Введение к работе
Актуальность темы исследования. В современном строительстве актуальное значение приобретает обеспечение надежности зданий и сооружений и их фундаментов в сейсмоопасных районах. Важность сейсмозащиты и необходимость исследования колебаний сооружений при действии сейсмических сил, возникают из-за катастрофических последствий землетрясений. Для защиты зданий и сооружений применяются системы сейсмоизоляции, в том числе и в виде сейсмоизолирующих фундаментов с маятниковыми скользящими опорами. Маятниковая скользящая опора может эффективно применяться в сейсмостойком строительстве, однако данный вид сейсмозащиты не получил распространения в России и имеет некоторое применение за рубежом.
Стоит отметить, что линейно-спектральная теория, лежащая в основе норм проектирования, не позволяет получить полной информации о работе конструкций. Расчет фундаментов и надфундаментных конструкций должен выполняться с помощью прямых динамических методов, с учетом геометрической, физической и конструктивной нелинейностей. Задача решается во временной области путем прямого интегрирования уравнений движения.
Известно, что землетрясение представляет собой ярко выраженный случайный процесс, интенсивность, спектральный состав, его изменение во времени, продолжительность и направление воздействия могут быть спрогнозированы лишь с определенной долей вероятности. Для обеспечения требуемой сейсмостойкости зданий, необходимо использовать методики, позволяющие оценивать их надежность.
Эффективное проектирование сейсмостойких конструкций должно проводиться при достаточном расчетном обосновании и математическом моделировании, опирающемся на возможности современных расчетных комплексов и быстродействующих компьютеров. Для проведения исследований по данной тематике был использован конечно-элементный программный комплекс LS-DYNA, который позволяет решать трехмерные нелинейные динамические задачи механики деформируемого твердого тела, жидкости и газа.
Степень разработанности темы диссертации. Проблемами сейсмостойкости зданий и сооружений и развитием динамических методов расчета занимаются многие отечественные и зарубежные ученые. Решению различных задач теории сейсмостойкости посвящены работы следующих ученых: М.Ю. Абелева, Я.М. Айзенберга, А.М. Белостоцкого, А.Н. Бирбраера, Н.З. Готмана, А.В. Грановского, Б.И. Далматова, О.Г. Денисова, Г.А. Джинчвелашвили, В.И. Жарницкого, К.С. Завриева, В.Б. Заалишвили, П.Л. Иванова, Р. Клафа, Э.Н. Кодыша, И.Л. Корчинского, С.В. Кузнецова, А.М. Курзанова, А.И. Мартемьянова, О.В. Мкртычева, В.Л. Мондруса, Ю.П. Назарова, В.И. Смирнова, Дж. Пензиена, А.Е. Саргсяна, Е.А. Сорочана, А.М.
Уздина, В.А. Флорина, Г. Хаузнера, Э.И. Хачияна, Н.А. Цытовича, Ю.Т. Чернова, A.К. Чопры, Г.Э. Шаблинского, В.Б. Швеца, Г.И. Швецова и многих других.
Вопросы проектирования фундаментов с системами сейсмоизоляции и повышения надежности фундаментов рассматриваются в работах: М.Ю. Абелева, Г.А. Джинчвелашвили, В.В. Знаменского, А.М. Курзанова, И.Т. Мирсаяпова, О.В. Мкртычева, В.Л. Мондруса, А.Б. Пономарева, Д.К. Сизова, В.И. Смирнова, Л.Р. Ставницера, А.З. Тер-Мартиросяна, З.Г. Тер-Мартиросяна, А.Г. Тяпина, А.М. Уздина, СБ. Ухова, A.К. Чопры и других.
Маятниковые скользящие опоры, являющиеся частью сейсмоизолирующего фундамента, впервые появились в Сан-Франциско и получили некоторое применение в США, Италии и Японии, их изучением занимались следующие зарубежные ученые: С.К. Деб, В. Заяс, Дж.М. Келли, М.С. Константиноу, А. Мартелли, А. Мока, Ф. Наеим, А.М. Реинхорн, М.Д. Симанс, Т.Т. Сунг и некоторые другие.
Несмотря на проведенные исследования по вопросам сейсмостойкости и сейсмоизоляции фундаментов маятниковыми скользящими опорами, в настоящее время отсутствуют всесторонние исследования работы данного вида сейсмоизоляции, и она не достаточно изучена, также почти отсутствуют работы, связанные с исследованием поведения зданий или сооружений с сейсмоизолирующим фундаментом с маятниковыми скользящими опорами.
Поэтому возникает необходимость исследований самих опор и зданий различной этажности с сейсмоизолирующим фундаментом с маятниковыми скользящими опорами, разработки соответствующих методик расчета и оценки надежности.
Целью диссертационной работы является исследование надежности зданий с сейсмоизолирующим фундаментом с маятниковыми скользящими опорами при сильных землетрясениях прямым динамическим методом с учетом нелинейного характера работы маятниковой скользящей опоры, несущих конструкций зданий и грунтов основания.
Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:
Проанализировать существующие математические модели, описывающие работу
маятниковых скользящих опор;
Проанализировать существующие методы расчета строительных конструкций на сейсмическое воздействие;
Проанализировать возможности и освоить средства применяемого в расчетах программного комплекса;
Разработать методику расчета зданий с сейсмоизолирующим фундаментом с маятниковыми скользящими опорами прямым динамическим методом;
Исследовать работу маятниковых скользящих опор и их параметров на примере линейного и нелинейного осцилляторов и простых систем;
Решить комплекс задач о расчете зданий с сейсмоизолирующим фундаментом с маятниковыми скользящими опорами с учетом нелинейного характера работы конструкций и грунтов основания;
Провести вероятностное моделирование случайного сейсмического воздействия, заданного в виде нестационарного случайного процесса;
Оценить надежность здания с сейсмоизолирующим фундаментом с маятниковыми скользящими опорами при случайном сейсмическом воздействии с учетом различного спектрального состава акселерограмм землетрясения.
Объектом исследования являются маятниковые скользящие опоры, устанавливаемые в уровне фундаментов, железобетонные здания различной этажности перекрестно-стеновой конструктивной схемы с системой сейсмоизоляции при сильных землетрясениях прямым динамическим методом.
Предметом исследования являются реакция маятниковых скользящих опор в уровне фундаментов (перемещение верха опоры относительно низа), реакции многоэтажных железобетонных зданий (величины напряжений и перемещений) без сейсмоизоляции и с ее учетом, в зависимости от параметров опоры и внешнего воздействия, надежность сейсмоизолированных многоэтажных железобетонных зданий и их фундаментов.
Научную новизну диссертации составляют следующие результаты:
Разработана методика расчета зданий с сейсмоизолирующим фундаментом с
маятниковыми скользящими опорами прямым динамическим методом;
Проведены численные исследования параметров трения и радиуса кривизны поверхности скольжения маятниковой скользящей опоры и анализ их влияния на реакцию многоэтажных зданий;
Проведен сравнительный анализ: работ маятниковой скользящей опоры и резинометаллической опоры на примере линейного и нелинейного осцилляторов; результатов работ сейсмоизолированных зданий с маятниковыми скользящими опорами и резинометаллическими опорами в уровне фундаментов;
Произведен анализ результатов работ сейсмоизолированных зданий различной этажности;
Проведен анализ эффективности применения сейсмоизолирующих фундаментов с
маятниковыми скользящими опорами при различном спектральном составе сейсмического
воздействия и при учете влияния грунтовых условий;
Выполнена оценка надежности железобетонного здания с сейсмоизолирующим
фундаментом с маятниковыми скользящими опорами.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что получили развитие прямые динамические методы расчета железобетонных зданий с системой сейсмоизоляции в уровне фундаментов, основанные на явных схемах интегрирования уравнений движения, позволяющие получать решение во временной области с учетом геометрической, физической и конструктивной нелинейностей.
Практическая значимость работы заключается в:
Использовании результатов проведенных исследований в инженерной практике проектными и исследовательскими организациями при проектировании зданий и их фундаментов в сейсмических районах;
Возможности применения разработанной методики расчета здания с сейсмоизолирующим фундаментом с маятниковыми скользящими опорами прямым динамическим методом с учетом нелинейных свойств конструкций и грунтов основания, при разработке документов в области сейсмостойкого строительства;
Возможности проектировать здания с применением маятниковых скользящих опор в уровне фундаментов при случайном сейсмическом воздействии.
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования являлись труды отечественных и зарубежных авторов в области надежности и сейсмостойкости зданий и сооружений. В диссертационной работе использовались: прямой динамический метод интегрирования уравнений движения; нелинейный динамический метод, основанный на интегрировании уравнений движения по явной схеме; метод канонических разложений, с помощью которого производится моделирование случайного сейсмического воздействия.
Личный вклад автора диссертации заключается в следующем:
Разработана методика расчета зданий с сейсмоизолирующим фундаментом с маятниковыми скользящими опорами прямым динамическим методом;
Выполнено исследование маятниковых скользящих опор и их параметров;
Выполнено исследование комплекса задач о расчете зданий с сейсмоизолирующим фундаментом с маятниковыми скользящими опорами с учетом нелинейного характера работы конструкций и грунтов основания;
Выполнено вероятностное моделирование случайного сейсмического воздействия, заданного в виде нестационарного случайного процесса;
Выполнена оценка надежности здания с сейсмоизолирующим фундаментом с
маятниковыми скользящими опорами при случайном сейсмическом воздействии и различном
спектральном составе акселерограмм землетрясения.
Достоверность результатов достигается:
Использованием при постановке задач гипотез, принятых в механике деформируемого твердого тела, теории надежности строительных конструкций;
Сравнением полученных результатов с экспериментальными данными и аналитическими решениями, полученными другими авторами по ряду исследуемых в работе вопросов;
Применением при расчете современных апробированных численных методов расчета строительных конструкций и оснований.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на:
XI Всероссийской научно-практической и учебно-методической конференции «Фундаментальные науки в современном строительстве», Москва, МГСУ, 2014.
XVII Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистров, аспирантов и молодых ученых «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, 2014.
LX Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике», Новосибирск, 2016.
XLVIII-XLIX Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия: вопросы технических наук», Москва, 2016.
LV Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия: инновации в современном мире», Москва, 2016.
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на объединенном заседании кафедр «Сопротивление материалов» и «Механика грунтов и геотехника» ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (г. Москва, 2017 г.).
На защиту выносятся:
Методика расчета зданий с сейсмоизолирующим фундаментом с маятниковыми скользящими опорами прямым динамическим методом;
Результаты исследований параметров трения и радиуса кривизны поверхности скольжения маятниковой скользящей опоры;
Результаты сравнительного анализа работ маятниковой скользящей опоры и резинометаллической опоры на примере линейного и нелинейного осцилляторов;
Результаты анализа работ сейсмоизолированных зданий различной этажности;
Результаты анализа влияния параметров маятниковых скользящих опор на реакцию многоэтажных зданий;
Результаты сравнительного анализа работ сейсмоизолированных зданий с маятниковыми скользящими опорами и резинометаллическими опорами;
Результаты анализа эффективности применения сейсмоизолирующих фундаментов с маятниковыми скользящими опорами при различном спектральном составе сейсмического воздействия;
Результаты исследований эффективности применения сейсмоизолирующих фундаментов с маятниковыми скользящими опорами при учете влияния грунтовых условий;
Результаты произведенной оценки надежности железобетонного здания с сейсмоизолирующим фундаментом с маятниковыми скользящими опорами.
Публикации. Научные результаты достаточно полно изложены в 10 научных публикациях, из которых 6 работ опубликованы в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (141 наименование). Общий объем диссертации составляет 141 страницу, включая 28 таблиц и 104 рисунка.