автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оценка надежности сооружений при сейсмических воздействиях в рамках спектральной методики

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Основные проблемы оценки надежности зданий и сооружений.

1.2. Методы расчета сооружений на сейсмические воздействия.

1.3. Вероятностные модели сейсмических воздействий.

1.4. Оценка надежности строительных конструкций.

1.5. Оценка надежности грунтовых оснований.

1.6. Цели и задачи исследования.

Глава 2. Оценка надежности железобетонных конструкций

2.1. Основные принципы проектирования и анализа надежности железобетонных конструкций.

2.2. Вероятностный расчет железобетонных элементов по условиям прочности и устойчивости.

2.2.1. Оценка надежности изгибаемых элементов по нормальным и наклонным сечениям.

2.2.2. Оценка надежности внецентренно сжатых элементов.

2.2.3. Оценка надежности внецентренно растянутых элементов.

2.3. Вероятностный расчет железобетонных элементов по условиям жесткости и трещиностойкости.

2.3.1. Определение вероятности образования нормальных и наклонных трещин.

2.3.2. Вероятностный расчет железобетонных элементов по раскрытию трещин.

2.3.3. Вероятностный расчет по закрытию трещин.

2.3.4. Вероятностный расчет прогибов железобетонных элементов

2.4. Расчет надежности ребристой железобетонной панели.

Глава 3. Оценка надежности металлических конструкций

3.1. Основные принципы проектирования и анализа надежности металлических конструкций.

3.2. Оценка надежности центрально-растянутых и центрально-сжатых элементов.

3.3. Оценка надежности изгибаемых элементов.

3.4. Оценка надежности стенок и поясных листов изгибаемых и сжатых элементов с учетом возможной потери устойчивости.

3.5. Оценка надежности элемента подверженного действию осевой силы с изгибом.

3.6. Оценка надежности соединений стальных конструкций.

3.6.1. Оценка надежности сварных соединений.

3.6.2. Оценка надежности болтовых соединений.

Глава 4. Оценка надежности грунтовых оснований

4.1. Основные принципы проектирования и анализа надежности оснований

4.2. Оценка надежности оснований по несущей способности.

4.3. Оценка надежности оснований по деформациям.

Глава 5. Пример оценки надежности системы основание - сооружение.

Выводы.

Проблема обеспечения надежности и безопасности зданий и сооружений в сейсмически опасных районах является одним из ключевых вопросов современного строительства и в значительной степени определяет перспективы развития многих регионов нашей страны. Важность этой проблемы представляется особенно актуальной в связи с трагическими последствиями многих недавних землетрясений, в результате которых погибли люди и был нанесен серьезный экономический ущерб. Одно из таких землетрясений произошло в 1995 году в Нефтегорске. В результате землетрясения погибло 1900 человек, а ущерб составил порядка 400 млн. долларов.

Во многих случаях причиной разрушения зданий и сооружений было низкое качество строительства и неудовлетворительное состояние конструкций, вызванное нарушением правил эксплуатации. Однако, основная причина подобных последствий заключалась в явной недооценке возможной сейсмической опасности и стремлении к строительству более дешевых не сейсмостойких сооружений.

В условиях быстрого роста городов, характеризующегося уплотнением застройки, строительством многоэтажных зданий, а также сложных транспортных и других инженерных сооружений подобное пренебрежение к возможной сейсмической опасности может привести к еще большим жертвам и разрушениям. Особенно опасными с этой точки зрения являются многочисленные промышленные и энергетические объекты, разрушение которых может стать причиной глобальной экологической катастрофы.

В связи с этим вопрос о количественной оценке риска при сейсмическом воздействии становится особенно актуальным.

В настоящее время работы по исследованию вопросов обеспечения надежности зданий и сооружений как единой системы разрозненны с точки зрения постановки задач и методов решения. Существующая в России нормативная база ориентирована на проведение детерминистических расчетов, не позволяющих сделать количественные оценки сейсмического риска. Вероятностные расчеты надежности представлены в литературе только для отдельных типов конструкций. На базе известных методов оценки надежности строительных конструкций актуально рассмотреть методику оценки надежности всего сооружения или здания как системы элементов, а также учесть случайный и решающий характер сейсмического воздействия. С другой стороны, существующая в России нормативная база ориентирована на проведение детерминистических расчетов, не позволяющих сделать количественные оценки сейсмического риска.

Целью диссертационной работы является развитие системного подхода и методов его практической реализации в задачах вероятностного анализа надежности и безопасности зданий и сооружений при сейсмических воздействиях.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

- анализ существующих методов расчета строительных конструкций при сейсмическом воздействии и возможных способов оценки надежности с учетом основных случайных параметров;

- построение структурных схем для проведения оценок надежности систем с учетом функциональных связей между элементами и корреляционных зависимостей между основными случайными величинами, определяющими уровень надежности отдельных элементов;

- разработка математических моделей оценки надежности отдельных элементов конструкций на основе существующих детерминистических методов расчета;

- реализация предложенной методики расчета для различных типов конструкций. Научная новизна исследований заключается в разработке методологического подхода к проведению вероятностных оценок надежности строительных конструкций и систем элементов при сейсмических воздействиях. Научный вклад автора состоит в следующем:

- Разработаны логико-вероятностные схемы, возможных отказов конструкций при сейсмических воздействиях с учетом основных случайных факторов.

- Предложены расчетно-теоретические методы вероятностного расчета строительных конструкций и оснований для различных вариантов отказов.

- Разработана общая методология и методы практической реализации оценки надежности систем с учетом корреляционной зависимости между элементами при сейсмических воздействиях.

Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе рассматриваются существующие подходы к расчету строительных конструкций при сейсмическом воздействии, а также методы оценки их надежности и безопасности. По результатам проведенного анализа формулируются цели и задачи исследования и определяются основные методы решения поставленной задачи. Вторая глава посвящена методологии проведения вероятностных оценок надежности железобетонных конструкций. Предлагаемая методика основана на рандомизации детерминистических соотношений, определяющих требования по несущей способности и пригодности к эксплуатации и является естественным развитием нормативного подхода к расчету конструкций. В третьей главе рассматриваются критерии отказа металлических конструкций и математические модели для расчетов надежности при сейсмических воздействиях. Четвертая глава посвящена расчету надежности грунтового основания. В пятой главе приводится пример практической реализации вероятностного расчета системы сооружение - основание на основе полученных в предыдущих главах математических моделей отказов элементов системы.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке методологического подхода к количественной оценки надежности зданий и сооружений при сейсмических воздействиях в рамках нормативной линейно-спектральной теории сейсмостойкости с учетом основных случайных факторов. Полученные значения надежности позволяют объективно оценивать вероятность отказа конструкций, проектирование которых осуществляется с использованием неполных или недостаточно достоверных данных о возможных сейсмических воздействиях. Разработанные в диссертационной работе численные методы расчета позволяют проектировать конструкции с заданным уровнем надежности, учитывая вклад сейсмической опасности в общий уровень риска. Таким образом, применение такого подхода позволяет оптимально инвестировать средства в программы повышения надежности и безопасности строительных конструкций.

Кроме того, данные исследования позволяют наметить пути создания нормативных методик по оценке надежности конструкций, оснований и фундаментов и, в конечном итоге, объекта в целом.

На защиту выносится:

- Модели отказа строительных конструкций и оснований при сейсмических воздействиях с учетом основных случайных факторов - прочности материала конструкций или грунтового основания и интенсивности сейсмического воздействия;

- Методика численного расчета вероятностных показателей надежности отдельных элементов зданий и системы элементов при реализации различных моделей отказа;

- Методологический подход к проведению вероятностных оценок надежности систем с учетом корреляционной зависимости между функциями работоспособности элементов системы при сейсмических воздействиях.

Внедрение результатов. Предложенные методы оценки надежности были использованы при расчетных обоснованиях прочности и надежности строительных конструкций ряда объектов атомной энергетики и промышленности, проектирование которых вел ФГУП «ГИ ВНИПИЭТ» в 2000-2002 гг.

Таким образом, представленная работа посвящена разработке методологического подхода к оценке надежности конструкций при сейсмическом воздействии и является развитием нормативного подхода к расчету зданий и сооружений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих методов оценки надежности зданий и сооружений показал целесообразность применения вероятностных подходов к расчету конструкций, позволяющих в значительной мере решить проблему учета случайных и неопределенных факторов, а также количественно оценить надежность конструкций.

2. Разработана методология вероятностной оценки надежности строительных конструкций и оснований при сейсмических воздействиях с учетом основных случайных факторов - прочности материала конструкций и грунтового основания, интенсивности сейсмического воздействия.

3. Для практической реализации вероятностных расчетов построены логико-вероятностные схемы возможных отказов железобетонных и металлических конструкций, оснований при сейсмических воздействиях.

4. С учетом построенных моделей отказа получены математические зависимости для оценки показателей работоспособности отдельных элементов зданий и сооружений.

5. На основании разработанной методологии показана возможность оценки надежности системы в целом с учетом корреляционной зависимости между функциями работоспособности ее элементов при сейсмических воздействиях.

6. Выполненный комплекс расчетно-теоретических исследований дает возможность оценить вклад сейсмической опасности в общий уровень риска системы.

7. Применение данного подхода при проектировании зданий и сооружений позволяет получить конструкцию с заданным уровнем надежности, что особенно существенно при строительстве объектов с повышенной экономической или социальной ответственностью.

1. Адаптивные системы сейсмической защиты сооружений / Я.М.Айзенберг, А.И.Нейман, А.Д. Абакаров, М.М.Деглина, Т.Л.Чачуа. М.: Наука, 1978.

2. Айзенберг Я.М. Спектры состояния систем с деградирующей жесткостью и их применение для оценки сейсмической реакции сооружения // Экспресс-информ, ВНИИИС. Сер. 14. Сейсмостойкое строительство. 1981, Вып. 6.

3. Айзенберг Я.М., Залилов К.Ю. Генерирование расчетного ансамбля синтетических акселерограмм и исследование влияния их параметров на сейсмическую реакцию сооружения // Расчет и проектирование зданий для сейсмоопасных районов. М.: Наука, 1988. -с.5-14.

4. Альберт И.У., Кауфман Б.Д., Савинов О.А., Уздин А.М. Сейсмозащитные фундаменты реакторных отделений АЭС. М.: Информэнерго, 1988.

5. Аубакиров А.Т. Особенность задания сейсмического воздействия для обоснования проектов сейсмоизолирующих фундаментов // Известия ВННИГ им. Веденеева, 1989, т.212. -с.102-109.

6. Аугусти Г., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании. М.: Стройиздат, 1988. -584с.

7. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. С.-Петербург: Наука, 1998.-254с.

8. Бирбраер А.Н., Шульман С.Г. Прочность и надежность конструкций АЭС при особых динамических воздействиях. М.: Энергоатомиздат, 1989. -304с.

9. Бирбраер А.Н., Шульман С.Г. Сейсмостойкость атомных электростанций. Обзор. М.: Информэнерго, 1979.

10. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990.

11. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1982.

12. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат. -1965. -202с.

13. Болотин В.В, Статистическое моделирование в расчетах на сейсмостойкость // Строительная механика и расчет сооружений, 1981. №1. -с.60-64.

14. Буторин С.Л., Монахенко Д.В., Шульман С.Г. Оценка сейсмостойкости АЭС на основе теории риска // Изв. ВННИГ им. Б.Е.Веденеева: сб. научных трудов. 1989. Т.214. -с. 18-23.

15. Вероятностные оценки сейсмических нагрузок на сооружения. / Под ред. Я.М. Айзенберга, М.:Наука, 1987. -120с.

16. Веселое Ю.А., Демченко Д.Б. Основы теории надежности строительных конструкций. Ростов-на-Дону: Терра, 2001, -127с.

17. Ветошкин В.А., Костарев В.В., Щукин А.Ю. Вопросы практического использования современных методов расчетов энергооборудования на сейсмостойкость // Труды ЦКТИ, 1984, Вып. 212, -с. 3-13.

18. Гвоздев А.А. К вопросу о ближайших перспективах расчета конструкций по предельным состояниям. / В кн.: Развитие методики расчета по предельным состояниям. М.: Стройиздат. -1971. -с.38-43.

19. Гениев Г.А. Об оценке динамических эффектов в стержневых системах из хрупких материалов. Бетон и железобетон. 1993.-№3. с.25-27.

20. Гольденблат И.И., Николаенко Н.А. Расчет конструкций на действие сейсмических и импульсивных сил. М.: Стройиздат. 1961.

21. Гольденблат И.И., Николаенко Н.А., Поляков С.В., Ульянов С.В. Модели сейсмостойкости сооружений. М.: Стройиздат, 1979.

22. ГОСТ 20522-75. Грунты. Метод статистической обработки результатов определений характеристик. М., 1975.

23. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Термины и определения. М.: 1989.

24. ГОСТ 27003-83. Выбор и нормирование показателей надежности. Основные положения. М.: Изд. Стандартов. 1984.

25. Грайзер В.М. «Истинное» движение почвы в эпицентральной зоне. М.: ИФЗ АН СССР, 1984.

26. Гусев А.С., Светлицкий В.А. Расчет конструкций при случайных воздействиях. М.: Машиностроение, 1984.

27. Джефферс Дж. Введение в системный анализ: Применение в экологии. М.: Мир, 1981.

28. Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем. М.:Мир,1984.

29. Ермолаев Н.Н. Вопросы надежности и прочности оснований транспортных сооружений. Л.: ЛИИЖТ, 1976.

30. Ермолаев Н.Н. К теории надежности грунтовых оснований сооружений. Труды ЛИИЖТа «Вопросы надежности и прочности оснований транспортных сооружений», JI.,1973.

31. Ермолаев Н.Н., Михеев В.В. Надежность оснований сооружений. Л.: Стройиздат, 1976.-152с.

32. Завриев К.С. Динамическая теория сейсмостойкости. Тбилиси: Закавказский институт сооружений, 1936.

33. Игошин В.Л. Методы статистического контроля прочнбости бетона с учетом надежности железобетонных конструкций. Дис. на соис. науч. ст. канд.тех.наук. М., 1985.

34. Келдыш В.М., Гольденблат И.И. Некоторые вопросы метода предельных состояний / Материалы к теории расчета по предельному состоянию, вып. II, М.: Стройиздат. 1949. -с.6-17.

35. Клаф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений. М.: Стройиздат, 1979. -с.320.

36. Клемяционок П.Л. Разработка методики оценки уровня надежности зданий и сооружений при расчетах по предельным состояниям- Л.: ЛИИЖТ, т.1, 1977. -91с.

37. Корчинский И.Л. Расчет сооружений на сейсмические воздействия / Научн. сообщ. ЦНИПС. М.: Гос. изд. по строит, и арх., 1954.

38. Корчинский И.Л., Жунусов Т.Ж. Кардинальные вопросы сейсмостойкого строительства. Алма-Ата: Казпромстройниипроект, 1988.

39. Кудзис А.П. Оценка надежности железобетонных конструкций. Вильнюс: Мокслас, 1985.

40. Кузнецов А.А. Надежность конструкций баллистических ракет, М.: Машиностроение, 1978. -256с.

41. Лычев А.С., Корякин В.П. Надежность железобетонных конструкций. Куйбышев, изд. КуИСИ, 1974. -126с.

42. Львов А.В., Федоров М.П., Шульман С.Г. Надежность и экологическая безопасность гидроэнергетических установок. С-Пб.:Изд.СПбГТУ, 1999. -440с.

43. Медведев С.В. Инженерная сейсмология. М.: Гос. изд. По строит, и арх., 1962.

44. Медведев С.В., Карапетян Б.К., Быховский В.А. Сейсмические воздействия на здания и сооружения. М.: Стройиздат, 1968. -190с.

45. Мулин Н.М. Стержневая арматура железобетонных конструкций. М.: Стройиздат,1974. -232с.

46. Надежность конструкций АЭС // Энергетика и электрификация. Вып. 17. М. 1989.-37с.

47. Напетваридзе Ш.Г. Вероятностные задачи инженерной сейсмологии и теория сейсмостойкости. Тбилиси:Мецниереба, 1985.

48. Никольский В.А., Зверев В.И. Фактические распределения и обеспеченность показателей качества железобетонных ребристых плит. — В кн.: Исследование надежности и качества железобетонных конструкций. Куйбышев, 1978, с.129-133.

49. Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций (НП-031-01), М. 2001.38с.

50. Ньюмарк Н., Розенблют Э. Основы сейсмостойкого строительства. М.: Стройиздат,1980. -344с.

51. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1991.

52. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. JL: Машиностроение, 1976.

53. Петров А.А. Вероятностный метод оценки сейсмической реакции мостов с большими пролетами. // Сейсмостойкость транспортных и сетевых сооружений. М.: Наука, 1986. —с. 19-30.

54. Петрушко С.П. Изменчивость геометрических размеров поперечных сечений плит. В кн.: Вопросы надежности железобетонных конструкций. Куйбышев, 1977, с. 131 -134.

55. Поляков С.В. и др. Проектирование сейсмостойких зданий. М., Стройиздат, 1971.

56. Поляков С.В. Сейсмостойкие конструкции зданий. М.: Высшая школа, 1983. -304с.

57. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.0184), М., 1986. -194с.

58. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83) НИИОСП им. Герсеванова. М.: Стройиздат, 1986. -415с.

59. Пособие по проектированию предварительно напряженных железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов (к СНиП 2.03.01-84), М., 1988.

60. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах, Т. 3 / под ред. М.А.Биргера, Я.Г.Пановко, М.: Машиностроение, 1968.

61. Райзер В.Д. Методы теории надежности в задачах нормирования расчетных параметров строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1986.

62. Райзер В.Д. Расчет и нормирование надежности строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1995. -348с.

63. Райзер В.Д. Теория надежности в строительном проектировании. М.: Издательство АСВ, 1998. -304с.

64. Райншке К., Ушаков И.А. Оценка надежности систем с использованием графов. М.: Радио и связь, 1988.

65. Ржаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. М.'.Стройиздат, 1978. -239с.

66. Савинов О.А., Уздин А.М. Об одной форме линейно-спектральной теории сейсмостойкости для расчета мостов. / В кн.: Сейсмостойкость транспортных сооружений. М.: Наука, 1980.

67. Сейсмический риск и инженерные решения / Под ред. Ц.Ломнитца и Э.Розенблюта. М.: Недра, 1981. -375с.

68. Синицин А.П. Расчет конструкций на основе теории риска. М.: Стройиздат, 1986.

69. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. -36с.

70. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1995. -42с.

71. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. -45с

72. СНиП 2.02.05-87. Фундаменты машин с динамическими нагрузками / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.

73. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР. -1985. -79с.

74. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. -96с.

75. СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах / Минстрой России. М.:ГП ЦПП. 1995.

76. Стефанишин Д.В., Шульман С.Г. Проблемы надежности гидротехнических сооружений. С-Пб.:Изд. ВНИИГ им. Веденеева,1991. -50с,

77. Стрелецкий Н.С. Основы статистического учета коэффициента запаса, прочности сооружений. М.: Стройиздат. 1947. -92с.

78. Таль К.Э., Корсунцев Й.Г. О надежности расчета несущей способности изгибаемых железобетонных элементов. —«Бетон и железобетон», 1967, №4, с.34-36.

79. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Физматгиз, 1959.

80. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985.

81. Тихий М., Ворличек М. Статистический расчет сечений из обычного и предварительно напряженного железобетона. «Бетон и железобетон», 1962, №6, с. 284287.

82. Уздин A.M., Сандович Т.А., Аль-Насер-Мохамад Самих Амин. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений. С.-Петербург: Изд-во ВНИИГим. Б.Е.Веденеева, 1993. -176с.

83. Усаковский С.Б. Оценка надежности конструкций проектируемого моста. В кн.: Вопросы надежности железобетонных конструкций. Куйбышев, 1977. -с.77-79.

84. Холл Дж., Уатт Дж. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. М., Мир, 1979.

85. Хоциалов Н.Ф. Запасы прочности / Строительная промышленность. 1929. -№10. -с.840-844.

86. Цытович Н.А. Механика грунтов. Краткий курс. М., 1983.

87. Чирков В.П. Вероятностные методы расчета мостовых железобетонных конструкций. М.: Транспорт, 1980. -134с.

88. Шихиев Ф.М. Применение статистических методов к изучению грунтов. Изв. АН Аз.ССР, 1960.

89. Школа А.В. Некоторые вопросы расчета надежности причальных гидротехнических сооружений. Автореф. дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. Одесса. ОНИМФ, 1973.

90. Шульман С.Г. Об одном варианте линейно-спектральной теории сейсмостойкости // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1977. -с. 20-23.

91. Ben-Menahem, А., 1960. Some consequences of earthquake statistics for the years 1918-1955. Gerlands Beitr. Geophys., 69. pp. 68-72.

92. Combining Modal Responses and Spatial Components in Seismic Response Analysis. Regulatory Guide 1.92, Rev. 1 // U.S. Nuclear Regulatory Commission. Feb. 1976.

93. Esteva, L., 1974. Geology and probability in the assessment of seismic risk. Proc. 2nd Int. Congr. Int. Assoc. Eng. Geol., Sao Paulo.

94. Mayer M. Die Sicherheit der Bauwerte und ihre Berechnung nach Granzkraften Statt nach zulassigen Spannungen. Springer Verlag, Berlin, 1926, pp.111-126.

95. Mononobe N. Journal of the Civil Engineering Society. Tokyo, 1920.

96. Omori F. Publications of the Earthquake Investigations in Foreign Languages, №4, Tokyo, 1900.

97. Spaethe G. Die Sicherheit tragender Baukonstructionen, VEB Berlin, 1987, s.248. 102.Structural Analysis and Design of Nuclear Plant Facilities. Manual. (Ed.J.D.Stevenson) //ASCE. 1980.

98. Vere-Jones, D., 1970. Stochastic models for earthquake occurrence. J.R. Stat. Soc., 32 (1).-pp. 1-45.шп

99. Государственное унитарное предприятие Головной институт

100. Зам. главного инженера отделения1. Начальник отдела1. B.Ю. Ямов1. C.JI. Буторин А.И. Попов