Микровибродинамические процессы формирования сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

       Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ



Ж.Г. Могилюк, М.С. Хлыстунов

МИКРОВИБРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕРХПРОЕКТНЫХ
НАГРУЗОК НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Научный редактор М.С. Хлыстунов


2-е издание (электронное)







Москва 2017

УДК 624.042.7
ББК 38.1
     М 742
СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ

Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, профессор В. П. Никитский, генеральный директор МНТЦ ПНКО;
доктор технических наук В. Н. Воронков, генеральный директор ИЦ «ГЕОМИР»

Монография рекомендована к публикации научно-техническим советом МГСУ

Фото для обложки предоставлено Ж. Г. Могилюк


       Могилюк, Жанна Геннадиевна.

М 742

   Микровибродинамические процессы формирования сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции [Электронный ресурс] : монография / Ж. Г. Могилюк, М. С. Хлыстунов ; науч. ред. М. С. Хлыстунов ; Мин-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 143 с.). — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2017. — (Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ) — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10".

           ISBN 978-5-7264-1687-8

           Рассмотрены новые методы оценки влияния микровибродинамических многоцикловых нагрузок в системах типа «объект — основание» на формирование сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции. Представлены теоретические основы вибродозиметрического метода моделирования вибро-динамических и геодеформационных процессов, прикладной динамической теории упругости и метода точечных источников динамических нагрузок для построения типовых схем расчетного моделирования взаимодействия строительных конструкций и оснований.
           Для магистрантов, аспирантов, докторантов и научных работников, занимающихся проблемами теоретического и компьютерного моделирования полей микровибродинамических напряжений в основаниях строительных объектов, остаточных деформаций и микровибродинамических процессов формирования сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции.
УДК 624.042.7
ББК 38.1

       Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Мик-ровибродинамические процессы формирования сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции : монография / Ж. Г. Могилюк, М. С. Хлыстунов ; науч. ред. М. С. Хлыстунов ; Мин-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2013. — 141 с. — ISBN 978-5-7264-0724-1.


В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.


ISBN 978-5-7264-1687-8

                  © Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, 2013

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ ................................................5

Г л а в а 1. ПРОБЛЕМЫ АВАРИЙНОСТИ
И МОДЕЛИРОВАНИЯ СВЕРХПРОЕКТНЫХ НАГРУЗОК
НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ............................. 12
     1.1. Проблемы аварийности в строительном комплексе . 12
     1.2. Геологическая структура оснований и формирование сверхпроектных нагрузок ............. 21
     1.3. Теоретические основания для постановки
     и решения задачи оценки сверхпроектных нагрузок .... 23

Г л а в а 2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ
МИКРОВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕРХПРОЕКТНЫХ НАГРУЗОК ..........28
     2.1. Теория формирования остаточных деформаций
     в упругих средах со слабой пластичностью ...........28
     2.2. Теория модального анализа и моделирования
     микровибродинамических деформационных процессов ... 46
     2.3. Элементы теории точечных источников динамических деформаций и напряжений ...............54
     2.4. Анализ методов расчетного моделирования .......63
     2.5. Принципы и алгоритмы расчетного моделирования микродинамических напряжений
     в упругих средах ................................... 68

Г л а в а 3. РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕЙ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОСНОВАНИИ
МАШИННОГО ЗАЛА АЭС ......................................75
     3.1. Анализ текущего состояния строительной конструкции и основания станции ....................76
     3.2 Анализ особенностей района размещения станции .. 77
     3.3. Анализ данных мониторинга кренов и осадок
     на территории станции ..............................80


3

3.4. Постановка общей задачи моделирования остаточных деформаций в основании машинного зала

     станции ...........................................  83
     3.5. Расчетные схемы и алгоритмы моделирования ....83
     3.6. Моделирование остаточных деформаций ..........  86
     3.7. Зоны формирования сверхпроектных нагрузок ....87
     3.8. Выводы по результатам моделирования ..........  90

Г л а в а 4. РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕЙ ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОСНОВАНИИ
БОЛЬШЕПРОЛЕТНОГО ЗДАНИЯ ................................91
    4.1. Текущее состояние конструкций и основания здания .............................................91
     4.2. Анализ особенностей района размещения здания .92
     4.3. Исходные данные для расчетного моделирования .95
     4.4. Расчетные схемы и алгоритм моделирования ..... 101
     4.5. Зоны формирования сверхпроектных нагрузок .... 103
     4.6. Анализ результатов расчетного моделирования .. 110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................112

Библиографический список ............................... 116

ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................. 128

                ВВЕДЕНИЕ





   Исследование нагрузок и воздействий на здания и сооружения является одним из важных направлений исследований в области строительной механики. Значимость исследований в этой области непосредственно связана с постановкой задачи архитектурностроительного проектирования и, как следствие, с качеством проекта в плане устойчивости зданий и сооружений не только к нормируемым, но и к так называемым сверхпроектным нагрузкам и воздействиям [1, 2]. Особую актуальность исследование сверхпроектных нагрузок приобретает в случаях сверхпроектного износа строительных конструкций ответственных строительных объектов, включая АЭС, большепролетные и высотные здания и сооружения [1, 2, 3, 4].
   Наряду с этим в настоящее время в условиях интенсивного роста объемов и темпов строительства, ускоренного развития строительного комплекса в крупных городах и мегаполисах наблюдается процесс ужесточения ряда требований к вместительности и функциональности объектов строительства, к эффективности использования ограниченных резервов свободных земельных участков под застройку. Это, как правило, ведет к увеличению этажности строительства, повышению нагрузок на фундаментные конструкции и грунты основания, а также освоению территорий со сложными геолого-геофизическими условиями, то есть к освоению так называемых геологических «неудобий» [3, 4, 5, 6].
   В таких условиях сбор и идентификация действующих нагрузок становится одной из наиболее ответственных задач инженерного проектирования при построении расчетной модели как конструкции, так и системы «объект — основание» в целом [1, 2, 7].
   В зависимости от продолжительности действия в соответствии со СНиП 2.01.07-85* [8] нагрузки подразделяются на постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые).
   Согласно СНиП 2.01.07-85* [8] к особым нагрузкам относят в том числе воздействия неравномерных деформаций земной поверхности, а также состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций и зданий в целом или снижающие их

5

долговечность вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота), колебаний и трещин.
   Наряду с этим, согласно основным положениям монографии [9] при всем многообразии нагрузок и воздействий при проектировании решаются вопросы выбора их расчетных значений, моделирования в расчетах строительных конструкций, определения реакции сооружения на внешние воздействия и оценки взаимодействия конструкции с нагрузкой. Понятие «взаимодействие» указывает не только на то, что внешняя среда влияет на конструкцию, но и на то, что конструкция может влиять на окружающую среду.
   В.И. Феодосьев в [10] рассматривает различия между силовым и деформационным нагружением конструкции, в том числе два возможных способа создания в ней механических напряжений:
   1) приложением некоторой нагрузки, вызывающей напряжение;
   2) принудительным деформированием, создающим деформацию, которой соответствует такое же напряжение, как и в первом случае.
   Автор [10] показывает, что в первом случае увеличение напряжения в 1,5 раза приводит к разрушению материала, а во втором (увеличение деформации в 1,5 раза) — только к росту остаточных деформаций. Поскольку различие между двумя способами существенно, В.И. Феодосьев предлагает другое прочтение закона Гука: если в упругой системе большие силы приводят к малым деформациям, то ее малые деформации могут стать причиной возникновения больших усилий в системе.
   По этой причине особое внимание такого вида нагрузкам в виде перемещений узлов и опор плоских и пространственных стержневых систем уделено, например, в специальном курсе строительной механики [1].
   Учитывая корректность подобной интерпретации закона Гука и ее эффективное применение при расчетах плоских и пространственных стержневых систем, можно утверждать, что развитие в системе «объект — основание» не учтенных современными методами расчета неравномерных деформаций основания может приводить к возникновению в строительных конструкциях больших сверхпроектных усилий и/или моментов, требующих специальных исследований и оценок.

6

   В связи с этим в расчетную схему строительной конструкции должны быть внесены соответствующие изменения, учитывающие эти дополнительные деформационные воздействия, что невозможно осуществить без проектной оценки их пространственного распределения и, в первую очередь, по подошве фундаментов, как конструкций, наиболее подверженных деформациям природного и техногенного происхождения, включая неравномерные осадки вследствие действия микровибродинамической нагрузки.
   На основании вышеизложенного, а также на основе комплексного анализа других источников научной литературы в области строительной механики авторами монографии было выполнено исследование влияния малоизученных ранее микровибродинами-ческих многоцикловых нагрузок в системе «объект — основание» на процесс формирования деформационных воздействий на строительные конструкции зданий и сооружений, приводящих к возникновению в них требующих учета усилий и/или моментов. Результаты этих исследований и были положены в основу монографии.
   Анализ статистических данных последних лет показывает, что важными аспектами проблемы современных мегаполисов являются повышение локальной сейсмичности, негативные изменения температурно-влажностного режима, развитие карстовых и суффозионных процессов, многопричинный износ и исчерпание ресурсов несущей способности строительных материалов, конструкций и грунтов оснований [3, 11, 12, 13]. Наиболее критический характер имеют проблемы безопасности, связанные с развитием ранее малоизученных предаварийных процессов, которые отличаются трудно контролируемыми плавными отказами элементов строительной конструкции и системы «объект — основание» в целом.
   Главная проблема плавных отказов состоит в том, что характерной чертой их зарождения, развития и реализации современных аварийных ситуаций является скрытый процесс накопления и развития микродефектов, имеющих трудно прогнозируемый срок перехода в критическое состояние.
   Одним из таких малоизученных и аварийно опасных физикомеханических процессов стал процесс скрытого неравномерного

7

накопления остаточных деформаций упругих сред со слабым проявлением пластичности (в том числе оснований строительных объектов) под действием долговременных микровибродинамиче-ских нагрузок.
   В настоящее время проблема микровибродинамической прочности и устойчивости строительных объектов и систем типа «объект — основание» является весьма острой. Это связано главным образом с ростом интенсивности источников микровибро-динамических возмущений, в результате долговременного многоциклового воздействия которых формируются сверхпроектные деформационные статические нагрузки на строительные конструкции, здания и сооружения в целом. К такого рода источникам следует отнести транспортные магистрали (метрополитен, городская железная дорога, автодороги различного класса), технологическое оборудование, применяемое при строительстве (сваебойные копры, вибромолоты, буровые станки и др.) и промышленное оборудование, создающее динамическое воздействие на фундаменты строительных объектов (формовочные машины, компрессоры, пилорамы, дробилки, грохоты, турбоагрегаты и др.).
   Из вышеизложенного следует обоснованная необходимость разработки математических моделей для исследования параметров скрытого неравномерного накопления под действием долговременных микровибродинамических нагрузок на упругие среды со слабой пластичностью остаточных деформаций, создающих требующие учета усилия и/или моменты в системе «объект — основание».
   В связи с этим в данной работе приводятся методы построения расчетных моделей и алгоритмы для оценки интенсивности полей микровибродинамического взаимодействия строительных конструкций и оснований, являющихся одной из аварийно опасных причин скрытого и неравномерного накопления остаточных деформаций, в частности, в грунтах оснований строительных объектов при слабом проявлении пластичности, под действием долговременных микровибродинамических нагрузок.
   Наряду с этим дается описание разработанных авторами способов выявления на стадии проекта или обследования процессов, связанных с формированием плавных отказов в системе «объект — основание» в виде сверхпроектных осадок, и, как след

8

ствие, позволяющих продлить срок безопасной эксплуатации строительных объектов и обеспечивающих проведение инженерных мероприятий по повышению надежности и рентабельности эксплуатации зданий и сооружений.
   Для обеспечения универсальности и возможности применения изложенных методов и алгоритмов для решения задач аналогичных исследований и разработок в монографии представлены:
   •   материалы обзорно-аналитических исследований новых и широко используемых в области механики твердого тела и строительной механики методов решения аналогичных задач;
   •   принципы выбора и обоснования расчетных моделей и метода расчета;
   •   теория и принципы разработки обобщенных численных моделей микровибродинамического нагружения упругой среды со слабым проявлением пластичности;
   •   элементы теории и расчетные схемы моделирования полей распределения интенсивности микровибродинамических напряжений в основаниях при возбуждении волновых процессов в системе типа «объект - основание» для реальных строительных объектов и принципы сравнительного анализа полученных результатов моделирования и результатов проведенных обследовательских работ;
   •   методика расчетного моделирования распределения и неравномерного накопления сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в виде остаточных деформаций в основании, возникающих при возбуждении волновых процессов в системе «объект — основание», для различных типов конструкций фундаментов реальных строительных объектов и сравнение полученных результатов с результатами проведенных обследовательских работ;
   •   принципы разработки практических предложений по применению разработанных моделей и алгоритмов в инженерных расчетах конкретных строительных конструкций и объектов и определения границ и областей применения, возможных путей дальнейшего развития метода для решения аналогичных задач строительной механики и строительного проектирования.
   Были использованы следующие методы и результаты инициативных и бюджетных исследований авторов:

9

   •   материалы инструментальных и теоретических исследований, выполненных в 2000—2008 гг. Отраслевой научноисследовательской лабораторией крупногабаритных конструкций Роскосмоса и Научно-исследовательским институтом экспериментальной механики (НИИЭМ) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «МГСУ»;
   •   методы аналитической геометрии в части разработки алгоритмов трехмерной дискретизации моделей упругой среды оснований со слабым проявлением пластичности при микровиброди-намических нагрузках;
   •   прикладная динамическая теория упругости, метод точечных источников динамических нагрузок, модальный и вибродозимет-рический методы моделирования тонких нелинейных виброди-намических и геодеформационных процессов, разработанные на инициативной основе проф. М.С. Хлыстуновым, а также практические задачи их применения в рамках задания Минобразования РФ № 2.001.02Д и проектов Научно-инновационного сотрудничества Минобразования и Минатома России № 3.01-02 «Натурная верификация инструментальных методов аттестации параметров геодинамической безопасности АС»;
   •   методы объектно-ориентированного программирования для расчета параметров распределения интенсивности микровибро-динамического НДС в полупространстве упругих оснований со слабым проявлением пластичности.
   В книге также показаны результаты инициативных научных исследований и разработок авторов, представляющие собой принципиально новые научные подходы, малоизученные ранее закономерности и эффекты, методы и алгоритмы численного моделирования, в том числе опубликованные в научной литературе:
   •   пакет алгоритмов, разработанный на основе новых теоретических представлений и выявленных авторами закономерностей, для расчета распределения интенсивности полей микровиброди-намических напряжений и деформаций продольного, сдвигового и рэлеевского модального состава в системах «объект — основание» для типовых схем и конфигураций площадки нагружения, на базе которого разработан, программно реализован и зарегистрирован в Роспатенте пакет программ для ЭВМ;

10

   •   численные модели на базе теории точечного источника для расчета параметров накопления остаточных деформаций под действием долговременных микровибродинамических нагрузок, позволяющие на этапе проектного моделирования своевременно выявить и дать корректную оценку возможных предаварийных и аварийных процессов, связанных с формированием сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в системе «объект — основание». Предложенный авторами способ формирования входных данных является универсальным и дает возможность использовать разработанные модели в сочетании с различными методами расчета конструкций;
   •   принципы и методы выявления на численных моделях реальных строительных объектов зон реализации аварийно опасных сверхпроектных деформационных нагрузок на конструкции;
   •   методика и примеры применения вибродозиметрического метода для моделирования и расчетной оценки сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в виде остаточных деформационных проявлений микровибродинамиче-ских процессов в основаниях со слабым проявлением пластичности;
   •   типовые схемы расчетного моделирования взаимодействия строительных конструкций и оснований методом комплексиро-вания элементарных источников микровибродинамических нагрузок, позволяющие формировать при моделировании адекватные реальным поля распределения интенсивности волновых напряжений и деформаций в основании, соответствующие излучению простых и сложных конструкций виброактивных фундаментов.
   Монография содержит новый материал, который может быть непосредственно использован при разработке инженерных информационных технологий оценки сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции методом компьютерного моделирования полей распределения микровибродина-мических напряжений и деформаций в полупространстве упругих оснований со слабым проявлением пластичности и позволяют на стадии проектирования или обследования принять меры повышения надежности, рентабельности и продления сроков безопасной эксплуатации зданий и сооружений.

11

Г л а в а 1





                ПРОБЛЕМЫ АВАРИЙНОСТИ
                И МОДЕЛИРОВАНИЯ СВЕРХПРОЕКТНЫХ НАГРУЗОК НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ




            1.1. Проблемы аварийности в строительном комплексе


  Резкое обострение проблемы обеспечения безопасности строительных объектов промышленного и гражданского строительства в последние десятилетия произошло по четырем основным причинам.
  1.   Резко выросла интенсивность стихийных бедствий и природных катастроф, явившихся причиной неожиданного роста мощности аварийно опасных для строительных объектов экзогенных и эндогенных процессов [3, 4, 5, 11].
  2.   Интенсивный рост мощности современной техносферы привел к необратимым нарушениям природных экосистем, геоэкологических, климатических и метеорологических процессов, и сохраняется тенденция к их усилению [5, 6].
  3.   Имеет место существенная деградация остаточного ресурса надежности зданий, сооружений и инженерных коммуникаций промышленности и коммунального хозяйства, которая существенно ускорилась в последние годы [14, 15, 16, 17].
  4.   Характерной чертой зарождения, развития и реализации современных аварийных и чрезвычайных ситуаций является рост доли аварий и ситуаций, связанных с плавными отказами, то есть со скрытыми процессами развития сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции и накопления микродефектов [18, 19].
  Несмотря на эстетичный внешний вид зданий, неполный учет тонких нелинейных процессов, не установленных на этапах изысканий, проектирования, строительства, приемки и эксплуатации, в конечном счете приводит к росту сверхпроектных нагрузок, а в ряде случаев к авариям даже на новостройках [5, 6, 20].
  По результатам проведенного в России и за рубежом статистического анализа результатов обследований [20] к числу основных причин сверхпроектного износа зданий и различного ро

12