Бирбраер А.Н. - Расчет конструкций на сейсмостойкость

Б64

Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. - СПб.:Наука, 1998.-255 с, ил. 70.

ISBN 5-02-024883-5

Книга посвящена расчету конструкций на воздействие землетрясений. Особое внимание уделено вопросам сейсмостойкости АЭС, наряду с которыми рассматриваются также и обычные промышленные и гражданские объекты. Изложены основные аспекты проблемы: задание исходной сейсмологической информации, требования к конструкциям в зависимости от их ответственности, существующие методы сейсмических расчетов, выбор расчетных моделей конструкций, определение сейсмического воздействия на оборудование внутри зданий, динамические и прочностные расчеты сооружений и оборудования. Освещается отечественный и мировой опыт и требования к проектированию сейсмостойких АЭС. Даны примеры расчетов.

Книга предназначается для инженерно-технических и научных работников. Может также быть использована студентами, аспирантами и преподавателями соответствующих специальностей.

© А.Н. Бирбраер, 1998

© Оформление - А.И. Слепушкин, 1998

ПРЕДИСЛОВИЕ

Во все времена люди стремились предотвратить разрушение сооружений при землетрясениях, но к достаточно обоснованному решению данной задачи человечество подошло лишь в XIX-XX веках. Важнейшей предпосылкой к этому явилось развитие физики Земли, позволившее лучше понять природу землетрясений, а также общий прогресс науки и техники, появление новых строительных материалов и методов строительства. Значительное продвижение в этой области достигнуто за последние десятилетия в связи со строительством особо ответственных промышленных объектов, прежде всего атомных электростанций (АЭС).

Проблема обеспечения сейсмостойкости такого объекта включает в себя различные аспекты: выбор расположения площадки строительства; детальное определение ее геологических условий; задание исходной сейсмологической информации; обеспечение сейсмостойкости сооружений за счет адекватного выбора их компоновки и конструктивных схем, достаточной точности сейсмических и прочих расчетов, надлежащего качества материалов и строительных работ; обеспечение сейсмостойкости технологического и другого оборудования и т.д.

В предлагаемой читателю книге из всего многообразия названных проблем главное внимание уделено сейсмическим расчетам конструкций (под которыми понимаются как строительные конструкции, так и оборудование). Такие расчеты относятся к области динамики механических систем, но отличаются от расчетов на иные динамические нагрузки принципиальной невозможностью точного задания возмущающего воздействия, поскольку сейсмическое движение грунта - это случайный процесс, конкретная реализация которого зависит от многих трудноучитываемых факторов.

Поэтому в сейсмических расчетах используются специфические методы задания воздействия и определения ответной реакции системы, основанные на вероятностных соображениях.

В книге сделана попытка изложить современное состояние проблемы сейсмических расчетов как обычных промышленных и гражданских сооружений, так и (особенно) АЭС, Она написана на основе опыта расчетов сейсмостойкости АЭС в Санкт-Петербургском институте "Атомэнергопроект". В ней отражены также мировая практика проектирования сейсмостойких АЭС и рекомендации Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). При написании книги оказался полезным и опыт преподавания автором курса "Сейсмостойкость сооружений" в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Сейсмический расчет конструкции можно условно разделить на четыре подпроблемы: 1) задание исходных данных, в том числе сейсмических; 2) определение инерционных сейсмических нагрузок или вызванных ими перемещений конструкции; 3) вычисление внутренних усилий в самой конструкции, ее опорах, основании здания и т.д. при сочетании сейсмических и других нагрузок; 4) оценка сейсмостойкости (прочности, работоспособности и т.д.) конструкции.

Из этих четырех задач основное внимание уделено первым двум. Две другие решаются в целом так же, как при иных нагрузках, поэтому в тексте лишь кратко отмечены их особенности, вызванные характером рассматриваемого воздействия.

При написании книги автор стремился не только дать читателю общее представление о проблеме, но и описать конкретные приемы, методы, численные значения параметров и т.п., используемые при расчетах на сейсмостойкость в нашей стране и за рубежом. Но сейсмостойкое проектирование и расчеты опираются на достижения многих научных дисциплин: геофизики и инженерной сейсмологии, механики грунтов, математики, строительной механики, динамики конструкций, гидродинамики и др. Поэтому невозможно в ограниченном объеме книги детально обосновать все приведенные методы и формулы, в связи с чем многие из них даны без доказательств, а для некоторых методов дано только общее описание. Подробности и доказательства можно при необходимости найти в цитированной литературе.

Практические сейсмические расчеты сегодня являются по форме детерминистическими (невероятностными), хотя, как сказано выше, их методы основаны на вероятностных предпосылках. Полное изложение последних потребовало бы значительного увеличения объема книги и потому, как правило, не приводится. В соответствующих местах сделаны лишь некоторые указания и "наводящие рассуждения" по поводу вероятностной природы излагаемых фактов.

Книга адресована в первую очередь строителям, но большинство ее разделов могут быть интересны и разработчикам оборудования. Она также может служить пособием для студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

Автор искренне признателен рецензентам проф., д-ру техн. наук А.В. Тананаеву и проф., д-ру техн. наук С.Г. Шульману, сделавшим полезные замечания, которые автор с благодарностью учел. Автор также глубоко благодарен начальнику департамента Минатомэнерго России А.Л. Лапшину, директору Санкт-Петербургского института "Атомэнергопроект" В.Н. Коркунову, главному инженеру К.Л. Сукневу и заместителю главного инженера И.В. Кухтевичу, без моральной и финансовой поддержки которых эта книга не могла бы увидеть свет.

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ДИНАМИКИ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Число степеней свободы системы

Расчет любой конструкции (сооружения, оборудования, трубопровода) начинается с выбора ее расчетной схемы, т.е. аналитической модели, описывающей поведение реального прототипа (его перемещения, ускорения, внутренние усилия и т.п.). Требования к такой схематизации противоречивы: с одной стороны, чтобы уменьшить трудоемкость расчетов и сделать их результаты более обозримыми и ясными, желательно иметь как можно более простую модель; с другой стороны, выбранная расчетная схема должна обеспечивать требуемую точность результатов, а также не "терять" важные для рассмотрения особенности поведения конструкции.

Простейшей расчетной схемой, при которой исключаются из рассмотрения податливости как самой конструкции, так и ее опор, является представление конструкции как абсолютно твердого тела на недеформируемой опоре. Если учет податливости необходим, то применяются более сложные схематизации в виде систем с конечным или бесконечным числом степеней свободы. Как известно, числом степеней свободы механической системы называется количество взаимно независимых координат, однозначно определяющих ее положение в пространстве. Обычно различают дискретные и континуальные системы. Первые имеют конечное число точек и соответственно их координат (степеней свободы). Континуальные, т.е. непрерывные (или сплошные) системы (стержни, пластинки, оболочки, объемные тела) имеют бесконечно большое число точек и степеней свободы. Движение дискретных систем описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями, а континуальных - уравнениями в частных производных.

Разумеется, все реальные физические тела являются сплошными, т.е. в принципе должны были бы схематизироваться как континуальные системы. Однако для решения инженерных задач часто могут применяться и более простые схемы. Их сложность зависит от соотношения динамических характеристик конструкции и воздействия, характера искомых результатов, а также от имеющихся в наличии вычислительных средств и программного обеспечения. Например, для расчета колебаний здания при относительно низкочастотном динамическом воздействии (сейсмическом, ветровом и т.п.) может быть применена достаточно простая схема с небольшим числом степеней свободы. Однако использование такой схематизации для расчета колебаний при высокочастотном возмущении (например, воздействие воздушной взрывной волны, удар в здание АЭС самолета и т.п.) приведет к "потере" реакции сооружения на высоких частотах, которая часто и представляет наибольший интерес. Неприменима подобная упрощенная схема и для нахождения внутренних усилий в конструкции. Таким образом, одна и та же конструкция при решении разных задач может схематизироваться по-разному.

Следует подчеркнуть, что иногда разумно выбранная простая расчетная схема может дать лучший результат, чем сложная. Выбор оптимальной схематизации зависит от опыта и интуиции инженера-расчетчика и в значительной мере является искусством.