Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБОСНОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ СООРУЖЕНИЙ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ 11
1.1. Расчетные динамические модели сооружений 11
1.2. Современные методы исследования колебаний сооружения совместно с основанием 25
1.3. Особенности учета нелинейных эффектов в задачах динамики и теории сейсмостойких сооружений 34
1.4. Методы активной сейсмозащиты в теории сейсмостойкости 37
2. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ И СЕЙСМОУСТОЙЧИВОСТИ СООРУЖЕНИЯ В ВИДЕ ЖЕСТКОГО ТЕЛА НА ПОВЕРХНОСТИ ИНЕРЦИОННОГО ОСНОВАНИЯ 49
2.1. Вывод дифференциальных уравнений сейсмических колебаний сооружения в виде системы твердых тел с сейсмоизолирующими опорами на поверхности инерционного основания 50
2.2. Методика определения приведенных характеристик инерционного основания 57
2.3. Сейсмические колебания системы жесткого тела с сейсмоизолирущими опорами на поверхности скального основания 62
2.4. Колебания сооружения в виде жесткого тела на поверхности инерционного основания 64
2.5. Сейсмические колебания и оценка сейсмоустойчивости системы жесткого тела с сейсмоизолирующими опорами на поверхности инерционного основания 66
2.6. Методика выбора наиболее опасного землетрясения 68
3. МЕТОДИКА КОРРЕКТИРОВКИ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ 83
3.1. Необходимость корректировки сейсмического воздействия для сильно сейсмоизолированных систем 85
3.2. Методика корректировки инструментальной записи сейсмических ускорений грунта 92
4. СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ И СЕЙСМОУСТОЙЧИВОСТЬ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В ВИДЕ СИСТЕМ С КОНЕЧНЫМ ЧИСЛОМ СТЕПЕНЕЙ СВОБОДЫ 102
4.1. Математические модели движения рассматриваемых систем 102
4.2. Диссипация энергии при пространственных колебаниях сооружений 117
4.3. Решение уравнений для малых пространственных колебаний расчетной модели 122
4.4. Исследования сейсмостойкости и сейсмоустойчивости 15-ти этажного жилого дома с железобетонным каркасом с ядром жесткости на сейсмоизолирующих опорах 126
ВЫВОДЫ 135
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 140
Введение к работе
Диссертация посвящена разработке единой методики расчета сейсмостойкости и сейсмоустойчивости зданий с учетом как пространственного характера движения сооружения в целом, так и его отдельных элементов, податливости и инерционных свойств грунтов основания, пространственного характера передачи сейсмического воздействия от основания к сооружению, и, наконец, с учетом активной сейсмозащиты.
Актуальность работы. В последнее десятилетие все большее значение приобретает развитие теории сейсмостойкости сооружений. Причиной землетрясений могут быть различные явления: деятельность вулканов, взрывы, обрушивание сводов над карстовыми областями и т.д. С инженерной точки зрения наибольший интерес представляют землетрясения тектонического происхождения, т.е. связанные с накоплением напряжения на обширных участках земной коры.
Оценка сейсмостойкости зданий с учетом пространственных колебаний конструкции связано со значительными трудностями из-за сложных динамических процессов, происходящих в здании и зависящих от многочисленных факторов. Для решения этой задачи необходимо иметь правильное представление о действительных механических свойствах несущих конструкций, учитывать пространственную работу зданий при действии статических и динамических нагрузок и располагать достаточной информацией о сейсмическом воздействии.
Применение систем сейсмозащиты является одним из перспективных направлений в сейсмостойком строительстве. Это направление получило развитие в ряде конструктивных предложений, часть из которых не прошла необходимую теоретическую и экспериментальную проверку. Теоретическое обоснование способа активной сейсмозащиты здания является одним из предметов настоящей работы.
Анализ последствий сильных землетрясений показывает, что колебания как отдельных конструктивных элементов, так и зданий в целом происходят одновременно по нескольким направлениям, т.е. эти движения являются пространственными и нестационарными. Движение грунта при землетрясении также является сложным многомерным случайным процессом и поэтому возникает проблема учета пространственного характера сейсмического воздействия.
Следует отметить, что в современной теории сейсмостойкости, как правило, принимается тот факт, что характер колебаний сооружения на контактной поверхности между фундаментными конструкциями и основанием зависит только от характера внешнего воздействия. Однако, в действительности, в условиях передачи колебаний от основания к сооружению, характер колебаний трансформируется в зависимости от динамических свойств сооружения и основания.
Все вышеизложенное в комплексе в современной литературе мало изучено. Не учет данного обстоятельства в сейсмостойком строительстве, может привести к тяжелым результатам, на что указывают последствия ряда сильных землетрясений, происшедших в последнее время.
Современные проблемы строительства зданий в сейсмических районах, повышенные требования к надежности возводимых сооружений, вопросы экологии и совершенствование технологий требуют развития методов расчета сооружения на различного рода динамические, в том числе и сейсмические нагрузки.
В последнее время получены новые результаты, имеющие принципиальное значение для определения сейсмического воздействия на сооружение с основанием. Проявляется взаимосвязь между количественным характеристиками параметров сейсмического движения грунта основания и сложными геологическими строением строительной площадки. В настоящее время имеется много параметров различного поведения зданий, одинаковых по конст руктивному решению и по качеству возведения при одном и том же землетрясении.
Теорией и практикой строительства признано, что экономически более выгодно строить здания повышенной этажности (9-16 этажные), в некоторых случаях - высотные (20-30 этажные). Проектирование и строительство таких зданий - сложная инженерная задача.
В развитии современной строительной механики и теории сооружений применительно к зданиям и сооружениям повышенной этажности наметились две тенденции.
Первая из них заключается в том, что здания и сооружения довольно сложной конструктивной схемы рассматриваются как консольная балка или плоская рама.
Вторая тенденция заключается в том, что здания и сооружения рассматриваются как единые пространственные структуры. Натурные эксперименты и опыт землетрясений показали, что независимо от этажности, конструктивных особенностей и типа внешнего воздействия, сооружения "ведут себя" как пространственные системы. Тем не менее методы расчета, относящиеся к зданиям и сооружениям в целом как сложным пространственным системам, до недавнего времени практически не были созданы. Это нередко приводит к ошибкам в проектировании и выборе наиболее рациональной конструктивной схемы. Некоторые специалисты, исходя из формального анализа работы зданий на динамические нагрузки как плоской системы, начали искусственно снижать жесткость системы: разрезать стены в местах их пересечения, отделять торцевые стены от каркаса здания, применять сложные разобщающие устройства для навесных панелей, разделять здания на короткие отсеки простейшей формы. При этом стоимость строительства возросла, а надежность сооружения упала, ибо независимо от того, какой расчетной моделью пользовался проектировщик, здание как пространственная структура всегда сопротивляется внешним воздействиям всеми резервами.
Указанные же выше конструктивные мероприятия приводят к уменьшению резервов прочности. Не учет пространственной работы системы не позволяет вскрыть в полной мере имеющиеся в ней резервы. Анализ последствий разрушительных землетрясений в начале XX века окончательно утвердил мнение о том, что сейсмическое воздействие на сооружение существенно зависит от его динамических характеристик: жесткости, определения масс, частот собственных колебаний, затухания и т.д. Учет этих параметров привел к созданию динамической теории сейсмостойкости. Приведение сложной пространственной конструкции здания к упрощенной расчетной модели в виде консольного стержня или плоской рамы с сосредоточенными массами не может с достаточной достоверностью описать работу здания при сейсмических воздействиях.
Пространственные задачи динамики и сейсмостойкости сооружений до настоящего времени в основном развивались по пути совершенствования расчетных моделей и методов расчета, основанных на динамике системы материальных точек, а математические модели, описывающие их движение, на основе теории малых колебаний, что приводит к принципиальной невозможности описать многообразие нелинейных эффектов, возникавших при пространственных колебаниях.
Для более точного прогнозирования поведения сооружений при сейсмических воздействиях необходимы качественно новые расчетные и математические модели, дающие возможность учитывать влияние геометрических и физических нелинейностей на процесс колебаний. За основу этих моделей принята система материальных твердых тел, соединенных деформируемыми связями. Именно это направление развивается за последнее десятилетие в России, США, Японии и ряде других стран по расчету пространственных колебаний сооружений. Основными достоинствами данных моделей является то, что они позволяют: - описать все основные эффекты пространственной работы сооружения;
- учитывать многообразие нелинейных эффектов, возникающих при пространственных колебаниях, а также рассматривать поступательные вращательные колебания сооружений с единых позиций;
- описать все основные стадии работы сооружения при сильных динамических воздействиях от упругой - до полного разрушения сооружения (изменения кинематической схемы).
В практике инженерного проектирования чаще всего исследуются малые колебания расчетных моделей. При этом в разложениях тригонометрических функций операторов преобразований учитываются только первые два члена. При описании движения в конечных величинах амплитуд в разложениях необходимо сохранить хотя бы первые два члена, что позволяет значительно упростить уравнения и вместе с тем описать основные нелинейные эффекты, оказывающие существенное влияние на поведение системы.
Цели и задачи диссертационной работы. Целью настоящей работы является разработка единой методики расчета сейсмостойкости и сейсмо-устойчивости зданий с учетом как пространственного характера движения сооружения в целом, так и его отдельных элементов, податливости и инерционных свойств грунтов основания, пространственного характера передачи сейсмического воздействия от основания к сооружению, и, наконец, с учетом активной сейсмозащиты.
Одной из целей данной работы является разработка методики выбора наиболее опасного землетрясения.
Научная новизна. Научная новизна данной работы состоит в том, что разработана методика корректировки инструментальной записи сейсмических ускорений грунта. Разработана методика выбора наиболее опасного землетрясения из равновероятных землетрясений с учетом конструктивных особенностей исследуемого здания. Разработана методика расчета сейсмостойкости и сейсмоустойчивости зданий с учетом пространственного характера движения сооружения и конструктивной нелинейности.
Методы исследования. За основу взят численный метод решения. При решении жестких дифференциальных уравнений движения применялся абсолютно устойчивый метод Гира. В качестве модели сооружения рассматривалась система твердых тел с дискретными параметрами. Численная реализация задач осуществлена на базе ПЭВМ в виде комплекса программ.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением решений, выполненных различными методами, натурными наблюдениями и общими асимптотическими оценками, а также прямым сравнением с результатами имеющихся экспериментов и результатами, полученными другими авторами.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях РГОТУПС в 1998-2000 годах. По материалам диссертации опубликовано две работы.
Объем работы. Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 10 таблиц, 185 позиции библиографии.
Содержание работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Во введении обоснована актуальность поставленной задачи, определена цель работы, ее научная новизна, практическая и теоретическая ценность, изложено краткое содержание работы.
В первой главе произведен сравнительный анализ современных методов расчета сооружений на сейсмические воздействия. Проведен также анализ результатов исследования и ббоснования различных методов расчета и конструирования сооружений на динамические нагрузки.
Вторая глава работы посвящена исследованию сейсмостойкости и сейсмоустойчивости сооружения в виде жесткого тела на поверхности инерционного основания
Производится выбор наиболее опасного расчетного воздействия для рассматриваемой системы здание-сейсмоизолирующие опоры-основание.
Третья глава посвящена методике корректировки сейсмического воздействия.
Обоснована необходимость корректировки сейсмического воздействия для сильно сейсмоизолировнных систем.
Произведен расчет системы здание-сейсмоизолирующие опоры-основание при свободных и вынужденных колебаниях и на основе полученных результатов был проведен сравнительный анализ.
В четвертой главе рассмотрена сейсмостойкость и сейсмоустойчивость зданий и сооружений в виде систем с конечным числом степеней свободы.
Получены системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающие поступательное движение центра масс и вращение тела вокруг центра масс в пространстве под действием внешних сил, считая инерционные характеристики системы сосредоточенными в твердых недеформируемых частях сооружения.
Представлены результаты расчетов 15-ти этажного жилого дома на сейсмоизолирющих колоннах при расчете на скорректированную акселерограмму с учетом и без учета сейсмоизоляции.
