Моделирование сейсмических воздействий и применение сейсмозащиты

Страницы:   1   2   3   4   5

---

СОДЕРЖАНИЕ

 

• ВВЕДЕНИЕ
• Цель и задачи работы
• Структура и объем работы
• Обзор работы
• Полученные результаты
• ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
• ГЛАВА I. ОЦЕНКА СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ДЛЯ ПЛОЩАДКИ СТРОИТЕЛЬСТВА
• 1.1.Структура оценки сейсмических воздействий
• 1.2.Инструментальные исследования
• 1.3.Расчетные методы
• 1.3.1.Детерминистский и вероятностный подходы. Дезагрегация результатов анализа
• 1.3.2.Генерирование модели расчетного сейсмического движения грунта
• 1.3.3.Расчет искусственных акселерограмм
• ГЛАВА II. СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
• 2.1.Анализ повреждений многоэтажных каркасных зданий при землетрясениях
• 2.2.Обзор активных способов сейсмической защиты
• 2.2.1.Предварительно напряженные металлические конструкции
• 2.2.1.1.Системы с гасителями колебаний
• 2.2.1.2.Системы с повышенным демпфированием
• 2.2.1.2.1.Системы с вязкими демпферами
• 2.2.1.2.2.Системы с демпферами сухого трения
• 2.2.1.3.Системы с элементами повышенной пластической деформации
• 2.3.Использование упругопластической работы стали для повышения сейсмостойкости каркасных зданий
• 2.4.Эффективность использования неупругой работы конструктивных элементов каркасов для повышения сейсмостойкости
• 2.5.Энергопоглотители
• ГЛАВА III. ОЦЕНКА ПОВЕДЕНИЯ ЗДАНИЯ В УСЛОВИЯХ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
• 3.1.Описание площадки строительства
• 3.2.Краткое описание здания
• 3.3.Нагрузки и воздействия
• 3.3.1.Исходная сейсмичность и инженерно-геологические условия площадки строительства
• 3.3.2.Моделирование акселерограмм сейсмического воздействия
• 3.3.2.1.Представление акселерограммы в виде нестационарного случайного процесса
• 3.3.2.2.Параметры сейсмического воздействия
• 3.3.2.3.Методика моделирования расчетных акселерограмм
• БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Значительная доля территории России и евразийских государств находится в зонах с повышенной сейсмической активностью. Целый ряд сильных землетрясений, произошедших в последнее время (Армения 1988 г.: Спитакское землетрясение. Магнитуда – 7,2. Разрушены город и множество посёлков; погибли по меньшей мере 25 тыс. человек, 514 тысяч остались без крова. Япония 1995 г.: землетрясение в Кобе. Магнитуда – 7,3. Погибли 6434 человека. Сахалин 1996 г.: землетрясение в Нефтегорске. Магнитуда – 7,5. 2040 человек погибли. Иран 2003 г.: землетрясение в г. Бам. Магнитуда – 6,3. Погибло 50-60 тыс. человек. Китай 2008 г.: Сычуаньское землетрясение. Магнитуда – 8. Погибли около 90 тыс. человек) [26, 31] явился жестоким напоминанием того, что недостаточный учет сейсмических воздействий при проектировании и строительстве зданий и сооружений может привести к катастрофическим разрушениям, влекущим за собой человеческие жертвы и значительный материальный ущерб.

Потребность освоения сейсмоактивных районов Дальнего Востока, Восточной Сибири и Забайкалья, а также повышение плотности застройки в уже освоенных районах Северного Кавказа, Закавказья предопределяет необходимость разработки новых конструктивных форм зданий и сооружений, отличающихся повышенной сейсмостойкостью.

Это касается и многоэтажных зданий каркасной конструктивной системы, которая широко используется при возведении большинства объектов промышленного и общественного назначения. Опыт эксплуатации таких зданий в районах с повышенной сейсмической опасностью в целом свидетельствует об их достаточно высокой сейсмостойкости. Тем не менее, анализ последствий ряда сильных землетрясений показывает, что каркасные здания не всегда удовлетворительно, переносят сейсмические воздействия [22, 60, 93, 115] и получают разного рода повреждения и даже разрушения. Поэтому исследования, связанные с проблемой повышения их сейсмостойкости, являются актуальными и имеют большое народнохозяйственное значение.

Основные повреждения многоэтажных каркасных зданий связаны как правило с ошибками при выборе объемно-планировочного и конструктивного решений; недостаточной способностью элементов и их соединений к безопасному развитию неупругих деформаций. В этой связи необходимо отметить, что применение металлических конструкций дает более широкие возможности по использованию резервов неупругой работы материала и тем самым позволяет повысить надежность каркасов.

К настоящему времени в строительной практике сформировалось два основных подхода к сейсмозащите зданий: пассивный, связанный с увеличением сечений элементов и использованием более высокопрочных материалов, и активный, реализующий мероприятия по снижению сейсмических нагрузок. С экономической точки зрения активный подход является более предпочтительным, так как позволяет снизить объем антисейсмических мероприятий.

Снижение сейсмических нагрузок может быть достигнуто за счет регулирования динамических характеристик каркасных зданий как колебательных систем. К настоящему времени предложено большое число способов активной сейсмозащиты, реализующих различные конструктивные принципы: сейсмоизоляции, адаптации, повышенного демпфирования, применения гасителей колебаний. Благодаря использованию активных сейсмозащитных мероприятий удается снизить значения расчетных сейсмических нагрузок в 0.5 — 2 раза.

При пластическом деформировании некоторых металлов и сплавов (малоуглеродистая и низколегированная сталь, свинец и др.) происходит весьма интенсивное поглощение части механической энергии с превращением ее в тепло. На основании этого свойства созданы активные сейсмозащитные устройства, называемые энергопоглотителями.

Если говорить о сейсмических воздействиях, то необходимо отметить, что в России оценку сейсмических воздействий для площадок строительства традиционно разделяют на три этапа: общее сейсмическое районирование (ОСР), детальное сейсмическое районирование (ДСР) и сейсмическое микрорайонирование (СМР).

Для инженерных расчетов в рамках СМР, т.е. для анализа влияния локальных условий на сейсмические воздействия, необходимы записи движений грунта. В некоторых случаях исследователи располагают реальными экспериментальными записями сильных движений на рассматриваемой площадке либо в других местах, где локальные и региональные геологические и тектонические условия схожи. Однако в подавляющем большинстве случаев это не так, и поэтому возникает необходимость в расчете искусственных акселерограмм. В настоящее время существует множество различных подходов к расчетам временных рядов движений грунта.

Учитывая вышеизложенное, задача обеспечения (повышения) сейсмостойкости зданий и сооружений при помощи систем активной сейсмозащиты (САС) с применением синтезированных акселерограмм для конкретной площадки строительства является актуальной научной проблемой.

Цель и задачи работы

Целью данного исследования является оценка влияния сейсмического воздействия на основе построенной синтезированной акселелограммы на высотное здание со стальным каркасом, относящееся к повышенному уровню ответственности, и исследования упругопластической работы конструктивных элементов зданий при сейсмических нагрузках. Здание входит в состав комплекса сооружений для производства полимеров комплекса нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств ЗАО «Восточная нефтехимическая компания» (комплекса ВНХК), расположенного на юге Приморского края, в 5 км к северо-западу от г. Находки, в районе мыса Елизарова залива Восток, территории Партизанского муниципального района (центр – с. Владимиро-Александровское).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выполнить обзор литературы по задаче исследования;
• сгенерировать расчетное сейсмическое воздействие для площадки строительства (получить синтезированную акселерограмму);
• замоделировать здание и выполнить расчет на сейсмическое воздействие;
• на основе выполненного расчета подобрать тип энергопоглотителей для объекта;
• провести оценку влияния синтезированного сейсмического воздействия на модель здания с применением энергопоглотителей и без них;
• определить степень снижения сейсмической нагрузки, учитывая энергопоглощающую способность конструкций;
• выполнить расчет параметров энергопоглотителей;
• на основе проведенного анализа результатов исследований подготовить заключение по применению САС для зданий металлокаркасного типа в привязке к региону строительства.

Структура и объем работы

Данная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 88 страницы, объем библиографии – 119 источников.

Обзор работы

В введении приводится обоснование актуальности выбранной темы и постановка задачи исследования.

В первой главе приведен краткий обзор методов оценки сейсмических воздействий для конкретной площадки строительства.

Во второй главе проведен анализ повреждений многоэтажных металлокаркасных зданий при землетрясениях. Выполнен краткий обзор существующих систем активной сейсмозащиты зданий и сооружений, дается характеристика основным видам энергопоглотителей. Показана эффективность использования упругопластической работы стали для повышения сейсмостойкости здания.

В третьей главе выполнено моделирование синтезированной акселерограммы для конкретной площадки строительства. Произведен расчет здания на синтезированное сейсмическое воздействие. Произведена оценка поведения здания при сейсмическом воздействии.

Четвертая глава посвящена вычислительным экспериментам, оценивающим поведение рассматриваемого здания на синтезированное сейсмическое воздействие с использованием энергопоглотителей. На основании результатов вычислительного эксперимента выполнен расчет параметров энергопоглотителей для рассматриваемого объекта.

В заключении приводятся основные выводы, сделанные в результате анализа полученных результатов.

Полученные результаты

В процессе работы был проведен обзор литературы; сгенерирована синтезированная акселерограмма, прогнозирующая максимальный сейсмический эффект на площадке строительства; проведен расчет здания на сейсмику; на основе выполненного расчета для здания подобраны энергопоглотители, определены необходимые параметры для его работы. Выполнено сравнение результатов воздействия синтезированной акселерограммы на здание с учетом применения энергопоглотителей и без них; подготовлено заключение по применению САС для зданий металлокаркасного типа в привязке к региону строительства.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

GSN – Global Seismological Network

ВАСО – вероятностный анализ сейсмической опасности

ВОЗ – возможный очаг землетрясений

ДАСО – детерминистский анализ сейсмической опасности

ДСР – детальное сейсмическое районирование

ДСТ – демпферы сухого трения

ЛДФ-модель – линеаментно-доменно-фокальная модель

МРЗ – максимальное расчетное землетрясение

ОСР – общее сейсмическое районирование

ПЗ – проектное землетрясение

ПНМК – предварительно напряженные металлические конструкции

САС – система активной сейсмозащиты

СГС – сейсмогенерирующие структуры

СМР – сейсмическое микрорайонирование

СП – свод правил

СТУ – специальные технические условия

УЗИ – уточнение модели затухания интенсивности.

УИС – уточнение модели исходной сейсмичности

УОСР – уточнение общего сейсмического районирования

УСО – уточнение сейсмической опасности

ЭПТ – энергопоглотители торсионного типа

 

ГЛАВА I. ОЦЕНКА СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ДЛЯ ПЛОЩАДКИ СТРОИТЕЛЬСТВА

1.1.Структура оценки сейсмических воздействий

 

В России оценку сейсмических воздействий для площадок строительства традиционно разделяют на три этапа: общее сейсмическое районирование (ОСР), детальное сейсмическое районирование (ДСР) и сейсмическое микрорайонирование (СМР).

Карты ОСР охватывают всю территорию страны. ОСР свойственна генерализация, рассматриваются крупные сейсмоактивные зоны, геолого-геофизические явления, определяющие сейсмичность крупных районов [55]. ОСР-97 представляет собой комплект карт, отражающих 10%-ую (А), 5%-ую (В) и 1%-ую (С) и 0,5%-ую (D) вероятность возникновения и возможного превышения расчетной интенсивности в 50-летние интервалы времени [69]. В основе карт ОСР-97 лежит методология вероятностного анализа сейсмической опасности, получившей широкое распространение благодаря публикации К.А. Корнелла [102]. Исследования по составлению карт общего сейсмического районирования не остановились на ОСР-97. Постоянно ведутся работы по актуализации карт и разработке концепции общего сейсмического районирования следующего поколения [85]. В декабре 2015 года утверждена обновленная ОСР-2015.

ДСР служит для уточнения оценок сейсмической опасности и определения возможных сейсмических воздействий на проектируемые сооружения. Карты ДСР имеют более крупный масштаб по сравнению с картами ОСР. ДСР призвано исследовать геолого-геофизическое строение и геодинамику конкретных районов и площадей, сейсмогенерирующие структуры (СГС), параметры сильных движений грунта [82].

ДСР является самым плохо регламентированным этапом оценки сейсмической опасности площадок строительства. У ДСР до сих пор отсутствует даже официальный статус. Не существует полного свода правил, нормативных документов, порядка утверждения и т.д. [82].

Задачей СМР является уточнение параметров сейсмических воздействий на площадке строительства в зависимости от местных условий – грунтовых, геоморфологических, гидрологических и геофизических [3].

Оценку влияния грунта и рельефа на параметры воздействия нельзя проводить в отрыве от характеристик очаговых воздействий, т.к. влияние местных условий может быть различным в зависимости от углов подхода волн, частотного состава, их интенсивности и т.д. [55, 92].

Отдельного рассмотрения требуют случаи, когда площадку СМР пересекают тектонические разрывы, когда наблюдается нелинейное поведение грунтов, усиление интенсивности воздействий за счет фокусировки сейсмической энергии из-за особенностей рельефа скального основания, подстилающего массив рыхлых грунтов, дифракционные эффекты, сейсмогравитационные эффекты (оползни, обвалы и т.д.), виброползучесть грунтов и т.д. [3].

В СП 151.13330.2012 [75] используется такое понятие, как уточнение общего сейсмического районирования (УОСР), более детальное, по сравнению с ОСР, исследование сейсмичности территорий, результатом которого должно быть уточнение сейсмической опасности (УСО). УСО основано на уточнении модели исходной сейсмичности (УИС) и модели затухания интенсивности (УЗИ) с расстоянием. УИС представляет собой уточнение разломно-блоковой линеаментно-доменно-фокальной (ЛДФ) модели зон возможных очагов землетрясений (ВОЗ) на основе более детальных исследований. УСО разделяется на УСО-1 (для отдельных пунктов) и УСО-2 (для ограниченных территорий). УСО-2 представляет собой аналог ДСР в вероятностном представлении [84].

На рисунке 1.1 изображена обобщенная универсальная блок-схема работ по оценке сейсмических воздействий для площадок строительства. При этом используются как инструментальные наблюдения, так и различные расчетные методы.

1.2.Инструментальные исследования

 

Исходную информацию о сейсмичности территории либо акватории строительства представляют карты ОСР. Однако масштаб этих карт слишком мелок для учета региональных и местных особенностей, важных для оценки ожидаемых сейсмических воздействий на конкретной площадке. Поэтому на первом этапе проводится уточнение сейсмической опасности (УСО), а затем сейсмическое микрорайонирование (СМР).

Зачастую исследуемый район (особенно, если рассматривать Россию) характеризуется недостатком данных о произошедших там землетрясениях, доступна лишь информация о сейсмических событиях, зарегистрированных глобальными сетями сейсмографов, таких как Global Seismological Network (GSN) [104], либо сетей Геофизической службы РАН [72] и филиалов.

Для уточнения сейсмической опасности и сейсмического микрорайонирования необходимо проведение специальных инструментальных сейсмологических наблюдений [66, 67, 68, 34]. Такие исследования проводятся с помощью локальных сетей временных сейсмологических станций.

В рамках УСО инструментальные инженерно-сейсмологические исследования проводятся с целью уточнения расположения и активности сейсмогенерирующих структур (СГС), особенностей сейсмического режима, уточнения графика повторяемости и каталога местных землетрясений, изучения действия среды на распространение сейсмических волн (на региональном уровне), выявления сейсмически активных разломов и блоков земной коры [55].

При СМР инструментальные исследования должны обеспечить оценку изменения величины приращения сейсмической интенсивности и спектрального состава сейсмических волн по отношению к эталонному грунту за счет верхней части грунтового разреза, анализ возможных сейсмических эффектов в пределах оползневых, обвальных участков, оценку влияния местных тектонических нарушений на сейсмичность площадки, оценку влияния рельефа на различные участки изучаемой площадки, определение некоторых других исходных данных для теоретических расчетов (например, скорости распространения поперечной сейсмической волны) [16, 67, 3].

 

1.3.Расчетные методы

 

1.3.1.Детерминистский и вероятностный подходы. Дезагрегация результатов анализа

 

В рамках детерминистского анализа сейсмической опасности (ДАСО) оценивается, какой силы будет сотрясение грунта в результате прихода сейсмической волны от землетрясения заданной магнитуды, которое может произойти на близко расположенном разломе. [58]. Детерминистские оценки сейсмического эффекта являются консервативными, они нередко существенно завышают величину сейсмической интенсивности, получаемую вероятностными методами [84].

При вероятностном анализе сейсмической опасности (ВАСО) рассматриваются альтернативные модели сейсмических очагов, периодов повторяемости землетрясений, затухания сейсмического эффекта [84]. Вероятностные алгоритмы в настоящее время лежат в основе большинства современных карт сейсмического районирования [85]. Получил распространение ряд реализующих ВАСО программ: SEISRISK I, II, III [97]. Главный недостаток ВАСО – невозможность расчета временных зависимостей движений грунта [112].

Моделирование искусственных акселерограмм необходимо для инженерных расчетов при строительстве ответственных сооружений в сейсмоопасных районах. Методы «дезагрегации», разработанные на протяжении последних десятилетий являются попытками решить данную проблему. Дезагрегация является процедурой определения основных параметров (магнитуда и расстояние до источника) таких сейсмических событий, которые вносят наибольший вклад в рассчитанные с помощью ВАСО уровни сейсмических воздействий для исследуемой площадки [112, 96].

 

1.3.2.Генерирование модели расчетного сейсмического движения грунта

 

Любая строительная система проектируется таким образом, чтобы ее антисейсмическая несущая способность превышала расчетные сейсмические воздействия. Несущая способность – это комплексная функция прочности, жесткости и деформативности, определяемая исходя из объемно-планировочного решения и характеристик материалов фундаментов, сейсмоизоляционной системы и надземной части сооружения. В свою очередь, для конкретного сейсмоизолированного сооружения модель расчетного сейсмического движения грунта может быть задана в виде:

• формулы распределения статической поперечной силы в основании и горизонтальных сил по высоте сооружения;
• набора расчетных спектров реакции землетрясений;
• подходящих для места строительства записей землетрясений во времени.

В соответствии с нормами (СП 14.13330.2015, Eurocod 8) модель расчетного движения грунта может быть принята в своей простейшей форме при помощи уравнений определения расчетной поперечной силы в основании (1.1) и формул распределения статических горизонтальных сил (1.2).

, (1.1)

где S_d(T₁) — ордината расчетного спектра соответствующая периоду T₁; T₁ ‑ основной период собственных колебаний здания в горизонтальном направлении; m — общая масса здания выше фундамента или выше уровня жесткого основания; λ — поправочный коэффициент, который равен λ = 0.85, если T₁ <2T_c и здание более 2 этажей; иначе λ = 1.0.

Для более сложных расчетов параметры сейсмического движения грунта могут быть приняты либо, исходя из набора имеющихся расчетных спектров реакции землетрясений, представленного в нормах, либо из подобранных для места строительства расчетных спектров реакции по заданным правилам их определения, применения и интерпретации результатов (рисунок 1.2).

Сейсмическая сила определяется из условия приложения горизонтальной силы F_i ко всем этажам в каждом горизонтальном направлении

, (1.2)

где F_i — горизонтальная сила, действующая на i этаж; F_b — горизонтальная сила в основании сооружения (1.1); S_i, S_j — перемещения масс m_i, m_j основной формы колебания; m_i, m_j — массы этажей.

По существу, данные уравнения являются упрощенными интерпретациями расчетного спектра определенной формы и амплитуды с периодом колебаний, соответствующим консервативной оценке при собственном периоде колебаний изолированного сооружения.

Для более сложных расчетов параметры сейсмического движения грунта могут быть приняты либо, исходя из набора имеющихся расчетных спектров реакции землетрясений, представленного в нормах, либо из подобранных для места строительства расчетных спектров реакции по заданным правилам их определения, применения и интерпретации результатов (рисунок 1.2).

 

Если, согласно требованиям сейсмических норм, рекомендуется для объекта использовать записи колебаний во времени, то необходимо подобрать или создать подходящий набор записей землетрясений и установить правила, определяющие, как данные записи будут применяться при проектировании и анализе результатов.

Если предположить, что правильно принятая модель расчетного движения грунта обеспечивает надлежащим образом предъявляемые требования к сейсмическому воздействию независимо от его вида, чрезмерный акцент на какой-либо одной модели по отношению к другим, без правильного осмысления интенсивности и допустимых пределов применения каждой из модели, может привести к результатам весьма сомнительным и нереалистичным.

Следующим важным моментом для строительства является оценка сейсмической опасности в заданном месте, поскольку требуется оценить возможные движения грунта при землетрясении в данном месте. По этой причине:

а) место, для которого приемлемо зарегистрированное при землетрясении движение грунта, встречается крайне редко;

б) даже для мест, где такие записи являются приемлемыми, нет гарантии того, что будущие движения грунта будут иметь такие же характеристики, как ранее наблюдаемые движения.

Возможные движения грунта для какой-либо строительной площадки оцениваются, используя различные методики регрессивного анализа, на выбранном подмножестве имеющихся записей землетрясений, считающихся подходящими для такой оценки. Результирующие математические формулы, предоставляющие оценки максимальных параметров реакции, такие как максимальное ускорение грунта или спектральные ординаты реакции для какого-либо места, будем называть прогнозируемыми или обобщающими зависимостями. Термин обобщение используется, поскольку эти эмпирические зависимости представляют из себя формулы для обобщения сейсмических волн, возникающих от заданного источника, на заданном расстоянии, вследствие заданной окружающей среды (т. е. свойств грунта в данном месте). К настоящему времени, разработано большое количество обобщающих зависимостей.

Принятая сейсмическая опасность площадки может быть установлена при помощи детерминистского и / или вероятностного анализа сейсмической опасности, если определены источники сейсмической опасности вблизи исследуемой строительной площадки (например, активные или полуактивные разломы в радиусе 100 км от места строительства) и характеристики грунтов площадки.

---

Страницы:   1   2   3   4   5