Державний комітет будівництва, архітектури та житлової політики України

ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ

(НДІБК)

МАЦЕНКО Андрій Михайлович

УДК. 624.012:699.841

ВЗАЄМОДІЯ БУДІВЕЛЬ І СПОРУД З ГРУНТОВОЮ ОСНОВОЮ ПРИ ДИНАМІЧНИХ ТА СЕЙСМІЧНИХ ВПЛИВАХ

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій (НДІБК) Державного комітету будівництва, архітектури та житлової політики України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Немчинов Юрій Іванович,

Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій (НДІБК), заступник директора інституту з наукової роботи, м. Київ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Кулябко Володимир Васильович,

Придніпровська Державна академія будівництва та архітектури (ПДАБтаА), доцент кафедри металевих, дерев'яних та пластмасових конструкцій, м. Дніпропетровськ;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Мельник-Мельников Петро Георгійович,

Науково-Технологічний Центр в Україні, м. Київ.

Провідна установа Кримська академія природоохоронного та курортного будівництва (КАПКБ), м. Сімферополь.

Захист відбудеться " 5 " _вересня_2001 р. о _ 14 _годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради К 26.833.01 в Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій за адресою: 03680, Київ-37, вул. І. Клименка 5/2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій за адресою: 03680, Київ-37, вул. І. Клименка 5/2.

Автореферат розіслано "_23_" _червня_2001 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., с.н.с. Слюсаренко Ю.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Взаємодія фундаментів з ґрунтовою основою значно змінює реакцію будівель і споруд при динамічних та сейсмічних впливах. Тому при виконанні розрахунків на сейсмостійкість необхідно враховувати спільні коливання системи "споруда-фундамент-ґрунтова основа" (СФО). Динамічна взаємодія споруди з ґрунтовою основою (ВСО) у даній дисертаційній роботі розглядається як процес урахування динамічних характеристик ґрунту, що визначаються за вимогами існуючих норм, і на їхній основі побудова динамічних моделей споруд для розрахунків параметрів власних коливань та визначення сейсмічних навантажень.

В даний час у СНіП немає чітких рекомендацій для проектувальників про те, у яких випадках необхідно враховувати взаємодію споруди з ґрунтовою основою при визначенні динамічних характеристик будівель та сейсмічних навантажень на них, а коли нею можна знехтувати. Споруди сучасних атомних електростанцій (АЕС) є масивними і жорсткими конструкціями. При зведенні таких споруд на ґрунтах середньої щільності ефекти динамічної взаємодії з основою більш важливі для оцінки їхньої сейсмічної реакції аніж деформативність несучих конструкцій верхньої будови.

Актуальність теми. Більшість інженерних розрахунків споруд на сейсмічні впливи проводяться без урахування динамічної взаємодії фундаментів з ґрунтовою основою, що можна вважати припустимим для легких споруд на жорстких ґрунтах. Оскільки промспоруди АЕС є конструктивно складними системами з жорсткою верхньою будовою і масивним фундаментом, то для урахування ВСО при розрахунках їх сейсмостійкості доцільно розробити динамічну модель, придатну для аналізу динамічних характеристик системи "споруда-фундамент-ґрунт" і оцінки зміни сейсмічних навантажень на споруди.

Розрахунки динамічних характеристик споруд сумісно з ґрунтом на основі чисельних методів є наближеними. Застосування чисельних методів також пов'язано зі значними витратами машинного часу. Актуальною задачею є розробка методики з використанням аналітичних виразів для визначення форм і частот власних коливань системи. Рішення на основі аналітичних методів дозволяє забезпечити наочність представлення результатів і прийнятність їх одержання інженерним методом.

Зміна динамічних характеристик споруд внаслідок урахування ВСО є причиною зміни сейсмічних навантажень при розрахунках за діючими нормами, для уточнення яких раціонально використовувати регіональні коефіцієнти динамічності. Розробка пропозицій щодо визначення спектральних коефіцієнтів динамічності в залежності від періодів власних коливань споруд, а також конкретних ґрунтових умов проммайданчиків АЕС України є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалася в складі завдань: ген/дог. № 719 (Номер державної реєстрації Р.К. №0195U011000) "Науково-експертний супровід методів стабілізації стану будівельних конструкцій об'єкта "Укриття" Чорнобильської АЕС" у 1994-1996 р. і дог. № 309 (Р.К. № 0197U019372) "Дослідження конструкцій будівлі реакторного відділення (РВ) третього енергоблоку"; дог. № 302 (Р.К. № 0197U016174) " Дослідження будівельних конструкцій сховища рідких і твердих відходів (ХЖТО) ПО ЧАЕС і підготовка звіту про можливість їх подальшої експлуатації"; ген/дог. № 72 (Р.К. № 0196U012991) "Науково-технічний супровід експлуатації об'єктів ЧАЕС" у рамках "Комплексної науково-технічної програми "ПО "Чорнобильська АЕС" по виконанню робіт у 1997-1999 р. Автор безпосередньо брав участь у виконанні зазначених науково-дослідних робіт як співвиконавець.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в удосконаленні методики визначення параметрів власних коливань і сейсмічних навантажень на будівлі і споруди з урахуванням динамічної взаємодії системи "споруда-фундамент-основа". Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- розробити динамічну модель, придатну для аналізу динамічних характеристик системи "споруда-ґрунт" і оцінки зміни сейсмічних навантажень на промспоруди АЕС;

- одержати аналітичні залежності для визначення динамічних характеристик системи "споруда-фундамент-основа" і розробити рекомендації щодо їх практичного використання;

- провести експериментальні дослідження власних коливань будівель і споруд різних конструктивних систем;

- оцінити зміну динамічних характеристик (періодів і форм власних коливань) і сейсмічних навантажень на споруди з урахуванням ВСО;

- розробити пропозиції з диференційованого підходу щодо визначення сейсмічних навантажень на споруди АЕС України з використанням регіональних спектральних коефіцієнтів динамічності.

Об'єкт досліджень – промислові споруди атомної енергетики і громадські будівлі – пам'ятки архітектури України.

Предмет досліджень – динамічні характеристики будівель та споруд і їх зміна при урахуванні динамічної взаємодії фундаментів з ґрунтовою основою.

Методи досліджень – експериментально-теоретичні дослідження коливань будівель та споруд; багатоканальні виміри коливань споруд при мікросейсмічних впливах і розрахунок параметрів власних коливань системи "споруда-фундамент-основа" на основі аналітичного рішення за методом початкових параметрів (МПП).

Наукову новизну одержаних результатів роботи складають:

- методика аналітичного рішення задачі про власні вигинально-зсувні коливання споруд сумісно з основою; удосконалено відомий метод розрахунку через урахування маси фундаментів споруди та обґрунтовано її вплив на динамічні характеристики системи, що розглядається;

- експериментальні дані про параметри коливань споруд АЕС і громадських будівель – пам'яток архітектури. Вперше отримано дані про динамічні характеристики промспоруд Чорнобильської АЕС - РВ енергоблоку № 3, блоку "В", будівлі сховища відпрацьованого ядерного палива (ХОЯТ), споруди ХЖТО та унікальних будівель - пам'яток архітектури України (Одеського академічного театру опери і балету ім. А.В. Луначарського і будівлі головного корпусу Центрального телеграфу в м. Києві);

- результати теоретичних досліджень впливу ґрунтової основи і маси фундаментів на періоди та форми власних коливань досліджуваних споруд;

- уточнені дані про сейсмічні навантаження, які визначалися з використанням графіків регіональних коефіцієнтів динамічності, що характеризують ґрунтові умови майданчиків АЕС України (Запорізької, Рівненської, Хмельницької, Чорнобильської та Південно-Української); розроблено пропозиції щодо визначення спектральних коефіцієнтів динамічності в залежності від категорії ґрунтів за сейсмічними властивостями.

Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень, які отримані в дисертаційній роботі, ввійшли:

- до другої редакції нормативного документа "Забезпечення сейсмостійкості атомних станцій. Норми та рекомендації", який знаходиться в даний час на розгляді в Державному Комітеті Ядерного Регулювання України;

- до першої редакції проекту Міжреспубліканських Будівельних Норм СНД "Будівництво в сейсмічних районах. Норми проектування", розділ 7 - "Забезпечення сейсмостійкості АЕС. Норми проектування".

Реалізація запропонованої методики здійснювалася при розрахунках на сейсмостійкість, оцінці сейсмічних навантажень та експлуатаційної придатності споруд ЧАЕС: РВ третього енергоблоку, сховища ХЖТО, будівлі ХОЯТ, а також громадських будівель - Одеського академічного театру опери і балету і будівлі головного корпуса Київського Центрального телеграфу по вул. Володимирській, 12.

Розроблені інженерні методики і програми використовуються в лабораторії динамічних випробувань будівельних конструкцій (ДВБК) НДІБК при виконанні держбюджетних науково-дослідних і госпдоговірних робіт з поточних тем.

Особистий внесок здобувача полягає в участі при проведенні експериментальних досліджень споруд третього енергоблоку (разом з М.Г. Мар'єнковим, В.Г. Поклонським і В.А. Дуніним) і ХЖТО Чорнобильської АЕС, а також громадських будівель Одеського театру опери і балету і Київського Центрального Телеграфу (разом з М.Г. Мар'єнковим і М.Д. Семенцовим); обробці та спектральному аналізі вібросигналів, зареєстрованих при коливаннях досліджуваних споруд. Удосконалено інженерну методику розрахунку періодів і форм власних коливань будівель і споруд з урахуванням взаємодії фундаментів з ґрунтом. Розроблено рекомендації щодо оцінки впливу жорсткості ґрунтової основи і співвідношення мас споруди і його фундаменту на динамічні характеристики споруди і сейсмічні навантаження.

Побудовано і запропоновано графіки регіональних коефіцієнтів динамічності з урахуванням ґрунтових умов проммайданчиків АЕС України.

Апробація результатів дисертації. Основні положення виконаних досліджень доповідалися на:

- 59-й і 60-й наукових конференціях КНУБА при кафедрі основ та фундаментів 15-16 квітня 1998 р. і 21-22 квітня 1999 р.;

- Щорічній конференції Міжнародного Чорнобильського центру "Міжнародне співробітництво – Чорнобилю" 13-16 жовтня 1998 р., Славутич, Україна;

- Четвертій Міжнародній науково-практичній конференції "Будівництво в сейсмічних районах України" 18-21 травня 1999 р., Алушта (Автономна республіка Крим), Україна;

- Другій всеукраїнській науково-технічній конференції "Аварії на будівлях і спорудах і їх попередження" 8-9 грудня 1999 р., Київ, НДІБК;

- Четвертій Міжнародній науково-технічній конференції "Механіка ґрунтів і фундаментобудування" 14-16 листопада 2000 р., Київ, НДІБК.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 7 друкованих праць, з яких 6 у наукових фахових виданнях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, переліку умовних позначень, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 155 найменувань на 16 сторінках та додатку. Загальний обсяг дисертації складає 187 сторінок, у тому числі тексту основної частини 112 сторінок, 68 рисунків, 20 таблиць та одного додатку на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено її важливість та направленість. Наведено загальну характеристику роботи, сформульовано мету та задачі досліджень.

У першому розділі наведено огляд робіт вітчизняних і зарубіжних авторів щодо експериментальних досліджень коливань споруд при динамічних і сейсмічних впливах. Сформульовано основні теоретичні моделі рішення задач будівельної механіки з урахуванням динамічної взаємодії системи СФО.

Дослідженням взаємодії споруд з ґрунтовою основою при динамічних і сейсмічних впливах присвятили свої праці такі вчені, як Абдурашидов К.С., Айзенберг Я.М., Амбріашвілі Ю.К., Ашимбаєв М.У., Баранов В.А., Баркан Д.Д., Жунусов Т.Ж., Ільїчов В.О., Карапетян Б.К., Кириллов О.П., Ломбардо В.М., Лятхер В.М., Мусаелян А.А., Назаров А.Г., Назаров Ю.П., Ніколаєнко М.О., Павлик В.С., Поляков С.В., Рассказовський В.Т., Савинов О.О., Тихомиров В.Д., Тяпін О.Г., Уздін О.М., Хачіян Е.Є., Шапіро Г.А., Шехтер О.Я., Arnold R.N., Bycroft G.N., Chopra A.K., Costantino C.J., Finn W.D., Hadjian A.H., Housner G.W., Kuhlemeyer R.L., Lysmer J., Murakami M., Parmalee R.A., Sato Y., Tajimi H., Warburton G.B., Wilson E.L. та ін.

Проаналізовано роботи українських вчених, які присвячені питанням сейсмодинаміки будівельних конструкцій і ґрунтових основ, а саме Баженова В.А., Голиби О.М., Городецького О.С., Гудкова Б.П., Демчини Б.Г., Дехтяря О.С., Дехтярюка Є.С., Друкованого М.Ф., Єгупова В.К., Єгупова К.В., Кваши В.Г., Клімова Ю.А., Колякова М.Й., Кранцфельда Я.М., Крітова В.О., Кукунаєва В.С., Кулябка В.В., Лантух-Лященка А.І., Лінченка Ю.П., Мельник-Мельникова П.Г., Островерха Б.М., Панюкова Е.Ф., Піскунова В.Г., Плахтієнка М.П., Полякова Г.П., Рассказова О.О., Рижова А.М., Седіна В.Л., Сеймова В.М., Трофимчука О.М., Черного Г.І., Швеця В.Б., Шимановського О.В., Шокарева В.С. та ін.

Під керівництвом Ю.І. Немчинова його учнями Андруховим В.М., Жарко Л.О., Камбаровим Д.С., Козирем О.О., Мар'єнковим М.Г., Поклонським В.Г., Сотулою П.І., Фроловим О.В. виконано комплекс досліджень впливу динамічних і сейсмічних навантажень на конструкції будівель.

Викладено основні нормативні вимоги щодо розрахунку конструкцій на сейсмічні і динамічні впливи, особливості урахування ВСО і рекомендації нормативних документів різних країн. Описано методи уточнення сейсмічних навантажень на будівлі та споруди, для використання яких було проаналізовано роботи вчених-геофізиков та геодинаміков – Г.М. Бугаєвського, О.В. Кендзери, В.Д. Омельченка, Б.Г. Пустовитенко, О.М. Сафронова, А.М. Скляра, В.І. Старостенка, О.М. Харитонова та ін.

У другому розділі наведено дані експериментальних досліджень коливань шістьох об'єктів різних конструктивних систем разом із ґрунтовою основою. Викладено методи обробки і представлення віброметричної і сейсмологічної інформації.

Мета експериментальних досліджень – отримання дослідних параметрів власних і вимушених коливань обстежуваних будівель та споруд і їхніх основ, визначення динамічних характеристик досліджуваних систем. Ці дані є основою для розробки динамічних розрахункових схем споруд, що враховують спільну роботу верхньої будівлі з основою, і використовуються для зіставлення з результатами, що отримано на основі теоретичних досліджень.

При проведенні натурних досліджень:

а) визначено форми, періоди і амплітуди власних горизонтальних і вертикальних коливань досліджуваних споруд;

б) проаналізовано частоти та амплітуди вимушених горизонтальних і вертикальних коливань будівель та споруд, обмірюваних при вітрових навантаженнях і при мікросейсмічних коливаннях ґрунту;

в) зроблено порівняльну оцінку горизонтальних і вертикальних коливань ґрунту і несучих конструкцій споруд.

У порівнянні з іншими методами збудження коливань, такими як сейсмовибухові впливи або резонансний метод з використанням потужних вібромашин, записи мікросейсм є найбільш простим методом і не вимагають додаткових пристосувань для створення коливань досліджуваної конструкції.

Для записів коливань застосовувалася апаратура, що розроблена в Інституті фізики Землі АН РФ для дистанційної реєстрації в часі переміщень і швидкостей коливань у різних точках досліджуваної споруди. Для одночасного виміру в багатьох точках із записом на фотопапір одним осцилографом використовувався метод МІКС (багатоканальні дослідження коливань споруд).

Виміри коливань експериментальних об'єктів провадилися сейсмоприймачами маятникового типу СМ-3 з реєстрацією на осцилограф Н-044.3. Датчик СМ-3 призначений для запису горизонтальних і вертикальних складових коливань з амплітудами 0,0001...5 мм в інтервалі періодів 0,01...2 с (частоти 100...0,5 Гц). При проведенні вимірів мікросейсмічних коливань ґрунту і будівлі використовувалися одночасно 4 сейсмоприймача СМ-3, шунтова коробка ШК-2, випрямляч і один осцилограф Н-044.3.

У результаті проведення натурних експериментальних досліджень отримано осцилограми, що реєструють коливання будівель і їхніх основ за різними схемами розміщення сейсмоприймачів. За цими записами визначено динамічні характеристики досліджуваних споруд. Для експериментальних досліджень обрані об'єкти Чорнобильської АЕС: будівля РВ третього енергоблоку, блок "В", будівля ХОЯТ і споруда ХЖТО (рис. 1), а також дві громадські будівлі – Одеський академічний театр опери і балету та головний корпус Київського Центрального Телеграфу. Наведено характеристики експериментальних об'єктів і ґрунтові умови їхніх основ. Систематизовано основні результати віброметричних обстежень для кожного дослідного об'єкта (табл. 1).

Третій розділ присвячено теоретичним дослідженням взаємодії споруд з ґрунтовою основою. Наведено розрахункові динамічні моделі досліджуваних споруд, що дозволяють оцінити спільну роботу верхньої будівлі, фундаменту і ґрунту. На підставі аналітичного рішення за МПП розроблено методику визначення періодів і форм власних коливань будівель та споруд сумісно з ґрунтовою основою. Розроблено методику урахування маси фундаменту споруди при розрахунках параметрів власних коливань споруд.

Представлено результати теоретичних досліджень впливу ВСО на динамічні характеристики досліджуваних споруд.

На рис. 2 представлено динамічну розрахункову схему споруди у вигляді консольного стержня з рівномірно розподіленою масою m(x) по висоті і зосередженій масі фундаменту mф в основі. Жорсткість будівлі при власних коливаннях визначається деформаціями вигину EI і зсуву GF, а жорсткість ґрунтової основи моделюється коефіцієнтами пружного рівномірного зсуву Ky і пружного нерівномірного стиску Kj. Така динамічна модель будівлі може використовуватися для визначення періодів і форм власних поступальних коливань, необхідних для розрахунків горизонтального сейсмічного та вітрового навантажень.

Для побудови частотних рівнянь коливань пружних стержнів застосовується метод початкових параметрів у матричній формі.

Диференціальне рівняння власних поперечних коливань розглянутої динамічної системи представимо у вигляді:

(1)

тут m(x) – рівномірно розподілена по висоті маса споруди, кНЧс2¤м2; E – модуль пружності матеріалу конструкцій будівлі, МПа; I – момент інерції площі поперечного перерізу несучих конструкцій будівлі, м4; k1 – коефіцієнт, що враховує залежність деформацій конструкції при зсуві від форми і розмірів її поперечного перерізу; G – модуль зсуву матеріалу конструкцій будівлі, МПа; F – площа поперечного перерізу несучих конструкцій будівлі, м2; gпр - коефіцієнт, що враховує підвищену деформативність стін будівлі внаслідок наявності в них прорізів.

Для розглянутої динамічної системи складена асоційована матриця з мінорів другого порядку, яка має вигляд:

(2)

де i, j=1, 2…,6; i–номер рядка зверху донизу; j - номер стовпця зліва праворуч.

Перетин і-го рядку й j-го стовпця цієї матриці дає частотне рівняння для однієї ділянки з рівномірно розподіленою масою і жорсткістю по довжині стержня з відповідними граничними умовами обпирання його кінців. Функції, що входять у співвідношення матриці (2), є узагальненнями відомих функцій О.М. Крилова і В. Прагера - К. Гогенемзера для випадку, коли разом з вигином враховуються зсувні деформації при коливаннях, вперше запропоновані Ю.І. Немчиновим.

Для урахування пружної основи і маси фундаменту отримано відповідні перехідні й асоційовані матриці, на основі яких складена асоційована матриця зосередженої маси з пружної, щодо кутових і лінійних переміщень, опорою .

Для одержання частотного рівняння системи СФО, представленої на рис. 2, необхідно перемножити матриці в такому порядку . У результаті одержуємо матрицю, елемент а34 якої є шуканим рівнянням частот власних коливань:

(3)

де , (4) (5) (6) . (7)

Частотні коефіцієнти aj і bj зв'язані співвідношенням:

(8)

Тут j – тон власних коливань моделі споруди.

Безрозмірна величина l є співвідношенням вигинальної і зсувної жорсткості ділянки стержня:

. (9)

Період власних коливань запропонованої моделі (рис. 2) рекомендується визначати за формулою:

, (10)

а форма коливань обчислюється з виразу:

(11)

де коефіцієнт форми коливань (В/А)i:

. (12)

Для визначення шуканих коефіцієнтів перших трьох тонів власних коливань системи СФО складено програму з використанням мови програмування ФОРТРАН. За знайденими значеннями коефіцієнтів частот побудовано графіки залежності ai, bi і (В/А)i від параметра U для практично важливого діапазону величин характеристик l=0,02...0,5; V=0,02…Ґ і M=0,1…100. Необхідні графіки для визначення частотних коефіцієнтів основного та другого тону коливань при l=0,02 і V=0,02 представлено на рис. 3. Проаналізовано можливі окремі випадки рішення частотного рівняння.

У четвертому розділі виконано аналіз результатів теоретичних розрахунків будівель з урахуванням динамічного ВСО і проведено порівняння з експериментами. Перевірено достовірність запропонованої методики і проведено зіставлення отриманих результатів з розрахунками за іншими методами. Запропоновано графіки спектральних коефіцієнтів динамічності, що характеризують ґрунтові умови проммайданчиків АЕС України.

Перевірка достовірності теоретичних розробок, викладених у розділі 3 даної дисертаційної роботи, проводилася на ряді тестових прикладів, результати яких порівнювалися з результатами експериментальних досліджень і результатами, відомими в роботах І.В. Ананьєва, І.М. Бабакова, М.І. Безухова, В.О. Івовича, І.Л. Корчинського, Ю.І. Немчинова, С.В. Полякова, В.С. Павлика, А.Є. Саргсяна, О.М. Уздіна, Е.Є. Хачіяна, О.І. Цейтліна та інших.

Порівняння експериментальних і теоретичних параметрів горизонтальних коливань дослідних об'єктів провадилося для поздовжнього і поперечного напрямків. Отримані параметри власних коливань споруд порівнювалися з визначеними з дослідів періодами і формами.

Для перевірки достовірності запропонованого методу проведено розрахунки динамічних характеристик споруд при подальшому порівнянні результатів розрахунків з результатами, що отримано за методом скінченних елементів (МСЕ) та з натурних експериментів. Зіставлення результатів розрахунків по запропонованому методу з дослідними даними показало гарний їх збіг. Періоди коливань за основною формою відрізняються між собою не більш ніж на 7 %.

У результаті корегування ординат форм коливань обчислені сейсмічні навантаження, що сприймаються конструкціями надфундаментної будівлі, із використанням запропонованих скорегованих графіків спектральних коефіцієнтів динамічності b(Т) для проммайданчиків АЕС України (рис. 4). При визначенні сейсмічних навантажень коефіцієнт динамічності bі в залежності від розрахункового періоду власних коливань Ті споруди за і-м тоном рекомендується визначати за формулами (13)…(15) або згідно рис. 4.

Для ґрунтів першої категорії за сейсмічними властивостями (крива 1):

при ТіЈ0,08 с bі=1+15 Ті

при 0,08 с< ТіЈ0,318 с bі=2,2 (13)

при Ті>0,318 с bі=0,7/ Ті.

Для ґрунтів другої та третьої категорій при грубизні шару рівному і менше за 30м (крива 2):

при ТіЈ0,1 с bі=1+15 Ті

при 0,1<ТіЈ0,6 с bі=2,5 (14)

при Ті>0,6 с bі=-2,14Ті +3,8.

Для ґрунтів другої та третьої категорій при грубизні шару більшому за 30м (крива 3):

при ТіЈ0,1 с bі=1+20 Ті

при 0,1<ТіЈ1,1 с bі=2,5 (15)

при Ті>1,1 с bі=-2,45Ті +5,7..

В усіх випадках значення bі треба приймати не менше 0,8.

Слід зазначити, що зміна розрахункових сейсмічних зусиль при урахуванні взаємодії системи СФО не може бути цілком віднесена за рахунок коефіцієнта динамічності b. Оскільки при урахуванні впливу основи істотно змінюється форма коливань і, відповідно, вплив коефіцієнта власних форм hj також значний. Отримані результати розрахунків вказують на доцільність диференційованого підходу до побудови регіональних коефіцієнтів динамічності в залежності від конкретних ґрунтових умов АЕС України (Запорізької, Рівненської, Хмельницької, Чорнобильської і Південно-Української АЕС).

ВИСНОВКИ

У даній дисертаційній роботі представлено результати експериментально-теоретичних досліджень коливань масивних і жорстких споруд Чорнобильської АЕС України та громадських будівель – пам'яток архітектури. На основі виконаних досліджень удосконалено методику розрахунку динамічних характеристик будівель та споруд через урахування динамічної взаємодії фундаментів з ґрунтовою основою.

Отримані в роботі наукові і практичні результати такі:

1. В дисертації розроблено динамічну модель системи "споруда-фундамент-ґрунтова основа" (рис. 2). Запропоновано методику визначення параметрів власних коливань системи, яка заснована на аналітичному рішенні з використанням МПП і значно спрощує алгоритм рішення в порівнянні з традиційним МСЕ при забезпеченні необхідної точності обчислень. На основі запропонованої методики розроблено алгоритми і програми для розрахунку динамічних характеристик систем "споруда-фундамент-ґрунтова основа" стосовно до АЕС, що мають масивні фундаменти і жорстку верхню будову.

2. Отримано аналітичні залежності для визначення динамічних характеристик досліджуваної системи. Період власних коливань споруд на основі розробленої моделі пропонується визначати за формулою (10), а форми власних коливань обчислюються за формулою (11).

3. На основі аналізу результатів чисельних досліджень виконано оцінку впливу жорсткості несучих конструкцій надфундаментної будови, ґрунтової основи і маси фундаментів на параметри власних коливань споруд.

Параметр l характеризує відношення жорсткості несучих конструкцій споруди при вигині і зсуві. Вигинально-зсувну жорсткість несучих конструкцій при власних коливаннях споруди пропонується враховувати при значеннях 0,02<l<0,5. При l>0,5 можна вважати, що споруди працюють на зсув, і для значень l<0,02 припускається приймати, що споруди працюють на вигин. Вигинально-зсувну жорсткість конструкцій доцільно враховувати не більш ніж до трьох форм власних горизонтальних коливань системи СФО.

Якщо не враховувати в розрахунках масу фундаментів, то для основного тону власних коливань споруди при U>5 і V>5 основу можна вважати абсолютно жорсткою і динамічну розрахункову схему приймати у вигляді системи жорстко закріпленої в основу. При урахуванні інерційності маси фундаментів в системі основу пропонується вважати скельною при U>10 і V>10. При визначенні періоду основної форми коливань розглянутої системи масу фундаменту можна не враховувати, якщо вона складає менш ніж 10 % від маси споруди, тобто Mі10.

4. Експериментально визначено динамічні характеристики промспоруд Чорнобильської АЕС – РО енергоблоку № 3, блоку "В", споруди ХЖТО, будівлі ХОЯТ і двох громадських будівель – Одеського академічного театру опери і балету і головного корпусу Київського Центрального телеграфу (табл. 1). На підставі аналізу дослідних значень зареєстрованих ординат форм власних коливань споруд підтверджено вигинально-зсувний характер деформування несучих конструкцій надфундаментної будови. Зсув фундаменту внаслідок взаємодії з ґрунтовою основою при власних коливаннях експериментальних об'єктів складає від сумарних зсувів верху:

1. 38,5...45,2 % для реакторного відділення енергоблоку № 3;

2. 51,3...69,4 % для блоку "В";

3. 66,9...71,4% для споруди ХЖТО;

4. 40...44% для транспортно-технологічного блоку будівлі ХОЯТ;

5. 65,7...72,2% для Одеського академічного театру опери і балету;

6. 51...52,2 % для будівлі головного корпусу Київського Центрального телеграфу.

5. Зіставлення отриманих теоретичних значень періодів та форм власних коливань досліджуваних споруд з експериментальними даними показало гарний збіг (різниця не більше 7 %). Проведене зіставлення, виконані розрахунки тестових прикладів і порівняння отриманих даних з результатами інших авторів підтверджують достовірність запропонованої методики при розрахунках динамічних характеристик систем СФО.

6. Для уточнення значень сейсмічних навантажень на будівлі і споруди побудовано графіки регіональних коефіцієнтів динамічності для проммайданчиків Запорізької, Рівненської, Хмельницької, Чорнобильської і Південно-Української АЕС. Для побудови зазначених графіків використовувалися набори трикомпонентних інструментальних записів прискорень ґрунту основи, згенеровані Інститутом Геофізики НАНУ. На основі аналізу інструментальних та згенерованих акселерограм (землетруси в горах Вранча, Румунія) запропоновано графіки спектральних коефіцієнтів динамічності b(Т), що характеризують ґрунтові умови проммайданчиків АЕС України (рис. 4).

7. Запропонована методика розрахунку динамічних характеристик систем СФО використана при розробці норм проектування сейсмостійких будівель та споруд України і СНД. Результати роботи включено до другої редакції норм України - "Забезпечення сейсмостійкості атомних станцій. Норми та рекомендації" до першої редакції проекту Міжреспубліканських Будівельних Норм (МБН) СНД "Будівництво в сейсмічних районах. Норми проектування", розділ 7 - "Забезпечення сейсмостійкості АЕС".

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Марьенков Н.Г., Поклонский В.Г., Маценко А.М. Экспериментальные исследования колебаний 3-го энергоблока Чернобыльской АЭС // Межведомственный научно-технический сборник "Строительные конструкции". – К.: НИИСК. - 1998. - вып. 49. - С. 144-153.

2. Маценко А.М. Оценка влияния динамических нагрузок на конструкции главного корпуса центрального телеграфа в г. Киев // Межведомственный научно-технический сборник "Строительные конструкции". – К.: НИИСК. – вып. 51. - 1999. – С. 468-477.

3. Немчинов Ю.И., Марьенков Н.Г., Поклонский В.Г., Дунин В.А., Маценко А.М. Динамические обследования и расчет строительных конструкций объекта "Укрытие" и сооружений II-й очереди ЧАЭС. – В сб.: Научные и технические аспекты международного сотрудничества в Чернобыле. – Славутич, УКРАТОМИЗДАТ, 1999. – С. 199-212.

4. Немчинов Ю.І., Мар'єнков М.Г., Стаковиченко Є.Й., Поклонський В.Г., Маценко А.М., Дунін В.А., Недзведська О.Г. Дослідження динамічних характеристик і оцінка сейсмостійкості споруди ХОЯТ-1 АЕС. – В. зб.: Опір матеріалів та теорія споруд. – К.: КДТУБА. - вип. 65. - 1999. - С. 130-137.

5. Немчинов Ю.И., Маценко А.М. Метод расчета свободных колебаний динамической системы "Сооружение-фундамент-основание" // Межведомственный научно-технический сборник "Строительные конструкции". – К.: НИИСК. – 2000. – Вып.52 – С. 229-242.

6. Немчинов Ю.И., Марьенков Н.Г., Маценко А.М. Оценка взаимодействия сооружений АЭС с основанием в расчетах на сейсмостойкость // Межведомственный научно-технический сборник "Строительные конструкции". – К.: НИИСК. – 2000. – Вып.53 – С. 579-583.

7. Марьенков Н.Г., Поклонский В.Г., Маценко А.М. Учет влияния основания при определении сейсмических нагрузок на здания и сооружения // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. – 2000. - №6. – С. 8-9.

В роботах [1, 2, 3] викладено результати експериментальних досліджень, в проведенні яких здобувач особисто брав участь та займався обробкою цих результатів. Для роботи [4] здобувачем проведено додаткову обробку експериментальних даних та чисельні розрахунки. В роботі [5] здобувачем розвинуто метод визначення динамічних характеристик системи СФО, описано використаний в дисертації теоретичний апарат та проведено порівняння теоретичних і експериментальних даних. Для статті [6] здобувачем побудовано графіки спектральних коефіцієнтів динамічності для промислових майданчиків АЕС України. У праці [7] здобувачем розв'язано чисельні приклади.

Маценко А.М. Взаємодія будівель і споруд з ґрунтовою основою при динамічних та сейсмічних впливах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, Київ, 2001.

Дисертація присвячена вивченню впливу динамічної взаємодії будівель та споруд з ґрунтовою основою на динамічні характеристики системи "споруда-фундамент-ґрунтова основа" (СФО). Проведено дослідження динамічних характеристик жорстких масивних споруд АЕС та оцінку зміни сейсмічних навантажень на споруду, зумовленої ефектами взаємодії фундаментів з ґрунтовою основою.

В роботі використовується експериментально-теоретичний підхід для вирішення мети досліджень, який містить багатоканальні виміри коливань споруд та визначення динамічних характеристик системи "споруда-фундамент-ґрунт" на основі аналітичного рішення за методом початкових параметрів у матричній формі.

Для уточнення значень сейсмічних навантажень на систему СФО побудовано графіки регіональних коефіцієнтів динамічності для проммайданчиків АЕС України. Розроблені формули для визначення спектральних коефіцієнтів динамічності в залежності від категорії ґрунтів основи за сейсмічними властивостями.

Ключові слова: взаємодія споруди з основою, динамічна система, експериментальні дані коливань, споруда, фундамент, основа, рекомендації БНіП.

Matsenko А.М. Soil-Structure Interaction at dynamic and seismic effects. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of the candidate of technical sciences on a speciality 05.23.01 - Building constructions, building and structures. - State Research Institute of Building Constructions, Kyiv, 2001.

The thesis is devoted to analysis of influencing of dynamic Soil-Structure Interaction (SSI) on dynamic responses of the system "building – foundation – soil" (BFS). The dynamic interaction of a building with the ground basis is considered from a position of the registration of dynamic responses of a ground defined on the basis of the requirements of existing standards, and on the basis of that constructing dynamic models of buildings for dynamic and seismic designs.

The researches of dynamic responses of rigid massive Nuclear Power Plant's buildings and changing estimation of seismic loads on buildings stipulated by interaction of the foundations with the ground basis are held. The influencing of interaction is connected to the ground basis on dynamic responses of buildings and seismic loads on them with a diversity of constructions, ground conditions and with a different relation of their rigidities.

The experimental researches envisioned obtaining experimental values of parameters of a natural oscillation of inspected buildings both buildings and their basis.

For the registration of the elastic basis and the masses of the foundation are obtained respective transitional and associated matrixes.

Designed in the present operation the technique of definition of dynamic responses and seismic loads at the system BFS is included in standards of seismic designing buildings of Ukraine.

Keywords: soil-structure interaction, dynamic system, experimental data of oscillations, building, foundation, base, standard guideline.

Маценко А.М. Взаимодействие зданий и сооружений с грунтовым основанием при динамических и сейсмических воздействиях. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. – Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций, Киев, 2001.

Диссертация посвящена изучению влияния динамического взаимодействия зданий и сооружений с грунтовым основанием на динамические характеристики системы "сооружение-фундамент-грунтовое основание" (СФО). Динамическое взаимодействие сооружения с грунтовым основанием рассматривается с позиции учета динамических характеристик грунта, определяемых на основе требований существующих норм, на основе чего производится построение динамических моделей сооружений для расчетов параметров собственных колебаний и определения сейсмических нагрузок.

Проведены исследования динамических характеристик жестких массивных сооружений АЭС и оценка изменения сейсмических нагрузок на сооружения, обусловленного взаимодействием фундаментов с грунтовым основанием. Влияние взаимодействия с грунтовым основанием на динамические характеристики сооружений и сейсмические нагрузки на них связано с многообразием конструкций, грунтовых условий и с различным соотношением их жесткостей.

В работе используется экспериментально-теоретический подход для достижения цели исследований, который содержит виброметрические исследования сооружений совместно с грунтовым основанием и определение динамических характеристик на основе аналитического решения по методу начальных параметров в матричной форме.

Экспериментальные исследования предусматривали получение опытных значений параметров собственных колебаний обследуемых зданий и сооружений и их оснований. Источником воздействия являлись микросейсмические колебания грунта.

Измерения колебаний производились сейсмоприемниками СМ-3 с регистрацией на осциллограф Н-044.3. В качестве экспериментальных объектов выбраны промсооружения Чернобыльской АЭС – РО энергоблока № 3, блок "В", здание ХОЯТ, сооружение ХЖТО и два общественных здания – Одесский академический театр оперы и балета и главный корпус Киевского Центрального Телеграфа. Систематизированы основные результаты виброметрических исследований для каждого опытного объекта.

Опытные значения зарегистрированных ординат форм собственных колебаний сооружений подтвердили изгибно-сдвиговой характер деформирования несущих конструкций надфундаментного строения. Смещения фундамента вследствие взаимодействия с грунтовым основанием при собственных колебаниях экспериментальных объектов составляет 40…80 % от суммарных смещений верха.

В диссертационной работе разработана динамическая модель системы "сооружение-фундамент-грунтовое основание". В рамках теоретических исследований разработана методика определения периодов и форм собственных горизонтальных колебаний системы СФО, необходимых для определения сейсмической и ветровой нагрузок.

Предложенная методика, основанная на аналитическом решении с использованием метода начальных параметров, значительно упрощает алгоритм решения по сравнению с традиционным МКЭ при обеспечении необходимой точности вычислений.

Для учета упругого основания и массы фундамента получены соответственные переходные и ассоциированные матрицы. Составлено частотное уравнение системы СФО, получены аналитические выражения и построены графики для определения периодов, форм и частотных коэффициентов собственных колебаний системы. Проанализированы возможные частные случаи решения частотного уравнения.

Для уточнения значений сейсмических нагрузок на систему СФО предложены графики спектральных коэффициентов динамичности с учетом конкретных грунтовых условий промплощадок АЭС Украины (Запорожской, Ровенской, Хмельницкой, Чернобыльской и Южно-Украинской АЭС). Разработаны формулы для определения коэффициентов динамичности в зависимости от категории грунтов по сейсмическим свойствам.

Разработанная в настоящей работе методика определения динамических характеристик и сейсмических нагрузок на систему СФО включена в нормы проектирования сейсмостойкого строительства Украины "Забезпечення сейсмостійкості атомних станцій. Норми та рекомендації" и для проекта Межреспубликанских Строительных Норм СНГ "Строительство в сейсмических районах. Нормы проектирования", раздел 7 – "Обеспечение сейсмостойкости АЭС. Нормы проектирования".

Ключевые слова: взаимодействие сооружения с основанием, динамическая система, экспериментальные данные колебаний, сооружение, фундамент, основание, рекомендации СНиП.