Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
АЛЬ Б Е
Р Т Июля Ушерович МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ОСНОВАНИЕ - ФУНДАМЕНТ - СООРУЖЕНИЕ С УСТРОЙСТВАМИ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ И СЕЙСМОЗАЩИТЫ
Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Санкт-Петербург 2010
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Работа выполнена в Открытом акционерном обществе ОАО ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева Актуальность проблемы. Обеспечение сейсмостойкости систем лоснования - фундамент - сооружение с целью снижения ущерба от сейсмических воздействий важнейшая проблема современной строительной науки и практики. Последствия землетрясений массовая гибель людей, огНаучный консультант ромный материальный ущерб, связанный с разрушением инфраструктуры, доктор технических наук, профессор жилого фонда, объектов промышленности и транспорта. Только за последние Шульман Сергей Георгиевич 50 лет в результате разрушительных землетрясений число человеческих жертв составило более 5 миллионов; материальный ущерб исчисляется десятками
Официальные оппоненты:
миллиардов долларов.
доктор технических наук, профессор До 47 процентов территории России относится к сейсмоактивным Индейкин Андрей Викторович районам с сейсмичностью от 7 до 9 баллов по принятой в РФ сейсмической Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения шкале, (в том числе 5 процентов территории подвержено чрезвычайно опасным10-балльным землетрясениям). За последние четверть века в России доктор технических наук, профессор произошло около 30 значительных, то есть силой более семи баллов, землеЛалин Владимир Владимирович трясений. Этим обстоятельством обусловлена необходимость дальнейшего Санкт-Петербургский государственный политехнический университет развития теории и практики обеспечения сейсмостойкости систем, вклюдоктор технических наук, профессор чающих основание, фундамент и строительные конструкции сооружений.
Ставницер Леонид Рувимович В настоящее время проблема повышения сейсмостойкости основаНИИОСП им. М.Н. Герсеванова ний, фундаментов и строительных конструкций сооружений решается двумя методами - традиционным и с применением специальных устройств Ведущая организация сейсмозащиты и сейсмоизоляции. Традиционные методы включают пофилиал ОАО л26 ЦНИИ вышение прочностных характеристик грунтовых оснований, применение более совершенных проектных решений, использование современных технологий, высокопрочных материалов, усиление несущих строительных
Защита состоится ________________________ в 10 часов конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений, а также учет постуна заседании диссертационного совета ДМ 512.001.пающей исходной информации относительно прогнозируемых сейсмичев ОАО ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева ских воздействий и поведения элементов сооружений при экстремальных по адресу:195220, Санкт-Петербург, ул.Гжатская, 21.
воздействиях. Наряду с этим, за последние 1520 лет все большее распространение приобретает применение нетрадиционных способов повышения сейсмостойкости сооружений, реализуемые в различных конструкциях
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться сейсмоизолирующих фундаментов, динамических гасителей сейсмических в научно-технической библиотеке ОАО ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева колебаний, систем с деградирующей жесткостью и др. Разработка теоретических и экспериментальных основ этого направления содержится в работах А.Д.Абакарова, Я.М.Айзенберга, А.Т.Аубакирова, Т.А.Белаш (Сан
Автореферат разослан л_______ 2011 г.
дович), Е.Н.Беллендира, В.С.Беляева, В.В.Болотина, Л.А.Бородина, В.А.Быховского, И.И.Гольденблата, С.Е.Ержанова, Ж.Жунусова, Д.Зеленькова, А.Зеленского, А.В. Индейкина, А.С.Катен-Яцева, Л.Ш.Килимника,
Ученый секретарь диссертационного совета Б.Г.Коренева, И.Л.Корчинского, В.Л.Лапина, Г.М.Михайлова, В.В.Назина, кандидат технических наук, А.А.Никитина, В.С.Полякова, В.Т.Рассказовского, Л.М.Резникова, Э.Ростарший научный сотрудник Т.В.Иванова зенблюта, О.А.Савинова, Л.Л.Солдатовой, А.М.Уздина, Т.Н.Чачава, C.Г.Шульмана, за рубежом - в работах Дж.М.Келли, Д.Ли, В.Робинсона, Р.Скиннера, Д.Смита, У.В.Чанга и др.
В настоящее время предложены десятки различных вариантов кон- нию. Неполнота и недостоверность исходной сейсмологической информаструкций таких устройств. Однако отсутствие единообразной методики ции относительно частотного состава, интенсивности, продолжительности оценки их надежности, веерный характер расчетных моделей объектов и воздействия, его ориентации относительно сооружения является характерсейсмических воздействий затрудняют сопоставление полученных резуль- ной особенностью этого вида воздействий;
татов и усложняют выбор наиболее эффективного варианта устройств неполнота и недостоверность исходной информации в отношении сейсмоизоляции и сейсмозащиты (УСС). прочностных и деформационных характеристик грунтовых оснований, Характерной и важной особенностью проблемы сравнительной фундаментов, элементов строительных конструкций и УСС в условиях иноценки надежности оснований, фундаментов и строительных конструкций тенсивных низкочастотных сейсмических воздействий, приводящих к посооружений с различными вариантами УСС является неполнота и недос- явлению различных нелинейных эффектов;
товерность исходной информации, как в отношении сейсмических воз- необходимость рассмотрения исследуемого объекта как систему действий, так и в отношении свойств и поведения элементов сооружения разнородных элементов (подсистем) - самого сооружения, его основания, при сочетании статических и сейсмических нагрузок. фундаментного строения, УСС, а в ряде случаев - оборудования, устанавКак известно, цель использования любой конструкции УСС состоит ливаемого в сооружении; оценка надежности должна включать весь комв выполнении двух основных требований: снижения инерционных нагру- плекс элементов, составляющих систему;
зок на основание, фундамент и строительные конструкции сооружения и в отличие от объектов массового производства, сооружения с УСС ограничения смещений сооружения относительно основания. Однако не являются уникальными объектами с весьма ограниченной или полностью менее важным, а в конечном итоге, определяющим условием выбора УСС отсутствующей в настоящее время информацией о их свойствах и поведеявляется обеспечение надежности всех указанных элементов, образую- нии в условиях интенсивных сейсмических воздействий;
щих систему сооружения. До настоящего времени отсутствуют методики исторически сформировавшиеся различные теории сейсмостойкости количественной оценки надежности таких систем, позволяющие осу- сооружений (статическая, линейно-спектральная и динамическая), каждая ществлять сопоставление различных вариантов УСС и выбор наиболее из которых используется до настоящего времени в зависимости от харакнадежного. Это обстоятельство является одной из причин, сдерживающих тера элементов системы сооружения.
применение разнообразных УСС - несмотря на то, что результаты теореМетодическую базу исследований составляют синтез параметритических и экспериментальных (в том числе, натурных) исследований эточеской и структурно-логической теорий надежности, все варианты теорий го направления убедительно доказывают их эффективность. Разработка сейсмостойкости и ряд научно-прикладных дисциплин, позволяющих вытаких методик на основе соответствующей методологической базы являетполнять количественную оценку надежности как отдельных элементов и ся важной и актуальной проблемой, решение которой позволит осущеподсистем, так и всей исследуемой системы в целом.
ствлять обоснованный выбор наиболее надежного варианта УСС с учетом Достоверность полученных результатов определяется корректным особенностей всех элементов системы сооружения.
применением положений теорий надежности, используемых теорий сейсЦель диссертационной работы заключается в разработке методик мостойкости и математическим аппаратом теории вероятностей.
количественной оценки надежности системы лоснование - фундамент - Научная новизна работы заключается в следующем:
сооружение с устройствами сейсмозащиты и сейсмоизоляции. Реализация 1. Разработана методология системного подхода к количественной этой цели позволит осуществлять обоснованный выбор наиболее надежнооценке надежности комплекса лоснование - фундамент - сооружение с го варианта УСС с учетом особенностей всех элементов системы.
устройствами сейсмоизоляции и сейсмозащиты в условиях возможной Оценка надежности оснований, фундаментов и строительных коннеполноты и недостоверности исходной информации, основанная на синструкций сооружений в условиях интенсивных сейсмических воздействий тезе параметрической и структурно-логической теорий надежности и обхарактеризуется существенными отличиями от проблемы оценки надежщепринятых теорий сейсмостойкости.
ности объектов массового производства, находящихся в условиях стацио2. Предложена методика количественной оценки надежности сложнарных динамических (например, вибрационных) воздействий или иных, ных природно-технических систем лоснование - сооружение (здание) с достаточно хорошо определенных динамических нагрузок, характеризуеустройствами сейсмозащиты и сейсмоизоляции.
мых стабильностью во времени и повторяемостью. Эти отличия состоят в 3. Разработана и реализована количественная оценка надежности следующем:
различных устройств и систем сейсмоизоляции и сейсмозащиты наземных сейсмические воздействия по своей природе являются уникальными и подземных сооружений.
и редкими природными явлениями, которые не поддаются прогнозирова2 4. Выполнена экспериментальная оценка характеристик демпфера су- ческой теорий надежности и используемых в настоящее время теорий сейсмохого трения, являющегося элементом эффективного сейсмоизолирующего стойкости;
фундамента, в частности, для реакторного отделения АЭС. методики количественной оценки надежности различных УСС, в том 5. Предложена методика оценки вероятностных характеристик числе, с нелинейными элементами;
процесса разжижения водонасыщенных несвязных грунтов при сейсмиче- методика количественной оценки надежности сейсмоизолирующих ских воздействиях.
фундаментов с учетом накопления повреждений элементов УСС;
Практическая и научная значимость работы заключается в разраметодика количественной оценки надежности сейсмоизолированного ботке методик количественной оценки надежности сооружений с УСС разоборудования, установленного в подземных сооружениях;
ичных типов, позволяющих осуществлять выбор наиболее надежного ваметодика оценки вероятностных характеристик процесса разжижения рианта и одновременно анализировать чувствительность системы к измененесвязных грунтов оснований сооружений при сейсмических воздействиях;
нию различных параметров с целью выявления более значимых из них.
методика и результаты экспериментальных исследований по оценке Разработанные автором методики использованы в практике проекхарактеристик демпфера трения с сыпучим слоем, как перспективного элетирования сейсмостойких сооружений и в создании основы для соответстмента энергопоглощения.
вующего нормативно-методического документа по расчету и проектироПубликации. По теме диссертации опубликованы 46 печатных работ.
ванию систем сейсмозащиты строящихся и эксплуатируемых сооружений Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из 9 глав, различного назначения.
основных результатов и выводов, списка литературы (213 наименований) ичный вклад автора состоит в создании методик количествени двух приложений, содержит 195 страниц текста, включая 26 рисунков, ной оценки надежности системы лоснование - фундамент - сооружение с таблицы.
устройствами сейсмоизоляции и сейсмозащиты и их реализации для различных практических схем.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Апробация работы. Материалы исследований по теме диссертации докладывались на: 1) Всесоюзном научно-техническом совещании Методы исследования и расчетов сейсмостойкости гидротехнических и энергетиче- Во введении приведены некоторые данные о сейсмической активских сооружений МИРСС-1981; 2) Научно-техническом совещанииДЭС-81, ности значительной части территории РФ и последствиях сильных землеВДНХ СССР; 3) Всесоюзном совещании по сейсмостойкому строительству, трясений. Отмечена важность решения проблемы обеспечения сейсмоНарва, 1984; 4) VI Всесоюзной конференции ДОФ-85, Ленинград, 1985; 5) стойкости, приведены примеры ошибок, допущенных при проектироваКонференции СПБГТУ Средства математического моделирования, 1997, нии сейсмостойких сооружений с использованием УСС. Указана необхоСанкт-Петербург; 6) IX Европейской конференции по сейсмостойкому строи- димость использования количественной оценки надежности, как опредетельству, 1990; 7) Международной научн.-практ. конф. Градостроительные ляющего фактора при выборе варианта УСС и применения системного проблемы на современном этапе; 8) VI Международной конференции Науч- подхода при разработке методики оценки надежности.
но-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конВыполнен обзор и составлена классификация известных в настояструкций и методы их решения, Cанкт-Петербург, СПБГТУ, 2005; 9) 62-й щее время УСС, представленная на рис.1. Изложены принципы их рабонаучной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ты, приведены примеры применения в гражданском и транспортном университета, изд. Санкт- Петербургского архитектурно-строительного унистроительстве. Для разработки методик количественной оценки надежноверситета, 2005 г.; 10) VI-й Российской конференции по сейсмостойкому сти систем лоснование - фундамент - строительные конструкции с УСС строительству и сейсмическому районированию с международным участием, автором сформулированы следующие задачи исследований:
Сочи, 2005г.; 11) Первой Европейской конференции по сейсмологии и сейс1. Разработать стратегию оценки надежности, основанную на исмостойкому строительству, Женева, Швейцария, 2006.
пользовании теорий надежности, применяющихся в настоящее время теоНа защиту выносятся:
рий сейсмостойкости сооружений и прикладных научно-технических дисобзор и классификация известных и используемых в настоящее время циплин с учетом необходимости применения системного подхода.
вариантов устройств сейсмозащиты и сейсмоизоляции;
2. Выбрать математические модели неопределенности исходной методологическая база оценки надежности систем лоснование - информации как в отношении сейсмических воздействий, так и в отношефундамент - сооружение в условиях неполноты и недостоверности исходной нии особенностей поведения элементов рассматриваемых систем при таинформации, основанной на синтезе параметрической и структурно-логиких воздействиях.
4 3. Адаптировать известные нормативные методики оценки надеж- прогнозируемой исходной сейсмологической информацией, отличием ности оснований, фундаментов и строительных конструкций в соответст- прочностных и деформационных характеристик оснований и материалов вие с избранной стратегией исследований на основе синтеза параметриче- строительных конструкций от расчетных в условиях сочетания статической и структурно-логической теорий надежности сложных природно- ских и низкочастотных интенсивных сейсмических нагрузок, изменением технических систем и используемых в настоящее время теорий сейсмо- характеристик сооружения в период эксплуатации и накоплением поврежстойкости.
дений при повторных сейсмических воздействиях, а также многообразием расчетных моделей сооружения и сейсмического воздействия. Указанные особенности не позволяют сопоставить полученные в разных исследованиях результаты и выполнить обоснованный выбор наиболее надежного варианта компоновки УСС.
Рассмотрены наиболее известные модели сейсмических воздействий, оснований и сооружений. Приведены некоторые варианты этих моделей в зависимости от используемой теории сейсмостойкости.
Для сопоставительной оценки надежности сооружений с УСС, модели сейсмических воздействий формировались в соответствие со следующими условиями:
преобладающие частоты воздействия должны быть близкими к первым собственным частотам исследуемой системы;
максимальное (пиковое) значение воздействия должно соответствовать нормативным значениям;
амплитуды и частоты отдельных гармоник представляются случайными величинами с известными вероятностными характеристиками - математическим ожиданием, дисперсией и законом распределения плотности вероятности;
для трехмерных и двумерных расчетных схем сооружений воздействие задается вектором ускорения основания с определенным соотноше нием между вертикальной и горизонтальной компонентами.
В качестве примеров модели сейсмического воздействия выбираРис.1. Классификация устройств сейсмозащиты и сейсмоизоляции лись элементарные случайные функции вида:
W (t) W (BI, I)sin(прt)sin(прt / 2N) огибающая синусоида (1) 4. Рассмотреть на примерах применение методик количественной оценки надежности для различных элементов систем сейсмоизоляции и W (t) W (BI, I )sin(прt) exp[(t)] огибающая экспонента (2) сейсмозащиты наземных и подземных сооружений.
5. Разработать методику оценки вероятностных характеристик проW (t) W (BI, I)sin(прt) стационарное воздействие (3) цесса разжижения несвязных грунтов оснований сооружений при сейсмических воздействиях.
где I балл землетрясения; BI интенсивность сейсмического воздей6. Выполнить экспериментальную оценку характеристик перспекствия в пределах данного балла; пр преобладающая частота воздейсттивного типа элемента сейсмоизолирующих фундаментов (демпферов сувия; параметр, характеризующий скорость изменения огибающей, хого трения с сыпучим слоем).
Во второй главе рассмотрены основные методы оценки надежномоделирующей нестационарность сейсмического воздействия; N число сти системы Уоснование - УСС - сооружениеФ, работающей в условиях периодов преобладающей частоты, суммарная длительность которых равинтенсивных сейсмических воздействий. Указаны особенности проблемы на половине периода огибающей. Интенсивность сейсмического воздейстоценки надежности оснований и сооружений, характеризуемые применевия в пределах данного балла BI и преобладающая частота пр распрением различных теорий сейсмостойкости, неполнотой и недостоверностью 6 делены по нормальному закону с известными математическими ожида- функции, что позволяет использовать аппарат теории вероятностей и получать количественную оценку надежности элемента конструкции. Мерой ниями m[W (BI )], m(пр ) и дисперсиями D[W (BI )], D(пр ). Плотность надежности является вероятность пребывания конструкции в допредельвероятности угла наклона к горизонту принимается в виде равномерноном состоянии, которая должна быть не ниже некоторого допустимого го закона распределения с диапазоном возможных значений 0 / 2, уровня в течение срока службы. В рассмотренных далее примерах условия допредельного состояния выражаются требованиями непревышения некоматематическим ожиданием m() / 4 и дисперсией D() 2 / 48.
торых критериев надежности, в роли которых могут выступать характериДругая модель нестационарного случайного процесса формировалась в стики нагрузок, прочности и деформативности элементов рассматриваевиде модулированного белого шума, имеющего непрерывный спектр в диапамых систем, в том числе и элементов УСС. Реализация количественной зоне 0 - 30 Гц. Такая модель получена с использованием генератора равнооценки надежности в диссертационной работе осуществлялась методами мерно распределенных случайных чисел, их масштабирование и последуюпрямой линеаризацией и методом статистических испытаний. Полученщую отделение высоких частот. Нестационарность процесса также учитываные количественные оценки надежности являются исходными данными лась умножением на детерминированные функции времени.
для принятия решений о выборе наиболее надежного варианта.
Особенностью проблемы количественной оценки надежности является наличие различных теорий сейсмостойкости, развитие которых истоМЕТОД ПРЕДЕЛЬНЫХ рически происходило в разные периоды времени, но все они в той или СОСТОЯНИЙ Синтез теорий иной степени находят применение и в настоящее время. Нет оснований сейсмостойкости и теорий надежности (ТС+ТН) безоговорочно отдавать предпочтение той или иной теории, поскольку ГЕОФИЗИКА СТАТИСТИКА ОТКАЗОВ каждая обладает определенными преимуществами при исследовании разПАРАМЕТРИЧЕС- СТРУКТУРНАЯ личных элементов рассматриваемых систем. Кроме того, неполнота и неИНЖЕНЕРНАЯ СЕЙСМОЛОГИЯ КАЯ ТЕОРИЯ ТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ НАДЕЖНОСТИ достоверность исходной информации приводит к необходимости в макси(ПТН) (СТН) мальной степени учитывать результаты, полученные с использованием ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ всех теорий, равно как и имеющихся данных натурных наблюдений.
ТЕОРИИ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ (ТС) В третьей главе кратко изложены основы статистической динамиТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНЫХ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ки, которые при определенных условиях позволяют получать вероятностМЕХАНИКА ГРУНТОВ (ТНСПТС) СТАТИЧ. КВАЗИ ные характеристики реакции рассматриваемых систем при известных ве- ДИНАМ. (Д) (СТС) СТАТ. (КС) роятностных характеристиках входа. Однако в настоящее время для колиСТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА чественной оценки надежности сложных систем наиболее разработаны и ТЕОРИЯ ИГР апробированы методы, формируемые на основе синтеза двух основных ВЕРОЯТНОСТНЫЕ АНАЛОГИ ТС направлений - теорий сейсмостойкости (статической, квазистатической и ИНЖЕНЕРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ динамической) и теорий надежности, которые подразделяются на параТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНЫХ метрическую и структурно-логическую (схема на рис.2). Применение веПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ (ТН ГИДРОДИНАМИКА СПТС) С УСС роятностного подхода позволяет получать вероятностные аналоги каждой ОСНОВАНИЕ+ФУНДАМЕНТ+СООРУЖЕНИЕ+ УСС+ОБОРУДОВАНИЕ из теорий сейсмостойкости, которые в дальнейшем служат основой для применения метода предельных состояний, который также адаптирован в ОЦЕНКА РИСКА соответствие с вероятностным подходом. Объединение результатов оценТЕОРИЯ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ки надежности отдельных элементов в показатели надежности подсистем и всей системы в целом осуществляется методами структурно-логической Рис. 2. Синтез теорий сейсмостойкости, надежности и научно-прикладных теории надежности, учитывающей физические и стохастические связи медисциплин, используемых для оценки надежности сооружений с УСС жду элементами и подсистемами.
Параметрическая теория надежности является развитием методолоВ четвертой главе рассмотрена задача количественной оценки нагии предельных состояний. В качестве модели неопределенности выбрана дежности системы лоснование - фундамент - сооружение с использоваслучайность, наиболее разработанная и апробированная в настоящее время.
нием параметрической и структурно-логической теорий надежности сложВ соответствие с этой моделью нагрузки, параметры воздействия, ных систем. Для сокращения объема необходимых для оценки надежности характеристики материалов представляются как случайные величин или 8 выкладок, рассматриваемая система моделируется расчетной моделью с тельно основания hc. Распределение масс предполагается симметричным некоторыми непринципиальными упрощениями (рис.3).
относительно вертикальной оси симметрии. Вторая подсистема представляет собой сейсмоизолирующий фундамент простейшего типа, состоящий М, J c из параллельно соединенных линейно-упругих и диссипативных элеменZ тов линейно-вязкого трения, размещаемых между сооружением и нижней С частью фундамента. Коэффициенты жесткости подвеса в направлении коВх В ординатных осей Z, X равны соответственно Cz,Сx коэффициент жесткоС сти при повороте массива в плоскости C.
Сх Третья подсистема - нескальное грунтовое основание - характериС z В z зуется случайными величинами с известными вероятностными характеристиками - математическими ожиданиями и дисперсиями угла внутреннего трения m(), D(), модуля деформации m(E), D(E), коэффициента сцепе a Fs ления m(C), D(C), коэффициента трения по подошве фундамента при плоском сдвиге m( f ), D( f ) и коэффициента Пуассона m(), D().
0' Сейсмическое воздействие моделируется вектором ускорения грунw е u тового основания W, лежащим в плоскости Z X, угол наклона которого к горизонту равен . С учетом неопределенности исходной сейсмологичеРис.3. Расчетная модель системы лоснование - УСС - сооружение ской информации, модель воздействия выбрана в виде элементарной функции случайных аргументов:
Расчетная модель системы включает подсистему Угрунтовое основаW (t) W (BI, Jik )sin(прt)sin(прt / 2N ) (1) ниеФ, подсистему Усейсмоизолирующий фундаментФ и подсистему Усооружегде W (BI, Jk ) - ускорение основания, соответствующее баллу BI и интенние жесткого типаФ. Расчет надежности всей системы в целом выполняется раздельно для каждой из подсистем, далее полученные оценки объединяются сивностью Jk, пр преобладающая частота воздействия, N число пев соответствии с положениями структурной теории надежности.
риодов преобладающей частоты, суммарная длительность которых равна Каждая подсистема характеризуется своим набором критериев наполовине периода огибающей. Случайными величинами в рассматриваедежности. Такими критериями приняты для сооружения - предельно домой модели являются балл сейсмического воздействия BI ( I 69 ) с пустимые суммарные (статические и динамические) нагрузки, для сейсзаконом распределения Пуассона, интенсивность ускорений в пределах моизолирующего фундамента - предельно допустимые взаимные смещеданного балла и преобладающая частота сейсмического воздействия пр с ния точек крепления упругих элементов (горизонтальные и вертикальные) и для основания - непревышение несущей способности основания, крена нормальным законом распределения и угол наклона вектора ускорения фундамента и отсутствие плоского сдвига по подошве. В зависимости от основания к горизонту с равномерным распределением. Нестационарфункционального назначения объекта указанный набор подсистем и критеность воздействия учитывается умножением на синусоидальную функцию риев надежности может быть расширен включением дополнительных подвремени с частотой пр / 2N, N число периодов преобладающей частосистем (например, подсистемой коммуникаций и инженерных сетей, подты, суммарная длительность которых равна половине периода огибающей.
системой устанавливаемого в сооружении оборудования).
Рассматриваемая расчетная модель с учетом принятых допущений Простейшая расчетная модель подсистемы УсооружениеФ представпредставляет собой систему с тремя степенями свободы, совершающая ляет собой абсолютно жесткий массив с массой М и моментом инерции Jc колебания сдвига поворота в плоскости Z X и несвязанные колебания относительно главной центральной оси. Массив опирается на систему в той же плоскости в направлении вертикальной оси Z.
сейсмоизоляции. Основание сооружения в плане представляет собой В соответствие со структурной теорией надежности подсистема, квадрат со стороной B, высота сооружения - H, усредненная объемная моделирующая сооружение, представляет собой два последовательно соплотность M /V M / B2H ; отметка центра тяжести массива относиединенных структурных элемента с критериями надежности, равными 10 р b предельно допустимым инерционным нагрузкам на сооружение. Для Fs max Fs max Fs max m(Fs max ) [W m(W )] [пр m(пр )] оценки надежности подсистем сооружение и л УСС используется диW пр m m намическая теория сейсмостойкости.
Учитывая, что величина случайных отклонений коэффициентов жеFv max Fvmax Fv max m(Fvmax ) [W m(W )] [пр m(пр )] (9) сткости сравнительно невелика, полагаем их детерминированными. МакW пр m m симальное значение модуля вектора ускорения основания определяется вероятным значением балла сейсмического воздействия BI (учитываются где m(Fs max), m(Fv max) - математические ожидания соответствующих вевоздействия с баллами от 6 до 9 включительно) и интенсивностью в преличин, вычисленные при математических ожиданиях аргументов.
делах данного балла W (Bi, J ). Вероятность сейсмического воздействия с Дисперсии функций Fs max, Fv max определяются как сумма дисперсий баллом Bi при отсутствии других данных характеризуется распределени- случайных величин; с учетом их независимости дисперсии вычисляются по формулам:
ем Пуассона:
FV 0 P(B Bi ) exp( ) (4) D[FV ] ( )2 D(WBi ) ;
k k W m где 0 нормативный срок службы сооружения; k повторяемость M FS C D[FS ] ( )2 D(WBi ); D[M ] ( )2 D(WBi ) (10) сейсмического воздействия для данного региона.
C W W m m Вероятные значения угла наклона вектора ускорения основания заВероятность надежной работы подсистемы сооружение по критеключены в пределах 0 /2, закон распределения плотности вероятности рию непревышения горизонтальной компоненты инерционной нагрузки принят равномерным с математическим ожиданием, равным /4 и стандля данного балла Bi и данного значения угла наклона вектора ускорения дартным отклонением, равным /48. При расчетах функция распределения основания определяется соотношением:
угла наклона представляется в дискретной форме, с вероятностью попадания в любой из 6 интервалов дискретизации, равной 1/6. Закон распреде 1 mFs Fsd PnFs P[Fs max Fsd ] max (11) 1 ления плотности вероятности интенсивности воздействия в пределах дан2 D(Fs max ) ного балла Bi принят нормальным с характеристиками m(WBi ), D(WBi ).
где Ф интеграл вероятности.
Система дифференциальных уравнений движения:
Подобными отношениями определяется вероятность непревышения mx Cx x Сxhc Bx x Bxhс mW (t)cos (5) остальных компонентов нагрузки на сооружение. С учетом всех возмож2 2 ных баллов сейсмического воздействия и всех возможных значений угла Jc Сxhсx (С Сxhc ) Bxhсx (B Bxhс ) 0 (6) наклона вероятность надежной работы подсистемы определяется форму mz Cz z Bz z mW (t)sin (7) лой полной вероятности. Результаты оценки надежности подсистемы "сооружение" представлены на рис.4.
Решение системы уравнений (5-7) при фиксированном балле и угле Оценка надежности подсистемы Усейсмоизолирующий фундаментФ наклона осуществляется численным методом. В результате решения полувыполняется аналогичным методом. В качестве критериев надежности исчены максимальные значения нагрузок (вертикальной и горизонтальной пользуются предельно допустимые значения взаимных смещений точек закомпонент) Fs max, Fv max, которые пропорциональны компонентам сейскрепления упругих элементов. Результаты оценки надежности подсистемы мического ускорения:
"сейсмоизолирующий фундамент" представлены на рис.5.
Fs max mWxabs m(x W (Bi )cos Оценка надежности грунтового основания выполняется по рандоми (8) зированной нормативной методике по двум группам предельных состоя Fv max mWvabs m(z W (Bi )sin ний и по методу предельного равновесия с учетом найденных ранее комДля каждого возможного балла воздействия Bi выражения для понентов нагрузки на основание. Результаты количественной оценки накомпонент сейсмической нагрузки можно приближенно представить в видежности подсистем представлены в диссертационной работе в виде завиде разложения в ряд Тейлора в окрестности математических ожиданий симостей вероятностей отказа отдельных подсистем по различным критеслучайных величин с учетом только линейных слагаемых:
риям надежности, параметрам подсистем и вероятностных характеристик 12 а) Na cNu,eq / n (12) 1.0E+где Na вертикальная составляющая нагрузки в особом сочетании; Nu,eq 1.0E- вертикальная составляющая силы предельного сопротивления при сейсмическом воздействии;
1.0E-а) 1.0E-а) 1.0E-m(p)=6,0 с-mdz=0.1.0E-m(p)=8,mdz=0.1.0E-m(p)=10,mdz=0.m(p)=12,1.0E-m(p)=14,0 mdz=0.m(p)=16,1.0E-mdz=0.1.0E-mdz=0.5.0E-02 7.0E-02 9.0E-02 1.1E-01 1.3E-01 1.5E-01 1.7E-01 1.9E-01 2.1E-01 2.3E-01 2.5E-Максимально допустимые значение вертикальной нагрузки Fvd/Mg 1.0E-б) б) 1.0E-1.0E-1.0E-1.0E-5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1.0E-Математическое ожидание преобладающей частоты mpv, рад/сек б) 1.0E-m(p)=6,0 с-б) 1.0E+mdz=0.m(p)=8,mdz=0.1.0E-05 m(p)=10,1.0E-mdz=0.m(p)=12,mdz=0.m(p)=14,1.0E-1.0E-mdz=0.m(p)=16,1.0E-03 mdz=0.1.0E-1.0E-5.0E-02 1.0E-01 1.5E-01 2.0E-01 2.5E-Максимально допустимые значения горизонтальной нагрузки Fsd/Mg 1.0E-Рис.4. Зависимости вероятности отказа подсистемы сооружение по критериям 1.0E-вертикальной предельно допустимой нагрузки (а) и горизонтальной предельно 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 допустимой нагрузки (б). Параметр семейства зависимостей - математическое Математическое ожидание преобладающей частоты, mpv, рад/с ожидание преобладающей частоты Рис.5. Зависимости вероятности отказа подсистемы УУССФ от математического ожидания преобладающей частоты:
воздействий. Для оценки надежности подсистемы УоснованиеФ используа - по критерию предельно допустимых смещений горизонтальных смещений, б - по критеется нормативная методика, адаптированная в соответствии с вероятнострию предельно допустимых вертикальных смещений. Параметр семейства зависимостей - ным подходом. В настоящее время используются два метода оценки наматематическое ожидание коэффициента затухания М() дежности оснований - метод предельных состояний и метод предельного равновесия. Оценка надежности по методу предельных состояний подраз- Периоды собственных колебаний: Tx1 2.417c, Tx2 0.547c, деляется на две группы. К первой группе относится расчет оснований по Tz 1.0c, парциальные частоты Tx Tz 1.0, коэффициент вариации пренесущей способности на действие вертикальной составляющей внеценобладающей частоты Kp= 0,1, коэффициент вариации интенсивности воздейтренной нагрузки исходя из условия:
14 горизонтальных смещений Вероятность отказа по критерию Вероятность отказа P(Fs/Mg>Fsd/Mg) вертикальных смещений Вероятность отказа по критерию Ф3 ea eu 0 (17) ствия Kw = 0,1; c,eq сейсмический коэффициент условий работы; n Ф4 ea b / 3 0 (18) коэффициент надежности по степени ответственности сооружения.
Ко второй группе предельных состояний относится проверка вы Ф5 pmax pb 0 (19) полнения условий непревышения предельно допустимых значений осадок Ф6 Fv Nu1 0 (20) и кренов фундамента. В общем виде эти условия представляются неравенствами вида:
Ф7 Fv Nu2 0 (21) s su (13) Ф8 Fv Nu3 0 (22) где s, su максимальное значение осадки или крена фундамента и их где ea эксцентриситет вертикальной нагрузки; eu эксцентриситет равпредельно допустимые значения соответственно.
По методу предельного равновесия в качестве исходных данных на- нодействующей эпюры предельного давления основания; pa, pb ординазначается возможная форма поверхности разрушения и проверяется соотты эпюры предельного давления; pmax максимальное давление при часветствующее условие устойчивости. Такая проверка осуществляется для тичном отрыве подошвы фундамента; pb максимальная ордината эпюры нескольких возможных форм разрушения, после чего в качестве окончапредельного давления для фундамента с размером подошвы в направлении тельной оценки надежности выбирается наименьшее. Частным случаем оценки надежности по методу предельного равновесия является определе- действующего момента, равного bc 1,5(b 2ea ) ; Fv суммарная вертиние вероятности сдвига фундамента по подошве, при котором задаваемая кальная составляющая нагрузки; Nu1, Nu2, Nu3 варианты значений верповерхность разрушения представляет собой плоскость, совпадающую с тикальной составляющей силы предельного сопротивления основания.
поверхностью контакта фундамента и грунтового основания.
В зависимости от выполнения комбинации условий, выражаемых Расчет фундамента на сдвиг по подошве производится исходя из уссоотношениями (15 22), вертикальная сила предельного сопротивления ловия:
основания Nu вычисляется по следующим соотношениям:
Fs,a c,eq Fs,r / n (14) при Ф1 0, Ф2 0, Ф3 ss сила Nu1 0,5bl( p0 pb ) (23) где, сумма проекций на плоскость скольжения сдвигаюF F s,a s,r s при Ф1 0, Ф2 0, Ф3 щих и удерживающих сил, определяемых с учетом активного и пассивного сила Nu2 blpb (1 6ea / b) (24) давлений грунта на боковые грани фундамента.
при Ф1 0, Ф3 0,Ф4 0,Ф5 Адаптация методов оценки надежности подсистемы ФоснованиеФ в сила Nu3 0,5bclpb (25) соответствие с вероятностным подходом заключается в учете случайного характера параметров, определяющих прочностные и деформационные Неравенство Ф1<0 определяет условие, при выполнении которого характеристики грунта основания и определения вероятности отказа путем надежность основания следует определять по критерию его предельной преобразования соотношений (12 - 14).
несущей способности.
Расчет надежности основания по несущей способности выполняется Если условие (15) не выполняется, то надежность основания опрена действие вертикальной составляющей внецентренной нагрузки на осноделяется вероятностью сдвига сооружения по подошве фундамента (плование и сравнение с его предельной несущей способностью. Все необхоский сдвиг). Вероятность развития плоского сдвига определяется вероятдимые для расчета соотношения приводятся далее с учетом вероятностноностью противоположного события:
го подхода и соответствующей адаптации нормативных соотношений. Для V1 1 P(Ф1 0) (26) оценки надежности основания образована группа неравенств, опредеНеравенства Ф2>0 и Ф4<0 определяют нижнюю и верхнюю граниляющих условия сохранения работоспособности основания в детерминицы значений эксцентриситета приложения вертикальной нагрузки, при рованной постановке:
выполнении которых вероятен частичный отрыв фундамента от основаФ1 Fs / FV sin( ) 0 (15) ния. При одновременном выполнении этих условий для обеспечения надежности основания необходимо выполнение дополнительного условия Ф2 ea b / 6 0 (16) (19), ограничивающего предельную величину вертикальной нагрузки.
16 Неравенства (16 17) определяют соотношение между эксцентри1 [m(Fs )]D[Ф1(Fs, Fv,)] D(Fs ) { D(Fv ) ситетами вертикальной нагрузки и эпюрой предельного давления при [m(Fv )]2 [m(Fv )]полном опирании фундамента, для этого случая предельная несущая спо (31) m(Fs ) собность основания вычисляется в зависимости от выполнения неравенст cos2[m()] D() 2 D(Fs )D(Fv ) ва (18).
[m(Fv )]Вероятностная интерпретация условий (15 22) позволяет состаЕсли аргументы линейной функции имеют нормальное распределевить выражения для количественной оценки надежности основания при ние, то плотность вероятности самой функция также подчиняется норвсех возможных сочетаниях этих условий. В качестве примера рассмотрим мальному распределению, что позволяет определить искомую вероятность первое неравенство (15). Вероятность его выполнения запишем в виде:
выполнения условия (15):
Fs 1 m(Ф1) P1 P(Ф1 0) P[ sin()] 0 (27) P1 P(Ф1 0) [1Ф0[ ] (32) Fv D(Ф1) где Fs, Fv горизонтальная и вертикальная компоненты суммарных (стагде Ф0 интеграл вероятности.
тических и инерционных сейсмических) нагрузок на основание; угол Аналогичным образом определяются вероятности выполнения всех внутреннего трения грунта. Выполнение данного условия учитывается при неравенств, определяющих вероятность надежной работы основания при всех вариантах соотношений между эксцентриситетами нагрузки и эпюры различных сочетаниях между эксцентриситетами эпюры предельной непредельной несущей способности основания.
сущей способности и вертикальной нагрузки.
Для вычисления вероятности выполнения условия (15), считая веВероятность выполнения соотношения между эксцентриситетами личины Fs, Fv и нормально распределенными, определим математичевертикальной нагрузки и эпюры предельной несущей способности:
ское ожидание m(Ф1) и дисперсию D(Ф1) : P3 P(Ф3 0) P(ea eu 0) (33) Вероятность непревышения вертикальной нагрузкой предельной m(Fs ) силы сопротивления основания:
m(Ф1) sin[m()] (28) m(Fv ) P6 P(Ф6 0) P(Fv Nu1 0) (34) Вероятность надежной работы основания при одновременном выДисперсия функции Ф1 определяется методом прямой линеаризаполнении условий (15,17, 20) определяется произведением:
ции, для чего представим ее в виде разложения в ряд Тейлора в окрестно N1 P1P3P6 (35) сти математических ожиданий переменных с сохранением только линейВторой вариант сочетания условий при полном опирании фундамента:
ных относительно производных слагаемых:
сохраняется условие (15), определяющее возможность глубинного Ф1 Фсдвига, вероятность его выполнения P1 ;
Ф1 m(Ф1) [(Fs m(Fs )] [Fv m(Fv )] Fs m Fv m Соотношение (17) между эксцентриситетами не выполняется, веро (29) ятность невыполнения (противоположного события):
Ф [ m()] V3 1 P3 (36) m Вероятность непревышения вертикальной нагрузки предельной сиЧастные производные функции Ф1, определяемые при значениях лы сопротивления основания:
аргументов, равных соответствующим математическим ожиданиям: P7 P(Ф7 0) P(Fv Nu2 0) ; (37) Вероятность надежной работы основания при одновременном выФ1 1 Ф1 m(FS ) Фполнении условий (15,18,21) определяется произведением:
; ; cos[m()] (30) FS m m(FV ) FVs m m2(FV ) N2 P1V3 P7 ; (38) m Вариант условий, определяющий вероятность надежной работы осС учетом свойства линейной функции аргументов дисперсия нования при опирании частью контактной поверхности подошвы фундафункции Ф1 определяется соотношением:
мента:
18 сохраняется условие (15), определяющее возможность глубинного Отметим важное обстоятельство, вытекающее из рассмотренной месдвига, вероятность его выполнения Р1; тодики количественной оценки надежности. Имеется возможность сопосВероятность выполнения условия, ограничивающего максимальное тавления вклада каждого из слагаемых, входящих в выражения для дисзначение эксцентриситета вертикальной нагрузки при частичном отрыве персий и, таким образом, отделить те из случайных величин, вклад котофундамента: рых мал по сравнению с остальными. Другими словами, одновременно с решением задачи количественной оценки надежности, может выполняться P4 P(Ф4 0) P(ea b / 3 0) ; (39) анализ чувствительности рассматриваемой системы к изменению параметВероятность выполнения условия, ограничивающего минимальное ров. В ряде случаев это позволяет уменьшить количество случайных пазначения эксцентриситета вертикальной нагрузки, при котором возможен раметров и сократить объем вычислений.
частичный отрыв фундамента:
Результаты определения вероятности отказа основания по первой и V4 P(ea b / 6) 1 P(ea b / 6) ; (40) второй группам предельных состояний представлены на рис. 6, 7.
Вероятность выполнения условия непревышения максимальной ординаты эпюры несущей способности силы сопротивления при частичном 0,б) Tx=0,5 c отрыве фундамента с учетом изменения площади опирания:
Tx=0,7 c P5 P(Ф5 0) ; (41) Tx=0,9 c Tx=1,2 c Вероятность непревышения вертикальной нагрузкой силы предель0,Tx=1,6 c ного давления основания при частичном отрыве подошвы фундамента от Tx=1,8 c основания:
P Tx=2,0 c P8 P(Ф8 0) P(Fv Nu3 0) (42) без СФ 0,0Вероятность надежной работы основания определяется произведе20 25 30 35 нием вероятностей условий, определяющих сохранение его работоспособности:
Математическое ожидание угла внутреннего трения m( ) N3 P1 P4 V4 P5 P8 (43) Рис. 6. Вероятность отказа по первой группе предельных состояний Условная вероятность надежной работы основания с учетом всех как функция математического ожидания угла внутреннего трения:
возможных вариантов соотношений между эксцентриситетами и неполно- параметр семейства парциальный период колебаний сейсмоизолируемого сооружения Тх, вариант фундамента без сейсмоизоляции выделен жирной линией го опирания фундамента при фиксированном балле воздействия и угле наклона вектора ускорения основания:
Полученные ранее зависимости и расчетные формулы позволяют в NBi, j P(Ф1 0) P(Ф3 0) P6(Ф6 0) соответствии с заданными исходными вероятностными характеристиками (P1(Ф1 0)(1 P3(Ф3 0)]P7 (Ф7 0) (44) параметров подсистем определить надежность (вероятность отказа) для каждой подсистемы. На следующем этапе методами структурной теории P1(Ф1 0) P4(Ф4 0) P5(Ф5 0) P8(Ф8 0) надежности определяется надежность системы в целом.
Для всех возможных баллов Bi и углов вероятность надежной j Рассматриваемую систему в целом с точки зрения оценки надежности удобно представить в виде дерева отказов, представленного на рис.8.
работы основания вычисляется по формуле полной вероятности:
Считая, что отказ любой из подсистем приводит к отказу системы в целом, 9 в данном случае подсистемы следует считать соединенными последоваPN,1 P(B Bi ) P( i ) N (45) Bi, j тельно. Для последовательного соединения с учетом предположения о неi6 j зависимости отказов (что идет в запас надежности), надежность последоИзложенная методика оценки надежности (вероятности отказа) освательно системы в целом определяется по наиболее слабому звену. Веронования по первой группе предельных состояний аналогичным образом ятность отказов для каждой подсистемы определяется суммой вероятноприменяется и для оценки надежности основания по второй группе престей отказов по всем критериям надежности. Для подсистемы сооружедельных состояний (по крену и осадкам), а также при оценке вероятности ние вероятность надежной работы Pc с учетом последовательного соедисдвига по подошве фундамента. Соответствующие соотношения, найденнения структурных элементов определяется соотношением:
ные методом прямой линеаризации приведены в диссертационной работе.
20 Pоткза 1,0E-imax=0,001, Tx=0,imax=0,002, Tx=0,1,0E-imax=0,003, Tx=0,1,0E-imax=0,001, Tx=1,imax=0,002, Tx=1,1,0E-imax=0,003, Tx=1,imax=0,001, Tx=1,1,0E-imax=0,002, Tx=1,1,0E-imax=0,003, Tx=1,imax=0,003, без УСС 1,0E-30000 40000 50000 60000 70000 800Математическое ожидание модуля деформации m(E), кПа Рис.7. Вероятность отказа по второй группе предельных состояний (крену фундамента) как функция математического ожидания модуля деформации:
параметр семейства парциальные период колебаний сейсмоизолируемого сооружения Тх, вариант фундамента без сейсмоизоляции показан пунктиром Pc Pc1 Pc2 Pc3 P[[(Fs Fsd ) 0] P[(Fv Fvd ) 0] (46) P[(M M ) 0] d Для подсистемы сейсмоизолирующий фундамент вероятность надежной работы Pcф:
Pcф Pсф1 Pcф2 Pсф3 P[(x xd ) 0] Pх(z zd ) 0] P[( d ) 0] (47) Для подсистемы лоснование вероятность надежной работы выражается суммой вероятностей надежной работы по первой и второй группам предельных состояний и по критерию плоского сдвига по подошве фундамента. По первой группе предельных состояний вероятность надежной работы определяется выражением:
PN,1 P1P3P6 P1P3P7 P1P4V4P5P8 (48) По второй группе предельных состояний вероятность надежной работы определяется выражением:
PN,2 P9 P10 (49) где P9 P(Ф9 0), P10 P(Ф11 0)P(Ф12 0)P(Ф13 0)P(Ф14 0) По критерию сдвига по подошве фундамента:
Pсдв V1P(Ф10 0) (50) где V1 1 P(Ф1 0) Количественная оценка надежности системы в целом определяется в соответствие с методом обобщенной корреляции как минимальная вероятность надежной работы из всей совокупности количественных оценок надежности подсистем. Учитывая, что все варианты отказов обусловлены 22 критерию крена Вероятность отказа основания по Рис.8. Дерево отказов системы "основание - фундамент - строительные конструкции" Рассматривая процесс последовательных сейсмических воздействий одним и тем же фактором сейсмическим воздействием, коэффициент как испытания с различными исходами, можно представить такой процесс обобщенной корреляции принимается равным единице, тогда вероятность как последовательную совокупность состояний. При большом числе веронадежности основания определяется соотношением:
ятных состояний следует в качестве возможной траектории выбирать наиPсистемы min{Pc, Pсф1, Рсф2,Рсф3, РN1,PN 2,Pсдв} (51) более вероятные - именно те, которые приводят к переходу системы в В пятой главе приведены методика и результаты количественной следующее состояние с наибольшей вероятностью отказа. Выбор таких оценки надежности различных вариантов подсистем сейсмоизолирующих траекторий существенно облегчается благодаря использованию ЭВМ и фундаментов, в том числе:
разработке соответствующей программы вычислений.
системы сейсмоизоляции с нелинейным демпфированием;
Сейсмическое воздействие задано в виде элементарной случайной системы сейсмоизоляции с выключающимися связями;
функции времени с учетом нестационарности. Для повторных воздейстсистемы сейсмозащиты с динамическим гасителем колебаний.
вий вероятность каждого последующего воздействия определяется соотОценка надежности таких систем осуществлялась с учетом особенношением:
ностей расчетных моделей - в зависимости от способа соединения упругих n (t) и демпфирующих элементов поведение таких систем может сопровожPn (Ib ) et (52) даться интервалами застоя осциллирующей массы, наличие и длитель- n! ность которых зависела от соотношения инерционных сил и реакций упругде параметр повторяемость сейсмических воздействий заданной гих и демпфирующих элементов.
балльности; t установленный срок эксплуатации сооружения; n число Оценка надежности системы с указанными видами соединений элеповторных воздействий.
ментов осуществлялась методом статистических испытаний (Монте-Карло).
В качестве критериев надежности выбраны предельно допустимые Другим известным типом УСС являются системы с выключающизначения вертикальных смещений опорных элементов, крен сооружения и мися связями. Диаграммы изменения жесткости и демпфирования систекомпоненты абсолютных ускорений центра тяжести сооружения в вертикальмы сейсмоизоляции с выключающимися связями обычно представляются ном и горизонтальном направлениях. Превышение соответствующих парав виде кусочно-линейных функций. В данном примере сейсмическое возметров сейсмической реакции сооружения при сейсмическом воздействии действие выбрано в виде модулированного белого шума, представляющего рассматривается как отказ системы сейсмоизоляции или самого сооружения.
собой произведение детерминированной функции времени, характериВ качестве одной из возможных траекторий состояний рассматризующей нестационарность воздействия на случайную функцию, прибливаемой системы принято начальное состояние, при котором предполагаетженно соответствующую белому шуму с ограниченным диапазоном спекся работоспособность всей совокупности опорных элементов и последуютра частот.
щее, при которых с определенной вероятностью выходят из строя ряды В этой же главе рассмотрена также задача количественной оценки опор, наиболее удаленные от плоскости симметрии сооружения.
надежности УСС в виде простейшего динамического гасителя колебаний.
В седьмой главе приведена методика количественной оценки наВ качестве критериев надежности выбраны предельно допустимые дежности подземного сооружения с системой сейсмоизоляции объекта, значения смещений гасителя относительно основного сооружения, самого находящегося внутри жесткого цилиндрического контура (например, жесооружения относительно основания и абсолютных ускорений сооружелезобетонной обделки тоннеля). В работе используется детерминированния, определяющих инерционные нагрузки. Решение данной задачи выное решение, полученное С.В.Гаммерштадтом для расчетной модели, полнено методом прямой линеаризации.
приведенной на рис.9. Решение для потенциала возмущенного поля Ф В шестой главе рассматривается методика оценки надежности соищется в виде суммы падающих и отраженных волн:
оружения с учетом накопления повреждений и отказа части элементов сейсмоизолирующего фундамента. Цель данного исследования состоит в ( Ф Фi AmHm2)(kr) cos(m) (53) разработке методики определения вероятности отказа системы Уcооруmжение - сейсмоизолирующий фундаментФ при повторных сейсмических После соответствующих выкладок уравнение движения в комвоздействиях c учетом последовательного отказа части элементов фундаплексной форме приводится к виду:
мента. Методика основана на использовании теории дискретных цепей ( p ni) 2 (1) k x0a1eikt (54) Маркова, основным свойством которых является зависимость случайного процесса только от его состояния в предшествующий момент времени.
24 реход от детерминированного решения к вероятностной оценке работоспогде p, n вещественная и мнимая части, представляющие собой функции, собности (вероятности отказа), используя метод прямой линеаризации.
зависящие от соотношения масс внешнего и внутреннего тел, частоты возВ восьмой главе рассматривается методика оценки вероятностных действия и волнового числа для продольной волны, 1,2 функции лихарактеристик одного из видов энергопоглощающих элементов (демпфенейного преобразования исходных координат:
ров), основанных на использовании сил трения, возникающих при взаимx1 x2 m1x1 mx xном смещении элементов трущихся пар. В качестве рабочего тела в таком 1 , 2 (55) mm1 m2 демпфере может использоваться обычный крупнозернистый песок, песча1 но-щебенистая смесь, некрупный щебень. Конструкция сейсмоизолируюmщего фундамента с системой таких демпферов была предложена О.А.Са Y виновым и его сотрудниками. Достоинства таких демпферов заключаются прежде всего в долговечности, отсутствии необходимости их обслуживания и контроля параметров, возможности регулирования в достаточно широких пределах сил трения, которые создаются за счет передачи части нагрузки от веса сооружения на опорную плиту демпфера посредством сисYтемы упругих элементов (пакетов стальных пружин). Подробные экспеX1 Xриментально-расчетные исследования таких устройств были выполнены при непосредственном участии автора на двух специально сконструироX i ванных экспериментальных стендах, оснащенных необходимой измериРис. 9. Расчетная модель подземного тельной аппаратурой сооружения с сейсмоизоляцией Основные результаты оценки характеристик демпферов с сыпучим установленного оборудования слоем сводятся к следующим:
1. Коэффициенты трения практически мало зависят от интенсивноПараметр характеризует зависимость собственной частоты от амсти вертикальной нагрузки, изменение значений этих коэффициентов не плитуды относительных смещений внешнего и внутреннего тел. Для липревышает точности измерений.
нейной системы сейсмоизоляции очевидно Const (1). Решение урав2. В зависимости от вида шероховатости контактной поверхности нения (13), полученное методом гармонической линеаризации, разыскивадемпфера и вида сыпучего материала значения коэффициента трения ется в виде:
варьируются в пределах 0.6 0.8).
3. Демпферы с сыпучим слоем достаточно адекватно аппроксими 1 a1ei(kt) (56) руются модифицированной диаграммой Прандтля, отличающейся от класЭкстремальные значения амплитуды относительного смещения опсической сравнительно плавным переходом от состояния покоя к состояределяются при частоте равной:
нию движения. Это обстоятельство связано, по-видимому, с развитием 1 n2 микропластических деформаций на начальных стадиях смещений плит на k 2 (a1) (57) сыпучем слое. Указанное обстоятельство может в определенной степени e p снижать эффект возбуждения колебаний сооружения по высшим формам.
Количественной мерой надежности системы сейсмоизоляции явля4. Реальная диаграмма знакопеременного сдвига характеризуется ется вероятность непревышения предельно допустимой амплитуды amax определенным снижением развиваемой демпфером силы сопротивления сдвигу при повторных циклах, что объясняется выносом сыпучего слоя и смещений внутреннего цилиндра относительно внешнего:
снижением вертикальной нагрузки на плиту демпфера вследствие осадки N P[a1 amax ] (58) плиты демпфера. Приведены результаты количественной оценки надежноВ качестве случайных параметров сейсмического воздействия высти для варианта с учетом и без учета снижения сил сопротивления сдвигу.
браны частота падающей продольной волны k и амплитуда смещения на В девятой главе представлены методика и результаты эксперименфронте ai тальной оценки возможности разжижения несвязных водонасыщенных Учитывая случайный характер параметров сейсмического воздействия, грунтов оснований сооружений в условиях действия динамических нагрудля оценки работоспособности системы сейсмоизоляции осуществляется пезок. Принятая в ряде стран методика оценки потенциала разжижения ос26 новывается на сопоставлении нагрузок, действующих на основание (CSR - 5. Разработана методика количественной оценки надежности сейсSYCLIC STRESS RATIO) и предельные силы сопротивления грунтового моизолирующего фундамента с учетом накопления повреждений при пооснования (CRR - CYCLIC RESISTANCE RATIO). Параметр CRR определя- вторных сейсмических воздействиях с использованием математического ется различными методами в полевых условиях (метод стандартной пенет- аппарата дискретных цепей Маркова.
рации, метод измерения скоростей волн сдвига и др.) 6. Используя вероятностный подход, выполнена оценка надежности Для оценки параметра CSR используются динамические стабило- расчетной модели сейсмоизолированного объекта в подземном сооружении.
метрические испытания (стандарт США ASTM D-3999). Исследования 7. Разработана методика по определению потенциала разжижения при участии автора проводились для ряда объектов на стенде производства несвязных водонасыщенных грунтов при динамических нагрузках с учефирмы Wykeham Farrance (Англия). В результате экспериментальных ис- том случайного характера параметров расчетного сейсмического воздейстследований, в частности, устанавливалась зависимость между параметра- вия и исходных данных. Полученные результаты могут быть использовами нагрузки и числом циклов, приводящих к лавинообразному росту по- ны при оценке надежности оснований, сложенных несвязными водонасырового давления в испытуемого образце, потере прочности и разрушению. щенными грунтами в условиях сейсмических воздействий.
Методика оценки параметра CSR адаптирована в соответствие с вероятно- 8. Выполнены экспериментальные исследования по оценке харакстным подходом с целью учета случайного характера расчетного сейсми- теристик демпфирующих элементов с сыпучим слоем при статическом и ческого воздействия и исходных характеристик основания. Полученные в динамическом воздействии.
результате испытаний данные должны учитываться при оценке надежно- 9. Результаты исследований в соответствии с представленными в сти оснований, сложенных несвязными водонасыщенными грунтами в диссертации справками о внедрении, приняты к использованию при проусловиях действия динамических (в том числе, сейсмических) нагрузок. ектировании сейсмостойких сооружений различного типа.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Основные положения диссертации изложены в следующих работах (в скобках указаны соавторы):
1. За последние 2 3 десятилетия в РФ и за рубежом предложены раз1. Альберт,И.У.Теоретические основы динамических методов понообразные конструкции сейсмоизолирующих фундаментов и других устверхностного уплотнения грунтов. [Текст] / Альберт И.У. // Л., изд. Энерройств сейсмзащиты сооружений как альтернатива традиционным методам гия, 1974. - С. обеспечения сейсмостойкости. На основании изучения имеющихся предло2. Альберт,И.У. Выбор расчетной модели грунтового массива в исжений автором разработана и представлена в первой главе диссертации класследованиях эффективности ударно-вибрационных уплотнителей. [Текст] / Альберт И.У.// Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, т.114, 1976. - C.109Ц112.
сификация большинства известных вариантов таких конструкций.
3. Альберт,И.У. Практический способ расчета напряженно-дефор2. Выполнена адаптация общей методологии оценки надежности миро-ванного состояния грунтового массива при ударном нагружении.
сложных природно-технических систем применительно к поставленным [Текст] / Альберт И.У. // Материалы IV Всесоюзной конференции Динамика целям диссертационной работы с учетом неопределенности исходной иноснований, фундаментов и подземных сооружений. Ташкент, 1977. - С.11Ц14.
формации относительно сейсмических воздействий и характеристик объек4. Альберт, И.У. Сравнительное исследование эффективности та. В качестве модели неопределенности принята случайность, что позволисредств сейсмозащиты зданий, опирающихся на высокий свайный ростло использовать математический аппарат теории вероятности. Разработана верк [Текст] / Альберт И.У., Сандович Т.А. // Известия ВНИИГ им.Б.Е.
Веденеева. т.131, 1979. - С.51 - 57.
схема стратегии исследований, основанная на синтезе различных научно5. Альберт, И.У. Экспериментальные исследования демпфера суприкладных дисциплин, теорий сейсмостойкости и теорий надежности.
хого трения [Текст] / Альберт И.У., Сандович Т.А. // Экспресс-инфор3. Разработана количественная оценка надежности системы лосномация ВНИИИС, серия Строительство, вып.6, 1981. - С.16 - 20.
вание - сейсмоизолирующий фундамент - сооружение, включающая 6. Альберт, И.У. Учет некоторых видов нелинейных характериоценку надежности каждого из элементов системы методами параметричестик в расчетах фундаментов и массивных сооружений с помощью метоской теории надежности и оценку надежности всей системы в целом в содов математического моделирования [Текст] / Альберт И.У. / В кн. Тезисы ответствие со структурно-логической теории надежности. докладов Всесоюзного научно-технич. совещания лМетоды исследований и расчетов сейсмостойкости гидротехнических и энергетических сооруже4. Разработаны методики количественной оценки надежности для ний / Изд. ВНИИГ им.Б.Е. Веденеева. Л.,1981. - C.161Ц162.
различных типов систем сейсмоизоляции и сейсмозащиты, в том числе:
7. Альберт, И.У. Решение некоторых нелинейных задач сейсмостойдля устройства сейсмоизоляции с нелинейными характеристиками;
кости гидросооружений с использованием АВМ [Текст] / Егоров А.Н., Альсистемы сейсмозащиты с динамическим гасителем колебаний;
берт И.У., Шульман С.Г. // Известия ВНИИГ им.Б.Е. Веденеева. т.148, 1982. - cистемы сейсмоизоляции с выключающимися связями.
С.100 - 105.
28 8. Альберт, И.У. (соавторы Савинов О.А., Сандович Т.А., Сахаро- 22. Альберт, И.У. Использование эффекта обратной засыпки для ва В.В., Уздин А.М.) А.с. № 1011789 Сейсмостойкий фундамент, кл. Е оптимизации параметров сейсмоизолирующих фундаментов [Текст] / Сави02 D 27/34, Б.И.№14, 15.04.1983. нов О.А., Аубакиров А.Т. //Материалы конференций и совещаний по гидро9. Альберт, И.У. О возможности использования упрощенных рас- технике: ДЭС-87. Повышение надежности энергетических сооружений при четных схем при выборе параметров систем сейсмоизоляции и сейсмоза- динамических воздействиях // ЛО Энергоатомиздат, 1989. - С.192 - 196.
щиты фундаментов [Текст] /Альберт И.У., Савинов О.А., Сандович Т.А. // 23. Альберт, И.У. Сейсмоизоляция реакторных отделений АЭС Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, т.166, 1983. - С.31Ц39. [Текст] / Савинов О.А., Уздин А.М. // Тезисы докладов к IX Европейской 10. Альберт, И.У. Нелинейные задачи динамики и сейсмостойкости конференции по сейсмостойкому строительству. 1990. - С. 62.
гидротехнических сооружений [Текст] / Егоров А.Н., Шульман С.Г. / Об- 24. Альберт, И.У. Некоторые особенности сейсмоизолирующего зорная информация Энергетика и электрификация. Cерия 2 Гидроэлек- кинематического фундамента Ю.Д.Черепинского [Текст] / Уздин А.М., тростанции. Вып.1, М., 1983. - 48 с. Сандович Т.А. // Научно-тех. реф. сб. ЦНИИС. серия 14. Сейсмостойкое 11. Альберт, И.У. Сейсмоизоляция зданий и сооружений. [Текст]. / строительство, вып.1, 1993. - С.32 - 36.
Савинов О.А., Альберт И.У. // Экспресс-информация: Строительство и ар- 25. Альберт, И.У. Сопоставительный анализ сейсмостойкости здахитектура. Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительст- ний с различными системами сейсмоизоляции. [Текст] / Белаш Т.А. // во. Вып. 4, 1983. - С.1 - 4. Сейсмостойкое строительство, вып. №4, 1995. - С.30 - 34.
12. Альберт, И.У. Основные принципы устройства сейсмоизоли- 26. Альберт, И.У. Математическое моделирование систем сейсмоирующих фундаментов сооружений [Текст] / Альберт И.У., Савинов О.А. // золяции зданий с поэтажным расположением демпфирующих элементов Тезисы докладов Всесоюзного совещания по сейсмостойкому строитель- [Текст] / Белаш Т.А., Мсаллам Маджед. // Тезисы докладов конференции ству. Нарва, 1984. С. 14. Средства математического моделирования, Санкт-Петербург, изд.
13. Альберт, И.У. (соавторы Савинов О.А., Равкин А.А., Лаврино- СПбГТУ, 1997. - С.62Ц63.
вич Е.В.) А.С. № 1129273 Способ уплотнения дорожно-строительных 27. Альберт, И.У. Эффективные энергопоглотители сухого трения в материалов, кл. Е 01 С 19/28 БИ №46 15.12.84. конструкциях гибких зданий и сооружений [Текст] / Белаш Т.А,, Мсаллам 14. Альберт, И.У. Моделирование колебаний сейсмоизолиролван- Маджед. // Сейсмостойкое строительство, вып. № 1,1998.ЦС.33 - 36.
ных фундаментов [Текст] / Альберт И.У. Савинов О.А.,Сахарова В.В., Уз- 28. Альберт, И.У. Эффективность сейсмозащиты здания на сейсдин А.М. // Тезисы VI Всесоюзной конференции ДОФ-85, Ленинград. моизолированном фундаменте при опирании поэтажно расположнных 1985. - С.434 - 435. энергопоглотителей сухого трения на невращающийся массив [Текст] / 15. Альберт, И.У. Лабораторная методика определения максималь- Белаш Т.А., Альберт И.У., Мсаллам М. // Сейсмостойкое строительство, ной плотности и виброуплотняемости зернистых материалов. [Текст] / вып. № 3, 1999. - С. 35 - 37.
авринович Е.Н., Карманов И.В. \\ Известия ВНИИГ им.Б.Е. Веденеева, 29. Альберт, И.У. Оценка эффективности сейсмоизолирующего т.189, 1985. - С.67Ц72. фундамента многоэтажного здания с гибким каркасом и системой поэтаж16. Альберт, И.У. Методика определения виброуплотняемости ного демпфирования. [Текст] / Сандович Т.А., Маджед М. // Известия связных грунтов. [Текст] / Савинов О.А., Равкин А.А., Степанов К.А. \\ ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, т.234, 1999. - С. 158 Ц163.
Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, т.197, 1986. - С.36Ц41. 30. Альберт, И.У. Оценка степени деградации жесткости межэтаж17. Альберт, И.У. Сейсмоащитные фундаменты реакторных отде- ных связей и ее влияние на параметры динамической реакции здания с лений АЭС. [Текст] / Альберт И.У., Савинов О.А., Кауфман Б.Д., Уздин динамическими гасителями колебаний [Текст] / Белаш Т.А., Богданова А.М. / Обзорная информация ЦНТИ, серия 3 Атомные электростанции. - Г.А. // В сб. докладов Международной научно-практической конференции:
Вып.13, 1988. - 62 с. Градостроительные проблемы на современном этапе. СПб, изд. Стройиз18. Альберт, И.У. О применимости искусственных акселерограмм дат, 2000. - С. 172 - 174.
для оценки эффективности сейсмоизолирующих фундаментов [Текст] / Ау- 31. Альберт, И.У. Опыт исследования фильтрационных и геомехабакиров А.Т. // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, т.212, 1989. С.109 - 114. ничесских свойств твердых бытовых отходов (антропогенных образова19. Альберт, И.У. Характеристики динамической уплотняемости ний). [Текст]/ Жиленков В.Н, Кветная И.А., Васильева З.Г.// Известия грунтов и их пользование при оценке эффективности вибрационных уплот- ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, т.239, 2001, - С. 251Ц259.
няющих машин // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, т.212, 1989. ЦС.47-52. 32. Альберт, И.У. Анализ влияния неоднородности основания на 20. Альберт, И.У. Экспериментальные установки для определения ди- параметры его динамической модели [Текст] / А.О. Докторова // Сейсмонамических прочностных и деформационных характеристик мелкозернистых стойкое строительство. Безопасность сооружений, вып. 2, 2001. С. 30 - 33.
грунтов в условиях сдвига и трехосного напряженного состояния. [Текст] / 33. Альберт, И.У. Об учете основания в нормах по расчету сооруАльберт И.У. //Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, т.235, 1998. - С.51Ц57. жений на сейсмические воздействия [Текст] / Докторова А.О., Клячко, М.
21. Альберт, И.У. Рекомендации по определению виброуплотняе- А., Петров, В.А., Уздин А.М. // Тезисы IV национальной конференции по мости связных грунтов. П42-89/ВНИИГ им.Б.Е Веденеева, 1989. (группа сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с междуавторов). 60 с. народным участием, 9-13 октября 2001, г.Сочи. - с.30 34. Альберт, И.У. Нестационарные колебания нелинейных систем со случайными характеристиками трения [Текст] / Р. Р. Лабазанов Р.Р., Белаш Т.А. // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева. т.267, 2002. - С. 100 - 106.
35. Альберт, И.У. Экспериментальная оценка параметров диаграмм сдвига демпферов сухого трения на основе металлических трущихся пар.
[Текст] / Белаш Т.А., Лабазанов Р.Р. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, вып. № 2, 2002. - С. 46 - 48.
36. Альберт, И.У. Вероятностная оценка надежности системы зданий и сооружений с нелинейными сейсмоизолирующими элементами [Текст] / Альберт И.У. // Тезисы докладов IV Российской национальной конференции по сейсмостойкому строительству и безопасности сооружений, г. Сочи, 19 - 24 сентября, 2005. - С. 14-15.
37. Альберт, И.У. Вероятностная оценка надежности системы "сейсмоизолированное сооружение - основание" при сейсмическои воздействии [Текст]. / Альберт И.У. // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, т.244, 2005. - С. 203-209.
38. Альберт, И.У. Вероятностная оценка надежности зданий, сооруже- ний и оборудования с системами сейсмоизоляции [Текст] / Альберт И.У.// В сб. докладов IV Российской национальной конференции "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения", Санкт-Петербург. изд. Санкт-Петербургского Государственного Политехнического университета, 2005. ЦС.33 - 38.
39. Альберт, И.У. Вероятностная оценка надежности сейсмоизолированного фундамента с демпферами сухого трения. [Текст] / Альберт И.У.// Вестник гражданских инженеров. №2(7), 2006. - С. 26-29.
40. Альберт, И.У. Вероятностная оценка надежности зданий и сооружений с нелинейными сейсмоизолирующими элементами // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, вып. 6, 2006. - С. 19-20.
41. Albert, I.U. Probabilisic reliability assessment of seismic isolation and seismic protaction systems / I. U. Albert //First European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Geneva, Switzerland. 2006, P. 409.
42. Альберт, И.У.Численная оценка вероятности отказа системы "сооружение - сейсмоизолирующий фундамент - основание" при сейсмических воздействиях.[Текст]/Альберт И.У. // Вестник гражданских инженеров. № 1(14), 2008. - С. 17 - 24.
43. Альберт, И.У. Методика количественной оценки надежности зданий и сооружений с системами сейсмозащиты. [Текст] // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева. Т.252, 2008. - С.104 - 110.
44. Альберт, И.У. Количественная оценка надежности сейсмоизоТипография ООО Наша Марка лирующего фундамента с изменяемыми характеристиками опорных эле195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21.
ментов. [Текст] / И.У.Альберт. // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, Объем 2,0 п.л. Тираж 100. Заказ 32.
т.260, 2010. - С. 39-44.
45. Альберт, И.У. Экспериментальные исследования вероятности разжижения несвязных водонасыщенных грунтов оснований при сейсмических воздействиях. [Текст] / Альберт И.У. // Сейсмостойкое строительство, Безопасность сооружений №6, 2010. - С. 46-48.
46. Альберт, И.У. Снижение отклика сооружения на сейсмическое воздействие с помощью маятниковых подшипников.[Текст] / Альберт И.У., Кассирова Н.А., Цирухин Н. А. // Известия ВНИИГ им.Б.Е. Веденеева. - т. 260, 2010. ЦС. 45-49.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям