Построение расчетной динамической модели с использованием

Построение расчетной
динамической модели с
использованием результатов
инженерно-сейсмометрических
исследований сооружений
Киселёв Д. В. (ОАО Сибирский «Оргстройпроект», г. Ангарск)
Бержинский Ю.А. (Институт земной коры СО РАН, г. Иркутск)
Введение
Основные этапы построения динамической модели
сооружения
Под физической моделью сооружения следует понимать по возможности
полное описание этого процесса в физически содержательных терминах.
Расчетная модель сооружения описывает процесс в физически
содержательных терминах, но в отличие от физической модели в ней не
учитываются факторы, не оказывающие заметного влияния на ход процесса.
Под математической моделью процесса следует понимать уравнения и другие
соотношения, приведенные в расчетной модели, а также алгоритмы решения
уравнений.
При формировании расчетной динамической модели при помощи
программных комплексов мы основываемся на физической модели сооружения.
Под физической моделью сооружения следует понимать работу конструкций
здания при внешнем нагружении. Физическая модель также должна содержать
имеющиеся экспериментальные данные, относящиеся к рассматриваемому
процессу, изложение гипотез, которые могут быть сформулированы по поводу
еще не изученных связей и соотношений между параметрами системы. Другими
словами, физическая модель представляет собой содержательное отражение
реальных явлений или процессов на уровне современных знаний.
При создании РДМ расчетчик часто сталкивается с рядом проблем
использования типов КЭ и их жесткостей. В зданиях из монолитных
конструкций, где все узлы жесткие, этих проблем меньше. Но при расчетах
зданий из сборных конструкций часто возникает множество проблем при учете
податливости их соединения.
При создании РДМ можно придумать множество вариантов решения этих
проблем, но насколько это соответствует реальности трудно сказать. Для этих
решений рассмотрены три реальных объекта, на которых проводились
экспериментальные исследования.
Объекты, расчеты которых, основаны на результатах
инженерно-сейсмометрических исследований
1. Трехэтажный фрагмент серии 1.120с.
Вибрационные испытания (г. Иркутск, 2004 г.)
2. Лучевая 9-ти этажная блок-секция серии 1.120с.
Микродинамические испытания (г. Иркутск, 2008 г.)
3. Зимний дворец спорта «Ермак» в г. Ангарске.
Микродинамические испытания (г. Ангарск, 2009 г.)
Фото трехэтажного фрагмента
безригельного каркаса серии 1.120.с
Конечно-элементная модель
трехэтажного фрагмента безригельного
каркаса серии 1.120.с
Фото 9-ти этажной лечевой блоксекции серии 1.120с на улице
Баррикад в Иркутске
Конечно-элементная модель 9-ти
этажной лучевой блок-секции серии
1.120с на улице Баррикад в Иркутске
Фото зимнего дворца спорта
«Ермак» в г. Ангарске
Конечно-элементная модель
зимнего дворца спорта «Ермак» в
г. Ангарске
Методика проведения вибрационных
испытаний
1. Установка вибромашин на покрытие здания.
2. Вибрационное воздействие на здание при помощи установленных вибромашин.
3. Запись кинематических параметров здания в процессе испытания, с помощью
сейсмометрической станции.
4. Осмотр и запись поврежденных конструкций здания.
Работа конструкций здания в упруго-пластической стадии.
График ускорений при
прохождении зоны резонансов
фрагмента
Вибромашины на покрытии здания
Методика проведения инструментальных
измерений динамических
характеристик здания при
микросейсмических воздействиях
1.Установка датчиков на конструкции здания.
2.Записи динамических характеристик здания под воздействием микросейсмических
колебаний грунта.
3.Обработка полученных данных.
Здание представляет собой систему с дискретными массами, которая обладает
фильтрационными свойствами. Такая система способна пропускать упругие волны с
определенными длинами, зависящими от конструкции и размеров здания. Под воздействием
микросейсмических колебаний грунта в здании возникают установившиеся микроколебания.
На этом основана методика определения динамических характеристик зданий. Указанная
методика известна как «метод стоячих волн».
Работа конструкций здания в упругой стадии.
РЯД ПРОБЛЕМ ПРИ СОЗДАНИИ РАСЧЕТНОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ (РДМ)
1. Учет крепления сборных диафрагм жесткости и стеновых панелей.
2. Учет податливости стыка сборных колонн с фундаментами.
3. Учет жесткости кирпичного заполнения.
4. Учет податливости сборных плит перекрытия.
5. Учет жесткости утеплителя для мембранных покрытий.
Схема установки сборной ж.б.диафрагмы в домах
серии 1.120с
Узел крепления сборной колонны с фундаментом
Крепление сборных плит перекрытия
Мембранное покрытие зимнего дворца спорта «Ермак»
в г. Ангарске
Пути решения проблем:
1. Учет крепления сборных диафрагм жесткости и стеновых панелей;
2. Учет податливости стыка сборных колонн с фундаментами.
Один из вариантов заключается в искусственном уменьшении жесткости самих
диафрагм путем снижения модуля упругости с помощью понижающих коэффициентов.
В 2004 году в г. Иркутске Институт земной коры совместно с ЦНИИСК им. В.А.
Кучеренко и ИрГТУ провел вибрационные испытания каркаса серии 1.120с, которые
показали, что наибольшие повреждения получили не сами диафрагмы, а их шпоночные
соединения с элементами каркаса и сварные стыки. Поэтому при формировании адекватной
конечно-элементной модели основное внимание уделялось оценке жесткостей не столько
диафрагм, сколько их соединений с элементами каркаса.
При расчетах податливость закладных деталей учитывалась с помощью конечного
элемента КЭ 55 (упругой связи). При изменении линейной жесткости упругих связей в
диапазоне от 9х108 т до 1 т наблюдались изменения форм и периодов колебаний здания. В
результате установлено, что решающую роль в формировании жесткости динамической
модели каркаса играет подбор жесткостей закладных деталей соединения диафрагм с
элементами каркаса.
Учет податливости стыка сборных колонн с фундаментом моделировался с помощью
КЭ 51 (связь конечной жесткости).
Жесткости специальных КЭ использованных , при расчете
трехэтажного фрагмента серии 1.120с.
Динамические характеристики трехэтажного фрагмента
серии 1.120с.
Влияние жесткости упругих связей на
динамические характеристики каркаса
9-ти этажной лучевой блок-секции
Пути решения проблем:
3. Учет жесткости кирпичного заполнения
Были выполнены динамические расчеты 9-ти этажной лучевой блок-секции
с изменением модуля упругости кирпичного заполнения от минимальной
величины до расчетного значения, соответствующего случаю монолитного (то
есть абсолютно жесткого) крепления кирпичного заполнения к элементам
каркаса.
Анализ расчетных динамических характеристик здания, позволил подобрать
приведенное значение модуля упругости кирпичного заполнения с точки зрения
совпадения расчетных данных с результатами инструментальных измерений:
• для внутренних кирпичных стен толщиной 250 мм Е = 2·105 т/м2;
• для наружных стен слоистой конструкции (внутренний слой из кирпичной
кладки толщиной 250 мм, наружный – из кирпичной кладки толщиной 120 мм
и слой утеплителя толщиной 150 мм) Е = 2,5·105 т/м2.
Влияние приведенной жесткости заполнения на
динамические характеристики каркаса 9-ти этажной
лучевой блок-секции
Сравнение расчетных и экспериментальных
динамических характеристик каркаса 9-ти этажной
лучевой блок-секции серии 1.120с
Пути решения проблем:
4. Учет податливости сборных плит перекрытия.
При моделирование сборных плит перекрытия многие расчетчики
пользуются способом объединения перемещений между совпадающими узлами
плит перекрытия и ригелями.
При моделировании податливости сборных плит перекрытия в РДМ зимнего
дворца спорта «Ермак» были использованы КЭ 55 (упругая связь) с жесткостями
Х, Y, Z = 9·109т/м и UX, UY, UZ = 0,001 т·м/рад. Положительная сторона этого
способа в том, что изменяя жесткости КЭ 55 можно контролировать податливость
соединения как по поступательным направлениям, так и момент заделки.
Пути решения проблем:
5. Учет жесткости утеплителя для мембранных покрытий.
При проектировании зимнего дворца спорта «Ермак» в г. Ангарске было выполнено
несколько расчетов конструкций данного здания. В результате были получены периоды
первой формы колебания мембранного покрытия Т = 5,0 сек и Т = 2,5 сек.
В 2009 году были проведены микродинамические обследования данного здания,
согласно которым был получен период Т = 0,533 сек.
При сравнении данных полученных расчетным путем и при испытаниях было
выявлено, что утеплитель влияет на жесткость мембранного покрытия. В дальнейшем были
проведены испытания образцов мембранного покрытия на статическую нагрузку.
В результате было доказано, что утеплитель увеличивает жесткость мембранного
покрытия примерно в два раза. Окончательная расчетно-динамическая модель здания
выполнена с учетом влияния утеплителя на жесткость мембранного покрытия, что учтено
путем моделирования утеплителя при помощи объемных КЭ.
Испытание образцов мембранного покрытия на статическую
нагрузку
Сравнение расчетных и экспериментальных данных зимнего
дворца спорта в г. Ангарске
Заключение
1. В докладе рассмотрены характерные затруднения, возникающие в процессе
построения расчетной динамической модели при использовании современных
вычислительных комплексов.
2. Обычный путь преодоления этих затруднений, сложившийся в инженерной
практике, заключается в использовании расчетных моделей на основании
некоторой априорной информации. При этом остается возможность
контрольной экспериментальной проверки динамических характеристик
возведенного сооружения.
3. В докладе на нескольких реальных примерах продемонстрирован более
рациональный способ построения расчетных динамических моделей,
заключающийся в использовании экспериментальной информации, которая
может быть получена в результате натурных испытаний аналогичных
сооружений как при высоком уровне динамического нагружения, так и при
микродинамических исследованиях.
Спасибо за внимание.
e-mail:
2kdv@rambler.ru;
kiselev@sibosp.ru;
berj@crust.irk.ru