Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ З
ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГРУНТОВ И ГРУНТОВЫХ ОСНОВАНИЙ 9
1.1. УПРУГО-ЛИНЕЙНЫЕ МОДЕЛИ ГРУНТОВ 9
1.2. МОДЕЛИ, УЧИТЫВАЮЩИЕ ДЕМПФИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ 19
1.3. УПРУГО-ИНЕРЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ОСНОВАНИЯ 25
1.4. НЕЛИНЕЙНО-УПРУГИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ 29
1.5. МОДЕЛИ ГРУНТОВ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ИНТЕНСИВНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ 34
ВЫВОДЫ 37
ГЛАВА II. МОДЕЛИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 38
II. 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕКТОРНОГО ПОЛЯ СЕЙСМИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ ГРУНТА 39
ІІ.2. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СЛУЧАЙНОГО ПОЛЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ 45
ВЫВОДЫ 50
ГЛАВА III. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ТОНКОСТЕННОГО СОСТАВНОГО СТЕРЖНЯ 52
III. 1. ОСНОВНАЯ СИСТЕМА 52
II 1.2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ИЗГИБА И КРУЧЕНИЯ ОСНОВНОЙ СИСТЕМЫ 57
Ш.З. ОБОБЩЕННЫЕ ВНУТРЕННИЕ УСИЛИЯ И ДЕФОРМАЦИИ 58
ВЫВОДЫ 68
ГЛАВА IV. ПОПЕРЕЧНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ТОНКОСТЕННОЙ СОСТАВНОЙ СИСТЕМЫ "СООРУЖЕНИЕ-ОСНОВАНИЕ" 69
IV.1. УРАВНЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ ТОНКОСТЕННОЙ СОСТАВНОЙ СИСТЕМЫ "СООРУЖЕНИЕ-ОСНОВАНИЕ" 69
IV.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ И ФОРМ КОЛЕБАНИЙ ТОНКОСТЕННОЙ СОСТАВНОЙ СИСТЕМЫ "СООРУЖЕНИЕ-ОСНОВАНИЕ" 75
ВЫВОДЫ 89
ГЛАВА V. РАСЧЁТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ТОНКОСТЕННОЙ СОСТАВНОЙ СИСТЕМЫ "СООРУЖЕНИЕ-ОСНОВАНИЕ" НА СЕЙСМИЧЕСКУЮ НАГРУЗКУ 91
ВЫВОДЫ 101
ГЛАВА VI. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА 102
VI.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ 102
VI.2. ПАРАМЕТР ОПТИМИЗАЦИИ 105
VI.3. ФАКТОРЫ 106
VI.4. ВЫБОР МОДЕЛИ 108
VI.5. ПОЛНЫЙ ФАКТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ 111
ВЫВОДЫ 123
ВЫВОДЫ 125
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 128
Введение к работе
Актуальность проблемы. Ежегодно на земном шаре происходит свыше 300 тысяч землетрясений, большинство из которых, к счастью, имеет небольшую силу или проявляется в ненаселенных районах. Часто последствием землетрясений являются большие человеческие жертвы, общее число погибших от землетрясений только за последние 30 лет превысило 500000 человек, а причиненный ими материальный ущерб составляет сотни млрд. долларов. Так же в результате техногенной деятельности человека постоянно увеличивается число районов, где наблюдается сейсмическая активность, например, ещё 10 лет тому назад г. Волгоград не входил в число районов, где наблюдается сейсмическая активность, а сейчас здесь возможны землетрясения до 7 баллов. Поэтому необходимо разрабатывать новые и совершенствовать существующие методы расчётов зданий на сейсмостойкость.
Воздействия на строительные конструкции имеют ярко выраженную случайную природу и в общем случае представляют собой изменяющиеся во времени и пространстве случайные поля. Существенным случайным разбросом обладают свойства строительных материалов, геометрия конструкций, значительной неопределенностью обладает сама расчетная модель системы. Поэтому строительные конструкции должны рассматриваться как стохастические системы, и для их расчета и проектирования должны применяться методы теории вероятности, случайных функций и полей, а также теории надежности, что дает возможность наиболее адекватно отразить случайную природу основных расчетных величин, взаимосвязь между внешними воздействиями и прочностью конструкции, оценить ее надежность и долговечность.
Стохастическая пространственная расчетная динамическая модель тонкостенного составного стержня наиболее эффективна в приложении к расчету зданий на сейсмостойкость, оценке безопасности и эксплуатационной при годности их несущих конструкций с заданным значением сейсмического риска (обеспеченностью).
В существующих нормах и большинстве исследований интенсивность землетрясения, как правило, определяется либо поведением сооружения, либо состоянием грунтов на свободной поверхности земли. Такой подход может приводить к некорректным решениям ряда важных задач инженерной сейсмологии.
Интенсивность сейсмического воздействия на свободной поверхности земли и интенсивность сейсмического воздействия на сооружение по своей природе различны. Интенсивность сейсмического воздействия на свободной поверхности земли определяется интенсивностью параметров колебания и напряжённо-деформированным состоянием, а также прочностными свойствами грунтов при ожидаемом землетрясении. Интегральной мерой оценки интенсивности сейсмического воздействия на свободной поверхности является бальность землетрясения.
Интенсивность сейсмического воздействия на сооружения определяется поведением сооружения. Интегральной мерой интенсивности сейсмического воздействия в первом приближении служат спектры приведённых сейсмических ускорений. Указанные меры взаимосвязаны, но их связь не однозначна. Например, в одном и том же районе строительства с различными динамическими и диссипативными характеристиками при одном и том же ожидаемом землетрясении могут иметь место разные параметры колебаний, напряжённо-деформированного состояния, степени повреждения и т.д. Так же различным будет поведение одного и того же сооружения на площадках с различными грунтовыми условиями, даже если интенсивность сейсмического воздействия на этих площадках при ожидаемом землетрясении будет одинаковой.
Очевидно, что при расчётах на сейсмостойкость необходимо использовать модели сооружений учитывающие совместную работу сооружения с основанием.
Таким образом, при расчете зданий на сейсмостойкость первостепенное значение имеет разработка более совершенных динамических моделей сооружений, позволяющих рассматривать здание как единую пространственную стохастическую систему "сооружение-основание" под действием случайной пространственной динамической нагрузки.
Преимуществом стохастических расчетных динамических моделей является то, что они позволяют избежать неопределенностей, связанных с выбором расчетной модели, и рассматривать сооружение как линейную динамическую систему. Это связано с тем, что при вероятностном расчете влияние нелинейных факторов на выходные вероятностные характеристики системы значительно слабее, чем на отдельные возможные значения случайных величин.
В связи с этим тема диссертации, посвященная разработке динамической модели пространственной тонкостенной составной системы "сооружение-основание" со случайной внутренней структурой под действием случайной многокомпонентной динамической нагрузки и применение ее к расчету зданий на динамические воздействия, является весьма актуальной.
Цель работы. Разработка методики вероятностного расчёта зданий как пространственных систем "сооружение-основание" на сейсмические воздействия.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
- в качестве расчетной динамической модели здания предложена пространственная стохастическая модель в виде тонкостенной составной системы, учитывающей совместную работу здания с основанием, со случайной внутренней структурой под действием случайной многокомпонентной динамической нагрузки;
- решена полная проблема собственных значений применительно к задаче собственных колебаний тонкостенной составной системы "сооружение-основание" как в детерминированной, так и в вероятностной постановке;
- решена вероятностная задача стохастических колебаний тонкостенной составной системы "сооружение-основание" под действием многокомпонентной динамической нагрузки;
- дано дальнейшее обобщение и развитие метода спектральных канонических представлений в приложении к решению пространственной задачи колебаний тонкостенной составной системы ".сооружение-основание" под действием случайной многокомпонентной нагрузки;
- разработана методика вероятностного расчета зданий на действие сейсмической нагрузки на основе предложенной пространственной динамической модели.
Наиболее существенные результаты, полученные лично автором:
- обоснована необходимость разработки методики вероятностного расчёта зданий на сейсмическую нагрузку, позволяющей рассматривать здание как единую пространственную стохастическую систему "сооружение-основание";
- получены расчётные уравнения и разработана методика определения собственных частот и форм колебаний тонкостенной составной системы "сооружение-основание";
- разработана методика расчёта пространственной тонкостенной составной системы "сооружение-основание" на сейсмическую нагрузку;
- по разработанной методике выполнен расчёт здания на сейсмическое воздействие, позволяющий проследить зависимость значения частот собственных изгибно-крутильных колебаний системы "сооружение-основание", обобщенных внутренних усилий и максимальных нормальных напряжений здания от динамических характеристик грунтового основания;
- выполнен расчёт, позволяющий оценить влияние случайного разброса же-сткостных характеристик грунтового основания и элементов конструкции здания, а также амплитуды сейсмической нагрузки на величину статистического разброса значений частот собственных изгибно-крутильных колебаний и максимальных нормальных напряжений.
Практическая ценность работы. Для практического использования рекомендуются: методы анализа свободных пространственных колебаний зданий различных конструктивных решений - монолитных, панельных, каркас-но-панельных - с учетом случайного разброса физико-механических и жест-костных параметров системы; вероятностный расчет зданий как пространственных тонкостенных систем "сооружение-основание" на действие многокомпонентной динамической нагрузки.
Степень обоснованности. Научные положения и выводы, изложенные в диссертационной работе, полностью обоснованы, соответствуют современным представлениям теории сооружений, теории сейсмостойкости и теории надежности. Достоверность полученных результатов не вызывает сомнений и обусловлена применением современных методов исследования, сопоставлением с результатами полученными другими авторами и с нормативными документами.
На защиту выносятся следующие вопросы:
- модель многокомпонентных динамических воздействий в виде пространственно-временного случайного поля;
- расчетная динамическая стохастическая пространственная модель зданий в виде тонкостенной составной системы "сооружение-основание";
- решение задачи свободных пространственных колебаний тонкостенной составной системы "сооружение-основание" в детерминированной и вероятностной постановке;
- методика вероятностного расчета тонкостенной составной системы "сооружение-основание" при действии многокомпонентной динамической нагрузки;
- приложение разработанной методики вероятностного расчета тонкостенной составной системы "сооружение-основание" к расчету монолитных зданий на сейсмостойкость.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались:
• на Научных чтениях, посвященных 80-летию со дня рождения чл.-корр. РААСН, Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора Г. А. Гениева "Вопросы механики нелинейных сплошных сред и конструктивной безопасности" (Орёл 2007);
• на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВолгГАСА (Волгоград 2001-2006 гг.);
• на Международных научно-технических конференциях "Надёжность и долговечность строительных материалов и конструкций" (Волгоград 2000, 2003 гг.);
• на Международной научно-технической конференции "Современные проблемы фундаментостроения" (Волгоград 2001 г.);
• на Международной научно-технической конференции "Городские агломерации на оползневых территориях" (Волгоград 2003, 2005 гг.).
• - на региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград 2001,2003).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и выводов, изложена на 144 страницах текста содержит 20 рисунков и 34 таблицы. Список используемой литературы включает 194 наименования.
