Расчет устойчивости откосов при сейсмике

Расчет на сейсмостойкость — как проводится, особенности и методы

Что такое расчет на сейсмику и в каких случаях он применяется? Какие методы сегодня используют и в чем их плюсы и минусы? Что является основанием для решения о выдаче сертификата сейсмостойкости? Об этом и многом другом рассказывают эксперты компании “ЛенТехСертификация”.

Нюансы в подготовке расчетной схемы

Чтобы правильно применить сейсмику к расчетной схеме, необходимо уточнить несколько нюансов, касаемых граничных условий.

• Если в расчетной схеме отражен свайный фундамент с помощью конечных элементов №51, которые их моделируют, то такие элементы следует заменить на жесткие связи во всех направлениях, ограничив так же и углы поворота.
• Если же в расчетной схеме здания или сооружения присутствуют модель фундамента на естественном основании, то в этом случае следует увеличить в 10 раз модули деформации грунтов при назначении коэффициентов постели (например, в программе КРОСС).

Расчет на сейсмостойкость

Под сейсмостойкостью понимается способность конструкций сохранять предусмотренные проектом функции после сейсмического воздействия.

Сейсмическое воздействие – это особый вид нагрузки, возникающей при движении грунта из-за природных или техногенных факторов, например, землетрясение, взрывы, движение транспорта, работа оборудования. Такое воздействие приводит к движению, деформации, а иногда к разрушению зданий, сооружений, и других объектов.

Землетрясения являются одним из наиболее частных природных явлений, каждый год сейсмологами регистрируется десятки тысяч землетрясений. Наиболее сильные землетрясения приводят к разрушению несущих конструкций, обвалу кирпичных стен, растрескиванию почвы.

Особенно актуален расчет на сейсмическое воздействие в области атомной энергетики. Это связано с рядом крупнейших аварий, вызванных сейсмическими воздействиями, одна из которых, произошедшая 11 марта 2011 года на АЭС «Фукусима-1» в Японии, нанесла серьезный ущерб окружающей среде.

Согласно НП-031-01 при проектировании АЭС необходимо производить обоснование сейсмостойкости оборудования и строительных конструкций.

Есть два способа обоснования сейсмостойкости оборудования и строительных конструкций:

• Экспериментальное обоснование;
• Расчетное обоснование.

Экспериментальное обоснование – способ, позволяющий получить абсолютное подтверждение сейсмостойкости оборудования или строительной конструкции. Этот способ считается предпочтительным, однако он имеет определенные недостатки. В частности, не всегда существует возможность проведения определенного эксперимента. Например, в экспериментальных условиях невозможно создать сейсмику, соответствующую требованиям, предъявляемым к конструкции или оборудованию. Также проведение эксперимента может быть сопряжено с большими экономическими затратами. Например, для проведения эксперимента необходимо изготовить стенд, на котором будет закреплено и подвергаться рабочим нагрузкам оборудование, затем, если приложение дополнительных нагрузок, таких как: сейсмика, падение самолета, воздушно-ударная волна, приведет к разрушению стенда, то дорогостоящее оборудование может тоже стать непригодным к использованию.

Поэтому все чаще используется расчетное обоснование сейсмостойкости оборудования и строительных конструкций.

Расчет сейсмическое воздействие в продуктах APM

В программных продуктах линейки APM реализованы несколько методов определения динамической реакции при сейсмическом воздействии:

1. Статический анализ или метод эквивалентной статической нагрузки используется путем задания статического нагружения исследуемой конструкции инерционной нагрузкой, распределенной или сосредоточенной в узлах расчетной модели. В свою очередь, инерционная нагрузка определяется как произведение весовой нагрузки конструкции на набор соответствующих коэффициентов, определяемых по СП или аналогичным нормативным документам. Применение метода эквивалентной статической нагрузки ограничивается оборудованием и компонентами, которые имеют первую собственную частоту колебаний выше 20 Гц.
2. Линейно спектральный метод расчета предполагает проведение модального анализа рассматриваемой конструкции. На этом этапе определяются формы и частоты собственных колебаний вплоть до характерной частоты fmax, соответствующей ускорению нулевого периода. Далее, система загружается инерционной нагрузкой по каждой из вычисленных форм колебаний и для каждого пространственного направления сейсмического воздействия. В качестве исходных данных используют спектры ответа или спектры отклика – график отклика (смещения, скорости или ускорения) осциллятора различной собственной частоты при внешнем возмущении.
   При этом для каждой из форм колебаний и направления сейсмического воздействия определяется полный отклик системы: распределение внутренних усилий, перемещения и реакции опор и т.д. Учет влияния высших форм колебаний, не включенных в основной модальный отклик, проводится путем статической коррекции. При этом особое внимание должно быть уделено различным сейсмическим смещениям жестких заделок и опор конструкций. Результирующий ответ конструкции вычисляется с использованием правила суммирования ККСК (корень квадратный из суммы квадратов).
3. Динамический метод. Этот метод предполагает численное интегрирование уравнений движения (прямое интегрирование) или разложение по собственным формам (метод суперпозиций мод). При анализе данным методом в качестве исходной информации чаще всего используются акселерограммы, показывающие зависимость ускорения от времени. Динамический метод требует больших затрат вычислительных мощностей.
4. При решении задач сейсмостойкости строительных конструкций используется метод задания сейсмики по СП 14.133.30.2014 – Строительство в сейсмических районах.

Расчёт общей и местной устойчивости

Наиболее опасные предельные состояния связаны с потерей устойчивости элементов и системы в целом. В расчётном комплексе SCAD Office имеется режим проверки устойчивости, который позволяет вычислить:

• Коэффициент запаса устойчивости (показывает во сколько раз нужно увеличить заданную нагрузку, чтобы система потеряла устойчивость);
• Форму потери устойчивости;
• Расчётные длины стержневых элементов.

Требования норм

Требования к проверке общей устойчивости стальных конструкций содержится в пункте 4.3.2 СП 16.13330.2011

Отношение критической нагрузки к расчетной для стержневых конструкций, рассчитываемых как идеализированные пространственные системы с использованием сертифицированных вычислительных комплексов (согласно 4.2.5, 4.2.6), должно быть не меньше коэффициента надежности по устойчивости системы ys = 1,3.

А к проверке железобетонных конструкций в приложении В СП 63.13330.2012 пункт В.8

При расчете на устойчивость конструктивной системы следует производить проверку устойчивости формы конструктивной системы, а также устойчивости положения конструктивной системы на опрокидывание и на сдвиг.

и в пункте 6.2.8 СП 52-103-2007:

…При расчете устойчивости формы конструктивной системы рекомендуется принимать пониженные жесткости элементов конструктивной системы (учитывая нелинейную работу материала), поскольку устойчивость конструктивной системы связана с деформативностью системы и отдельных элементов. При этом значение понижающих коэффициентов в первом приближении рекомендуется принимать, как указано в пп. 6.2.6, 6.2.7 с учетом того, что устойчивость конструктивной системы зависит от сопротивления в основном внецентренно сжатых вертикальных элементов при длительном действии нагрузки и в стадии, приближающейся к предельной. Запас по устойчивости должен быть не менее чем двукратным.

Задание исходных данных

Исходные данные для расчёта общей устойчивости системы находятся в специальных исходных данных:

В появившемся окне задаётся вид расчёта, верхняя граница поиска (граница выше которой поиск коэффициента запаса устойчивости не будет производиться, и от каких нагрузок или комбинаций будет производиться расчёт:

Более подробно об теоретическом обосновании можно прочитать в справке SCAD Office, особенно стоит обратить внимание на различия в результатах расчёта устойчивости стержней между строительными нормами и SCAD.

Анализ результатов

Коэффициент запаса устойчивости системы будет указан в протоколе, также там будет указан элемент с наименьшим коэффициентом запаса при неподвижных узлах системы.

Во вкладке перемещения — можно посмотреть формы потери устойчивости.

Во вкладке «Постпроцессоры»/»энергетический процессор» — элементы с отрицательной энергией будут ответственны за потерю устойчивости. Чем больше отрицательное значение у элемента, тем больше он отвечает за потерю устойчивости..

Дополнительная информация

А.В. Перельмутер В.И. Сливкер Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. 2011. Раздел 9. Задачи устойчивости и смежные вопросы.

Сейсмическое районирование России

Согласно СП 14.13330.2014:

4.3* Интенсивность сейсмических воздействий в баллах (фоновую сейсмичность) для района строительства следует принимать на основе комплекта карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации (ОСР-2015), утвержденных Российской академией наук. Указанный комплект карт предусматривает осуществление антисейсмических мероприятий при строительстве объектов и отражает 10%-ную — карта А, 5%-ную — карта В, 1%-ную — карта С вероятности возможного превышения (или 90%-ную, 95%-ную и 99%-ную вероятности непревышения) в течение 50 лет указанных на картах значений сейсмической интенсивности. Указанным значениям вероятностей соответствуют следующие средние интервалы времени между землетрясениями расчетной интенсивности: 500 лет (карта А), 1000 лет (карта В), 5000 лет (карта С). Список населенных пунктов Российской Федерации, расположенных в сейсмических районах, с указанием расчетной сейсмической интенсивности в баллах шкалы MSK-64 для средних грунтовых условий и трех степеней сейсмической опасности — А (10%), В (5%), С (1%) в течение 50 лет приведен в приложении А*.

Карта А предназначена для проектирования объектов нормального и пониженного уровня ответственности. Заказчик вправе принять для проектирования объектов нормального уровня ответственности карту В или С при соответствующем обосновании.

Решение о выборе карты В или С, для оценки сейсмичности района при проектировании объекта повышенного уровня ответственности, принимает заказчик по представлению генерального проектировщика.

СЕЙСМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ РОССИИ. ОСР-2015-А

НАЖМИТЕ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ КАРТЫ

СЕЙСМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ РОССИИ. ОСР-2015-В

НАЖМИТЕ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ КАРТЫ

СЕЙСМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ РОССИИ. ОСР-2015-С

НАЖМИТЕ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ КАРТЫ

Согласно СП 14.13330.2011 не действует.

Согласно СП 14.13330.2011:

4.3 Интенсивность сейсмических воздействий в баллах (сейсмичность) для района строительства следует принимать на основе комплекта карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации (ОСР-97), утвержденных Российской академией наук. Указанный комплект карт предусматривает осуществление антисейсмических мероприятий при строительстве объектов и отражает 10%-ную — карта А, 5%-ную — карта В, 1%-ную — карта С вероятности возможного превышения (или 90%-ную, 95%-ную и 99%-ную вероятности непревышения) в течение 50 лет указанных на картах значений сейсмической интенсивности. Указанным значениям вероятностей соответствуют следующие средние интервалы времени между землетрясениями расчетной интенсивности: 500 лет (, 1000 лет (, 5000 лет (. Список населенных пунктов Российской Федерации, расположенных в сейсмических районах, с указанием расчетной сейсмической интенсивности в баллах шкалы MSK-64 для средних грунтовых условий и трех степеней сейсмической опасности — А (10%), В (5%), С (1%) в течение 50 лет приведен в приложении Б.

Комплект карт ОСР-97 позволяет оценивать на трех уровнях степень сейсмической опасности и предусматривает осуществление антисейсмических мероприятий при строительстве объектов различной ответственности: карта А — объекты нормальной (массовое строительство) и пониженной ответственности; карты В и С — объекты повышенной ответственности (особо опасные, технически сложные или уникальные сооружения)
Значение сейсмической нагрузки следует уточнять с учетом сочетаний сейсмичности (балльности) для данной площадки на картах А, В, С, уровня ответственности и назначения сооружения согласно таблицам 3 и 4.

НАЖМИТЕ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ КАРТЫ

Сложные конструкции многоэтажных зданий

К конструкциям сложных многоэтажных зданий относятся несимметричные системы, проектирование которых предусматривает проведение специальных мероприятий, обеспечивающих их сейсмостойкость. Примеры таких зданий при землетрясениях весьма многочисленны, особенно при наличии дискретных вертикальных стен-диафрагм. На опыте экспериментальных исследований в отечественных нормах сейсмостойкого проектирования для конструкции зданий с прерывистыми стенами-диафрагмами приведены соответствующие способы сейсмостойкого проектирования. Применимость таких конструкций зданий ограничивается 9-балльным землетрясением, а их высота ниже, чем при использовании сплошных стен диафрагм.

«Техническая инструкция по проектированию конструкций высотных зданий» содержит ограничение проектирования конструкций в сейсмических районах. Под воздействием сейсмики несимметричные конструкции легко проявляют недостатки. Для повышения сейсмостойкости конструкций необходимо соблюдение правил проектирования и соответствующих рекомендаций, проведение специальных исследований.

1. При 9-балльной сейсмической активности уже не применимы многие возможные конструктивные решения.

2. При строительстве многоэтажных зданий в районах с сейсмостойкостью 7, 8 баллов не рекомендуется применять более двух различных типов конструкций (сложные здания). Это приводит к серьезным разрушениям.

3. Для конструкций зданий с разноуровневыми этажами, выполненных на основе каркасной системы со стенами-диафрагмами, строго ограничивают высоту здания. При сейсмичности района 7, 8 баллов высоты зданий с разноуровневыми этажами и стенами-диафрагмами должно быть менее 80 и 60 м соответственно. Конструкции с разноуровневыми этажами имеют несимметричную структуру, недостаточное число реакций для восприятия горизонтальных сил, ослабления из-за разноуровневых этажей. Практика показала, что такие конструкции обладают меньшей сейсмостойкостью и высота их должна быть строго ограничена.

Расчет устойчивости откосов при сейсмике

Сейсмическое микрорайонирование (СМР) — определение сейсмичности площадки изысканий на основе материалов уточнения исходной сейсмичности (УИС), детального сейсмического районирования с учётом локальных грунтовых условий по данным инженерно-геологических изысканий.

Детальное сейсмическое районирование, уточнение исходной сейсмичности – оценка сейсмичности района или площадки строительства без учёта влияния локальных грунтовых условий, может рассчитываться на уровень коренных пород, либо на «эталонный грунт» (обычно грунт II категории или наиболее распространённый грунт на территории региона). Данный этап обычно предшествует сейсмическому микрорайонированию и предусматривает сейсмотектонические и сейсмологические исследования.

Проведение cейсмического микрорайонирования площадок строительства зданий и сооружений предусмотрено в районах с сейсмичностью 7, 8 или 9 баллов согласно предварительной оценке на основе карт общего сейсмического районирования и табл. 1 СП 14.13330.2014. Сейсмическое микрорайонирование входит в состав комплексных инженерно-строительных изысканий.

Область применения

Нормативная база

Сейсмическое микрорайонирование. Фрагмент карты СМР

Компания ГЕОФИЗТЕХ проводит сейсмическое микрорайонирование местности, используя современные инструментальные, теоретические и программные разработки. Для наиболее ответственных объектов проводятся дополнительные работы по уточнению исходной сейсмичности площадки строительства или детальное сейсмическое районирование исследуемых территорий. Специалисты ГЕОФИЗТЕХ имеют опыт и возможности по сбору материалов и построению региональных баз данных параметров региональной сейсмичности, зон возможных очагов землетрясений, подбору соотношений затухания динамических параметров прогнозируемых сейсмических воздействий с учётом передового международного опыта в области оценки сейсмической опасности.

Разрез и годограф для поперечных сейсмических волн, по горизонтали отметка по профилю (в м), по оси ординат снизу времена вступления волн, по оси ординат сверху глубина, цифрами на разрезе приведены значения скоростей сейсмических волн (в м/с)

В комплекс работ по сейсмическому микрорайонированию входят инженерно-геологические и инструментальные исследования, теоретические расчеты и специальные работы по выбору эталонных грунтов.

При инженерно-геологических исследованиях мы используем методы наземной инженерной сейсморазведки: метод преломленных волн (МПВ, КМПВ), метод анализа поверхностных волн (MASW), а также методы электроразведки: вертикальное электрозондирование (ВЭЗ) и его модификации, электропрофилирование (ЭП).

Дополнительно проводим инструментальные сейсмологические наблюдения для регистрации микросейсм и землетрясений на исследуемой территории. Для получения параметров прогнозируемых сейсмических воздействий для принятия проектных решений на последней стадии проектирования производятся специальные расчёты по методу сейсмических жесткостей (МСЖ) и методам моделирования с подбором акселерограмм-аналогов.

Определение активности сегментов тектонического разлома

Зависимости интенсивности пикового ускорения грунта (PGA) от периода повторяемости для рассматриваемой площадки

Результаты деагрегационного анализа позволяют оценить характеристические землетрясения, то есть наиболее вероятные для заданного уровня сейсмических воздействий

Подбор акселерограмм-аналогов на основе проектного спектра реакции для заданного периода повторяемости по мировым источникам и собственному банку данных

Этапы работ

Основные этапы СМР

Работы по проведению работ по сейсмическому микрорайонированию проходят в 2 этапа:

I этап. Проведение полевых работ.

II этап. Обработка и анализ данных с помощью современного специализированного программного обеспечения, составление отчета.

Наши преимущества

1. Высокая квалификация и большой опыт инженерного и научного персонала являются залогом качества проводимых работ.
2. Современное оборудование и программное обеспечение способствуют увеличению производительности, повышению качества и сокращению сроков проведения работ.
3. Большая база данных выполненных работ.
4. Прозрачный расчёт стоимости проводимых работ.

Отправьте заявку по e-mail или свяжитесь с нами по телефону. Для задач вашего проекта в течение пяти рабочих дней будут подобраны оптимальные варианты решений с более детальным описанием и расчётом стоимости.