Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния исследуемого вопроса (обзор отечественной и зарубежной литературы)
1 Краткий анализ развития теории сейсмостойкости 20
2 Анализ статистических методов теории сейсмостойкости 28
3 Использование теории принятия решений в задачах проектирования сейсмостойких конструкций 32
4 Обзор исследований по вопросам надежности и сейсмического риска 39
5 Цели и метод исследования 48
ГЛАВА 2. Разработка рекомендаций уровня сейсмического воздействия
1 Оценка вероятности наступления предельного состояния, удовлетворяющего нормам сейсмостойкого строительства 51
2 Методика, алгоритм и программное обеспечение для оценки уровня сейсмического воздействия при оценке сейсмостойкости сооружения 54
3 Оценка влияния срока службы сооружения на расчетный уровень сейсмического воздействия 58
4 Разработка рекомендаций по заданию расчетного ускорения сейсмического воздействия с учетом ситуационной сейсмичности 62
5 Разработка предложений по назначению уровня сейсмиче ского воздействия при расчете сооружений на действие ПЗиМРЗ 64
6 Оценка уровня сейсмического воздействия при расчете высотных зданий 73
7 Выводы по разделу 2 77
ГЛАВА 3. Оценка коэффициентов сочетаний сейсмического и других воздействий 84
1 Методика, алгоритм и программное обеспечение для назначения коэффициентов сочетаний для различных нагрузок с ПЗ и МРЗ 84
2 Оценка коэффициентов сочетаний сейсмической нагрузки с подвижной железнодорожной, температурной и другими нагрузками при анализе единичного объекта 87
3 Оценка коэффициентов сочетаний сейсмической и подвижной железнодорожной нагрузки при анализе сейсмостойкости участка железнодорожной линии (при рассмотрении группы объектов) 92
4 Оценка коэффициентов сочетаний сейсмической и подвижной железнодорожной нагрузки при анализе сейсмостойкости протяженных сооружений 98
3.4.1 Оценка вероятности нахождения поезда на мосту при землетрясении 100
3.4.2 Оценка коэффициентов сочетаний сейсмической и подвижной железнодорожной нагрузки в зависимости от длины моста и грузонапряженности линии 109
5 Выводы по разделу 3 125
ГЛАВА 4. Принятие решений о степени антисейсмического усиления сооружений и других антисейсмических мероприятиях на основе теории сейсмического риска
1 Экономическая эффективность сейсмостойкого строительства и обоснование затрат на сейсмостойкое строительство 128
Развитие методов оценки экономической эффективности сейсмостойкого строительства 132
Статистические оценки параметров сейсмического риска и их использование при обосновании антисейсмического усиления объектов 139
1 Методика оценки приемлемого сейсмического риска и его дисперсии 139
2 Оценка приемлемого экономического риска 144
Связь методов теории надежности и сейсмического риска 148
Выводы по разделу 4 152
ГЛАВА 5. Приложение методов теории надежности и риска к решению инженерных задач сейсмостойкого строительства 156
Сопоставительная оценка проектирования двухэтажного здания МЧС с расчетной сейсмичностью 8 баллов 156
Оценка уровня расчетного воздействия и надежности железнодорожного моста через р. Аму-Дарья в Туркмении
1 Оценка сейсмической опасности площадки строительства 156
2 Оценка расчетного уровня сейсмического воздействия 160 Анализ сейсмостойкости металлической башни «Ramboll» системы сотовой телефонной связи в г. Иркутске 166
1 Общая характеристика сейсмической опасности территории 166
2 Исходные данные для расчета 167
3 Расчет башни по методике СНиП 172
4 Оценка сейсмической нагрузки на башню с учетом ситуационной сейсмичности и срока службы сооружения 174
5 Оценка коэффициентов сочетаний сейсмической и ветровой нагрузок 176
5.3.Уточненные результаты расчета башни и их анализ 181
5.4 Выводы по разделу 5 185
Общие выводы 188
Литература 194
- Использование теории принятия решений в задачах проектирования сейсмостойких конструкций
- Методика, алгоритм и программное обеспечение для оценки уровня сейсмического воздействия при оценке сейсмостойкости сооружения
- Оценка коэффициентов сочетаний сейсмической и подвижной железнодорожной нагрузки при анализе сейсмостойкости участка железнодорожной линии (при рассмотрении группы объектов)
- Методика оценки приемлемого сейсмического риска и его дисперсии
Введение к работе
Актуальность темы. Более 20% территории России расположено в сейсмически опасных районах. На этой территории, а также в регионах бывшего СССР в период с 1948 года произошло 26 разрушительных землетрясений, которые привели к тяжелым экономическим и социальным последствиям. В связи с этим вопросам сейсмостойкости сооружений уделяется значительное внимание. С 1930 года в СССР введены нормы сейсмостойкого строительства. С 1962 года по настоящее время в нормах для оценки сейсмостойкости сооружений используется линейно-спектральный метод (ЛСМ) оценки сейсмостойкости сооружений, основанный на спектральном разложении уравнений движения по собственным формам колебаний и оценке инерционных сейсмических нагрузок по каждой форме.
Нормативный вариант ЛСМ разработан применительно к расчету объектов массового строительства и дает приемлемые оценки сейсмостойкости именно для этих объектов в средних сейсмогеологических условиях. Однако в настоящее время приходится сталкиваться с сооружениями, строящимися и эксплуатируемыми в особых условиях, существенно отличающихся от среднестатистических. Эти отличия могут заключаться в повторяемости расчетных сейсмических воздействий, повторяемости других нагрузок (ветровых, снеговых, транспортных и т. п.), сроке службы сооружения, его значимости и степени ответственности, величине ущерба от разрушения. К числу зданий и сооружений с такими особенностями относятся здания повышенной этажности, сооружения со специальными системами сейсмозащиты, включающими сейсмоизоляцию и сейсмогашение, сооружения шельфовой зоны, сооружения систем транспорта и связи и.т.п. В условиях рыночной экономики необходимо учитывать и собственника сооружения. Например, ОАО «РЖД» может предъявлять особые требования к транспортным объектам.
Указанные особенности приводят к необходимости уточнения расчетного уровня сейсмического воздействия и определяют актуальность выбранной темы.
Степень разработанности проблемы.
Вопросу обоснования уровня сейсмического воздействия уделялось первостепенное внимание в теории сейсмостойкости, начиная от первых исследований японских специалистов Ф.Омори и Н.Мононобе до наших дней. Большой вклад в решение проблемы внесли И.Л.Корчинский, С.В.Медведев, К.С.Завриев, А.Г.Назаров, Ш.Г.Напетваридзе, О.А.Савинов, Я.М.Айзенберг, Г.Н.Карцивадзе, М.Био, Г.Хаузнер и др.
К числу основополагающих работ, учитывающих случайный характер сейсмического воздействия, относятся исследования А.Д.Абакарова, Я.М.Айзенберга, М.Ф.Барштейна, В.В.Болотина, И.И.Голденблата, Г.Н.Карцивадзе, Н.А.Николаенко, О.А.Савинова и других специалистов. За рубежом эти вопросы затрагивались в работах Г.Хаузнера, М.Био, Е.Ванмарке, Н.Ньюмарка, Э.Розенблюта и других основоположников современной науки о сейсмостойком строительстве
Серьезные исследования проблемы с позиций статистической динамики и теории надежности выполнены А.Н.Бирбраером, А.А.Петровым, С.Г.Шульманом, Г.С.Шульманом, Ю.У.Альбертом и другими учеными.
Значительное количество исследований посвящено проблемам сейсмического риска и сейсмической уязвимости. Эти вопросы освещены в трудах М.А.Клячко, А.П.Синицына, Г.Л.Коффа, С.Шаха, Р.Дуарте. В работах Г.Кюрнрейтера, а также в книгах О.Н.Елисеева, А.М.Уздина и Т.А.Белаш сделаны попытки рассмотреть задачи обеспечения сейсмостойкости сооружения с позиций математической теории принятия решений.
На основе исследований последних 30 лет сложилось современное понимание инженерных требований к сейсмостойкому строительству в целом. Эти требования сформированы в работах Я.М.Айзенберга, Дж.Барра, И.И.Голденблата, Д.Доврика, Л.С.Килимника, Н.А.Николаенко, С.В.Полякова, Р.Порка, М.Фардиса и других специалистов. В настоящее время они учтены в Еврокоде-8. Согласно этим требованиям конструкция должна сохранять эксплуатационные свойства при относительно частых и слабых землетрясениях, иметь ограниченный объем повреждений при землетрясениях средней силы и повторяемости и обеспечить сохранность жизни людей и ценного оборудования при редких разрушительных землетрясениях. В соответствии с этой концепцией необходимо проводить несколько расчетов конструкции на землетрясения различной силы и повторяемости при разных предельных состояниях.
Обилие исследований по рассматриваемому вопросу привело к тому, что разные авторы вкладывают различный смысл в понятия сейсмической надежности и сейсмического риска. При этом методы обоснования расчетных нагрузок с позиции теории надежности и риска не согласованы между собой. Рекомендации по заданию расчетных нагрузок на сооружения различной степени ответственности не имеют необходимого обоснования.
Целью работы явилось обоснование расчетного уровня сейсмической нагрузки для расчета зданий и сооружений, возводимых и эксплуатируемых в особых условиях, отличных от условий массовой застройки.
Для достижения поставленной цели потребовалось:
определить связь надежности здания или сооружения с расчетным уровнем сейсмического воздействия при землетрясениях различной силы;
установить связь коэффициентов сочетаний сейсмической и других нагрузок с надежностью зданий и сооружений;
оценить зависимость экономических показателей сейсмостойкого строительства и сейсмического риска от степени антисейсмического усиления сооружения и сейсмической опасности территории;
установить взаимосвязь методов теории надежности и методов теории риска при оценке необходимой степени усиления зданий и сооружений.
Методика исследований включает построение математических моделей рассматриваемых систем, их численный и аналитический анализ; сопоставление получаемых результатов с имеющимися последствиями прошлых землетрясений; разработку предложений по использованию полученных результатов в инженерной практике.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана методика задания расчетного уровня сейсмического воздействия для сооружений, эксплуатируемых в особых условиях (отличных от условий строительства и эксплуатации объектов массовой застройки);
разработаны рекомендации по заданию расчетного уровня сейсмического воздействия для многоуровневого проектирования с учетом повторяемости землетрясений, а также срока службы и ответственности сооружения;
разработаны рекомендации и дана оценка уровня расчетного воздействия для проектирования высотных зданий;
разработана методика оценки коэффициентов сочетаний сейсмической и других нагрузок;
установлено, что для железнодорожных протяженных сооружений необходимо сочетать сейсмическую и железнодорожную подвижную нагрузку; оценены коэффициенты сочетаний сейсмической и подвижной железнодорожной нагрузки;
получена аппроксимирующая формула для оценки сейсмического риска, рассчитаны статистические параметры сейсмического риска (математическое ожидание и дисперсия), выполнена оценка приемлемого сейсмического риска;
установлено условие эквивалентности применения методов теории надежности и методов теории сейсмического риска, что упрощает задание уровня сейсмического воздействия при многоуровневом проектировании.
На защиту выносятся:
методика задания расчетного уровня сейсмической нагрузки на здания и сооружения различной степени ответственности;
алгоритм и программное обеспечение для учета ситуационной сейсмичности по трем картам ОСР при задании расчетного уровня сейсмического воздействия;
методика оценки коэффициентов сочетаний сейсмической нагрузки с другими нагрузками на здания и сооружения, эксплуатируемых в особых условиях, в том числе для линейных (протяженных) сооружений и для группы сооружений;
рекомендации по необходимой степени антисейсмического усиления ряда инженерных сооружений, в частности, зданий с различным сроком службы, высотных сооружений, транспортных сооружений;
рекомендации по назначению коэффициента сочетаний сейсмической и других нагрузок;
условие эквивалентности расчетов сейсмической нагрузки, основанных на теории надежности и теории риска.
Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием апробированных методов теории надежности и риска, строительной механики и математики и подтверждается соответствием результатов исследований данным, полученным другими авторами по отдельным вопросам, рассмотренным в диссертации. Основные выводы диссертации согласуются с имеющимися натурными данными, взятыми из опыта прошлых землетрясений.
Практическая ценность работы заключается в том, что теоретический анализ надежности и риска в сейсмостойком строительстве доведен до практических предложений в соответствующие нормативные документы, а также в разработке программных средств для определения расчетных сейсмических ускорений.
Результаты диссертационной работы реализованы в ряде нормативных документов, а также при проектировании и строительстве конкретных сооружений.
При разработке ТУ на проектирование моста через пролив Невельского с Дальневосточного побережья на остров Сахалин, а также при проектировании сооружений на железнодорожной линии Южно-Сахалинск – Погиби (НИИ мостов, Санкт-Петербург, 1999 г).
При проектировании моста через р. Аму-Дарья вблизи г. Керки (ЗАО «Стройкомплекс», Санкт-Петербург, 1999 г).
При разработке Свода Правил по проектированию и расчету транспортных сооружений из металлических гофрированных конструкций (НИИ мостов, Санкт-Петербург, 2000 г).
При разработке проекта Свода Правил по расчету сейсмостойкости сооружений в развитие СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах» (НТЦ СС, Петропавловск-Камчатский, 2000 г, по заказу Госстроя России).
При разработке предложений по антисейсмическому усилению плит безбалластного мостового полотна (НИИ мостов, Санкт-Петербург, 2001 г).
При разработке проекта Свода правил по расчету многоопорных конструкций (ПГУПС, Санкт-Петербург, 2004, по заказу Госстроя России).
При проектировании железнодорожных мостов для олимпийских объектов Большого Сочи (ОАО «Трансмост», Санкт-Петербург, 2010).
Апробация работы. Результаты исследований докладывались:
на семинарах и научно-технических конференциях в Санкт-Петербургском университете путей сообщений и государственном архитектурно-строительном университете (1998-2011гг.).
На 12-ой Всемирной конференции по сейсмостойкому строительству (Новая Зеландия, Окленд, 2000 г)
На 12-ой Европейской конференции по сейсмостойкому строительству (Лондон, 2002 г.)
На 13-ой Всемирной конференции по сейсмостойкому строительству (Канада, Ванкувер, 2004 г)
На IV Савиновских чтениях (Санкт-Петербург, 2004 г)
На 13-ой Европейской конференции по сейсмостойкому строительству (Женева, 2006 г.)
На 11-ой всемирной конференции по сейсмоизоляции (Гуньджоу, 2009).
На 14-ой Европейской конференции по сейсмостойкому строительству (Охрид, 2010 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы (131 наименование из них 25 на иностранном языке); содержит 208 страниц текста, в том числе 59 рисунков и 34 таблицы.
Использование теории принятия решений в задачах проектирования сейсмостойких конструкций
Полный расчет наиболее детально развит в работах В.В.Болотина [17]. Им фактически решена задача построения автокорреляционной функции главных координат К55а 5(t,,t2,...tn) и в конечном счете перемещений конструкции
по заданной автокорреляционной функции воздействия для линейной системы с пропорциональным демпфированием. При этом им предложено моделировать сейсмическое воздействие в виде произведения случайного стационарного процесса и детерминистской огибающей. Основные трудности при практическом использовании методики [17] состоят в необходимости построения входной акселерограммы, описывающей вероятностные свойства сейсмического воздействия. Дело в том, что из 26 разрушительных землетрясений, имевших место на территории бывшего СССР с 1948 года, 24 произошли в районах, которые считались несейсмичными или слабосейсмичными [77]. Аналогичная ситуация наблюдалась и в других странах. Современная наука не может точно предсказать силу землетрясения, а методика [17] требует задания большого числа параметров, включая спектральный состав воздействия, эпицентральное расстояние, затухание колебаний во времени и т.п. В настоящее время такая детализация не представляется возможной. Кроме того, рассматриваемая методика оставляет открытым вопрос типового проектирования, когда конструкция должна удовлетворять требованиям сейсмостойкости для широкого класса площадок с разными сейсмогеологическими условиями. Наконец, методика [17] разработана для линейных систем. В связи с отмеченными сложностями для последовательной реализации полного статистического расчета конструкции вместо построения входной акселерограммы был развит подход, называемый в литературе статистическим моделированием. Этот подход исходит из расчета конструкции на динамическое воздействие, заданное реальной акселерограммой как реализацией случайного процесса. Выполнив расчет на группу акселерограмм, для каждой акселерограммы можно получить значение анализируемого фактора смещения, усилия и т. п. ). По ним можно найти математическое ожидание Ф и его дисперсию. Такой подход реализован, например, в [1,31].
Как отмечается в литературе [101], в случаях, когда удается собрать представительную группу акселерограмм, результаты расчетов различных факторов по спектральной методике для объектов массового строительства удовлетворительно согласуются с их математическим ожиданием, полученным статической обработкой результатов расчетов. В этом случае представляется возможным оценить надежность прогноза величины анализируемого фактора, поскольку помимо математического ожидания рассчитывается и его дисперсия.
Основной проблемой при реализации рассматриваемого варианта статистического метода является выбор представительного набора акселерограмм. Индивидуальные особенности сейсмических колебаний грунта в определенном месте при конкретном разрушительном землетрясении зависят от ряда случайных факторов: рода грунта, расстояния от эпицентра, геологического строения местности и др.
В связи с этим, при полном расчете конструкции возможность статистической обработки акселерограмм, записанных в разных местностях и при различных очагах землетрясений, представляется дискуссионной. Видимо, полное решение задачи возможно в этом случае лишь по мере накопления инструментальных данных о колебаниях грунта при сильных землетрясениях. Помимо указанной принципиальной трудности задания воздействия, статистическое моделирование весьма трудоемко, так как требует многочисленных динамических расчетов конструкции. Как известно [65], при полном отсутствии информации о функции распределения исследуемой величины необходимо проведение п испытаний (расчетов). При этом выполняется следующее правило: где у - доверительная вероятность уровня надежности Р. Если задать вероятность отказа (1-Р)=10 6 и у=0.95, то п=3000000. Резюмируя сказанное, можно заключить, что при современной, весьма ограниченной информации о сейсмических воздействиях последовательная реализация полного статистического метода расчета сооружений на сейсмические воздействия не представляется возможной, а имеющиеся численные результаты условны.
Что касается упрощенного подхода, то он базируется на статистической оценке расчетного уровня сейсмического воздействия и упрощенных расчетах по линейно-спектральной методике [15,30,32,73,106] или акселерограммам землетрясений [9,29,73]. Такого рода расчеты детально рассмотрены в литературе и удовлетворительно согласуются с опытом прошлых землетрясений [101]. Большое внимание при этом уделяется физической интерпретации инженерных расчетов [25,48,101, и др.]. Однако и здесь не обходится без противоречий. Например, в [24] утверждается, что нормативный расчет - это расчет на частые слабые воздействия, а в [69], наоборот, считается, что это расчет на действие сильного разрушительного землетрясения. Некоторую ясность по существу рассматриваемого вопроса удалось получить благодаря последним исследованиям в области нормирования сейсмостойкого строительства [14,32,53,110] и подготовке Еврокода [114], представленного в 2002 году [115]. В соответствии с этими разработками рекомендуется проведение расчетов сооружения для ряда воздействий и соответствующих им предельных состояниях. Для каждой пары «расчетная нагрузка - предельное состояние» предполагается определенная вероятность возникновения. Превышения нагрузкой расчетной величины рассматривается как отказ конструкции, т.е. каждому виду отказа (предельного состояния) приписывается допустимая вероятность его появления.
Рассматриваемых расчетов должно быть, как минимум, два - расчет на действие относительно частых и слабых землетрясений, которые в соответствии с нормами расчета АЭС называют проектными (ПЗ) и расчет на действие разрушительных редких землетрясений, называемых максимальными расчетными землетрясениями (МРЗ). ПЗ соответствует предельное состояние, связанное с нарушением нормальной эксплуатации сооружения, а МРЗ - предельное состояние, связанное с разрушением конструкции [14]. В упомянутом Евроко-де-8 эти предельные состояния называются соответственно "serviceability limit states" (SLS) и "ultimate limit state" (ULS) [110,115]. Однако до настоящего времени нет единого мнения о повторяемости ПЗ и МРЗ и четкой регламентации предельных состояний. В качестве примера в таблице 1.1 приведены данные различных авторов по повторяемости ПЗ и МРЗ:
Методика, алгоритм и программное обеспечение для оценки уровня сейсмического воздействия при оценке сейсмостойкости сооружения
Однако нечеткость определения предельных состояний, отсутствие точных требований к надежности и невозможность в такой ситуации четкой постановки задачи о принятии решения о необходимой степени антисейсмического усиления сооружения ведут к ситуации, когда инженер не имеет точного ответа на вопрос - каким срокам службы и каким вероятностям возникновения предельных состояний соответствует запроектированная по нормам конструкция. Это в свою очередь приводит к тому, что при проектировании основные характеристики сооружения определяются в значительной мере субъективно, исходя из опыта прошлых землетрясений и возможностей заказчика. При этом сооружения проектируются не равнонадежными, а вложение средств в сейсмостойкое строительство оказывается не рациональным.
Между тем, рассматриваемая задача может быть поставлена строго математически, как задача классической теории принятия решений. При этом уровень расчетной нагрузки на сооружение рассматривается как параметр управления надежностью сооружения или риском. Надежность или риск выступают при этом в качестве целевой функции. Иными словами универсальным показателем, определяющим надежность проектируемого сооружения и ожидаемый сейсмический риск, является расчетный уровень сейсмического воздействия. Оценка этого уровня, представляющего собой расчетное ускорение основания, возможна из условия обеспечения допустимой надежности или допустимого риска. Такая оценка должна базироваться на показателях сейсмической опасности территории, ответственности проектируемого сооружения и его сроке службы.
Несмотря на то, что в литературе постоянно подчеркивается ограниченность сейсмологической информации для задач сейсмостойкого строительства, современные данные, в частности, карты ОСР — 97 территории России, позволяют рассматривать задачу оценки сейсмической опасности территории и надежности проектируемых для этой территории сооружений. Однако до настоящего времени отсутствует решение поставленной задачи в удобной для инженерных приложений форме.
В связи с изложенным в диссертационной работе поставлена задача разработать методику оценки уровня сейсмической нагрузки на сооружение с учетом сейсмической опасности территории, срока службы сооружения и его ответственности. Уровень сейсмического воздействия должен оцениваться величиной расчетного ускорения в соответствии с действующими СНиП «Строительство в сейсмических районах». Учитывая сложившийся многоуровневый подход к проектированию сейсмостойких сооружений задача оценки уровня расчетного воздействия должна ставиться для каждого уровня. Как минимум расчетное воздействие должно задаваться для проектного (ПЗ) и максимального расчетного (МРЗ) землетрясений.
Для решения поставленной задачи привлекаются методы теории надежности и риска. Важной проблемой при этом становится обоснование допустимой надежности или риска при проектировании. Для решения этой проблемы используется принцип сбалансированного риска и опыт сейсмостойкого строительства, признающий допустимым определенные повреждения зданий и сооружений.
Для иллюстрации разработанных методов и возможности их практического применения в работе сделаны реальные примеры расчета уровней расчетной нагрузки для некоторых сооружений. При решении конкретных задач используются данные о сейсмической опасности территории по картам ОСР - 88, а в некоторых случаях - по атласу сейсмической сотрясаемости территории СССР [81].
Как отмечалось выше, действующие СНиП не рассматривают расчет на сейсмические воздействия с позиций теории надежности. В частности, основной критерий сейсмостойкости может выполняться для различных сооружений с различной вероятностью. В СНиП П-7-81 [92] в качестве основного критерия обеспечения надежности при проектирования зданий и сооружений в сейсмически опасных районах используется фактически условие соответствия уровней расчетного и предельно допустимого сейсмического воздействия на сооружение. При этом расчетное воздействие нормировано в СНиП следующим образом: для 7 баллов - 1 м/с (А=0.1); для 8 баллов - 2 ; для 9 баллов - 4. Этот подход является не вполне точным, так как не учитывает ряд параметров сейсмического воздействия. Кроме того, представляется целесообразным в качестве критерия надежности использовать не факт превышение ускорениями допустимого значения, а вероятность возникновения предельного состояния в конструкции. Вероятность возникновения предельного состояния соответствует вероятности превышения максимальными ускорениями предельных ускорений. Вероятность такого возникновения єпр равна вероятности того, что случайная величина максимума ускорений Атах превысит случайную величину предельных ускорений [А], приводящих к предельному состоянию конструкции. Входящие в (2.1) величины [А] и Атах зависят от преобладающего периода сейсмического воздействия Т3 и периода основного тона колебаний сооружения То.. Распределение максимальных ускорений при землетрясениях детально исследовано А.Долгой и необходимые зависимости А(Т3) приведены в [73].
Оценка коэффициентов сочетаний сейсмической и подвижной железнодорожной нагрузки при анализе сейсмостойкости участка железнодорожной линии (при рассмотрении группы объектов)
Однако к индексации районов можно подойти более тщательно, с использованием последних результатов сейсмологов. На базе балла и индекса надо иметь возможность построения функции плотности распределения ускорений на площадке строительства и назначать, таким образом, расчетное ускорение более гибко в зависимости от сейсмического режима территории.
Выполненные исследования и разработанная методика позволяют решить задачу задания воздействия при многоуровневом проектировании. В работе оценены значения вероятности отказа (єщ, ЄМРЗ) Для проектного (ПЗ) и максимального расчетного землетрясения (МРЗ). Для средних сейсмологических условий и срока службы сооружения порядка 80 лет для ПЗ Епз 0.1и расчетное ускорение составляет O.lg, а для МРЗ еМрз Ю" и расчетное ускорение составляет 0.4g.
Анализ зависимости расчетных ускорений от вероятности отказа позволяет считать, что в первом приближении уровень расчетных ускорений линейно зависит от логарифма вероятности отказа. Ситуационная сейсмичность влияет и на соотношение между уровнем расчетных ускорений при ПЗ и МРЗ, однако это влияние незначительно. Для площадок с высокой сейсмической опасностью (1в= 9 баллов по карте В) А=(АПз-АМрз) « 0.3; для 1в= 8, Л « 0.15 и для 1в= 7, А « 0.08. Однако при возможности на площадке строительства землетрясений большей силы, чем проектное, наблюдается нарушение линейной зависимости A(log[q]) и увеличение разности (АПЗ-АМРЗ). Иными словами, в рамках принятых приближенных соотношений для повторяемости землетрясений и связи пиковых ускорений с силой землетрясения возможность сильных землетрясений, прогнозируемых по карте С, весьма существенно сказывается на расчетный уровень МРЗ и мало влияет на расчетный уровень ПЗ.
Приведенный в рассматриваемом разделе пример оценки уровней расчетного воздействия на особо ответственные инженерные сооружения показал, что для таких сооружений уровень МРЗ не зависит от ситуационной сейсмичности, а определяется исключительно силой максимально возможного землетрясения на площадке строительства. Во всех рассмотренных случаях расчетное ускорение при [q]=10 6 составило около 0.55g. Этот результат получен в работе формально математически и полностью соответствует соображениям, высказанным О.А.Савиновым в [77,78]. Уровень ПЗ, напротив, существенно зависит от ситуационной сейсмичности. В наших примерах при [q]=0.05 расчетное ускорение ПЗ изменяется от 0.15g до 0.2g.
Выполненные исследования позволяют заключить, что задание уровня ПЗ на крупные высокоответственные сооружения должно учитывать ситуационную сейсмичность на площадке строительства, а уровень МРЗ должен исходить из максимально возможных землетрясений на площадке строительства.
Проведенные исследования нормирования сейсмической нагрузки на высотные здания наглядно показывают особенности выполненной работы. Высотное здание имеет ряд конструктивных особенностей и особенности эксплуатации. Основная конструктивная особенность - значительная высота - приводит к большому периоду основного тона колебаний здания и к снижению расчетного уровня резонансного расчетного воздействия. К эксплутационным особенностям относятся большой срок службы, значительная стоимость ремонтных работ и, самое главное, большая социальная опасность, обусловленная возможностью нахождения в сооружении одновременно большого количества людей. Ни одна из перечисленных особенностей не может быть учтена в рамках СНиП, а предлагаемая методика учитывает все указанные особенности.
В инженерной практике приходится сталкиваться с необходимостью сочетания сейсмической и других видов нагрузок, оказывающих воздействие на сооружения. Так с сейсмической нагрузкой могут сочетаться временные железнодорожная и автомобильная нагрузки, температурная нагрузка, ледовая нагрузка (учитывалась в ТЭО моста через пролив Невельского) и др.
Вопросу сочетания сейсмической и других нагрузок посвящены публикации [64, 75, 99,104], а также соответствующие разделы СНиП. При этом в СНиП П-7-81 коэффициенты сочетания предписывается принимать равными для кратковременной нагрузки - 0.5 и для временной длительной - 0.8. В разделе расчета транспортных сооружений и в [105], коэффициент сочетания для автомобильной нагрузки рекомендуется принимать равным 0.3, для железнодорожной - 0.7; при этом сейсмическая нагрузка учитывается с коэффициентом 0.8. В проекте СНиП СНГ [58] временная длительная нагрузка берется с коэффициентом сочетания 0.95, а кратковременная вообще не рассматривается.
Во всех вышеуказанных источниках коэффициенты сочетания назначались из эвристических соображений без учета сейсмической опасности региона. Повторяемость землетрясений при назначении коэффициентов сочетания была учтена в [79] и в нормах на Туркменской ССР [38], однако развития такой подход пока не получил. В настоящее время в связи с появлением трех карт сейсмического районирования ОСР 97, включенных с 2000 г. в нормы проектирования СНиП П-7-81 , появилась возможность и необходимость пересмотреть вопрос назначения коэффициентов сочетаний сейсмической и других нагрузок. В данной статье выполнена оценка коэффициентов сочетания некоторых характерных нагрузок с сейсмической нагрузкой с учетом новых карт сейсмического районирования.
Методика оценки приемлемого сейсмического риска и его дисперсии
Вопросы надежности и риска тесно связаны с проблемой оценки эффективности сейсмостойкого строительства. Экономическая эффективность должна определять в конечном счете как уровень расчетного сейсмического воздействия, так и степень антисейсмического усиления сооружений. При этом по сравнению с рассмотренными выше методами задания сейсмической нагрузки по критериям надежности и риска анализ экономической эффективности позволяет регламентировать выбор технических решений антисейсмического усиления и инвестиционную политику в сейсмически опасных районах. В частности, известно предложение об исключении антисейсмического усиления зданий. Вместо этого возможно помещение страховой суммы в банк и проведение в случае землетрясения необходимых восстановительных работ.
Основополагающие исследования по вопросам экономики сейсмостойкого строительства выполнены в СССР в середине 60-х годов. Результаты этих исследований приведены в известной брошюре, выпущенной АН СССР в 1964 году [43]. В соответствии с [43] экономическая эффективность Е оценивается по формуле С - капитальные затраты на антисейсмическое усиление сооружения до класса сейсмостойкости Ks; D - величина предотвращенного сейсмического риска при усилении сооружения до класса Ks, при отсутствии антисейсмическо го усиления D =0; v - коэффициент приведения затрат.
Таким образом, величина экономической эффективности вложения средств в сейсмостойкое строительство тесно связана с величиной сейсмического риска. Вместе с тем, экономическая эффективность является более полной характеристикой сейсмостойкости объекта, нежели риск. Во-первых, значение Е зависит от вида начального усиления здания (от капитальных затрат С на это усиление), а во-вторых - от срока службы сооружения, входящего в формулу для коэффициента приведения V. класса сейсмостойкости сооружения
Кривая 1 характерна для сооружений, усиление которых требует значительных затрат, а опасные последствия возникают при относительно слабых воздействиях, а также при существенно нелинейном росте капитальных затрат на антисейсмическое усиление. Например, каменные сооружения с хрупким механизмом разрушения. Усиление таких сооружения с помощью устройства железобетонной рубашки экономически целесообразно при сравнительно небольшом повышении их класса, предотвращающем лишь хрупкое разрушение конструкции. Аналогичная ситуация возникает при сильном нелинейном росте капитальных затрат с увеличением необходимого класса сейсмостойкости сооружений. Например, при усилении мостов для предотвращения сброса пролетного строения с опор достаточно постановки 2-4 дополнительных болтов крепления опорных частей. При этом предотвращается огромный ущерб, возможный при сбросе пролетного строения. Дальнейшее усиление опоры оказывается существенно более дорогостоящим, поскольку возникает необходимость развития сечений и армирования опоры.
Кривая 2 характерна для сооружений со специальными системами сейсмо-защиты (сейсмоизоляция и сейсмогашение). При грамотном проектировании таких систем капитальные затраты на антисейсмическое усиление оказываются незначительными и выгодно повышать класс сейсмостойкости сооружения.
Кривая 3 характерна для некоторых типов относительно сейсмостойких сооружений, например панельных зданий. Эти здания получают при землетрясениях незначительные повреждения. Поэтому предотвращенный ущерб оказывается незначительным.
Использование оценок экономической эффективности позволяет более полно ставить вопрос о целесообразности антисейсмического усиления сооружений. Как известно, принятие решения о степени антисейсмического усиления сооружения является классической задачей теории принятия решений. Для принятия решения необходимо задаться целевой функцией, минимизация (максимизация) которой позволит количественно оценить параметры, определяющие принимаемое решение. Для задач сейсмостойкого строительства такая постановка задачи имеется в монографии И.И. Гольденблата, Н.А. Николаенко и СВ. Полякова [24]. В частности, ими отмечается, что если в качестве целевой функции принимать срок строительства, то никаких антисейсмических мероприятий проводить не следует. В литературе рассматриваются различные варианты целевых функций. Например, в [54] в качестве целевой функции рассматривается прибыль, получаемая от эксплуатации объекта в течение ближайшие 7 лет. В нормативной литературе достаточно полные рекомендации по принятию решений об антисейсмическом усилении сооружений имеются в Инструкции РСН 44-88 [38]. В указанной Инструкции приведено 2 критерия необходимости антисейсмического усиления. Согласно [38] усиление необходимо, если ресурс его долговечности вследствие низкой сейсмостойкости снижается более чем на 20%; антисейсмическое усиление сооружения экономически целесообразно. Рассмотренные разработки позволяют комплексно рассматривать проблему антисейсмического усиления, учитывая стоимость капитальных затрат, срок службы сооружения, срок окупаемости затрат, поведение сооружения под нагрузкой. Вместе с тем, развитие сейсмостойкого строительства позволяет и требует развития методов оценки его эффективности. Это связано со следующим комплексом причин. 1. За сорок лет, прошедших с момента издания работы [24], накоплен большой статистический материал, позволяющий полнее учесть особенности сейсмической опасности на площадке строительства.
