авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Динамический расчет многоэтажных зданий при землетрясении

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Нгуен Куок Донг

ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ

05.23.17 – Строительная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2010

Работа выполнена на кафедре строительной механики в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор,

почетный член РААСН

Масленников Александр Матвеевич

(СПБГАСУ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рутман Юрий Лазаревич

(ОАО КБ специального машиностроения, г. Санкт Петербург)

кандидат технических наук, ст. препод.

Дмитровская Любовь Николаевна

(ПГУПС)

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита диссертации состоится 24 декабря 2010 г. в 14ч.30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.223.03 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний (219).Факс: (812) 316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан « » ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного

совета д.т.н., проф. Л.Н. Кондратьева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Ежегодно на земном шаре, включая Вьетнам, происходит свыше 300 тыс. землетрясений, большинство из которых имеет небольшую силу или проявляется в ненаселенных районах. Однако некоторые очаги сильных землетрясений располагаются близко к населенным районам. По переписи на территории Вьетнама было более 13 землетрясений свыше 7 баллов. Такие землетрясения сопровождаются разрушениями несейсмостоиких зданий и сооружений, гибелью людей и уничтожением материальных и культурных ценностей, накопленных трудом многих поколений.

В настоящее время чрезвычайно актуальными являются исследование конструкций в процессе разрушений, учет влияния податливости основания на колебания конструкций и защита гражданских высотных зданий, находящихся в сейсмически активных районах. При сильных землетрясениях в процессе колебаний происходит частичное разрушение конструкций (отслоение бетона, обрыв связей, появление пластических деформации и т. п.). В таких случаях сооружение становится конструктивно нелинейным. Возможные места разрушения устанавливаются на основании статического расчета. В большинстве случаев расположение мест образования пластических шарниров в конструкциях при действии статической и динамической нагрузок совпадают. Поэтому исследование в процессе разрушении конструкции является одной из важнейших проблем для повышения сейсмостойкости конструкции.

При расчете зданий на сейсмическое воздействие по СНиП учет основания производится через коэффициент динамичности, который зависит от категории грунта по сейсмическим свойствам и от периодов собственных форм колебаний. При расчете высоких зданий на воздействие фрагментов реальных акселерограмм непосредственное применение коэффициента динамичности не оговаривается. В диссертации приводится исследование влияния податливости основания на колебания зданий путем непосредственного расчета по акселерограммам.

Повышение сейсмостойкости зданий достигается различными способами. Один их них применение систем специальной сейсмозащиты, обеспечивающих проскальзывание зданий относительно их оснований. В настоящее время благодаря созданию новых конструкционных материалов, прочных и долговечных пластмасс, идея сейсмоизоляции зданий с помощью элементов скольжения получила логическое развитие и конструктивное оформление. В диссертации предлагается расчет систем с сейсмоизолирующим скользящим поясом на воздействие фрагментов реальных акселерограмм. Изложенное выше свидетельствует об актуальности предлагаемой темы исследования.

Цели и задачи диссертационной работы

Диссертационная работа направлена на исследование поведения статически неопределимых стержневых систем при динамическом воздействии в виде колебания основания, что имеет место при землетрясении. Для достижения указанной цели предлагается осуществить решение следующих задач:

  • создание специального численного метода решения поставленных задач;
  • исследование совместимости результатов расчета по спектральному методу с расчетом на основе акселерограмм;
  • исследование влияния коэффициента поглощения энергии на колебание зданий при землетрясении;
  • исследование влияния податливости основания на колебание зданий при землетрясении;
  • исследование эффективности систем с сейсмоизолирующим скользящим поясом с нелинейным демпфированием;
  • разработка алгоритма расчета и составление программы учета дефектов, возникающих в здании при землетрясении.

Научная новизна диссертации

  • Составлена программа решения системы дифференциальных уравнений движения сосредоточенных масс;
  • На основании расчетов по реальным акселерограммам установлена область достоверности расчетов по спектральной теории;
  • Созданы алгоритм и программа расчета влияния податливости основания на колебание зданий при землетрясении;
  • Созданы алгоритм и программа учета дефектов в здании при землетрясении;
  • Создана математическая модель, алгоритм и программа расчета систем с сейсмоизолирующим скользящим поясом с нелинейным демпфированием.

Практическая значимость. Разработаны алгоритмы и на их основе составлены программы, которые позволяют еще на стадии проектирования конструкций исследовать их работоспособность при динамических воздействиях различного характера и дать рекомендации, направленные на улучшение их работы. Приведен ряд практических рекомендаций, полученных в процессе расчетов.

Достоверность разработанных теоретических положений, математических моделей и выводов обеспечивается корректностью постановки задачи, использованием общепринятых в строительной механике допущений, тестированием программного комплекса, а также сопоставлением с работами других авторов.

На защиту выносятся:

  • Программы сейсмического расчета численным методом многоэтажных зданий;
  • Результаты оценки достоверности спектрального метода на основе расчета по акселерограммам;
  • Результаты влияния коэффициента поглощения на колебания при землетрясении;
  • Результаты расчета и выводы по влиянию податливости основания на колебание железобетонных и металлических конструкций при сейсмическом воздействии;
  • Математическая модель сейсмоизолирующего скользящего пояса с нелинейным демпфированием;
  • Результаты влияния дефектов высоких зданий, возникающих при различных землетрясениях;
  • Выявление динамического эффекта, возникающего при внезапном разрушении в процессе землетрясения.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 61-й и 62-й международных научно-технических конференциях молодых ученых, Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2007 г. и 2008 г.; на 66-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета, Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2009 г.; на ХХIII Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов». СПб., 2009. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах, в том числе две статьи в изданиях из перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, списка использованных источников из 116 наименований и содержит 144 страницы основного текста, 81 рисунок, 19 таблиц, 5 приложений.

содержание работы

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой темы, приведены общая характеристика работы и основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе дается обзор развития и современного состояния теории сейсмостойкости. Существенный вклад в современное состояние теории сейсмостойкости внесли Я.М. Айзенберг, В.С. Беляев, А.Н. Бирбраер, М. Био, Дж. Блюм, И.В. Гольденблат, К.С. Завриев, Г.Н. Карцивадзе, И.В. Корчинский, А.М. Масленников, С.В. Медведев, А.Г. Назаров, Ш.Г. Напетваридзе, Н.А. Николаенко, Н. Мононобе, Ф. Омори, В.С. Поляков, Э. Розенблюэт, Ю.Л. Рутман, О.А. Савинов, А.М. Уздин, Т. Хаузнер, Э.И. Хачиян, С.Г. Шульман и другие.

Вторая глава посвящена методам расчета на сейсмическое воздействие. Выполнен вручную расчет 5-этажной железобетонной рамы по СНиП. Результаты ручного счета сравниваются с таковыми, полученными с помощью ПК ЛИРА и SCAD (табл. 1). Анализ результатов показал, что ЛИРА дает результаты более близкие к официальному расчету. Поэтому эта программа далее используется как вспомогательная для дальнейших расчетов.

Таблица 1

Макс. перемещение 5-го этажа, м Расчет вручную Расхождение,%
Расчет по SCAD 0,0546 0,0756 27,8
Расчет по ЛИРА 0,0779 0,0756 3

Для решения поставленных задач составлена специальная программа в символах вычислительной системы MatLAB. Эта же система использована и для составления всех последующих программ. Программа представляет численный метод решения системы дифференциальных уравнений движения сосредоточенных масс. В общем виде уравнения при сейсмическом воздействием имеют вид.

(1)

Здесь М, С, К матрицы масс, демпфирования и жесткости; векторы перемещений, скоростей, ускорений масс системы с конечным числом степеней свободы; матрица квазистатических перемещений (при консольной схеме здания эта матрица будет единичной); - амплитуды заданных ускорений.

При прямом интегрировании уравнения (1) реализуется численная итерационная процедура по времени. Чтобы найти решение уравнений (1) на каком-то интервале времени временной отрезок делится на конечное число интервалов и равновесие рассматривается в дискетных точках данного отрезка. Значения векторов для каждого последующего интервала времени вычисляются с помощью результатов, полученных на предыдущем шаге времени.

Метод будет безусловно устойчивым, если коэффициенты интегрировании будут находиться в пределах , где совершенно очевидно, что оптимальная устойчивость и наибольшая точность зависит от величин и от решаемой задачи. Эти вопросы рассматривались в диссертации специально. На основе численных экспериментов Н.М Ньюмарк показал, что при решении линейных задач оптимальную устойчивость и наибольшую точность обеспечивают граничные значения и , т. е. и .

Для иллюстрации предлагаемого численного метода на рис. 1 изображены расчетные схемы рам, а на рис. 2, 3, 4 приведены развернутые во времени колебания масс верхних этажей от фрагментов трех акселерограмм в 8 баллов.

Для оценки достоверности численного метода составлена программа аналитического решения этой же задачи. В предлагаемом аналитическом методе сейсмическое воздействие в виде акселерограммы аппроксимируется трапецоидальными импульсами (рис. 5). Задача решается в линейной постановке.

Рис. 1. Расчетные схемы  Перемещения в 5-этажной раме от-15 Рис. 2. Перемещения в 5-этажной раме от различных акселерограмм.
 Перемещения в 10-этажной раме от-16 Рис. 3. Перемещения в 10-этажной раме от различных акселерограмм.  Перемещения в 18-этажной раме от-17 Рис. 4. Перемещения в 18-этажной раме от различных акселерограмм.
1,2,3 Перемещения верхнего этажа от Карпатского землетрясения, при землетрясении в США 1954, при землетрясении Эль-Центро.

В отличие от численного интегрирования дифференциальных уравнений движения сосредоточенных масс, предложенный метод требует существенно меньше вводимой исходной информации и времени счета.

Дифференциальное уравнение движения сосредоточенных масс при кинематическом воздействии имеют следующий вид

(2)

Учет затухания колебаний осуществляется только одним членом .

Решение системы уравнений находится в виде:

(3)

где спектральная переменная.

Правые части уравнений с помощью преобразования Фурье заменяются спектральными функциями:

(4)

Далее вычисляются вторые производные от (3) и подставляются вместе с (4) в (2). После приведения подобных членов и вынесения общего множителя под знаком интеграла остается система линейных уравнений относительно неизвестных функций :

Неизвестные функции определяются по правилу Крамера:

где

Для произвольного значения j = k

(5)

Здесь j = 1, 2,..., n, кроме k.

В выражении (5) множители при равны соответствующим алгебраическим дополнениям определителя . Множители при (степени только четные) вычисляются следующим образом: принимаются за исходные определители; для имеющихся в этих определителях элементов с одинаковыми индексами составляется сумма алгебраических дополнений. При этом знаки берутся с учетом уменьшенного размера определителя и учитываются знаки исходных определителей. Эта процедура продолжается вплоть до множителя при 4. При вычислении алгебраических дополнений берутся только неодинаковые члены.

Перед интегрированием удобно разделить числитель и знаменатель выражения для на и ввести обозначение , а затем умножить числитель и знаменатель на . Знаменатель можно представить в виде произведения, т. е.

(6)

Здесь корни полинома, находящегося в знаменателе.

Для дальнейшего решения необходимо уточнить вид воздействия. Как уже отмечалось, акселерограмма состоит из трапеций, как правило, «перевернутых» (см. рис.5). В этом случае

(7)

 (8) а) б) а  произвольная-46 (8)

а) б)

Рис. 5. а произвольная акселерограмма; б фрагмент акселерограммы в форме трапецеидального импульса

Расчетная схема при сейсмическом воздействии (учитываются только горизонтальные колебания) принимается такой, что на все массы воздействие оказывается одинаковым. В этом случае все будут равны единице. Подстановка значения (8) в (5), а затем в (6) и интегрирование по вычетам приводит к окончательным результатам.

Для времени

Для

Здесь угловые частоты свободных колебаний конструкции. В формулах введены обозначения:

g = 1,3,... (2n 3) нечетные числа;

q = 1, 2,..., n, кроме k;

...............................

Изложенным путем вычисляются перемещения. Силы инерции находятся как обычно:

По приведенным формулам составлен алгоритм и программа для ПК. В качестве примера рассмотрена рама четырехэтажного здания с учетом основания. На рис. 6 и 7 представлены результаты сравнения перемещений аналитического решения 1-го и 4-го этажей здания с учетом основания при воздействии Карпатского землетрясении с результатами численного решения. Сравнение графиков позволяет сделать вывод о достоверности результатов численного решения, так как ординаты графиков получились одного порядка.

Рис. 6. Перемещение 1-го этажа. 1- Расчет численным методом. 2- Расчет аналитическим методом.  Перемещение 4-го этажа. 1- Расчет-60Рис. 7. Перемещение 4-го этажа. 1- Расчет численным методом. 2- Расчет аналитическим методом.


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.