости колебания грунта
- Обработка результатов наблюдений
- Расчет распределения напряжений в элементах конструкций панельного 9-ти этажного и кирпичного 5-ти этажного зданий
- Расчет концентраторов напряжений с помощью компьютерного моделирования в пакете ANSYS.
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в отечественной и зарубежной практике количественной оценки сейсмического и воздушного ударного действия взрыва преобладает использование зависимости скорости смещения частиц в волне возмущения в функции расстояния от места взрыва до пункта наблюдения и массы заряда. Скорость смещения частиц в меньшей степени, чем амплитуда колебаний и ускорение, зависит от условий распространения волн.
Наиболее распространенны формулы, определяющие взаимосвязь допустимой скорости смещения частиц грунта в основании сооружения с параметрами БВР, предложенные акад. М.А. Садовским на основе критерия подобия. В этом случае, решение задачи, т.е. определение массы заряда, вызывающей скорость смещения в районе охраняемых сооружений не более допустимой, требует экспериментального определения коэффициентов подобия. При этом отклонение измеренных значений от аппроксимирующих зависимостей может быть весьма велико, так как даже для однородного месторождения распространение сейсмических волн каждый раз остается особым случаем, зависящим от всего чрезвычайно изменчивого комплекса горно-геологических и технологических условий, а самое основное - такой подход не учитывает динамику зданий подверженных воздействию сейсмовзрывных и воздушных ударных волн (далее СВВ и УВВ), накапливание повреждений и развитие очагов разрушений в элементах конструкций этих зданий
Проблемой сохранности зданий от воздействия СВВ и УВВ занимались такие ученые, как М.А. Садовский, А.Б. Фадеев, СВ. Медведев, В.Н. Мосинец, Е.И. Шемякин, В.В. Адушкин, А.П. Господариков, В.В. Софронов, В.Г. Мыркин, Б.А. Аюрзанайн, В.А. Боровиков, И.Ф. Ванягин, М.Г. Егоров, В.А. Артемов, В.А. Михайлов, Ю.И. Виноградов и др. Изучению вопросов по
механике трещинообразования в твердых телах посвящены исследования таких ученых как Ю.Н. Работнов, В.В. Адищев, М.Г. Менжулин и др. Однако, поведение конструкций при взрывах и изменение их состояния в условиях многократности взрывного воздействия, в настоящее время проанализировано недостаточно. Возникающие в процессе эксплуатации конструкции трещины и повреждения относятся в основном на счет строительных дефектов.
Анализ состояния зданий и сооружений, расположенных на подвергаемых техногенному воздействию взрывных работ территориях в г. Каменногорске, и оценка результатов контрольных замеров реакций конструкций показывает, что применение обобщенного показателя допустимой скорости смещения частиц, не учитывающего работы конструкции, не может служить окончательным критерием сейсмической взрывобезопасности сооружений.
Таким образом, при оценке степени воздействия СВВ и УВВ на здания и сооружения при производстве взрывных работ необходимо учитывать: распределение напряжений при преломлении в конструкцию сеисмовзрывных и воздушных ударных волн, концентрации напряжений в отдельных узлах конструкции, развитие очагов разрушения в местах концентрации напряжений, снижение прочности материалов при многократном воздействии взрыва.
Связь с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ. Тема диссертации входит в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ по двум позициям: природоохранные технологии и мониторинг окружающей среды. Кроме того, работа ведется в рамках существующей региональной программы Правительства Ленинградской области по рациональному использованию минерально - сырьевой базы и снижению уровней техногенного воздействия горных работ на окружающую среду и прилегающие здания и сооружения.
Цель работы. Оценка степени техногенного воздействия взрыва на охраняемые объекты на основе расчета развития очагов разрушения в местах
6 концентрации напряжений при преломлении в конструкцию сеисмовзрывных и воздушных ударных волн Задачи работы.
Мониторинг развития трещин в узлах зданий при производстве массовых взрывов на близкорасположенных карьерах.
Оценка прочностных свойств стеновых материалов исследуемых зданий.
Определение локальных напряжений, возникающих в узлах конструкций зданий и сооружений при преломлении в них возмущений, создаваемых сейсмовзрывными и воздушными ударными волнами.
Оценка концентрации напряжений в узлах конструкций и сравнение данных о концентрации напряжений с результатами оценки прочностных свойств стеновых материалов.
Создание методики расчета роста трещин в очагах разрушения при одиночных и массовых взрывах.
Идея работы. Параметры воздействия СВВ и УВВ на здания и сооружения должны основываться не только на определении допустимой скорости смещения частиц в волнах нагрузки, но и на прогнозе развития очагов разрушений в конструктивных элементах, основанном на расчете возникновения и роста трещин вследствие концентраций напряжений.
Научная новизна.
Показано, что стойкость зданий и сооружений к воздействию СВВ и УВВ должна определяться не только допустимой скоростью смещения частиц, но и развитием очагов разрушения в зданиях и сооружениях.
Разработан метод расчета очагов разрушения, представляющий собой увеличение в размерах трещин в зданиях и сооружениях под действием концентрации напряжений в отдельных узлах зданий и сооружений.
Установлена зависимость распределения динамических напряжений в зданиях и сооружениях от параметров СВВ и УВВ.
Защищаемые научные положения.
Воздействие взрывных нагрузок на здания и сооружения приводят к возникновению и развитию трещин в узлах конструкции, что сопровождается снижением пределов прочности материалов узлов.
Безопасный уровень воздействия сейсмовзрывных и воздушных ударных волн на здания и сооружения при производстве массовых взрывов должен определяться не только по допустимой скорости смещения частиц, но и по концентрации локальных напряжений, возникающих в отдельных узлах конструкции.
Прогноз разрушения конструкции должен основаться на расчете возникновения и роста трещин в очагах разрушения.
Достоверность научных положений. Обосновывается большим объемом проанализированной и обобщенной исходной информации о сейсмическом действии взрыва, физической обоснованностью постановки и решения задач, мониторингом разрушения зданий от действия массовых взрывов, совпадением рассчитанных и наблюдаемых повреждений.
Методы исследований. При выполнении работы применялись методы обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений, мониторинга роста трещин в элементах конструкции, методы определения прочностных свойств материалов в лабораторных условиях на индикаторе ИСМ - 190, методы определения трещиноватости на микроскопе МИР - 2, методы расчета распределения напряжений с помощью построения расчетных схем, а так же в программно- вычислительном комплексе StruktureCAD, методы определения концентрации напряжений в ПВК ANSYS, методы математического программирования в пакетах MS Excel и MathCAD.
Практическая значимость работы.
1. Обоснована необходимость дополнительной оценки сейсмического и воздушного ударного действия взрыва на здания, основанной на расчете
развития очагов разрушений при концентрации напряжений в конструктивных узлах.
Разработана модель развития очагов разрушений в узлах конструкций зданий и сооружений при воздействии на них СВВ УВВ.
Разработана методика прогноза роста размеров трещин в очагах разрушения конструкции при однократном и многократном действии взрыва.
Личный вклад автора. Мониторинг развития трещин в узлах зданий
г. Каменногорска при производстве массовых взрывов на
близкорасположенных карьерах. Оценка прочностных свойств стеновых материалов исследуемых зданий. Определение локальных напряжений и их концентраций в узлах конструкций при преломлении в них возмущений, создаваемых сейсмовзрывными и воздушными ударными волнами. Создание методики расчета роста трещин в очагах разрушения при одиночных и массовых взрывах.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых СПГГИ(ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, 2003-2004 г.г.), всероссийских конференциях УГГА «Уральская горнопромышленная декада» (Екатеринбург, 2003 г)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, 3 приложения, введение и заключение, список используемой литературы из 114 наименований, 99 рисунков и 40 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н. проф. М.Г. Менжулину, развитие идей которого послужило основой работы, а так же за постоянное внимание и помощь в подготовке работы. Автор выражает признательность и благодарность сотрудникам кафедры «Безопасности производств и разрушения горных пород» и рецензентам за ценные научные консультации по работе.
Оценка негативного воздействия сейсмических волн на здания и сооружения по скорости колебания грунта
Все известные формулы для расчета сейсмического действия взрыва основаны на корреляционных зависимостях между массой заряда в ступени замедления, расстоянием до места взрыва и скоростью колебаний, которые изменяются при изменении условий взрыва. Наиболее распространенные формулы, предложенные акад. М.А. Садовским [73] используются для расчета амплитуды скорости колебаний U и периода колебаний Т, и имеют следующий вид:
Показатель степени затухания сейсмовзрывных волн (п) и коэффициент пропорциональности (К) определяются сравнением результатов инструментальных наблюдений значений скорости смещения частиц массива, полученных на различных расстояниях от места взрыва.
При этом отклонение измеренных значений от аппроксимирующих зависимостей может быть весьма велико, что объясняется неизбежным и неконтролируемым изменением многих параметров взрывной отбойки.
Анализ исследований сейсмического эффекта [73, 86] массовых взрывов показывает, что величина скорости колебаний массива зависит практически от всех параметров буровзрывных работ, причем в наибольшей степени скорость колебаний массива определяется: массой заряда в ступени замедления, интервалом замедления, схемой взрывания зарядов, сеткой расположения взрывных скважин.
Диапазон допустимых скоростей смещения достаточно широк и в зависимости от конструктивных особенностей, состояния и назначения сооружения находится в пределах от 0,5 до 10 см/с и более.
При определении допустимых скоростей колебаний важно учитывать их частотный состав, поскольку волны различной частоты при равных значениях скорости смещения представляют опасность в неодинаковой степени. Высокие дома при частоте колебаний до 50 Гц движутся как единое целое. При частоте 10 Гц и более в элементах конструкции преобладают изгибные и растягивающие напряжения, а при частотах 5-10 Гц имеют место оба типа нагрузки.
Зависимости допустимых скоростей колебаний грунта в основании зданий и сооружений от состояния зданий и сооружений, в общем виде сведены в СНиП - II А. 3-62 и СНиП - II А. 12-69 [85] (табл. 1.1, 1.3 прил. 1). Характер повреждений зданий или инженерных сооружений в зависимости от интенсивности колебаний грунта приведен в табл. 1.2 прил. 1.
Действующие Единые правила безопасности (ЕПБ) при взрывных [43] работах предписывают определение сейсмически опасных зон для зданий и сооружений по зависимостям, в основу которых положена допустимая скорость смещения грунта в основании сооружения. ЕПБ рекомендует, за исключением простейших случаев, определять опытным путем допустимый уровень колебаний грунта в основании сооружений.
Проблема изучения сейсмических колебаний может быть частично решена путем применения спектрального анализа сейсмических волн, который позволяет дополнить и уточнить представления о механизме данного явления.
Практическое значение изучения спектрального состава сейсмических колебаний заключается в том, что при знании преобладающих периодов колебаний появляется возможность, при проектировании сооружений, становок и ряда других конструкций, в которых затухание колебаний незначительно, выбрать периоды (частоты) собственных колебаний указанных объектов, чтобы в дальнейшем избежать существенного нарастания амплитуды колебаний при взрывах [67, 70].
Спектральная характеристика взрывного импульса, позволяет оценить изменение его параметров на различных расстояниях от центра взрыва с учетом диссипативных потерь.
При расчете динамических нагрузок на сооружения от взрывных воздействий, как правило, используют максимальное амплитудное значение взрывных волн и длительность их воздействия. Теоретически изменяя тем или иным способом эти параметры, можно управлять взрывным воздействием на массив горных пород. Однако на практике знания только этих двух параметров волн недостаточно.
Волновая картина сейсмических колебаний, возбуждаемых массовыми взрывами, имеет свои особенности. Во-первых, массовый взрыв как источник сейсмических колебаний имеет чрезвычайно сложную структуру, трудно поддающуюся математическому описанию. Это связано главным образом с применением сложных схем инициирования, отвечающих требованиям получения горной массы с заданными характеристиками; короткозамедленного взрывания, пространственным рассредоточением заряда, как в пределах взрываемого блока, так и по различным отрабатываемым участкам и горизонтам. В результате происходит наложение колебаний, вызванных взрывами отдельных ступеней серии зарядов, разных блоков, горизонтов. При этом нередко нарушается последовательность прихода различных типов волн, что затрудняет расшифровку сейсмограмм, оценку кинематических и динамических характеристик волн. Во-вторых, горно-геологические условия чрезвычайно разнообразны и изменчивы на всем пути распространения сейсмовзрывных колебаний от места взрыва до района расположения охраняемых объектов [40].
С точки зрения снижения сейсмической опасности эффективным способом является КЗВ позволяющий свести сейсмический эффект взрыва к воздействию массы ВВ, приходящейся на одну ступень замедления. Это дает возможность существенно увеличить масштабы промышленных взрывов в соответствии с технологическими потребностями горнодобывающих предприятий.
Особенно важным является применение КЗВ в стесненных условиях промышленной и жилой застройки, где регулирование сейсмического эффекта путем последовательности взрывания отдельных ступеней замедления зарядов позволяют вести взрывные работы без ущерба для окружающих объектов [67].
Обработка результатов наблюдений
Известно, что интенсивность взрывных волн, возникающих под действием определенным образом сформированного импульса, в процессе их распространения определяется лишь свойствами среды и расстояниям от источника возмущения. В этом случае интенсивность взрывных волн можно регулировать искусственными методами воздействия на них по пути распространения.
Одним из таких методов является создание на пути распространения взрывной волны различных искусственных преград. Эти преграды могут быть выполнены как механическими, так и взрывными методами, они могут быть сплошными или прерывистыми. Снижение интенсивности сейсмовзрывных волн преградой состоит в следующем. При подходе сейсмической волны к образованной преграде часть энергии отразится в массиве благодаря наличию раздела "полость-среда" [67]. При этом количество отраженной энергии зависит от соотношения акустических жесткостей грунта и воздуха.
В интервалах между полостями энергия волны также имеет значительные потери благодаря прохождению по нарушенному, разрыхленному слою, поэтому в данном случае следует ожидать снижения её интенсивности.
Можно выделить два способа устройства искусственной преграды: в первом случае - ближе к источнику возмущения, во втором - непосредственно перед охраняемым объектом.
При многократных взрывах наиболее целесообразно образовывать преграду непосредственно у охраняемого объекта. В этом случае её выполняют постоянной и можно заполнять поглощающим материалом (керамзитом и т.п.). Преграда может быть однорядной и многорядной, шурфы сейсмической преграды - вертикальными, а в случае необходимости - наклонными с уширением в верхней или в нижней части.
В работе [73], методом лабораторного моделирования было исследовано снижение интенсивности упругой волны за преградой в зависимости от изменения диаметра полостей преграды, шага полостей в ряду, расстояния между преградой и источником колебания или охраняемым объектом, что позволило более обоснованно подойти к изучению эффективности искусственных преград в натурных условиях.
Как показали эксперименты [67], размеры зоны действия искусственной преграды ("тени") зависят от размеров преграды по фронту и в глубь массива, а также от мощности взрыва, так как с последним связана длина волны.
Следует отметить, что увеличение расстояния между взрывом и местом устройства преграды при постоянных параметрах снижает интенсивность колебаний в волне за преградой из-за увеличения периода колебаний с расстоянием, и из-за дифракции волн.
Напряженно - деформированное состояние системы «здание - основание» рассматривается в сейсмологии с применением двух физических моделей.
Модель сейсмического воздействия на объект в ее общепринятом современном виде предполагает, что сооружение совершает колебания как система, все точки оснований которой перемещаются синхронно, т.е. в любой момент времени из ускорения, скорости и смещения вдоль горизонтальной прямой, проходящей по подошве фундамента, одинаковы.
Динамическая работа конструкций при этом в основном определяется ускорениями горизонтальной составляющей колебания основания сооружения.
Это представление положено в основу многих расчетных методов, где сооружение рассматривается как одно- двух- или трехмерная система, обладающая массой, ускорение которой вызывают появление инерционных сил.
Развитию этого подхода в приложении к различным задачам строительства посвящены труды СВ. Полякова, И.Л. Корчинского, А.П. Синицына, ЯМ. Айзенберга [75, 79] и ряда других отечественных и зарубежных исследователей.
Рассматриваемое направление разработано достаточно глубоко и давно используется в практике отечественного проектирования и строительства в сейсмических зонах.
Однако необходимо отметить, что расчеты согласно этой модели дают удовлетворительные результаты при прогнозировании последствий именно землетрясений, что связано с мощными длинно - периодными колебаниями грунта.
В случаях, когда длина поверхности сейсмической волны соизмерима с длиной сооружений, возникают эффекты не учитываемые упомянутой выше инерционной моделью.
С помощью инерционной модели исследуется напряженно -деформированное состояние не только зданий, но таких объектов как промышленное технологическое оборудование, например оборудование АЭС [27, 28, 29] и др.
Модель 2. Деформационная. На данный момент разработаны лишь общие положения [42, 75], указывающие на то, что поверхностные волны вызывают не только колебания, но также сжатие - растяжение, подъем и опускание поверхностного слоя земли.
А.Л. Чураян и Ш.А. Джабуа [88], обобщая опыт обследований кирпичных зданий после сейсмических воздействий различного типа, указывают, что при высокочастотных колебаниях число трещин и их раскрытие увеличивается к низу.
Расчет распределения напряжений в элементах конструкций панельного 9-ти этажного и кирпичного 5-ти этажного зданий
Планы несущих стен типового этажа обоих зданий представлены на рис. 3.2.1 и 3.2.2. Жесткостные характеристики материалов определены в гл. 2 и гл. 3,п3.1.1 Т. к. расстройство стыков плит перекрытий в 5-ти этажном кирпичном здании не обеспечивает совместной работы всех продольных и поперечных стен [41], то анализ нагружения каждой стены выполняется, как расчет отдельного элемента. Эта схема отвечает поврежденному состоянию здания.
Исходные значения параметров СВВ и УВВ для расчета принимались по результатам анализа и обобщения измерений параметров СВВ и УВВ для исследуемых зданий, согласно гл.1, п. 1.4: Скорость колебаний (и), согласно табл. 1.4.16 = 0,4 см/с Давление на фронте УВВ (Р), согласно п. 1.4.2 = 200 Па Форма импульса УВВ согласно п. 1.4.2 - треугольная Частота колебаний (f), согласно п. 1.4.2 = 5 Гц Схема нагружения здания при воздействии УВВ приведена на рис. 3.1 приложения 3. Расчет распределения напряжений в узлах сооружения выполнялся при помощи методики прочностного динамического анализа в ПВК SCAD. Расчет основывается на создании конечно-элементной модели и выбора опций для выполнения процесса приложения нагрузок и граничных условий, а затем для определения отклика модели [92].
В комплексе SCAD достаточно хорошо реализована визуализация распределения напряжений в конструкции. Иллюстрации результатов работы программы на примере расчета 9-ти этажного панельного здания по адресу: ул. Леншоссе, д. 92, приведены на рис. 3.2.3 - 3.2.9 Численные значения результатов расчета приведены в таблицах 3.2.1, 3.2.3 В приложении 3 вынесены дополнительные иллюстрации процесса расчета.
Из анализа данных табл. 3.2.1 и по рис. 3.2.5 - 3.2.11 явно видно, что максимальные напряжения возникающие в конструкции - суммарные напряжения, распределяющиеся по внутренней несущей стене при воздействии на здание нагрузок, вызванных УВВ (рис. 3.2.9) и колебании здания (рис.3.2.10) от действия УВВ.
Напряжения, возникающие при воздействии СВВ, не превышают 1,2 МПа, при импульсном воздействии, что значительно ниже пределов прочности материала, однако должны быть учтены для расчета выносливости здания. Предел прочности фундаментных блоков (класс бетона М 75)=7,5 + 12,5 МПа
Предполагаем отсутствие в фундаменте оконных и дверных проемов, т.е. отсутствие концентраторов напряжений. Волна проходит материал фундамента и преломляется в материал стены (кирпич) по следующим зависимостям: (3.3.2) 2р"Ср" сст ч р"Ср" + р Ср где р0 - плотность кирпичной кладки Ср0 - скорость прохождения продольной волны в кирпичной кладке стены ._2 2 1,70 103 3,50 103 cr2 =6,15 10-2 : - —, = 0,033 МПа 1,70 103 3,50 103 +1,95 103 5Д82 10 Полученные результаты сравниваем с пределами прочности кирпичной кладки в двух вариантах: Новая кладка - т , согласно ГОСТ 530-80 составляет 5 МПа Старая кладка - а была рассчитана в лабораторных условиях (гл. 2 п 2.2) кирпич = 3,09 МПа; 0- раствОр= 1 07 МПа По формуле Онищика [85] принимаем предел прочности кладки 1,3 МПа. Рассмотрим одноосное растяжение плоскости стены в её нижней части (непосредственно над фундаментом), Направление - от центра стены к краям Для определения значений напряжения воспользуемся задачей о равномерном одноосном растяжении плоскости с отверстием. Большая ось перпендикулярна оси нагружения стРаст =2,71 103 6,41 103 0,718 10"2=0,12 МПа Согласно Колосову и Инглису [2, 92, 93] по большей оси распределение напряжений имеет вид:
Программа ANSYS представляет собой многоцелевой пакет проектирования и анализа с помощью которого создается компьютерная модель конструкции и её составных частей; прикладываются действующие усилия; исследуется отклики системы в виде распределений напряжений [111].
Средства препроцессорного твердотельного моделирования программы ANSYS позволяют иметь дело непосредственно с геометрической моделью, не обращаясь к специфическим объектам (узлам и элементам) конечно-элементной модели. Для того чтобы облегчить генерацию модели, программа отделяет фазу задания геометрии и граничных условий от построения сетки конечных элементов. Программа строит сетку для получившейся модели, что определяет местоположение узлов и связность элементов.
Анализ, который проводится с помощью программы ANSYS/Structural, состоит из трех стадий: препроцессорная подготовка, получение решения постпроцессорная обработка.
На стадии препроцессорной подготовки задаются необходимые для решения исходные данные. Для этого выбираются координатные системы и типы конечных элементов, указывает упругие постоянные и физико-механические свойства материала, строит твердотельную модель и сетку конечных элементов, выполняет необходимые действия с узлами и элементами сетки, задает уравнения связи и ограничения.
Результаты анализа получаются на стадии решения, после того как в процессе препроцессорной подготовки построена расчетная модель. Ограничения степеней свободы, заданные на модели, автоматически передаются программой в сеточную модель при инициализации процедуры численного решения.
Расчет концентраторов напряжений с помощью компьютерного моделирования в пакете ANSYS.
Здания, расположенные в зоне действия взрывных работ подвергаются воздействиям сейсмовзрывной и воздушной ударной волны в течение всего срока их эксплуатации. В период до 1991 года на близлежащих к г. Каменногорску карьерах в совокупности ежегодно производилось около 500 взрывов зарядов ВВ весом в среднем 45 т., максимальные значения достигали 60 т. С 1992 по 2005 год число взрывов и масса зарядов уменьшилась.
В настоящее время взрывы ведутся ступенями с суммарной массой заряда в блоке 25- - 27 т., при максимальной массе заряда ступенями 2,5- - 3,5 т.
Исследования состояния зданий в г. Каменногорске в настоящей работе и результаты исследований других авторов (в частности СПбЗНИИПИ) позволили определить здания, представляющие наибольшую опасность по возможному разрушению. Это жилое девятиэтажное панельное здание по адресу ул. Леншоссе, д. 92 и пятиэтажное кирпичное здание по адресу ул. Песчаная, д. 2.
Мониторинг роста трещин позволил выявить продолжающееся трещинообразование в несущих конструкциях зданий. Сравнительно с результатами исследований СПбЗНИИиПИ увеличение размеров трещин за период с 1997 по 2005 гг. составило: в панельном здании по адресу ул. Леншоссе, д. 92 - от 0,5 до 2,8 м, в зависимости от места расположения трещины, в кирпичном здании по адресу ул. Песчаная, д. 2 - от 1,0 до 5,0 м,
Указанные здания прошли период стабилизации деформаций грунтов основания. Увеличение размеров существующих трещин происходит явно во время или непосредственно после проведения взрывов. При этом скорости колебаний грунтов 0.05 - 0.1 см/сек и избыточные давления 0.5-0.25 кПа, что значительно меньше значений допустимых скоростей для данных классов сооружений согласно СНиП - II А. 3-62 и СНиП - II А. 12-69 [85].
Анализ исследований прочностных характеристик материалов стен и расчеты напряженного состояния конструкций показывают, что максимальные значения величины распределенных в узлах конструкции напряжений (порядка 0,4 МПа для кирпичной кладки 5-ти этажного дома по Песчаной,2 и 3,0 МПа для бетонных элементов 9-ти этажного панельного дома на Леншоссе, 92) значительно меньше пределов прочности указанных материалов, даже с учетом коэффициента выносливости (порядка 1,3 МПа и 17 МПа соответственно).
Однако, при концентрации напряжений (порядка 0,98 и 5,85 МПа) эти значения опасно сближаются, а для кирпичной кладки, учитывая особенности силикатного кирпича, могут сравняться.
Существующие методы оценки сейсмостойкости зданий и сооружений, а так же их реакции на воздействие воздушных ударных волн основаны на исследовании колебаний элементов конструкций или всего сооружения, что не позволяет прогнозировать образование новых и развитие существующих очагов разрушения. Для решения этой задачи в настоящей работе предложен метод расчета развития существующих очагов разрушения, представляющих собой строительные или возникшие при эксплуатации трещины. Решение этой задачи реализуется с помощью нескольких подходов. Один из них основан на пересчете массовых скоростей в сейсмической волне под основанием сооружения, пересчете их на компоненты напряжений и далее на расчете компонент напряжений в отдельных узлах конструкции зданий при распространении преломленной волны.
Углы проемов и сочленения зданий являются концентраторами напряжений. При наличии в области таких концентраторов напряжений строительных или возникших при эксплуатации трещин в их вершинах создаются локальные концентрации напряжений. При этом в ряде случаев создаются условия для увеличения размеров существующих трещин. Подрастание трещин происходит на каждом цикле колебаний. Такое увеличение размеров трещин на каждом цикле очень незначительно, составляет сотые доли миллиметра и менее. Однако при многократно повторяющихся воздействиях рост трещин может составлять десятки сантиметров в год, что подтверждается наблюдением за ростом трещин относительно устанавливаемых маячком.
С целью более тщательного обследования роли преломленных в здания сейсмовзрывных и воздушных ударных волн в картине напряжений были адаптированы программные комплексы StruktureCAD, ANSYS, реализация разработанной методики расчета роста трещин произведена в ПВК MathCAD.
Усовершенствованная таким образом методика расчета найдет применение не только для оценки взрывных воздействий, но и для анализа влияния на здания микросейсм от движения тяжелого транспорта, метро, работы оборудования и т.п.
