Бесплатно скачать, заказать диплом, курсовую, диссертацию Нелинейное поведение и оценка риска конструкций при интенсивный динамический в оздейств и ях

У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ

Сделать закладку на сайт

Заказать диплом, курсовую, диссертацию

Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Книга жалоб
и предложений

Название	Нелинейное поведение и оценка риска конструкций при интенсивный динамический в оздейств и ях

Количество страниц	315

ВУЗ	МГИУ

Год сдачи	2010

Бесплатно Скачать	23188.doc

Содержание	Содержание Предисловие...4 1 .Введение 1.1. Разрушение конструкций при сильных землетрясениях...9 1.2. Обзор расчетных моделей...18 1.3. Анализ конструкционного риска...27 1.4. Цель работы...34 2. Нелинейное поведение и оценка риска конструкций при интенсивных динамических воздействиях 2.1. Расчетная схема и учет повреждений...35 2.2. Моделирование обрушения при сильных землетрясениях...42 2.3. Предельный анализ по упрощенным расчетным схемам...51 2.4. Расчет на внешние взрывные воздействия...58 2.5. Ускоренный метод Монте-Карло...69 2.6. Оценка риска обрушения многоэтажного здания ускоренным методом...82 3. Моделирование пространственного деформирования 3.1. Обобщение расчетной схемы...86 3.2. Учет взаимодействия процессов деформирования через меры повреждений...92 3.3. Концепция поверхности нагружения...109 3.4. Оценка риска обрушения конструкций при пространственных сейсмических воздействиях...124 4. Динамическая реакция и безопасность защитной оболочки АЭС при интенсивных сейсмических воздействиях 4.1. Пространственная модель оболочки...133 4.2. Численное моделирование и анализ повреждений...140 4.3. Оценка показателей риска... 164 3 5. Анализ маятникового механизма обрушения многоэтажного здания 5.1. Сдвигово-поворотная модель... 174 5.2. Формы обрушения конструкции при интенсивных сейсмических воздействиях...181 5.3. Влияние жесткости здания...194 5.4. Влияние параметров воздействия...198 6. Динамический расчет конструкций и оборудования с учетом соударений при интенсивных сейсмических воздействиях 6.1. Расчетная схема близко расположенных конструкций...202 6.2. Моделирование соударений...205 6.3. Ударное взаимодействие зданий одинаковой этажности...207 6.4. Ударное взаимодействие зданий разной этажности...213 6.5. Параметрический анализ и показатели риска...220 6.6. Расчетная схема оборудования...226 6.7. Оценка риска повреждения оборудования...234 7. Моделирование высотных сооружений как распределенных повреждаемых систем 7.1.Расчетные схемы различных типов конструкций...240 7.2. Описание повреждений и неупругих деформаций...252 7.3. Нелинейная динамическая реакция сдвоенной диафрагмы___256 7.4. Статистическое моделирование и оценка показателей риска .. 271 7.5. Моделирование сценариев разрушения башенной конструкции...275 Заключение...289 Литература...297 Приложение...315 Предисловие При современном уровне развития строительства, промышленности и энергетики надежность и безопасность ответственных сооружений приобретает особое значение. Обрушение многоэтажного здания вызывает большие человеческие жертвы. Аварии на электростанциях, химических, нефтеперерабатывающих заводах, газопроводах не только приводят к человеческим жертвам и экономическому ущербу, но и могут стать причиной экологической катастрофы. Многие машины и конструкции следует рассматривать как источник потенциальной опасности для людей и окружающей среды. Источником аварийных ситуаций могут быть природные или техногенные воздействия, выход из строя оборудования, вызванный ошибками на стадии проектирования, монтажа или эксплуатации, а также сочетание этих причин. Среди природных нагрузок наибольшую опасность представляют сейсмические воздействия. Значительная часть поверхности Земли относится к зонам повышенной сейсмичности, включая многие крупные города, промышленные и энергетические объекты. Разрушительные землетрясения в Турции (1999г.), на Тайване( 1999г.), в Японии (1995г.) показали, что существенному повреждению или разрушению подвергаются как старые конструкции, так и новые здания, построенные за последние 20 лет в соответствии с существующими строительными нормами. При землетрясении в Турции также существенно пострадали промышленные предприятия, заводы по нефтепереработке. В связи с этим исследования в области динамики сооружений, направленные на создание более сейсмостойких конструкций, усиление уже существующих, анализ их надежности и безопасности, предсказание вероятных механизмов разрушения являются актуальными. Существующие расчетные схемы, как правило, основаны на представление несущей конструкции в виде линейно-упругой или упругопластиче-ской системы при малых перемещениях и не описывают общее разрушение. Модели, детально описывающие разрушение материалов и отдельных конструкционных элементов являются сложными с вычислительной точки зрения и неприменимы к конструкциям в целом. В работе предлагаются модели сооружений, позволяющие проводить многократный расчет динамической реакции при статистическом моделировании. При разработке моделей учтены основные нелинейные эффекты, сопровождающие переход конструкций в предельное состояние: неупругие деформации, накопление повреждений, большие перемещения, локальные разрушения. Особое внимание уделено описанию процесса глобального разрушения конструкции. В частности, для высотных сооружений проведен анализ возможных форм коллапса. Для существенно нелинейных систем численное моделирование является единственным способом оценки показателей риска. В связи с неизбежными ограничениями по времени моделирования данная процедура осуществима лишь для сравнительно простых расчетных схем. При этом модель конструкции должна адекватно передавать поврежденные состояния и механизмы развития обрушения. Противоречивость предъявляемых требований приводит к необходимости поиска компромисса между степенью адекватности модели и ее простотой. Важным дополнительным требованием является возможность оценки параметров модели, число которых стремительно растет по мере ее усложнения. Оценка параметров, как правило, связана с проведением набора весьма трудоемких испытаний. При этом величины, описывающие неупругое поведение и накопление повреждений, могут быть оценены лишь косвенно, например, по изменению собственных частот поврежденного здания. Отсутствие простых и вместе с тем адекватных нелинейных моделей сооружений различного типа определяет важность данного направления исследований. Сокращение времени статистического моделирования может быть достигнуто за счет применения ускоренных алгоритмов, основанных на искусственном увеличении числа реализаций, приводящих к предельному состоя- нию для выборки относительно небольшого объема. Известные работы ограничены изучением линейных систем или нелинейных систем под действием стационарных случайных процессов. Применение ускоренных методов к нестационарным системам с накоплением повреждений, по-видимому, не рассматривалось. Развитие таких методов и анализ их эффективности применительно к задачам оценки конструкционного риска представляет значительный интерес. Диссертация состоит из семи глав. В первой главе на примерах недавних землетрясений в Турции, на Тайване (1999 г), в Японии (1995 г.) и Мексике (1985г.) показано влияние сильных сейсмических воздействий на конструкции зданий, сооружений и технических объектов. Далее приведен обзор существующих подходов к моделированию динамической реакции конструкций, введено понятие конструкционного риска и рассмотрены известные методы оценки надежности нелинейных динамических систем. Во второй главе предложена модель, описывающая нелинейную реакцию и разрушение многоэтажных зданий и промышленных сооружений при интенсивных динамических нагрузках. Деформирование несущих конструкций в пределах этажа рассмотрено обобщенно через диаграммы сил междуэтажного сдвига. Проведен параметрический анализ модели. Исследован вопрос возможного упрощения модели путем замены частей конструкции, деформации которых незначительны, абсолютно жесткими блоками. Разработанная модель повреждения и разрушения конструкции использована для анализа динамического поведения здания при сейсмических воздействиях, заданных как реализации нестационарных случайных процессов, и внешних взрывных нагрузках, заданных в виде пространственно-временных зависимостей давления на поверхность сооружения. Для численной оценки показателей безопасности и риска повреждаемых механических систем реализован ускоренный метод статистического моделирования. На модельных примерах показана его эффективность при оценке вероятностей редких событий. Предложенная методика оценки риска применена для анализа конструкционного риска многоэтажного здания, находящегося в условиях интенсивного сейсмического воздействия. В третьей главе представлено обобщение расчетной модели конструкции на случай пространственного сейсмического воздействия. Модель пространственного деформирования построена на основе гипотезы о связи процессов деформирования через меры повреждений. Для оценки применимости данной модели использованы концепции теории пластического течения — поверхность нагружения и ассоциированный закон. Расчет обеих моделей сопоставлен с расчетом при условии независимости процессов деформирования. В четвертой главе рассмотрена задача о нелинейном динамическом поведении крупногабаритной оболочечной конструкции при интенсивных сейсмических нагрузках. На основе предположения о преобладании глобального сдвигового механизма деформирования сооружения при интенсивном сейсмическом воздействии разработана расчетная модель, позволяющая оценить неупругие деформации, уровень и локализацию повреждений по контуру оболочки, показатели риска и вероятность возникновения предельных состояний. Исследование различных механизмов обрушения зданий и сооружений проведено в пятой главе на основе сдвигово-поворотной модели, позволяющей описать маятниковую форму коллапса конструкции. Такой тип разрушения часто встречается при землетрясениях и связан с неравномерным повреждением несущих конструкций критического этажа. Проведен анализ влияния параметров конструкции и сейсмического воздействия на особенности динамического поведения сооружения и его уязвимость. В шестой главе исследовано явление соударения близко расположенных конструкций и блоков оборудования в процессе сейсмического воздействия. Предложена модель, описывающая неупругие взаимодействия между сосед- ними сооружениями. Проанализировано влияние расстояния между конструкциями, их характеристик и параметров воздействия на особенности динамического поведения с учетом соударений. Для блоков оборудования, расположенных на одном из этажей промышленного сооружения, получены оценки показателей риска с учетом неупругих ударных взаимодействий и нелинейного поведения несущих конструкций сооружения. Исследовано влияние конструктивных факторов несущей конструкции и характеристик опор оборудования на вероятность его повреждения. В седьмой главе описание нелинейной динамической реакции и повреждений высотных конструкции различного типа проведено на основе распределенных моделей. Получены уравнения движения модели здания, сочетающего рамный каркас и стеновое заполнение, здания с ядром жесткости, сдвоенной диафрагмы. Для представленных моделей исследован механизм развития повреждений, вероятные предельные состояния и проанализировано влияние параметров модели на особенности динамической реакции. В частности, для башенного сооружения рассмотрены случаи изгибного и сдвигового поведения. Проведен анализ повреждений и показателей риска. Представленные модели применимы при расчете высотных промышленных сооружений, включая дымовые трубы, монолитные железобетонные конструкции, вертикальные резервуары и т.д. В заключении сформулированы основные результаты и выводы. В приложении приведены акты о внедрении результатов диссертационной работы. Введение 1.1. Разрушение конструкций при сильных землетрясениях Интенсивные сейсмические воздействия представляют основной природный источник риска для машин и конструкций. Сильные землетрясения в густонаселенных промышленных районах приводят к большим человеческим жертвам и экономическому ущербу [4, 5, 91]. Значительная часть поверхности Земли относится к областям повышенной сейсмичности. Мощные землетрясения происходили в Чили, Перу, на Карибских островах, в Центральной Америке, Мексике, Калифорнии, Японии, Тайване, на Филиппинах, в Индонезии, Новой Зеландии, на Альпийско-Гималайском поясе. На рис. 1.1. черными точками показаны положения эпицентров сильных землетрясений. На территории России к сейсмически опасным областям относятся Дальний Восток, Камчатка, юг Сибири, Забайкалье. С точки зрения развития теории сейсмостойкости сооружений и разработки методов оценки конструкционного риска, каждое последующее землетрясение дает большую информацию для изучения. Анализ разрушенных и поврежденных конструкций позволяет определить уязвимые места конструктивных схем, выработать меры по сейсмической защите зданий, дает информацию, необходимую при построении математических моделей для расчета динамической реакции сооружений и численной оценки показателей риска. Ниже рассмотрены последствия наиболее сильных землетрясений за последние двадцать лет. Разрушительное землетрясение в Мексике произошло 19 сентября 1985 г. Повреждения наблюдались на площади 25 км2 , охватывающей столицу страны Мехико, расположенную на расстоянии 350 км от эпицентра. На высокий уровень разрушений большое влияние оказали грунтово-геологические условия Мехико, расположенного на слабых грунтах. Погибло около 10000 чел, более 50000 пострадали [118]. Разрушения проиллюстрированы на рис. 1.2. Среди зданий наиболее уязвимыми были конструкции средней этажности, фундаментальные частоты колебаний которых оказались в резонансной области. Основные механизмы разрушения зданий включали разрушение углового здания, разрушение промежуточных этажей, разрушение верхних этажей, соударение близко расположенных конструкций. Отличительной чертой землетрясения в Мехико была значительная продолжительность интенсивной фазы воздействия, вызвавшая усталостные разрушения несущих конструкций. На рис. 1.2а показано разрушенное здание больницы. Локализованные разрушения соединений балок на каждом из этажей стали причиной общего коллапса конструкции. На рис. 1.26 проиллюстриро- вано разрушение верхних этажей гибкого здания, зажатого между двумя жесткими зданиями. Значительная часть сейсмической нагрузки воспринималась верхними этажами здания, что привело к его частичному обрушению выше уровня крыши соседней конструкции. Часто встречающееся в Мехико разрушение верхних этажей зданий также были вызваны большими амплитудами колебаний на верхних этажах, более слабой по сравнению с другими этажами несущей системой, возбуждением крутильных колебаний. Следующее разрушительное землетрясение произошло на территории Армении 7 декабря 1988 г. Два сильных толчка с интервалом в 1 минуту разрушили города Спитак и Ленинакан. Погибло более 25000 чел. Общая площадь, на которой наблюдались разрушения, имела диаметр более 80 км. Среди разрушенных зданий было большое количество одноэтажных строений, блочные и железобетонные конструкции с кирпичным стеновым заполнением. На рисЛ.Зя показано разрушенное 5-этажное здание с железобетонным рамным каркасом и стеновым заполнением. Часть рамной конструкции сохранилась и видна на заднем плане. Многие здания такой конструктивной схемы, типичной для Спитака, были разрушены. Причиной обрушения в большинстве случаев были недостаточно прочные соединения перекрытий с несущими конструкциями каркаса. Другим часто встречающимся типом разрушенных или сильно поврежденных зданий были конструкции с несущими стенами из каменной кладки. Одно из таких зданий показано на рис. 136. Землетрясение с магнитудой Mw = 7.7 произошло в северном Иране 21 июня 1990 г. Эпицентр землетрясения был расположен между городами Руд-бар и Манжил. Это землетрясение, сильнейшее из всех зафиксированных в данном регионе, состояло из двух землетрясений с близко расположенными очагами, произошедших одно за другим. Воздействие оказалось крайне разрушительным для конструкций, что определило большое число жертв - более 40 тыс [118]. Многие разрушенные здания были железобетонные каркасные конструкции небольшой этажности с заполнением из кирпичных стен. Здания с несущими стеновыми элементами из кирпичной кладки показали низкую сейсмостойкость и были сильно повреждены при сдвиге, образуя характерную картину икс-образных трещин. Землетрясение в окрестности города Кобе (Япония) произошло 17 января 1995 г. Наибольшая интенсивность колебаний наблюдалась в узкой полосе шириной 2-4 км и длиной около 40 км вдоль залива Осака. Максимальные разрушения произошли вдоль ранее неизвестного разлома на побережье к востоку от Кобе. На этой полосе расположены основные портовые сооружения, деловая и жилая части города. Землетрясение привело к гибели 5480 человек и полному разрушению более чем 192000 зданий и сооружений. На рис.1.4д показано полностью разрушенное железобетонное рамное здание, перегородившее улицу. Соседние здания, как видно на фотографии, пострадали незначительно. Здание на рис. 1.46, расположенное в центральной части Кобе, потерпело коллапс пятого этажа. Разрушение одного из промежуточных этажей часто встречалось при этом землетрясении. В 1999 г. два разрушительных землетрясения произошли в Турции. Первое наиболее разрушительное землетрясение магнитудой Mw = 7.4 произошло 17 августа в окрестности городов Гельджюк и Измит. Эпицентр был расположен вблизи побережья Измитского залива Мраморного моря. Число погибших достигло 17000 чел, более 40000 пострадавших [4]. Землетрясение стало следствием активности Северо-Анатолийской системы тектонических разломов. Большинство разрушенных зданий составляли железобетонные каркасные здания средней и малой этажности, построенные за последние 20 лет. В основном реализовывалась схема здания со слабыми колоннами. При обследовании пострадавших зданий выявлены многочисленные нарушения по качеству бетона, недостаточное армирование, недостаточное количество поперечной арматуры, неудачная планировка и расстановка диафрагм. В результате интенсивных колебаний происходило растрескивание бетона в наиболее нагруженных зонах, вследствие чего колонны теряли несущую способность и происходило обрушение всего здания [4]. На рис. 1.5а показано 6-этажное железобетонное здание, полностью разрушенное при землетрясении. На рис. 1.56 приводится иллюстрация маят- никовой формы обрушения здания: основные повреждения сосредоточены на нижнем этаже. Такой тип разрушения связан с неравномерным распределением повреждений в пределах этажа, что вызывает крен здания и последующее общее обрушение. Крупные промышленные предприятия и энергетические объекты представляют потенциальный источник опасности для людей и окружающей среды при возникновении аварийных ситуаций в результате воздействий природного или техногенного характера. Землетрясение 17 августа 1999 г. было одним из наиболее сильных землетрясений, произошедших в области с высокой концентрацией промышленных предприятий, вследствие чего промышленные сооружения сильно пострадали. Наибольшие разрушения отмечены на нефтеперерабатывающем заводе в г. Корфез, включая разрушение градирен и коллапс железобетонной дымовой трубы. Сильные разрушения произошли в портовой зоне г. Гельджюк. Причиной многочисленных обрушений в Турции явилось несовершенство действующих нормативных документов по проектированию железобетонных каркасных зданий, неудачные проектные решения зданий и многочисленные нарушения при проведении строительных работ [4, 39]. Отдель- ным вопросом является корректировка норм в отношении проектирования и строительства промышленных объектов в сейсмически опасных областях. Второе землетрясение магнитудой Mw = 7.2 произошло 12 ноября 1999 г. в районе г. Дюзче и вызвало разрушения в городах Дюзче и Болу. Число погибших при землетрясении составляет более 700 чел. Полностью разрушено более 100 зданий. Землетрясение на Тайване магнитудой Mw = 7.6 произошло 21 сентября 1999 г. Эпицентр землетрясения располагался на расстоянии 160 км от Тайбея, столицы Тайваня. Продолжительность интенсивной фазы колебаний грунта составляла 40 с. приборами были зафиксированы высокие уровни пиковых ускорений до lg [5]. Сейсмические колебания ощущались на всей территории Тайваня. В течение последующих 5 дней наблюдались многочисленные афтершоки. Более 10000 зданий сильно пострадали или были полностью разрушены. Основную часть разрушенных зданий составляли железобетонные каркасные здания с кирпичным заполнением и диафрагмами. Большой процент разрушенных зданий имели гибкие нижние этажи. Такие здания обрушились при коллапсе нижних этажей. В непосредственной близости от разлома причиной разрушения были большие вертикальные и горизонтальные деформации грунта. На фоне относительно хорошей сейсмостойкости старых малоэтажных домов следует отметить существенные повреждения современных зданий средней и повышенной этажности. Как указано в [5], сейсмические нормы Тайваня близки к нормам США, России и Японии, что означает необходимость их пересмотра. На рис. 1.6а показано частично разрушенное 15-этажное железобетонное здание с кирпичным заполнением. На фасаде конструкции произошло разрушение в областях соединения колонн с балками, и в правой секции здания обрушился первый этаж. На рис. 1.66 показано здание с разрушенными с одной стороны несущими конструкциями первого этажа, что вызвало сильный крен. Соседнее здание также имеет значительный остаточный угол наклона. Это типичная картина разрушения зданий с гибким нижним этажом. Как и при землетрясении в Турции, существенно пострадали многочисленные промышленные объекты и инфраструктура. Отдельно следует отметить повреждения оборудования на предприятиях электронной промышленности, которое оказалось недостаточно защищенным. Выход из строя оборудования, повреждение линий подачи электроэнергии привело к остановке производства и большим экономическим потерям. Сильное землетрясение в Индии магнитудой Mw = 7.7 произошло 26 января 2001 г. Очаг землетрясения был расположен на северо-западе штата Гуджарат. Глубина залегания фокуса - 22 км [91]. Длина очаговой зоны, в которой реализовался сдвиговый механизм разрушения, составляла 50 км. Погибли более 18000 чел и более 166000 получили ранения. В зоне сейсмического воздействия располагались 7904 населенных пункта, в которых было полностью разрушено около 300 тыс. зданий. Основные типы конструкций составляли многоэтажные здания с монолитным железобетонным каркасом со стеновым заполнением и перегородками и монолитными столбчатыми фундаментами, многоэтажные здания с железобетонным каркасом с за- полнением и ядрами или диафрагмами жесткости, жилые 1-2 этажные дома с несущими стенами из кирпичной или каменной кладки с деревянными или монолитными железобетонными перекрытиями. Многоэтажные железобетонные здания в основном были построены за последние 5-10 лет. Причиной значительной части всех обрушений стали разрушения несущих конструкций нижних этажей [91]. Основными факторами, повлиявшими на несущую способность зданий при сильном воздействии, оказались неблагоприятные объемно-планировочные решения, наличие гибких нижних этажей, недостатки конструктивной схемы, недостаточное армирование элементов каркаса, низкое качество строительных работ. В частности, многие здания имели сложную форму в плане, несимметричное расположение ядер жесткости, несимметричное расположение перегородок. Все это создавало условия для возникновения пространственных изгибно-крутильных колебаний. Усугубляющим фактором являлось расположение резервуаров с водой и бассейнов на верхних этажах зданий. Гибкие нижние этажи, отличающиеся от остальных этажей здания увеличенной высотой колонн, большим количеством открытых проемов и меньшим числом перегородок создавали условия для концентрации повреждений и окончательного обрушения зданий. Основное число разрушенных зданий составляли 1-2 этажные конструкции с несущими стенами из кирпичной, каменной кладки и глины с деревянными и железобетонными перекрытиями. Эти здания были построены без каких-либо антисейсмических мероприятий, полностью отсутствовало армирование, связь перекрытий со стенами, материалы были низкого качества. Существенным фактором также стала высокая плотность застройки, при этом обрушение одного из домов приводило к повреждению соседних зданий.

Список литературы

Цена, в рублях: (при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)	1425

Скачать бесплатно	23188.doc

Найти готовую работу

ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:

Связаться

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ

15.04.24 Задачи, условия и этапы организации экспериментальной работы

15.04.24 Критерии качества преподавания

15.04.24 Категория нормы в обучающей деятельности

Архив материала для курсовых и дипломных работ

Ссылки:

Счетчики:

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.