WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ДЮКИНА НАДЕЖДА СЕРГЕЕВНА ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАГЛУБЛЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ С ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ Специальность 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород – 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки РФ, Баженов В.Г.

доктор физико-математических наук, профессор Доктор физико-математических наук, Кибец А.И.

с.н.с.

Научный консультант:

Кандидат технических наук, с.н.с. Зефиров С.В.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Саргсян А.Е.

Доктор физико-математических наук, Ерофеев В.И.

профессор Ведущая организация ОАО «Нижегородская инжиниринговая компания «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ» (ОАО «НИАЭП»)

Защита состоится " 29 " декабря 2009 года в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.166.09 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950, Н.Новгород, проспект Гагарина, 23, корпус 6.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского Автореферат разослан " 28 " ноября 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.166.09 доктор физико-математических наук Игумнов Л.А.

2 Актуальность темы Проектирование и строительство зданий, сооружений и их инфраструктуры ведется с учетом степени угрозы сейсмического воздействия в данном регионе.

Проектирование осложнено тем, что в зависимости от спектра толчка, угла подхода сейсмических волн к поверхности, типа и жесткости сооружения, формы и глубины заложения фундамента, характеристик грунтового основания и других факторов, возможно возбуждение различных пространственных форм колебаний как конструкции в целом, так и ее отдельных элементов. Дополнительными трудностями при решении этой задачи являются плохо прогнозируемые эффекты резонансного усиления сейсмических колебаний поверхностных грунтов, связанных с возбуждением собственных колебаний пласта грунта вблизи поверхности. Кроме того, приведение в движение массивных конструкций приводит к включению поля тяготения Земли в качестве нового мощного источника разрушения, которое также требует своего учета.

Применение аналитических методов для описания подобных процессов ограничено рамками грубой идеализации, которая не позволяет в должной мере учесть особенности контактного взаимодействия сооружений с основанием и различных пластов грунта между собой. При решении подобных задач численными методами, большая длительность сейсмического воздействия, малые размеры сооружения, высокочастотный характер осцилляций в сейсмограмме приводят к необходимости выбора большой расчетной области и мелкой конечно-элементной сетки, вследствие чего вычислительные затраты становятся неприемлемо большими. Поэтому необходимым является создание и развитие численной методики решения задач взаимодействия сооружений и трубопроводов с грунтовым основанием, которая позволит не только адекватно описывать процессы сейсмического воздействия, но и существенно сократить вычислительные затраты.

Ввиду вышесказанного, проблема численного моделирования распространения сейсмических волн в грунтовом массиве и их воздействия на заглубленные в грунт строительные конструкции представляется весьма актуальной.

Цели диссертационной работы 1. Анализ основных закономерностей процессов распространения сейсмических волн в грунтовом массиве и взаимодействия строительных конструкций с прилегающим грунтом при сейсмических импульсных нагружениях. Развитие математических моделей, корректно описывающих данные процессы.

Определение параметров сейсмических волн сжатия и сдвига по заданной на поверхности акселерограмме.

2. Разработка на основе предложенных моделей алгоритмов и численных методик расчета поведения сооружений при сейсмических колебаниях с учетом нелинейных эффектов контактного взаимодействия с грунтовым основанием.

Программная реализация разработанной методики в рамках существующих в НИИ механики вычислительных комплексов «Динамика – 2», «Динамика – 3», проведение вычислительных экспериментов, верификация методики и программного обеспечения на основе имеющихся экспериментальных данных;

3. Численные исследования влияния на поведение сооружений при землетрясении основных параметров, таких как массивность, величина его заглубления в грунт, интенсивность сейсмического воздействия, трение контактного взаимодействия с грунтом, неоднородности грунтовой среды;

Научная новизна 1. Развиты модели, описывающие основные закономерности поведения массивных сооружений при сейсмических воздействиях с учетом силы тяжести, нелинейных эффектов контактного взаимодействия с многослойным грунтовым основанием.

Предложенная модель позволяет корректно поставить задачу о распространении в грунте сейсмической импульсной нагрузки, вид которой определяется по заданной на поверхности акселерограмме в предположении, что сейсмические волны распространяются по нормали к поверхности. Разработана методика решения обратной задачи определения импульсной нагрузки, прикладываемой к нижней граничной поверхности расчетной области, в соответствии с заданными на поверхности полупространства экспериментальными акселерограммами.

2. Разработана конечно-элементная методика, позволяющая проводить численное исследование сейсмических вибраций сооружений с учетом эффектов контактного взаимодействия с многослойным грунтовым основанием, которая существенно сокращает вычислительные затраты за счет применения специально разработанных мало отражающих волны граничных условий.

3. Решен ряд задач о взаимодействии сооружения и грунта, в том числе многослойного, при сейсмических воздействиях с учетом нелинейных эффектов на поверхности контакта с грунтовым основанием. Использование предлагаемой методики позволило провести вычисления со значительно меньшими (в сотни и тысячи раз) вычислительными затратами, позволяя при этом более подробно описать процессы взаимодействия сооружения с грунтом.

4. Проведены численные исследования взаимодействия сооружений с грунтом при сейсмических колебаниях в зависимости от геометрических и физических параметров: механических свойств грунта и здания, величины заглубления фундамента, коэффициента трения на контакте сооружения и грунта, интенсивности сейсмического воздействия, неоднородности грунтовой среды. На основании проведенных численных исследований сделаны рекомендации по выбору расчетных моделей.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается решением большого числа тестовых задач и хорошим согласованием результатов с расчетами по другим методикам.

Практическая ценность Созданы методики, алгоритмы, разработаны программные средства, реализующие разработанные модели поведения зданий и сооружений при сейсмических колебаниях и учитывающие нелинейные эффекты контактного одностороннего взаимодействия с многослойным грунтовым основанием. Разработанные методики реализованы на базе функционирующих в НИИ механики вычислительных комплексов «Динамика-2», «Динамика-3».

На основе модифицированных программных комплексов «Динамика-2», «Динамика-3» выполнен анализ поведения сооружений реакторных отделений, насосных станций, резервных дизельных электростанций, камер переключений АЭС «Бушер», Нововоронежской АЭС – 2, Калининской и Ростовской АЭС при сейсмических вибрациях (х/д 2402/4356, х/д 9409, х/д 8406/114-гп, х/д 8412/5220 по заказу ФГУП НИАЭП).

Результаты расчетов использовались на этапе проектирования для анализа сейсмопрочности примыкающих к сооружениям трубопроводов.

Диссертационная работа выполнена при поддержке Грантов РФФИ (05-01-00837, 05-01-08055, 05-08-33618-а, 07-08-13637-офи), гранта Президента РФ для поддержки научных исследований, проводимых ведущими научными школами РФ Ведущие научные школы России НШ 6391.2006.8, проект №4657 программы «Развитие научного потенциала высшей школы», Государственного контракта №02.445.11.7044 от 05.09.2005г. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», Государственного контракта №02516.11.от 25.06.2007г. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России» на 2007-2012 годы.

Защищаемые положения работы 1. Математическая модель, описывающая поведение зданий и сооружений при сейсмических колебаниях, учитывающая поле силы тяжести и эффекты контактного одностороннего взаимодействия сооружений с грунтовым основанием, позволяющая корректно поставить задачу о распространении в многослойном грунте сейсмической импульсной нагрузки, вид которой задан на поверхности;

2. Методики и алгоритмы численного исследования поведения сооружений при сейсмических воздействиях, созданные на основе разработанных моделей, сокращающие вычислительные затраты до приемлемого уровня за счет применения нового вида граничных условий, мало искажающих набегающие сейсмические волны;

3. Результаты численного исследования динамического взаимодействия сооружений с многослойным грунтовым основанием при сейсмических нагружениях в зависимости от физических и геометрических параметров.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (11-15 февраля 2005г., Ярополец), XI Нижегородская сессия молодых учёных «Математические науки» (22-25 мая 2006г., Красный Плес), IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике (22-августа 2006г., Нижний Новгород), Всероссийская научная конференция «Краевые задачи и математическое моделирование» (1-3 декабря 2006г., Новокузнецк), XII Нижегородская сессия молодых учёных «Математические науки» (23-26 мая 2007г., Красный Плес), Международная конференция «IX Харитоновские тематические научные чтения» (12-марта 2007г, Саров), V молодежная школа-конференция «Лобачевские чтения-2006» (ноября – 1 декабря 2006г, Казань), XII Нижегородская сессия молодых учёных «Технические науки» (26 февраля – 2 марта 2007г., Нижний Новгород), Всероссийская сессия Научного совета РАН «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики деформируемого твердого тела» (3-8 июля 2007г., Самара), VI молодежная школа-конференция «Лобачевские чтения – 2007» (16-19 декабря 2007г., Казань), XIII Нижегородская сессия молодых учёных «Технические науки» (2008г., Нижний Новгород).

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1 – 12].

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Диссертационная работа изложена на 131 страницах, содержит 75 рисунков и 9 таблиц. Список литературы состоит из 217 наименований.

Во введении Обосновывается актуальность численного моделирования процессов контактного взаимодействия сооружений с грунтовым основанием при сейсмических воздействиях и формулируются основные направления исследований.

В первой главе представлен обзор математических моделей сооружения и грунтового основания, методов моделирования процесса сейсмического нагружения, способов учета контактного взаимодействия сооружения с грунтом. Обосновывается актуальность и формулируются основные цели и задачи диссертационной работы.

Теоретическим исследованиям в области сейсмостойкого строительства и анализу различных расчетных моделей посвящены работы Ильичева В.А., Саргсяна А.Е., Бирбраера А.Н., Шульмана С.Г., Болотина В.В., Трифонова О.В., Айзенберга Я.М., Чухлатого М.С., Луговой Е.В., Абу-Лейла М.А., Титова Е.Ю., Солодовника Н.В., Колесникова А.О., Глазкова Д.А., Вильярреаля К.Х.А., и других авторов. Бирбраером А.Н.

и Шульманом С.Г. сделан обзор методов расчета строительных конструкций на динамические воздействия, отмечается что подобные расчеты связаны с необходимостью учета податливости основания. В работах Бирбраера А.Н., Шульмана С.Г., Чухлатого М.С. представлен обзор моделей грунтового основания, суть которых заключается в представлении основания в виде некоторой системы эквивалентных пружин и демпферов.

В ряде задач, таких как расчет сейсмопрочности примыкающих к сооружению подземных коммуникаций, требуется анализировать взаимные смещения стенок сооружения и прилегающего грунта, что приводит к необходимости моделирования грунтового основания сплошной средой. При исследованиях контактного взаимодействия сооружения с грунтом, проведенных в работах Lewis R.W., Tran D.V., Takemiya H., Чухлатого М.С., Абу-Лейла М.А., сделан вывод, что сооружение и основание необходимо рассматривать как единую систему, способную перераспределять напряжения, вызванные усилиями от деформации основания и надфундаментных конструкций.

Задача о взаимодействии сооружения с основанием при сейсмических нагружениях должна включать моделирование распространения сейсмических импульсов в грунтовой среде. Особенностям реакции геологической среды на динамические воздействия посвящены работы Бабешко В.А., Воровича И.И., Бабича В.М., НемировичаДанченко М.М., Айзенберга А.М.., Aki K., Bardet J.P., Lysmer J., Михайленко Б.Г., Петрашеня Г.И., Ратниковой Л.И., Гогелия Т.И., Данилова А.Г., Никифорова С.П. и многих других авторов. Влияние неоднородностей грунтовой среды на перераспределение энергии сейсмических волн рассмотрено в работах Бабешко В.А., Воровича И.И., Данилова А.Г. и Никифорова С.П.. В работах Ляхова Г.М., Немировича-Данченко М.М., Киселева Ф.Б., Вознесенского Е.А., рассмотрены вопросы выбора адекватной модели грунта, отмечается что во многих случаях возможно использование линейно-упругой модели.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»