Исследование напряженно-деформированного состояния подземных сооружений при динамических воздействиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.02, кандидат технических наук Сан Лин Тун

• Сан Лин Тун
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сан Лин Тун

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР' СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НА ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ.

1.1. Общие замечания.

1.2. Обзор современных нормативных документов по проектированию сейсмостойкости фундаментов зданий.

1.2.1. Сейсмические волны.

1.2.2. Гармонический анализ.

1.2.3. Задание исходной сейсмической информации и концепция спектров ответов.

1.2.4. Моделирование и метод расчета сооружений на сейсмостойкость.

1.2.5. Моделирование и анализ взаимодействия сооружений с основанием.

1.3. Обзор методов по оценке уровней вибраций вблизи метрополитенов и. железных дорог и современных нормативных документов.

1.3.1. Общие положения.

1.3.2. Основные методы оценки уровней вибраций сооружений вблизи метрополитенов и железнодорожных трасс.

1.3.3. Анализ существующих нормативных документов по оценке уровней вибраций.

1.4. Аналитический метод оценки колебания поверхности грунта с использованием теоремы взаимности.

ГЛАВА 2. МЕТОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ, ОСНОВАННЫЙ НА СВОЙСТВАХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ФУРЬЕ ФИНИТНЫХ ФУНКЦИЙ.

2.1. Введение.

2.2. Основные положения метода.

2.3. Конечный элемент балки на упругом основании.

2.4. Конечный^ элемент плоского упругого континуума.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование напряженно-деформированного состояния подземных сооружений при динамических воздействиях»

Задачи, связанные с оценкой и защитой от воздействий землетрясений на наземные и подземные сооружения, а так же оценка и защита сооружений от техногенных вибраций, создаваемых наземным и подземным транспортом, могут описываться аналогичными механико-математическими моделями, отличающимися только параметрами, поэтому в представляемой к защите работе рассматриваются одновременно две эти проблемы.

Существует большое количество сооружений, расположенных в сейсмоактивных районах, а так же зданий и сооружений, находящиеся в непосредственной близости от линий метро мелкого заложения и железнодорожных трасс, которые необходимо защищать от вибраций природного и техногенного происхождения.

С развитием многих городов увеличивается потребность в транспортной инфраструктуре. Поскольку свободное наземное пространство в городских условиях становится ограниченными, наиболее эффективным средствами в обеспечении инфраструктуры становятся подземные сооружения. Одновременно ведется интенсивное строительство зданий и сооружений вблизи линий метрополитенов и железнодорожных трасс. Колебания, возникающие при движении транспорта, передаются через грунт на фундаменты зданий, вызывая в некоторых случаях недопустимо высокие вибрации элементов конструкций и технологического оборудования и дискомфортные условия проживания.

Подземные сооружения являются неотъемлемой частью инфраструктуры современного общества и используются для широкого спектра применения. Сооружения, построенные в районах, с повышенной сейсмической активностью должны выдерживать и сейсмические нагрузки.

Анализ повреждений конструкций, вызванных землетрясениями и оценка уровней вибраций, возникающих при движении транспорта, которые передаются через грунт на фундаменты зданий, являются важной задачей современной науки.

Опыт показывает, подземные сооружения в меньшей мере разрушаются при землетрясениях, чем наземные. Тем не менее, следует отметить, что некоторые подземные сооружения были существенно повреждены при воздействии последних- крупных землетрясений: в 1995 году Кобе (в Японии); 1999 году Тайване (Chi-Chi, Taiwan); 1999 году в Турции (Kocaeli province, Turkey).

Воздействия землетрясений многогранны: землетрясения вызывают разрушения и гибель людей, пожары, цунами и оползни. Во все времена люди пытались предотвратить разрушения, вызванные землетрясениями, создавая в основном опытным путём сейсмостойкие сооружения. Для принятия правильных и обоснованных решений в этой области необходим достаточно высокий уровень развития науки и техники. Сильные землетрясения прошлого столетия оказали существенное влияние на развитие сейсмологии и сейсмостойкого строительства.

Перечислим некоторые катастрофические землетрясения, которые про изошли за последние 10 лет:

Год Землетрясение Общее число погибших магнитуда

2001 Gujarat earthquake, India 19 727 7,6

2003 Bam earthquake, Iran 26 271 5,7

2004 Indonesian earthquake 230 000+ 9,3

2005 Kashmir, Pakistan 79 000 7,6

2008 Sichuan earthquake, China 68 712(18392 missing) 7,9

2010 Haiti earthquake 230 000 7,0

2011, March 11 Japan (Töhoku region) -10 000 9,0

2011, March 24 Myanmar (Tarchilate) -150 6,8

В диссертации приводится краткая информация о текущем состоянии методов оценки воздействий землетрясений на подземные сооружения и методов оценки вибраций, создаваемых подземным и наземным транспортом на ближайшие здания и фундаменты. Описываются инженерные подходы, используемые для количественной оценки сейсмического воздействия на подземные сооружения.

В общем случае сейсмические нагрузки на подземные сооружения, характеризуются и определяются деформациями и напряжениями, возникающими при взаимодействии сооружения с окружающим массивом грунта.

Самый простой подход при оценке взаимодействия подземного сооружения и окружающего массива — это использовать параметры колебаний «свободного поля» при распространении сейсмических волн. В этом случае определяются деформации грунта во время землетрясении при отсутствии подземного сооружения, и подземное сооружение проектируется таким образом, чтобы выдержать эти деформации. Такой подход является удовлетворительным, при низких уровнях сейсмических воздействий или подземное пространство является жесткой средой (скальные грунты).

В общем случае необходимо учитывать более сложный характер взаимодействия сейсмических волн с подземными сооружениями, который учитывает и отражённые и рассеянные волны.

Актуальность проблемы. Сильные землетрясения, произошедшие, в последние годы, показали, что при землетрясениях разрушаются и подземные и наземные сооружения. Поэтому разработка методов оценки и защиты от сейсмических воздействий фундаментов наземных сооружений и подземных конструкций является актуальной проблемой в настоящее время.

Колебания, возникающие при движении транспорта, вызывают в некоторых случаях недопустимо высокие вибрации поверхности земли, сооружений и дискомфортные ощущения у жителей, проживающих в зданиях, расположенных трасс. С развитием инфраструктуры городов, воздействие вибраций техногенного характера представляет собой задачи, которые приходится решать неоднократно.

Вибрации передаются от источника колебаний на. здания через грунт, который редко бывает однородным. Поэтому разработка методов, позволяющих определять и оценить уровни вибраций поверхности грунтового массива и фундаментов зданий, с учётом неоднородного (слоистого) характер грунта и любые очертания контуров тоннельных обделок, является актуальной задачей.

Цель и задачи работы:

• выполнить анализ существующих методов оценки колебаний и определения напряжений и перемещений в подземных сооружениях и фундаментах наземных сооружений при землетрясениях;

• разработать методику оценки уровней вибрации фундаментов наземных сооружений, создаваемых поездами подземного транспорта;

• разработать методику для оценки уровней колебаний поверхности грунта при разработке породы в тоннелях щитовыми комплексами и при буровзрывных работах;

• разработать методику оценки напряженно-деформированного состояния подземных сооружений и фундаментов наземных сооружений при землетрясении.

В работе представлены результаты экспериментально-теоретических исследований, а так же примеры практического использования полученных результатов.

Научная новизна характеризуется следующими результатами: 1) предложен метод построения конечных элементов с использованием интегральных преобразований для балок с переменной изгибной жесткостью и с переменным коэффициентом постели;

2) разработаны методики оценки уровней вибраций, создаваемые различными источниками вибраций (поездами метро и поездами наземных железнодорожных трасс);

3) разработаны методики определения изменений напряжений и перемещений в тоннельной обделке и фундаментах наземных сооружений при распространении сейсмических волн;

4) решена задача оценки взрывных воздействий на напряжено-деформированного состояния существующих тоннелей при проведении буровзрывных работ вблизи этих тоннелей;

5) выполнено сравнение теоретических результатов взрывных воздействий на напряжено-деформированное состояние существующих тоннелей с экспериментальными данными;

6) разработаны конечные элементы для решения динамических задач теории упругости и ряд прикладных компьютерных программ с использованием этих элементов;

7) решена задача по оценке воздействия волн Рэлея на станции метро мелкого заложения.

Достоверность и обоснованность. При разработке моделей используются известные положения теории упругости и теории распространения волн. При разработке численных методов решения динамических задач используется интегральное преобразование Фурье финитных функций.

Для оценки достоверности полученных результатов решения, полученные с использованием, свойств преобразования Фурье финитных функций, сравниваются с известными аналитическими решениями (действии гармонических силы в бесконечном пространстве и бесконечном полупространстве).

Выполнено сравнение результатов, полученных по разработанной методики, с результатами, полученными с помощью известного программного комплекса КА8Т1Ш\Г.

Выполнено сравнение теоретических результатов оценки взрывных воздействий на напряжено-деформированного состояния существующих тоннелей с экспериментальными данными.

Обоснованность исследований гарантируется корректностью постановки задач, использованием апробированных методов теории колебаний, динамики сооружений и математического моделирования.

Достоверность исследований подтверждается хорошим совпадением результатов, полученных в данной работе, с теоретическими и экспериментальными данными других авторов и полученных с использованием других программных комплексов.

Для выполнения прикладных задач разработаны 8 основных программ и 243 подпрограммы в системе МаЙаЬ-а.

Практическая значимость и реализация работы. Полученные результаты можно использовать при оценке воздействия землетрясений на подземные сооружения и фундаменты наземных сооружений.

Другое важное приложение работы может найти при оценке уровней вибраций поверхности земли« и фундаментов, создаваемых различными источниками колебаний, которые возникают при строительстве и эксплуатации тоннелей.

Результаты работы предполагается использовать при проектировании и строительстве первой линии метро в городе «Нейпьидо».

Апробация работы. Основные научные результаты докладывались:

1. на юбилейной X научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», 2009 г, в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ);

2. на УП международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Trans-Mech-Art-Chem», 18-19 мая, 2010 г, в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ);

3. на IV международной научно-практической конференции «Модернизация регионов России: инвестиции в инновации», 15 октября, 2010 г, в Астраханском инженерно-строительном институте. Публикации: по материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

1. Сан Лин Тун. Использование интегральных преобразований для построения конечных элементов, «Trans-Mech-Art-Chem», - М.: МИИТ, ISBN 978-5-7876-0129-9,2010. - 424с.

2. Курбацкий E.H., Аунг Mo Хейн., Сан Лин Тун. Распространение волн в упругой среде от точечных источников, «Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». - №1/27(589) 2010. - С. 40-46.

3. Аунг Мо Хейн., Сан Лин Тун. Оценка колебаний поверхности грунта при щитовой проходке тоннелей, «Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». - №2/28(5—) 2010. - С. 30-35.

4. Курбацкий E.H., Купчикова Н.В., Сан Ли Тун. Методика расчёта свай с поверхностными и концевыми уширениями с кусочно-постоянными параметрами, основанная на свойствах изображений Фурье финитных функций на горизонтальное статическое и гармоническое воздействия, «Астраханский инженерно-строительный институт», 15 октября, 2010г. - С.3-9.

5. Курбацкий E.H., Сан Лин Тун. Метод построения конечных элементов теории упругости, основанный на свойствах изображений Фурье финитных функций, «Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство и реконструкция». - Февраля 2010 г.

Заключение диссертации по теме «Основания и фундаменты, подземные сооружения», Сан Лин Тун

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен метод решения динамических задач, основанный на свойствах изображений Фурье финитных функций для балок, свай и элементов упругой среды.

2. Разработан метод для построения конечных элементов с использованием интегральных преобразований.

3. Разработан программный комплекс, в котором используется разработанный автором произвольный четырехгранный конечный элемент теории упругости для решения статических и динамических задач.

4. Разработанный программный комплекс использован для прогноза уровней вибраций поверхности грунта при воздействии поездов метрополитена.

5. Контрольные результаты расчётов, полученные с использованием разработанной методики, хорошо согласуется с результатами, полученными с использованием пакета программ ЫАЗТКАК.

6. Выполнены расчёты для оценки напряженно-деформированного состояния существующего вентиляционного тоннеля при проведении буровзрывных работ вблизи тоннеля.

7. Выполнено сравнение теоретических результатов с результатами замеров взрывных воздействий на тоннельную обделку, которое показало хорошее соответствие теоретических и экспериментальных результатов.

8. Выполнены расчёта напряженно-деформированного состояния трехпро-летной станции метро мелкого заложения при воздействии землетрясений, с учётом распространения поверхностных волн Рэлея.

9. Разработана методика оценки техногенных воздействий на окружающую среду при щитовой проходке тоннелей.

10. Полученные результаты можно использовать для оценки динамических воздействий на окружающую среду при строительстве и эксплуатации транспортных сооружений, а также для оценки напряженно-деформированного состояния подземных сооружений и фундаментов наземных сооружений при землетрясениях и взрывных воздействиях.

Заключение

Анализ результатов расчётов показал, что напряжения и перемещения в сечениях тоннельной обделки, расположенных в гравелисто-песчаных грунтах с учётом дополнительных воздействий от землетрясения будут удовлетворять условиям прочности. В твёрдых и полутвердых глинах, некоторые элементы конструкции не будут удовлетворять условиям прочности, возможно образование трещин в бетоне.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сан Лин Тун, 2011 год

1. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, Second Edition (1998), SI Edition, American Association of State Highway and Transportation Officials. 1092 P

2. ACI 341.2R-97 Seismic Analysis and Design of Concrete Bridge Systems, American Concrete Institute, 2003. 25 p.

3. ASCE 4-98. Seismic Analysis of Safety-Related Nuclear Structures and Commentary, American Society of Civil Engineers, 1998. 118 p.

4. ASCE 4-98. Seismic Analysis of Safety-Related Nuclear Structures and Commentary, American Society of Civil Engineers, 1998. 118 p.

5. ASCE 7-98. Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers, 1998. 179 p.

6. BCJ. Structural provisions for building structures. 1997 edition—Tokyo: Building Center of Japan; 1997 in Japanese.

7. Biot M.A. Analytical and Experimental methods in Engineering Seismology // Trans., ASCE. 1943. Vol. 1098. p.365.

8. Biot M.A. Theory of Vibration of Buildings During Earthquake // Zeitschrift fur Angevandte Mathematic und Mechanic. 1934. Band 14, Heft 4.

9. Broch J.T. "Mechanical vibration and shock measurements", B&K, 1980.

10. CALTRANS. Seismic Design Criteria. Version 1.3, California, 2004. 108 p.

11. CAN/CSA-S6-00. Canadian Highway Bridge Design Code. CSA International 2000.-752 p.

12. Cherry, J.T., Jr.: The Azimuthal and Polar Radiation Patterns Obtainned from a Horrizontal Stress Applied at the Surface of an Elastic Half Space, Bull. Seismo-logical Soc. Am., vol. 52, pp. 27-36,1962.

13. Dean G. Duffy, Advanced Engineering Mathematics With Matlab, 2nd edition, 2009.

14. Dean G. Duffy, Advanced Engineering Mathematics, 1997.

15. EUROCODE 8: Design of structures for earthquake resistance. Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings. Draft No 6, Version for translation (Stage 49), 2003.-223 p.

16. EUROCODE 8: Design of structures for earthquake resistance. Part 2: Bridges. Draft No 3, Final Project Team Draft (Stage 34), 2003. -138 p.

17. EUROCODE 8: Design of structures for earthquake resistance. Part 5: Foundations, retaining structures and geotechnical aspects. Final Draft, 2003. 44 p.

18. Farzad Naeim, Zhongzhi Shi; The Seismic Design Handbook, Kluwer Academic Publishers, Springer, 2001.

19. Hardy G.H. Some formulae in the theory of Bessel function. Proc. London Math. Soc. 23 (1923), IX.

20. Howard B. Wilson, Louis H. Turcotte, David Halpern, Advanced mathematics and mechanics applications using Matlab, 2003.

21. Jerrold E. Marsden, Michael J. Hoffman, Basic Complex Analysis, 3rd edition, 1999.

22. Knopoff L. and Gangi A.F. Seismic Reciprocity, Geophysics, vol.24, pp. 681-691, 1959.

23. Love, A.E.H.: "A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity", 4th ed., Dover publications, Inc., New York, 1944.

24. Miller, G.F., and H. Pursey: The Field and Radiation Impedance of Mechanical Radiators on the Free Surfase of a Semi-infinite Isotropic Solid, Proc. Roy. Soc. London, Ser. A., vol.223, pp. 521-541,1954.

25. Newmark, N. M., Blume, J. A., and Kapur, K. K., "Seismic Design Criteria for Nuclear Power Plants," J. Power Div., ASCE, Vol. 99, No. P02,287-303,1973.

26. Paz M., Leigh W. Structural Dynamics : Theory and Computation / Kluwer Academic, 2000, p.624.

27. Randall R.B. "Frequency analysis", Application of B&K equipment, 1977.

28. Тарап К. Sen. Fundamentals Of Seismic Loading On Structures, 2009, 98 p

29. White, J.E.: Use of Reciprocity Theorem for Computation of Low-frequency Radiation Patterns, Geophysics, vol. 25, pp. 613-624,1960.

30. Амосов A.A., Синицын С.Б. Основы теории сейсмостойкости сооружений. Изд-во АСВ, 2001. 96 с.

31. Винер Н., Пэли Р. Преобразование Фурье в комплексной области, Наука, 1964.

32. Владимиров B.C., Обобщенные функции в математической физике,- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. -1979.-320 с.

33. ВСН-211-91 «Прогнозирование уровней вибраций в жилых домах, расположенных вблизи линий метрополитенов, и проектирование виброзащитных мероприятий». СССР, Минтранстрой, 1991.

34. Гельфанд И.М. и Шилов Г.Е., Обобщенные функции и действия над ними, вып. 1, м., физматгиз, 1958.

35. Гольденблат И.И., Николаенко Н.А. Расчет конструкций на действие сейсмических и импульсивных сил. М.: Госстройиздат, 1961, 320 с.

36. Дашевский М.А. Излучение упругих волн при движении пульсирующей нагрузки вдоль тоннеля кругового очертания, проложенного в грунте // Труды ин-та / ЦНИИСК им. Кучеренко. -Динамика сооружений.-М.: Стройиз-дат, 1968.-е. 123-132.

37. Дашевский М.А. Излучение упругих волн при движении пульсирующей нагрузки вдоль тоннеля, проложенного в фунте // Строительная механика и расчет сооружений. 1971. №5. - с. 10-13.

38. Дашевский М.А. Излучение упругих и упруго-вязких волн при движении произвольной пульсирующей нагрузки вдоль тоннеля кругового очертания, проложенного в грунте // Ш Всесоюзный съезд по прикладной механике АН СССР: Тезисы докладов. М., 1968. с.112.

39. Дашевский М.А. Колебания грунта вблизи тоннелей метро мелкого заложения // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений: Тезисы IV Всесоюз. конф. Ташкент, 1977. т.1. - с. 111— 114.

40. Зельдович Я.Б. Мышкис А.Д Элементы прикладной математики М.: Наука 1972 г. - 176 с.

41. Ильичев И.А., Монголов Ю.В., Шаевич В.М. Определение несущей способности набивных свай с учетом воздействий типа сейсмических // Сейсмостойкое строительство, Реф. Инф. М.: ЦИНИС, 1977, вып. 10.

42. Курбацкий E.H., Метод решения задач строительной механики и теории упругости, основанный на свойствах изображений Фурье финитных функций. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. МИИТ, Москва, 1995. 205 с.

43. Курбацкий E.H., Реализация дискретного преобразования Фурье при решении краевых задач теории упругости, Деп. в ВИНИТИ 13.04.87, № 3267-В87.

44. Курбацкий E.H., Использование теоремы взвимности для оценки уровней вибраций поверхности упругого полупространства от точечного источника, расположенного внутри полупространства, ВЕСТНИК МИИТа, 2004 г, вып.11.

45. Латхи Б.П. Система передачи информации. Пер. с англ. М., «Связь», 1971, 324 с.

46. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. Пер. с франц. М.: Мир, 1983. - T.I: 23-25 с.

47. МГСН 2.04-97. Допустимые уровни шума, вибрации и требования к звукоизоляции в жилых и общественных зданиях / ГУЛ «НИАД», 1997, с.40.

48. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник. В2.х кн. Кн. 1/ Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1978. -448 с.

49. СН-1304-75. Санитарные нормы допустимых вибраций в жилых домах. М.: Минздрав СССР, 1975, с.9.

50. СН-3044-84. Санитарные нормы вибраций рабочих мест. М.: Минздрав СССР, 1984, с.20.

51. СНиП 32-02-2003. Метрополитены / Госстрой России. М.: ФГУП ЦПП, 2004, с. 24.

52. СНиП П-7-81*. Строительство в сейсмических районах. Москва 1995. 129 с.

53. СП 23-105-2004. Оценка вибрации при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов метрополитена / Госстрой России. М.: ФГУП ЦПП 2004, с. 48.

54. Справочник по инженерной геологии. Под ред. Чуримова М.В. М.:Недра, 1981.- 325 с.

55. Соловьев Ю.И. Несущая способность предельного напряженного основания под ленточным фундаментом // Основания, фундаменты и механика грунтов, № 4,1979.

56. Ставницер Л.Р., Сейсмостойкость оснований и фундаментов / Монография -М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2010. 448 с.

57. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М: Наука, 1975. - с.576.

58. Хургин Я. И., Яковлев В.П. Финитные функции в физике и технике. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.-1971.-408 с.

59. Шестоперов Г.С. Сейсмостойкость мостов. -М.: Транспорт,1984. -143 с.

60. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/Nastran for Windows. М.: ДМК Пресс, 2003.-448 с.

61. Эткин М.Б., Азаркович А.Е., Взрывные работы в энергетическом и промышленном строительстве, 2004.