Введение к работе
Актуальность проблемы. Расчет и проектирование сейсмостойких зданий связаны с высокой степенью неопределенности основных расчетных параметров сейсмической нагрузки: момент возникновения землетрясения, его направление, амплитуда, спектральный состав, продолжительность являются случайными. Метод предельных состояний, обеспечивая в целом высокий уровень надежности проектируемых зданий и сооружений, не позволяет оценить количественно этот уровень. Вместе с тем установлено, что при расчете на безопасность вероятность отказа (риск) конструкций сейсмостойких зданий при реализации землетрясения расчетной интенсивности на 2-3 порядка превышает вероятность отказа конструкций здания на действие обычных нагрузок. Оценка уязвимости проектируемых сейсмостойких зданий исключительно важна для анализа возможных потерь в результате землетрясения, для разработки научно обоснованных превентивных и компенсационных мероприятий по повышению безопасности людей и уменьшения последствий от возможных землетрясений. Это требует перехода от метода предельных состояний к прямому методу расчета на надежность по предельно допустимому риску. При этом численная величина надежности как проектируемых, так и эксплуатируемых зданий и сооружений может быть получена только на основе применения вероятностных моделей.
Вопросы оценки сейсмической надежности зданий и сооружений с использованием показателя риска недостаточно освещены в специальной литературе, особенно это касается оценки уязвимости строительных объектов при реализации землетрясений проектной и максимальной интенсивности. Как правило, оценка надежности зданий при сейсмических воздействиях сводится к оценке риска превышения сейсмического ускорения грунтового основания заданный расчетный уровень. Существующие вероятностные методики разработаны, преимущественно, для одномерных консольно-маятниковых моделей сооружений и моделей сейсмической нагрузки как одномерных стационарных случайных процессов в виде белого шума или со скрытой периодичностью. Вместе с тем под действием сейсмических нагрузок сооружения работают как единые пространственные системы.
С помощью современных прикладных расчетных комплексов, реализующих алгоритмы МКЭ, можно провести расчет конструкций сооружений любой степени сложности, в том числе и их вероятностный расчет на действие случайных нагрузок. Используемый для вероятностного анализа дискретных систем метод статистических испытаний связан с многократным расчетом системы по заданному детерминированному алгоритму. Для получения состоятельных оценок первых двух статистических моментов выходных характеристик число вариантов расчета должно составлять от 100 до 500. Для построения функции надежности требуется проведение порядка 104–105 испытаний, что затруднительно использовать в проектной практике.
Поэтому тема диссертации, посвященная дальнейшему совершенствованию вероятностных методов расчета зданий как единых пространственных систем под действием случайных сейсмических нагрузок и оценке их надежности по критерию допустимого риска, является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методики практического вероятностного расчета и оценки сейсмической надежности зданий при использовании пространственных стохастических динамических моделей МКЭ.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
проведение анализа существующих методов расчета надежности сейсмостойких зданий;
разработка модели случайной сейсмической нагрузки с учетом ее нестационарного характера;
разработка методики прямого вероятностного расчета зданий на основе пространственной модели под действием пространственной сейсмической нагрузки в виде случайного нестационарного процесса;
разработка методики и алгоритма расчета надежности зданий повышенной этажности по критерию предельно допустимого риска с учетом сейсмической опасности территории и уязвимости конструкций здания;
для практического внедрения результатов исследований предложить инженерную методику оценки сейсмической надежности зданий максимально адаптированную к существующим нормативным процедурам расчета.
Методы исследования. Поставленные задачи решались аналитическими методами динамики линейных систем, теории случайных функций, теории надежности.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что
разработана методика расчета сейсмической надежности здания как пространственной системы по критерию риска превышения его полного перемещения заданный уровень;
выведена формула эффективного периода колебаний пространственной динамической системы, получены упрощенные зависимости для систем, работающих как резонансные фильтры;
разработана методика и проведен расчет оценки условного и полного сейсмического риска превышения напряжениями уровня расчетного сопротивления в конструкциях на примере 17-этажного каркасно-связевого здания;
получена аналитическая зависимость между максимальным расчетным ускорением и заданным уровнем условного сейсмического риска;
введено понятие «индекс сейсмической надежности», что позволяет проводить оценку обеспеченности сейсмостойких зданий в соответствии с классическими методиками теории надежности;
разработана инженерная методика оценки надежности сейсмостойких зданий по критерию предельно допустимого риска;
в рамках корреляционной теории разработана методика моделирования реализаций акселерограмм, как нестационарного случайного процесса, учитывающая изменения амплитуды колебаний и спектрального состава во время реализации землетрясений;
получено аналитическое решение вероятностной задачи расчета здания, представленного пространственной дискретной расчетной моделью МКЭ, на сейсмическую нагрузку в виде случайного нестационарного процесса;
предложена новая формула для моделирования огибающих функций.
Практическая значимость диссертационной работы.
Предложены формулы для вычисления эффективного периода и дисперсии пространственной системы;
разработана методика и рекомендации по моделированию нестационарной случайной сейсмической нагрузки как стационарного случайного вектора с независимыми составляющими;
разработана инженерная методика расчета сейсмостойких зданий на основе стандартных программных комплексов по критерию предельно допустимого риска.
Достоверность диссертационной работы подтверждается применением аналитических методов расчета стохастических систем, динамики сооружений и теории надежности, проверяемых сопоставлением полученных результатов с известными решениями других авторов и нормативными методами линейно-спектральной теории. Установлено качественное и количественное совпадение результатов автора с результатами, представленных в независимых источниках по данной тематике.
Внедрение результатов исследований.
- Методика инженерного расчета зданий повышенной этажности использовалась в ООО «Универсалпроект» при проектировании монолитного многоквартирного жилого дома на проспекте им. Маршала Жукова (г. Волгоград);
- материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре «СКОиНС» ВолгГАСУ при проведении практических занятий по курсу «Надежность сооружений и оснований в особых условиях» для специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство».
На защиту выносятся:
методика оценки сейсмической надежности по критерию риска превышения перемещения конструкций здания, как пространственной системы за заданный уровень;
формула для расчета эффективного периода колебаний пространственной динамической системы, в том числе с использованием упрощенных зависимостей.
методика расчета оценки условного и полного сейсмического риска превышения напряжений в конструкциях 17-этажного каркасно-связевого здания уровень, равный расчетному напряжению;
формула для вычисления максимального расчетного ускорения, в зависимости от заданного уровня условного сейсмического риска;
инженерная методика оценки надежности сейсмостойких зданий, а также их расчета по критерию предельно допустимого риска;
методика моделирования реализаций акселерограмм как нестационарного случайного вектора с учетом изменения амплитуды колебаний и спектрального состава землетрясения во время его реализации;
вероятностная задача расчета здания, представленного пространственной дискретной моделью МКЭ, на сейсмическую нагрузку в виде случайного нестационарного процесса;
формула для моделирования огибающих функций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, 2010, 2011, 2012, 2013 г.г.), на VI Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2011 г.), на научно-практической конференции посвященной 90-летию Гейдара Алиева «Оценка риска и проблемы безопасности в строительном комплексе» (Баку, 2013 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, в том числе четыре работы опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из: введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Общий объем работы 162 страницы, в том числе: 161 страница – основной текст, содержащий 8 таблиц, 34 рисунка; библиографический список из 192 наименований, 1 приложение.
Похожие диссертации на Оценка сейсмической надежности зданий повышенной этажности как пространственных систем по критерию предельно допустимого риска
