CC BY
82
КРИТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ СООРУЖЕНИЙ
THE CRITICAL ANALYSIS AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT OF THE MODERN THEORY OF SEISMIC STABILITY OF CONSTRUCTIONS
Г.А. Джинчвелашвили, A.B. Колесников, P. Дзержинский G.A. Dzhinchvelashvili, A.V. Kolesnikov, R. Dzerjinskiy
ГОУ ВПО МГСУ
Приводится критический анализ современной теории сейсмостойкости и рассмотрены перспективы ее развития. Доказывается необходимость переосмысления понятия сейсмостойкости на базе инкрементальной теории, что дает возможность исследования геометрически, физически и конструктивно нелинейных систем.
The critical analysis of the modern theory of seismic stability is resulted and prospects of its development are considered. Necessity of reconsideration of concept of seismic stability on base инкрементальной is proved to the theory that gives the chance researches geometrically, physically and structurally nonlinear systems.
В последнее время проблемы расчета ответственных зданий и сооружений на сейсмические воздействия приобрела особую актуальность.
Инженерный анализ последствий сильных землетрясений показывает, что качественная картина повреждений и разрушений даже простых сооружений не может быть адекватно объяснена современной теорией сейсмостойкости.
Существующая теория сейсмостойкости - это борьба идей. Здания разрушаются при землетрясениях, несмотря на то, что их проектируют по нормам. Специалисты -сейсмологи и механики разрабатывают свои теории, в каждой из которых есть свои плюсы и минусы, предлагая в них новые подходы к этой проблеме. Но есть приверженцы традиционной теории сейсмостойкости, которые во многих вопросах с ними не согласны.
Система сейсмобезопасности страны (СБС) должна обеспечивать сейсмостойкость вновь строящихся зданий и сооружений; сейсмостойкость существующего фонда зданий и сооружений, сейсмостойкость зданий и сооружений, находящихся на площадках, сейсмичность которых на последних картах сейсмического районирования повышена на один-два балла. Неотъемлемой частью СБС должен быть прогноз поведения зданий и сооружений при землетрясениях различной интенсивности.
Методической базой, позволяющей реализовать задачи сейсмобезопасности, являются нормы проектирования в сейсмических районах [1].
Несколько причин вызывает необходимость пересмотра действующих норм проектирования в сейсмических районах.
1) действующие нормы были утверждены в 1981 г. За это время на территории страны произошло несколько сильных землетрясений (Газли, Кайраккум, Молдавия,
Армения, Курилы, Сахалин), которые позволили в какой-то мере оценить действенность рекомендаций существующих норм.
Землетрясения последних десятилетий отчетливо продемонстрировали, что здания одного типа не обладают достаточной сейсмостойкостью (например, здания со стенами из малопрочных материалов, каркасные здания и др.), а другие обладают весьма высокой степенью сейсмостойкости (крупнопанельные, монолитные и др.). Расчеты на основе действующих норм не могут объяснить этот факт.
2) Основные допущения, заложенные в [1] позволили представить основную расчетную модель здания в виде консольного стержня для всех без исключения конструкций, независимо от их размеров:
- перекрытие представлено в виде абсолютно жесткого диска;
- величина воздействия по длине здания не меняется (равномерно).
- два наиболее невыгодных направление действия сейсмической волны - поперек и вдоль здания;
- рассматриваются в основном горизонтальные колебания.
- для любых типов землетрясений принимается единый обобщенный график коэффициента динамичности ß .
Однако анализ последствий разрушительных землетрясений последних десятилетий ставит перед исследователями задачу совершенствования указанных выше моделей, введением в расчет новых факторов, влияющих на прочность сооружения. Роль перекрытий в повышении сейсмостойкости до настоящего времени недооценивается, однако картина повреждений зданий отчетливо указывает на важную роль перекрытий в распределении сейсмического воздействия между несущими вертикальными элементами.
3) необходимость реализовать ряд мероприятий, обеспечивающих сейсмобе-зопасность страны, которая, по нашему мнению, должна учитывать новую концепцию сейсмостойкого строительства.
Эта концепция представляет собой группу основных положений, позволяющих оценить и обеспечить сейсмостойкость зданий и сооружений, включая: цели проектирования (в том числе формулировку понятия "сейсмостойкость"); критерии достижения названных целей (критерии сейсмостойкости); модели сейсмических воздействий; модели поведения здания при землетрясении (модель процесса перехода в предельное состояние); методы расчетов и их критерии.
Итак, есть проблема определения, что такое сейсмостойкость сооружения.
Есть проблемы и в моделях поведения здания при землетрясении. Ведь спектральный метод априори настроен на стационарности расчетной динамической модели. Нельзя же всерьез воспринимать коэффициент к1 в качестве критерия перехода
системы в предельное состояние.
4) проблема задания внешнего воздействия.
Сейсмическое воздействие представляет собой нестационарный случайный процесс. Об этом было известно давно. На это обращали внимание крупнейшие ученые, такие как, Болотин В.В., Николаенко H.A., Корчинский И.Л., Жаров A.M. и др. В свое время в связи со слабой развитостью вычислительной техники, были сделаны известные упрощения, которые и легли в основу спектрального метода теории сейсмостойкости.
Сейсмическое воздействие представлялось в виде стационарного случайного эр-годического процесса. В рамках этих и других допущений, к этим процессам была
применена корреляционная теория, которая и легла в основу современной спектральной теории сейсмостойкости.
Дело в том, что сейсмические перемещения вообще не являются колебаниями, и тем более гармоническими. При гармонических колебаниях должны были бы происходить возвратно-поступательные перемещения грунта, изменяющиеся по закону синуса или косинуса (как это происходит при колебаниях зданий). На самом же деле землетрясения создают множество хаотичных толчков, т.е. скачкообразных перемещений, которые вызваны происхождением наиболее опасных поверхностных волн сжатия в грунте. Во фронте этих волн скачком появляется скорость перемещения грунта, а за волной она исчезает. Ясно, что попадание собственных колебаний здания в резонанс с хаотичными толчками весьма маловероятно. Если еще учесть, что при пластических деформациях и начальных разрушениях здание сразу "уходит" от резонанса, но при этом никак не может уйти от опасного разрушающего воздействия волн среза, то станет ясно, что вероятность разрушения от действия сейсмических инерционных сил близка к нулю.
По многочисленным наблюдениям большинство сейсмических разрушений зданий происходит сразу после первых наиболее мощных поперечных толчков. Результатом таких толчков, которые, конечно же, не успевают раскачать здание, т.е. вызвать в нем появление опасных сил инерции, является почти мгновенный срез колонн или стен здания, вследствие чего происходит разрушение здания до попадания его в резонанс.
Известно, что при землетрясениях появлению инерционных сил всегда предшествует появление в вертикальных элементах зданий волн поперечного сдвига, вызванных горизонтальными толчками, т.е. толчки и сдвиговые волны первичны, а инерционные силы - вторичны.
Логично было бы считать именно эти толчки и волны сдвига одной из главных причин сейсмического разрушения здания. Тем не менее, единственной общепринятой причиной сейсмических разрушений сооружений до сих пор считаются инерционные силы.
Итак, сами уравнения движения, описывающие колебания сооружений при сейсмических воздействиях, могут быть подвергнуты сомнению. Расчетные динамические модели сооружений являются нестационарными, следовательно, и расчетные математические модели должны быть нестационарными.
С нашей точки зрения современная формулировка теории сейсмостойкости сооружений должная включать:
Во-первых, формулировку понятия "сейсмостойкость" здания или сооружения. Это понятие включает в себя цели, которые необходимо достичь в результате проектирования и строительства, и условия, при которых эти цели должны достигаться.
Цели: состояние здания после землетрясения должно допускать его дальнейшую эксплуатацию с некоторыми ограничениями (например, в жилых домах без выселения жильцов, в производственных зданиях - без остановки технологического процесса). При этом, конечно, не исключен последующий ремонт некоторых элементов здания.
Условия: цели достигаются при воздействиях, параметры которых указаны на картах сейсмического районирования и в нормах. Таким образом, при других условиях, когда воздействие отличается от прогнозируемого, цели проектирования в сейсмических районах не достигаются.
Во-вторых, в проекте норм необходимо предусмотреть критерии сейсмостойкости. Это один из основных вопросов теории и практики сейсмостойкого строительства.
Критерии необходимы не только при проектировании, но и при оценке сейсмостойкости существующих зданий, разработке рекомендаций по повышению сейсмостойкости зданий, поврежденных землетрясениями, при анализе эффективности систем сейсмо-защиты и т.д.
При анализе работы конструкций в упругой стадии деформирования обычно используются "силовые" критерии типа: "наибольшие усилия, возникающие в элементах конструкций при сейсмических воздействиях, должны быть равны или менее несущей способности элемента".
В упругопластической стадии деформирования конструкций, при которой происходит перестройка структуры сооружения и изменение физико-механических характеристик его элементов, силовые критерии уже не могут использоваться. Здесь нужны критерии деформационные.
В-третьих, важным положением теории сейсмостойкости должны быть рекомендации о необходимости учета закономерностей процесса перестройки структуры сооружения при сейсмических воздействиях высокой интенсивности.
В-четвертых, рассматриваются сейсмические воздействия, которые следует учитывать при проектировании. В частности, факторы непосредственной и дополнительной сейсмической опасности. Предлагается учитывать уровни воздействия, их спектральный состав, эффективную продолжительность колебаний, направление вектора сейсмического воздействия.
В определенных случаях целесообразно учитывать возможность проявления отдельных импульсных движений грунта, а также волновой характер сейсмического поля основания.
В-пятых, методы расчета на сейсмические воздействия должны допускать возможность оценки критериев сейсмостойкости. Иными словами, в результате расчетов должны быть определены деформационные параметры для всех несущих элементов сооружения и их соединений. Кроме того, должна быть обеспечена возможность сравнения полученных параметров с их предельно допустимыми значениями, соответствующими предельному состоянию сооружения в целом.
Рис. 1 Различные аспекты учета нестационарности расчетной динамической модели сооружений: а) физически-нелинейная работа материала; б) геометрически-нелинейная работа конструкции.
В самой общей постановке дифференциальные уравнения движения при сейсмических колебаниях должны записываться в приращениях, с использованием инкрементальной теории пластичности [2, 3]:
[М] {Д^ + [В] {Ад} + [К + Ки + Ка + Кц + Кпк ] {Ад} = {АР} , (1)
где K, K^, Kn, Knl , Knt - матрица жесткости, матрицы начальных усилий и перемещений, матрицы геометрической жесткости, соответственно.
Вышеприведенным условиям отвечает система уравнений (1), которая позволяет рассчитывать системы с учетом физической нелинейности (рис. 1а), геометрической нелинейности (возможность учета P -А эффекта) (рис. 16), нестационарности РДМ (с учетом элементов активной сейсмозащиты).
В результате динамического расчета сооружения на действие разрушительного землетрясения необходимо установить возможность прогрессирующего разрушения или малоцикловой усталости элементов несущих конструкций. Однако поведение конструкции при нагружении ее за пределы упругости зависит не только от мгновенных значений перемещений и ускорений элементов, но и от всей истории нагружения, в частности, от напряженно-деформированного состояния сооружения перед приложением сейсмического воздействия. Поскольку такое состояние нам не известно, то на первый взгляд в принципе оказывается невозможным предсказать поведение сооружения при разрушительном землетрясении. Исследования последних лет показывают, что во многих случаях, хотя и нельзя определить истинное напряженно-деформированное состояние конструкции, можно прогнозировать возможности ее разрушения.
Из изложенного следует, что принципиальные вопросы динамического расчета сооружений на сейсмические нагрузки требуют серьезной проработки и исследований. В связи с этим динамические расчеты в полной постановке выполняются в настоящее время лишь при анализе сейсмостойкости наиболее ответственных объектов: больших плотин, АЭС, взрывоопасных производств и т. п.
Для других сооружений применение динамических расчетов может носить пока вспомогательный характер. Весьма важно их применение при оценке сейсмостойкости инженерных сооружений и систем специальной сейсмозащиты, поскольку в этих случаях применение нормативной системы расчетных коэффициентов, отработанной на объектах массовой застройки, не является обоснованным. Во всех случаях применения динамических методов расчета их результаты должны рассматриваться совместно с результатами нормативных расчетов (если такие возможны) и материалами экспериментальных исследований.
Основные выводы.
1) Необходимо продолжить исследования по разработке методики задания сейсмического воздействия в виде нестационарного случайного процесса.
2) Следует модифицировать спектральный метод теории сейсмостойкости.
3) Необходимо развивать нелинейные динамические методы расчета сооружений, позволяющие получать решения во временной области с учетом физической, геометрической и конструктивной нелинейностей.
4) Следует объединить усилия специалистов для выработки единых подходов по совершенствованию нормативной базы, которая должна отвечать современному уровню развития теоретических методов и возможностей вычислительной техники.
Литература
1. СНиП П-7-81* Строительство в сейсмических районах. М.: ЦНС, 2003, - 48 с.
2. Джинчеелашеили Г.А., Колесников A.B. Расчет каркасных зданий на сейсмические воздействия с учетом развития неупругих деформаций // Исследования по теории сооружений, Вестник ЦНИИСКим. Кучеренко №1 (XXVI), М. 2009, с. 194-200.
3. Джинчвелашвили Г.А., Колесников А.В. Развитие спектральной теории в прикладных задачах теории сейсмостойкости // Сейсмостойкое строительство и безопасность сооружений №3 М. ВНИИНТПИ, 2009, с. 21-24.
Ключевые слова: динамическая система, сооружение, теория сейсмостойкости, физическая и геометрическая нелинейность, нестационарное сейсмическое воздействие, расчетная динамическая модель сооружения, разрушительное землетрясение.
Keywords: dynamic system, a construction, the seismic stability theory, physical and geometrical non-linearity, non-stationary seismic influence, settlement dynamic model of a construction, destructive earthquake.
Рецензент: В.Г. Бедняков ст.н.с., к.т.н., начальник лаборатории НТЦ ядерной и радиационной безопасности
