Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Нормативные методы расчета на землетрясения и методики определения динамических характеристик зданий и сооружений 11
1.1. Этапы развития теории сейсмостойкости 11
1.2. Линейно-спектральный метод в нормах проектирования 15
1.3. Прямой динамический метод расчета на сейсмические воздействия 18
1.4. Динамические методы обследования зданий и сооружений 22
1.5. Методы возбуждения колебаний при определении динамических характеристик в натурных исследованиях 28
1.6. Существующие подходы к расчету сейсмостойкости при повторных землетрясениях 32
Выводы по главе 1 34
Глава 2. Исследование влияния локальных повреждений на динамические характеристики железобетонных зданий и сооружений различных конструктивных систем 36
2.1. Исследования здания с полным рамным каркасом 36
2.2. Исследования здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы 42
2.3. Модальный анализ зданий в ПК LS-DYNA 50
2.4. Расчет здания с полным рамным каркасом на микросейсмическое воздействие 57
2.5. Расчет здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы на микросейсмическое воздействие 68
2.6. Динамические исследования купольной части защитной оболочки АЭС 75
Выводы по главе 2 84
Глава 3. Разработка методики расчета сейсмостойкости зданий и сооружений при повторных землетрясениях на основе нелинейного динамического метода 86
3.1. Моделирование сейсмического воздействия методом канонических разложений 86
3.2. Расчет здания с полным рамным каркасом на повторные землетрясения 89
3.3. Анализ сейсмостойкости здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы при повторных землетрясениях 99
Выводы по главе 3 106
Глава 4. Оценка сейсмостойкости зданий и сооружений при повторных землетрясениях 109
4.1. Модальный анализ и расчет на микросейсмическое воздействие многоэтажного железобетонного здания 109
4.2. Определение сейсмостойкости жилого многоэтажного железобетонного здания при повторных землетрясениях 112
4.3. Оценка сейсмостойкости защитной оболочки АЭС при повторных землетрясениях 117
Выводы по главе 4 120
Заключение 122
Список литературы
- Динамические методы обследования зданий и сооружений
- Расчет здания с полным рамным каркасом на микросейсмическое воздействие
- Расчет здания с полным рамным каркасом на повторные землетрясения
- Определение сейсмостойкости жилого многоэтажного железобетонного здания при повторных землетрясениях
Введение к работе
Актуальность темы. Явление сильного землетрясения на определенной местности с наибольшей вероятностью представляет собой длительный динамический процесс в виде множества отдельных мощных подземных толчков в течение нескольких дней (а иногда и месяцев). Как правило, первый толчок самый сильный, за ним следует множество толчков постепенно убывающей силы, так называемые афтершоки (от англ. after – «после» и shock – «удар», «толчок»), хотя некоторые из них могут быть лишь немного слабее основного. Опыт показывает, что первые два толчка по силе проявления могут быть практически одинаковыми. Однако, в действующих нормах проектирования вероятность возникновения повторных землетрясений не учитывается. В нормативных документах отсутствуют требования к сейсмостойкости зданий и сооружений при повторных сейсмических воздействиях после первого землетрясения с учетом возникших локальных повреждений. Отсутствие указанных требований связано, в том числе, с отсутствием в настоящее время достоверных методик оценки сейсмостойкости при повторных землетрясениях. Разработка данных методик и анализ сейсмостойкости зданий и сооружений при повторных землетрясениях, для которых не проводятся усиления после первого землетрясения, является актуальной проблемой. Также важным является вопрос о том, какие изменения претерпевают динамические характеристики здания (частоты и формы собственных колебаний) при локальных повреждениях его несущих конструкций.
Степень разработанности темы диссертации. Проблемами сейсмостойкости
зданий и сооружений и развитием динамических методов расчета занимаются многие
отечественные и зарубежные ученые. Решению актуальных задач теории
сейсмостойкости посвящены работы следующих ученых: Я.М. Айзенберг, А.М.
Белостоцкий, А.Н. Бирбраер, А.В. Грановский, М. А. Дашевский, Г.А.
Джинчвелашвили, В.И. Жарницкий, К.С. Завриев, В.Б. Заалишвили, О.В. Кабанцев, Р. Клаф, Э.Н. Кодыш, И.Л. Корчинский, С.В. Кузнецов, А.М. Курзанов, О.В. Мкртычев, В.Л. Мондрус, Ю.П. Назаров, В.И. Смирнов, Дж. Пензиен, А.Е. Саргсян, А.Г. Тамразян, Н.Н. Трекин , А.Г. Тяпин, А.М. Уздин, Г. Хаузнер, Э.И. Хачиян, A.К. Чопра, Г.Э. Шаблинский, Ю.Т. Чернов и многие другие.
Ряд современных работ посвящен прогнозированию и моделированию афтершоковых процессов. Проблема разработки метода расчета зданий на сейсмические нагрузки с учетом воздействий основного и первого повторного толчков для защиты жизни и здоровья людей рассматривается в работах А.В. Масляева.
Следует отметить, что, несмотря на многочисленные проведенные исследования по вопросам сейсмостойкости, недостаточно внимания уделено задаче определения сейсмостойкости зданий и сооружений при повторных землетрясениях. Также неизвестно, как меняются динамические характеристики зданий и сооружений после землетрясений, в случаях, когда здание остается сейсмостойким.
В связи с этим возникает необходимость разработать методику расчета (определения) сейсмостойкости зданий и сооружений при повторных землетрясениях с учетом локальных повреждений, и при этом расчетным путем исследовать, какие
изменения претерпевают частоты собственных колебаний зданий и сооружений после землетрясений, при которых здание остается сейсмостойким.
Цель диссертационной работы: исследование влияния локальных повреждений железобетонных зданий и сооружений на их динамические характеристики, разработка методики расчета сейсмостойкости зданий и сооружений при повторных землетрясениях с учетом локальных повреждений и оценка сейсмостойкости железобетонных зданий и сооружений.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
анализ существующих методов расчета на сейсмические воздействия и динамических методов обследования состояния зданий и сооружений;
расчетное исследование влияния различных локальных повреждений несущих элементов железобетонных зданий на их динамические характеристики;
исследование влияния геометрического дефекта купольной части защитной оболочки АЭС, выявленного в ходе натурных исследований, на частоту ее собственных колебаний, и сравнение полученных расчетных результатов с результатами натурных измерений;
разработка методики расчета сейсмостойкости зданий и сооружений при повторных землетрясениях с учетом локальных повреждений;
определение сейсмостойкости железобетонных зданий разной этажности при повторных землетрясениях на основе разработанной методики;
определение частот собственных колебаний защитной оболочки АЭС с применением программного комплекса и сравнение полученных результатов с результатами натурных и модельных исследований;
оценка сейсмостойкости защитной оболочки АЭС.
Объектом исследования являются монолитные железобетонные здания с полным рамным каркасом, здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы, сооружение защитной оболочки АЭС и ее купольной части при повторных землетрясениях.
Предметом исследования являются динамические характеристики (собственные частоты и формы колебаний) и сейсмостойкость железобетонных зданий и сооружений различных конструктивных схем с учетом локальных повреждений.
Научная новизна работы:
исследовано влияние локальных повреждений железобетонных зданий с полным рамным каркасом и зданий перекрестно-стеновой конструктивной схемы на частоты их собственных колебаний в линейной постановке (модальный анализ);
исследовано влияние локальных повреждений железобетонных зданий на частоты их собственных колебаний при расчетах на микросейсмическое воздействие во временной области с последующим построением энергетических спектров частот колебаний (частотный анализ);
проведено расчетное исследование влияния геометрического дефекта купольной части защитной оболочки АЭС, выявленного в ходе натурных исследований,
на частоту ее собственных колебаний с использованием различных программных комплексов;
предложена методика расчета сейсмостойкости зданий и сооружений при повторных землетрясениях на основе нелинейного динамического метода;
исследована сейсмостойкость железобетонных зданий различных конструктивных схем при повторных землетрясениях с учетом физической и геометрической нелинейностей;
исследована сейсмостойкость защитной оболочки АЭС при повторных землетрясениях.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что получили развитие прямые динамические методы расчета железобетонных зданий и сооружений на сейсмические воздействия, основанные на явных схемах интегрирования уравнений движения, позволяющие получать решение во временной области с учетом физической и геометрической нелинейностей.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
результаты проведенных исследований могут быть использованы в инженерной практике проектными и исследовательскими организациями при проектировании сейсмостойких зданий и сооружений, способных воспринимать повторные землетрясения без предварительного капитального ремонта и усиления, снижая при этом экономические затраты на стадиях строительства и эксплуатации;
разработанная методика может быть использована при оценке сейсмостойкости построенных железобетонных зданий и сооружений после землетрясений;
- разработанная методика позволяет использовать полученные в результате
обследований динамические характеристики зданий и сооружений для идентификации
системы и последующего уточненного анализа сейсмостойкости.
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования являлись труды отечественных и зарубежных авторов в области сейсмостойкости зданий и сооружений. В диссертационной работе использовались: линейно-спектральный метод расчета на сейсмическое воздействие, основанный на разложении по формам колебаний; 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 расчетных акселерограмм с заданными параметрами.
Личный вклад автора диссертации заключается в следующем:
разработка методики расчета сейсмостойкости зданий и сооружений при повторных землетрясениях прямым динамическим методом в нелинейной постановке;
участие в натурных экспериментальных исследованиях по определению динамических характеристик строительных конструкций АЭС (в т.ч. защитной оболочки с ее купольной частью);
исследование влияния локальных повреждений железобетонных зданий и купольной части защитной оболочки на частоты их собственных колебаний;
оценка сейсмостойкости железобетонных зданий различных конструктивных схем при повторных землетрясениях;
анализ полученных результатов исследований (расчетных, натурных и модельных).
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
использованием при постановке задач гипотез, принятых в механике деформируемого твердого тела, теории надежности строительных конструкций, строительной механике и теории железобетона;
сравнением полученных результатов с экспериментальными данными и аналитическими решениями, полученными другими авторами по ряду исследуемых в работе вопросов;
- применением при расчете строительных конструкций современных
апробированных численных методов, сравнением результатов, полученных в различных
программных комплексах.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях:
XVII Международная межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство -формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 2014 г.);
XI Всероссийская научно-практическая и учебно-методическая конференция «Фундаментальные науки в современном строительстве» (г. Москва, 2014 г.);
Международная научно-практическая конференция «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы» (г. Москва, 2014 г.);
XVIII Международная межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство -формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 2015 г.).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на объединенном заседании кафедр «Сопротивление материалов», «Железобетонные и каменные конструкции» ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (г. Москва, 2016 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 6 статей в изданиях, входящих в Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук.
На защиту выносятся:
методика расчета сейсмостойкости зданий и сооружений при повторных землетрясениях с учетом локальных повреждений на основе нелинейного динамического метода;
методы и результаты исследований влияния локальных повреждений
железобетонных зданий с полным рамным каркасом и зданий перекрестно-стеновой конструктивной схемы на частоты их собственных колебаний;
результаты исследований влияния геометрического дефекта купольной части защитной оболочки АЭС на частоту ее собственных колебаний;
результаты определения сейсмостойкости железобетонных зданий различных конструктивных схем при повторных землетрясениях с учетом физической и геометрической нелинейностей;
результаты исследований по определению частот собственных колебаний и сейсмостойкости защитной оболочки АЭС.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (147 наименований) и 1 приложения. Общий объем диссертации составляет 144 страницы, включая 31 таблицу, 72 рисунка.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует пунктам 3, 4 Паспорта специальности 05.23.01 -Строительные конструкции, здания и сооружения.
Динамические методы обследования зданий и сооружений
Линейно-спектральный метод представлен в действующих нормах проектирования и заключается в использовании расчетного спектра реакции, представляющего собой аппроксимацию спектров реакции для представительного набора акселерограмм землетрясений [117]. Этот спектр может использоваться для определения упругой реакции систем с одной и многими степенями свободы. Спектральный метод расчета конструкций на сейсмические воздействия является основным как за рубежом, так и в нашей стране. Данный метод предполагает определение сейсмических инерционных нагрузок (сил), приложенных в центре тяжести массы, затем конструкция рассчитывается на действие сил, приложенных к конструкции статически. Динамические свойства конструкции учитываются при определении нагрузок. Для этого движение системы раскладывается по формам колебаний, т.е. представляется как сумма некоторых движений (форм колебаний).
При выполнении расчетов зданий и сооружений на землетрясение на основе линейно-спектральной теории исходное расчетное сейсмическое воздействие задается или в виде спектральной кривой коэффициента динамичности ft и соответствующего коэффициента сейсмичности, или в виде набора акселерограмм [103]. Инструментальные или синтезированные акселерограммы определяют закон движения грунта на свободной поверхности площадки строительства и представляются, как правило, специализированными организациями (Институт Физики Земли РАН). Согласно спектральному методу сейсмические нагрузки являются квазистатическими, что облегчает расчет на сочетание сейсмических и прочих нагрузок. К недостаткам относится то, что спектральный метод является корректным только при расчете линейных систем. Спектральный метод, как правило, применяется [117, 125]: при использовании упрощенных моделей сооружений, отражающих поступательные колебания для расчета зданий и сооружений простой геометрической формы с симметричным и регулярным расположением масс и жесткостей, и с наименьшим размером в плане - не более 30 м; при использовании расчетных моделей, которые, помимо поступательных, учитывают крутильные сейсмические воздействия (сейсмический момент, неравномерное поле колебаний грунта) для расчета зданий и сооружений, несимметричных в плане или по высоте, а также каркасных зданий высотой более 50 м.
Спектральная методика оценки сейсмостойкости сооружений является основной в нормах большинства стран. Эта методика базируется на опыте прошлых землетрясений и обеспечивает необходимую сейсмостойкость сооружений путем использования при расчете эмпирической системы расчетных коэффициентов, что позволяет по-разному трактовать не только результаты, но и исходные посылки нормативной методики.
Расчеты на сейсмостойкость зданий и сооружений в России рекомендуются проводить по спектральной теории, которая лежит в основе СНиП II-7-81. Строительство в сейсмических районах».
В соответствии с [103], расчетная сейсмическая нагрузка S?k по направлению обобщенной координаты с номером j, приложенная к узловой точке к расчетно-динамической модели и соответствующая /-й форме собственных колебаний зданий и сооружений, определяется по формуле: Si=KiSL, (1.7) К, - коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения; Si& - значение сейсмической нагрузки для /-го формы собственных колебаний здания и сооружения: $L = ОйФДч/пі , (1.8) где QI - вес здания или сооружения, отнесенный к точке к по обобщенной координате у; А - значение ускорения в уровне основания; следует принимать равным 0,1; 0,2; 0,4 соответственно для расчетной сейсмичности 7, 8, 9 баллов; Д. - коэффициент динамичности, соответствующий 1-й форме собственных колебаний зданий или сооружений; Kw - коэффициент, принимаемый в соответствии с указаниями норм; 17І - коэффициент, зависящий от формы деформации здания или сооружения.
Расчет здания с полным рамным каркасом на микросейсмическое воздействие
Все методики оценки состояния строительных конструкций зданий и сооружений по их динамическим характеристикам, приведённые в первой главе, основываются на записях микроколебаний объектов, вызванных работой на нём какого-либо оборудования, проезда автотранспорта и других случайных динамических воздействий, передающихся через основание сооружений. В сущности, это микросейсмические воздействия на строительные конструкции. Для объективной проверки мы решили провести специальный расчетный эксперимент. Для такого эксперимента были использованы те же два железобетонных здания, которые использовались выше в расчетных экспериментах по модальному анализу. Для этого задавалось микросейсмическое воздействие в виде трехкомпонентной акселерограммы (X, Y, Z), а его реакция определялась в ряде характерных точек зданий. Обработка данных и построение спектров осуществляется с помощью программного пакета DADiSP 2002 [82, 136]. Визуальное представление заданных микросейсмических воздействий и их энергетические спектры по направлениям X, Y приведены на рисунках 2.13-2.14.
Акселерограмма микросейсмического воздействия по направлению X (сверху) и ее энергетический спектр (снизу) Рисунок 2.14 – Акселерограмма микросейсмического воздействия по направлению Y (сверху) и ее энергетический спектр (снизу) Как видим, заданное микросейсмическое воздействие имеет случайный характер. В действительности причиной микросейсмических колебаний могут быть вращения несбалансированных масс мощных электродвигателей (работа турбогенераторов и главных центробежных насосов на атомных электростанциях), работа какой-либо строительной техники поблизости и др. Расчет на заданное микросейсмическое воздействие проводился в LS-DYNA R8 с выводом записей ускорений в назначенных точках по взаимно перпендикулярным горизонтальным направлениям (главным осям X и Y). При этом анализировались полученные в этих точках энергетические спектры с целью выявления частот собственных колебаний здания. На рисунке 2.15 представлена схема расположения точек (условных датчиков) на здании с рамным каркасом.
На рисунках 2.16-2.17 приведены фрагменты записей реакции здания без повреждений на микросейсмическое воздействие (сверху) в точках 1-3 (слева направо) и соответствующие им энергетические спектры (снизу). Здесь и в дальнейшем: а) на записях ускорений по горизонтальной оси – время (с), по вертикальной – ускорение (м/с2); б) на энергетических спектрах по горизонтальной оси – частота (Гц), по вертикальной – спектральная характеристика.
Фрагменты записей ускорений (сверху) в т.1-3 (слева направо) по направлению Y и соответствующие им энергетические спектры (снизу)
На энергетических спектрах рисунков 2.16-2.17 видим, что в т.1 (3-й этаж здания) проявляется достаточно много пиков, и определение 1-й частоты собственных колебаний по обоим направлениям вызывает определённые трудности. Можно всё же выделить преобладающий пик вблизи частоты 0,9 Гц можно всё-таки выделить. Как показывают исследования [11, 12, 14, 94], по спектрам, полученным от записей ускорений на нижних этажах здания, обычно труднее определить частоты собственных колебаний всего здания в целом. Ещё уверенней фиксируются преобладающие частоты в точках 2 и 3 вблизи частоты 0,9 Гц, что очень близко к данным модального анализа этой конструкции.
В точках 2-3 (самые верхние точки здания) четко проявляется 1 высокий пик по направлению X, соответствующий частоте 0,843 Гц, и 3 высоких пика по направлению Y: 0,783 и 0,843 Гц – двойной пик; 2,018 Гц; 2,620 Гц. В этом случае частоту 0,783 Гц по направлению Y можно соотнести первой форме (частоте) собственных колебаний здания, частота 0,843 Гц – вторая частота собственных колебаний рассматриваемого каркасного здания. Следует отметить, что если здание в плане имеет прямоугольную форму, первую и вторую частоты собственных колебаний иногда называют первая частота по направлению Х (Y) и первая частота по направлению Y (X).
Другие высокие пики можно считать проявлением высших форм собственных колебаний здания. В натурных условиях для определения (фиксирования) частот, соответствующих 3-й и выше форм собственных колебаний (а, чаще всего, и 2-й формы) требуется специальное оборудование, в частности, вибромашина. Для соотнесения пиков, соответствующих более высоким формам собственных колебаний здания с определенными интересующими нас формами, в программном комплексе можно выполнить моделирование воздействия на здание, соответствующего воздействию от вибромашины.
На энергетических спектрах других точек, в том числе и указанных на рисунке 2.15 точках 4-7, также четко проявился пик на частоте 0,843 Гц (по направлению X) и двойной пик 0,783 и 0,843 Гц (по направлению Y). На рисунках 2.18-2.19 приведены соответствующие записи ускорений (сверху) в точках 4-7 (слева-направо) и их энергетические спектры (снизу). Поэтому можно сделать вывод, что 0,783 Гц соответствует первой частоте (форме) собственных колебаний здания с рамным каркасом (или первая частота по направлению Y), а 0,843 Гц соответствует второй частоте собственных колебаний здания (первая частота по направлению X).
На рисунках 2.20-2.21 приводятся фрагменты записей ускорений (сверху) здания с локальным разрушением угловой колонны на первом этаже в т. 1-3, 4-7 (слева направо) по направлениям X, Y и соответствующие им энергетические спектры. Здесь мы видим, что по направлению X преобладает пик на частоте 0,813 Гц; по направлению Y - 0,783 Гц. По сравнению с выделенной низшей собственной частотой собственных колебания здания без повреждений, на спектрах частот здания с разрушением угловой колонны наблюдается снижение значения частоты по направлению Хв пределах 3-4%.
Следует отметить и тот факт, что при отказе колонны энергетический вклад первой частоты на соответствующих спектрах и в направлении X, и в направлении Y повысился на порядок (на спектрах здания без повреждения - 10 6, здания с разрушенной угловой колонной - 10 5).
Расчет здания с полным рамным каркасом на повторные землетрясения
Как показали результаты этого исследования, для здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы при заданном микросейсмическом воздействии выделение собственных частот из спектров реакции в различных точках здания представляет довольно непростую задачу. Так, для исходной схемы сложно выделить собственные частоты из большого числа пиков на соответствующих спектрах. Хорошие результаты показал случай разрушения стены в осях 4А-Б на первом этаже здания. Там четко определились преобладающие частоты на спектрах записей колебаний.
Таким образом, тщательно анализируя спектры, полученные в ходе расчетов здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы на микросейсмическое воздействие и результаты модального анализа, мы пришли к выводу, что, скорее всего, к первой частоте собственных колебаний здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы при расчете на микросейсмическое воздействие можно отнести частоту 2,771 Гц (направление X), к второй – 3,163 Гц (направление Y), к третьей – 3,825 Гц. При расчетах с моделированием локальных повреждений здания – преобладающие пики, соответствующие низшим частотам собственных колебаний здания, проявились чётко, но связать их с указанными локальными разрушениями очень сложно. В таблице 2.16 представлены сравнительные результаты расчетов на микросейсмическое воздействие и модального анализа здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы без локальных разрушений.
В 2011-2013 гг. под руководством д.т.н., проф. Г.Э. Шаблинского с нашим участием проводились натурные динамические исследования конструкций нескольких АЭС. Целью исследований было определение частот и форм собственных колебаний сооружений АЭС для составления динамических паспортов АЭС. По результатам исследования особый интерес представили частоты собственных колебаний куполов защитных оболочек. Значения собственных частот их колебаний находились в пределах 17,0-19,5 Гц, за исключением купольной части одной защитной оболочки Балаковской АЭС, которая имела существенно более низкую частоту 13,3 Гц (21,8%-31,8%) [13, 99]. Для объяснения такого существенного расхождения результатов по частоте были выдвинуты три предположения: различная степень натяжения армоканатов преднапрягаемой арматуры в куполе; различная прочность бетона оболочки; нарушение геометрии купола, которое было зарегистрировано визуально при записи колебаний на защитной оболочке. С одной стороны визуально наблюдался плоский участок от опорного кольца почти до вершины купола (рисунок 2.35).
Первые две причины тщательно изучены и проанализированы в работе [99]. Расчеты показали, что влияние степени натяжения армоканатов преднапрягаемой арматуры в куполе и различной прочности бетона на частоты собственных колебаний несущественное. В итоге именно наличие геометрического дефекта купола оказалась основной версией причины столь большого снижения собственной частоты купольной части защитной оболочки. Но в указанной выше работе [99] эта версия не была исследована. Поэтому нами был произведен расчет купольной части с геометрическим дефектом защитной оболочки, результаты которого приводятся в данном разделе. Моделирование и расчеты выполнялись в программных комплексах Лира 9.6, LS-DYNA R8, Ansys 14.5. Цель расчета: Сравнить результаты расчета с результатами натурных исследований и выяснить при помощи расчета, влияет ли геометрический дефект купола, выявленный в ходе натурных исследований, на частоту колебаний купольной части защитной оболочки.
Была выполнена модель купольной части оболочки реактора без дефекта (по проекту) и с дефектом в виде замены плоскостью 1/4 части купольной части оболочки. Для большего приближения задачи к реальной конструкции был так же выполнен небольшой участок цилиндрической части по низу, которого было выполнено закрепление. Сначала выполнялся расчет исходной схемы без геометрического дефекта (в соответствии с проектом), затем – с учетом дефекта.
На рисунке 2.36 приведена расчетная схема купольной части защитной оболочки без дефекта. Результаты расчета купольной части оболочки без дефекта приведены в таблице 2.17.
Частоты собственных колебаний купольного покрытия защитной оболочки (без дефекта) № формы (частоты) Частота собственныхколебаний купола бездефекта, полученная вПК Лира 9.6, Гц Частота собственныхколебаний купола,полученная вПК LS-DYNA R8, Гц Частота собственныхколебаний купола,полученная вПК Ansys 14.5, Гц 1 17,879 18,000 17,827 2 20,121 20,321 18,952 3 20,121 20,321 18,952 4 24,690 24,866 20,949 5 24,693 24,866 20,949 Расчетная схема купольной части защитной оболочки с дефектом представлена на рисунке 2.37. Соответствующие результаты расчета купольной части оболочки с геометрическим дефектом приведены в таблице 2.17. 1) 3) Рисунок 2.37 – Расчетная схема купольной части с дефектом, построенная в ПК: 1) LS-DYNA R8; 2) Ansys 14.5; 3) Лира 9.6 Таблица 2.18 – Частоты собственных колебаний купольного покрытия защитной оболочки (с дефектом) № формы (частоты) Частота собственныхколебаний купола сдефектом, полученнаяв ПК Лира 9.6, Гц Частота собственныхколебаний купола с дефектом, полученная в ПК LS-DYNA R8, Гц Частота собственныхколебаний купола сдефектом, полученнаяв ПК Ansys 14.5, Гц 1 13,065 12,853 13,541 2 18,586 18,332 18,410 3 18,753 18,743 18,949 4 22,789 22,728 20,183 5 22,901 22,887 21,305 Рисунок 2.38 – Первая форма колебаний купольной части защитной оболочки, полученная на физической модели (f = 19,5 Гц) Как можно заметить, 1-я частота, полученная в результате расчета купольной части защитной оболочки с дефектом, существенно отличается от 1-й частоты, полученной при расчете купола без дефекта. В натурных исследованиях купола с дефектом также была получена частота 13,3 Гц, что очень близко к результатам численных исследований. Значения остальных частот практически одинаковы. Таким образом, при помощи расчета мы подтвердили, что столь большое снижение собственной частоты объясняется только наличием геометрического дефекта купола. В работе [129] приведены результаты исследования динамических характеристик защитной оболочки АЭС на физических моделях, в том числе частота собственных колебаний купольной части.
Определение сейсмостойкости жилого многоэтажного железобетонного здания при повторных землетрясениях
При доминантной частоте 3 Гц по направлениям X, Y здание остается сейсмостойким даже при трех сейсмических воздействиях интенсивностью 9 баллов. При расчете здания на повторные землетрясения интенсивностью 8 баллов с доминантной частотой сейсмического воздействия 2 Гц, при третьем воздействии той же интенсивности происходит обрушение здания. Таким образом, сейсмостойкость 16-тиэтажного здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы после второго сейсмического воздействия, с доминантной частотой по горизонтальным компонентам 2 Гц, составляет 7 баллов. На рисунках 4.6, 4.7 представлено здание в моменты начала разрушения его элементов при третьем землетрясении интенсивностью 8 баллов. 1-й этаж здания в момент разрушения его конструкций с изополями интенсивности пластических деформаций: а) момент начала разрушения t =11,5 c; б) момент разрушения t =15,2 c
При сейсмическом воздействии интенсивностью 8 баллов с доминантной частотой 1,5 Гц наблюдается обрушение здания. С этой же частотой, 1,5 Гц по горизонтальным компонентам акселерограммы, здание остается сейсмостойким при трех сейсмических воздействиях интенсивностью 7 баллов. Дальнейший анализ показывает, что при доминантной частоте сейсмического воздействия 1 Гц, максимально приближенной к первой низшей частоте собственных колебаний здания, сейсмостойкость здания снижается до 6 баллов.
Графики изменения интенсивности пластических деформаций i и напряжений i во времени в одной из стен при трех сейсмических воздействиях (8б+8б+8б) представлены на рисунке 4.8 (а, б).
Изменение интенсивности во времени при трех сейсмических воздействиях (8б+8б+8б): а) пластических деформаций; б) напряжений
На рисунках 4.9-4.10 приведены записи ускорений колебаний здания от микросейсмического воздействия и их энергетические спектры после 3-х сейсмических воздействий (8б+8б+7б, с доминантной частотой 2 Гц – по X и Y, 2,5 Гц – по Z) в 4-х точках по X, Y. На рисунках: сверху – записи ускорений; посередине – спектры в исходном масштабе; снизу – спектры, увеличенные в масштабе по вертикальной оси.
соответствующие им энергетические спектры
В таблице 4.3 приведены частоты колебаний 16-тиэтажного здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы до сейсмического воздействия, сопоставленные с частотами, проявившимися после первого, второго и третьего сейсмических воздействий. Частоты собственных колебаний 16-тиэтажного здания до и после 3-х землетрясений Частоты с наибольшими пиками 16-этажного здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы, Гц сравнениепо частоте, % до землетрясения после 1-госейсмическоговоздействия(8 б, 2 Гц – по Х, У, 2,5 Гц – по Z) после 2-госейсмическоговоздействия(8 б, 2 Гц – по Х, У, 2,5 Гц – по Z) после 3-госейсмическоговоздействия(7 б, 2 Гц – по Х, У, 2,5 Гц – по Z) 0,817 0,829 0,828 0,791 3,18% 1,090 1,056 1,054 1,054 3,30% 1,211 1,094 1,092 1,090 9,99% Исследования спектров записей ускорений 16-тиэтажного здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы до и после землетрясений показали, что при доминантной частоте 2 Гц по горизонтальным компонентам, первая частота собственных колебаний здания после третьего воздействия уменьшилась на 3,18%.
Среди строительных конструкций атомных электростанций с реакторами ВВЭР наиболее ответственными объектами являются защитные оболочки. Внутри защитной оболочки размещается сам реактор и первый контур водяного теплоносителя. Защитная оболочка должна оставаться герметичной при аварийных ситуациях на первом контуре и, кроме того, должна быть достаточно прочной при различных внешних воздействиях, таких как землетрясения, падение самолета, случайных взрывах и т.п. [10, 12, 13].
Оболочка реактора выполнена из монолитного железобетона, имеет цилиндрическую форму с купольным сферическим покрытием. Высота оболочки – 53,25 м. Внутренний диаметр цилиндрической части 45 м, внутренний радиус сферического купола 35 м. Толщина стен цилиндрической части 1,2 м, толщина купольной части 1,1 м.
На рисунке 4.11 представлена защитная оболочка реактора ВВЭР-1000 в разрезе (а) и расчетная модель защитной оболочки (б). Моделирование выполнялось в программных комплексах Ansys 14.5 и LS-DYNA R8. приведены значения частот собственных колебаний, полученных при модальном анализе; при исследованиях на физических моделях и результаты натурных исследований защитных оболочек АЭС, работающих в штатном режиме. Исследования по определению динамических характеристик АЭС в натурных условиях и обработка результатов проводились в 2011-2013 гг. при участии автора. Модельные исследования проводились д.т.н., проф. Г.Э. Шаблинским экспериментально на модели, изготовленной из оргстекла в масштабе 1:200 [10, 129].
В исследованиях, проведенных в данной работе, максимальное расхождение низших частот составляет до 16%. Также проводился расчет защитной оболочки на повторные землетрясения, результаты которого приведены в таблице 4.5. В качестве сейсмического воздействия использовались синтезированные трехкомпонентные акселерограммы с разным спектральным составом (доминантная частота варьировалась в интервале от 3 Гц до 5 Гц), нормированные на 9-11 баллов по шкале MSK-64. Таблица 4.5 – Результаты исследования сейсмостойкости защитной оболочки № задачи Интенсивность в баллах Доминантная частота сейсмического воздействия Обрушение оболочки 1 9 3 Гц – по X и Y, 4 Гц – по Z нет 2 10+10+10 5 Гц – по X, Y, Z нет 3 11 5 Гц – по X, Y, Z да 120 Исследования показали, что после третьего сейсмического воздействия интенсивностью 10 баллов, в основании оболочки зафиксированы незначительные пластические деформации i = 0,00025. Обрушение оболочки происходит при первом сейсмическом воздействии интенсивностью 11 баллов.