МОГИЛЮК ЖАННА ГЕННАДИЕВНА

Москва - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Защита состоится «22» декабря 2011 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.138.12 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское ш., д.26, в ауд. № 420 УЛК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «_____» _____________________ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Анохин Н.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Исследование нагрузок и воздействий на здания и сооружения является одним из важных направлений исследований в области строительной механики. Важность исследований в этой области непосредственно связана с постановкой задачи архитектурно-строительного проектирования и, как следствие, с качеством проекта в плане устойчивости зданий и сооружений не только к нормируемым, но и к, так называемым, «сверхпроектным» нагрузкам и воздействиям. Особую актуальность исследование сверхпроектных нагрузок приобретает в случаях сверхпроектного износа строительных конструкций ответственных строительных объектов, включая АЭС, большепролетные и высотные здания и сооружения.

В настоящее время в условиях интенсивного роста объемов и темпов строительства, а также развития строительного комплекса в целом в крупных городах и мегаполисах наблюдается процесс ужесточения требований к вместительности и функциональности объектов строительства, к эффективности использования ограниченного числа свободных земельных участков под застройку, что, как правило, ведет к увеличению этажности строительства, повышению нагрузок на фундаментные конструкции и грунты основания.

Согласно основным положениям монографии [ Нагрузки и воздействия на здания и сооружения / В.Н.Гордеев, А.И.Лантух-Ляшенко, В.А.Пашинский, А.В.Перельмутер, С.Ф.Пичугин; Под общей редакцией А.В.Перельмутера.- М.: Изд. АСВ, 2007, 482 с.] при всем многообразии нагрузок и воздействий при проектировании решаются вопросы выбора их расчетных значений, моделирования в расчетах строительных конструкций, определения реакции сооружения на внешние воздействия и оценки взаимодействия конструкции с нагрузкой. Понятие «взаимодействие» указывает не только на то, что внешняя среда влияет на конструкцию, но и на то, что конструкция может влиять на окружающую среду.

Феодосьев В.И. в монографии [ Десять лекций-бесед по сопротивлению материалов / В.И.Феодосьев - М.: Наука, 1975. - 174 с.] рассматривает различия между силовым и деформационным нагружением конструкции, в том числе два возможных способа создания в ней механических напряжений:

§ приложением некоторой нагрузки, вызывающей напряжение;

§ принудительным деформированием, создающим деформацию, которой соответствует такое же напряжение, как и в первом случае.

Поскольку различие между двумя способами создания напряжений существенно, автор [2] предлагает другое прочтение закона Гука: «Если в упругой системе большие силы приводят к малым деформациям, то ее малые деформации могут стать причиной возникновения больших усилий в системе». По этой причине автор [2] считает, что особое внимание должно быть уделено нагрузкам в виде перемещений узлов и опор плоских и пространственных стержневых систем.

Учитывая корректность подобной интерпретации закона Гука и ее эффективное применение при расчетах плоских и пространственных стержневых систем, можно утверждать, что развитие в системе типа «объект-основание» неучтенных современными методами расчета неравномерных деформаций основания может приводить к возникновению в строительных конструкциях больших сверхпроектных усилий и/или моментов, требующих специальных исследований и оценок.

На основании вышеизложенного, а также на основе комплексного анализа других рассмотренных источников научной литературы в области строительной механики, в рамках настоящей диссертационной работы было выполнено исследование влияния малоизученных ранее микровибродинамических многоцикловых нагрузок в системе «объект - основание» на процесс формирования деформационных воздействий на строительные конструкции зданий и сооружений, приводящих к возникновению в них требующих учета усилий и/или моментов.

Учитывая, что в последние годы наблюдается рост числа строительных аварий не только в связи со значительным износом несущих конструкций и коммуникаций ЖКХ, но также и объектов нового строительства, в том числе в связи с недооценкой при проектировании малоизученных микровибродинамических процессов формирования сверхпроектных нагрузок как на элементы несущих конструкций, так и в системе «объект-основание», в результате которых экономический ущерб в масштабах России исчисляется сотнями миллиардов рублей и существенно возрастает угроза здоровью и жизни населения, можно утверждать, что исследование и расчетная оценка путем моделирования дополнительных нагрузок на строительные конструкции в результате малоизученных деформационных проявлений микровибродинамических процессов в основаниях строительных объектов является одной из актуальных тем современной строительной механики и практики проектирования.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка расчетных моделей и алгоритмов для оценки сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции, формирующихся в результате многоциклового микровибродинамического взаимодействия строительных объектов и оснований и являющихся одной из аварийно опасных причин скрытого и неравномерного накопления остаточных деформаций, в частности, в грунтах оснований строительных объектов при слабом проявлении пластичности под действием долговременных микровибродинамических нагрузок в диапазоне частот более 0,1 Гц. Сопутствующей целью является своевременное (на стадии проекта или обследования) выявление и корректная интерпретация возможных последствий развития предаварийных и аварийных процессов в строительных конструкциях, связанных с формированием плавных отказов данного типа в системе «объект - основание» в виде сверхпроектных осадок, создающих требующие учета усилия и/или моменты в несущих конструкциях, и, как следствие, продление срока безопасной эксплуатации строительных объектов, повышение надежности и рентабельности эксплуатации зданий и сооружений.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

§ провести обзорно-аналитическое исследование новых и широко используемых в области механики твердого тела и строительной механики методов решения аналогичных задач;

§ на основе проведенного обзора выбрать и обосновать расчетную модель и метод расчета;

§ разработать обобщенную численную модель микровибродинамического нагружения упругой среды со слабым проявлением пластичности при микровибродинамических нагрузках;

§ провести расчетное моделирование распределения интенсивности микровибродинамических напряжений в основаниях при возбуждении волновых процессов в системе типа «объект - основание» для реальных строительных объектов и сравнить полученные результаты с результатами проведенных обследовательских работ;

§ сформулировать предложения о применимости разработанных моделей и алгоритмов в инженерных расчетах строительных конструкций и объектов, указать границы области применения, определить возможные пути дальнейшего развития метода.

Научная новизна работы состоит в следующем:

§ Разработан, программно реализован и зарегистрирован в Роспатенте пакет алгоритмов для расчета распределения интенсивности полей микровибродинамических напряжений и деформаций продольного, сдвигового и релеевского модального состава в системах типа «объект - основание» для типовых схем и конфигураций площадки нагружения;

§ Разработаны численные модели для расчета параметров накопления остаточных деформаций под действием долговременных микровибродинамических нагрузок в диапазоне частот более 0,1 Гц, позволяющие на этапе проектного моделирования своевременно выявить и дать корректную оценку возможных предаварийных и аварийных процессов, связанных с формированием сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в системе типа «объект - основание». Входные данные являются универсальными, что дает возможность использовать разработанные модели в сочетании с различными методами расчета конструкций;

§ Выполнена разработка и отработка методов выявления на численных моделях реальных строительных объектов зон реализации аварийно опасных сверхпроектных деформационных нагрузок на конструкции строительных объектов, в том числе экологически опасных.

§ Разработаны типовые схемы расчетного моделирования взаимодействия строительных конструкций и оснований методом комплексирования элементарных источников микровибродинамических нагрузок, позволяющие формировать при моделировании адекватные реальным поля распределения интенсивности волновых напряжений и деформаций в основании, соответствующие излучению простых и сложных конструкций виброактивных фундаментов.

Методы исследования. В работе автор использовал:

§ материалы инструментальных и теоретических исследований, выполненных в 2000-2008 годах Научно-исследовательским институтом экспериментальной механики (НИИЭМ) ФГБОУ ВПО «МГСУ»;

§ методы аналитической геометрии для разработки алгоритмов трехмерной дискретизации модели упругой среды основания со слабым проявлением пластичности при микровибродинамических нагрузках;

§ прикладную динамическую теорию упругости, разработанную в рамках проектов Научно-инновационного сотрудничества Минобразования и Минатома России № 3.01-02 “Натурная верификация инструментальных методов аттестации параметров геодинамической безопасности АС”;

§ модальный и вибродозиметрический методы моделирования тонких и нелинейных микровибродинамических и деформационных процессов, разработанные в ФГБОУ ВПО «МГСУ» по заданию Минобразования РФ № 2.001.02Д;

§ результаты теоретических и экспериментальных исследований, опубликованные в научной литературе;

§ методы объектно-ориентированного программирования для расчета параметров микровибродинамического напряженно-деформированного состояния (НДС) в полупространстве упругих оснований со слабым проявлением пластичности.

Инженерные модельные исследования и расчеты по теме диссертационной работы проводились и финансировались в рамках проектов № 4.01-06 и №4.01-07 программ научно-инновационного сотрудничества Минатома, Минобороны, ФССС и Минобрнауки РФ, а также в рамках проекта №7185 Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2011 годы.

Достоверность работы обоснована сравнением и проверкой результатов, полученных при расчете систем «объект - основание» для реальных конкретных строительных объектов, с имеющимися данными их натурных инструментальных обследований и мониторинга.

Практическая значимость данного диссертационного исследования заключается в разработке инженерных информационных технологий для оценки сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции методом компьютерного моделирования распределения интенсивности полей микровибродинамических напряжений и деформаций, а также их остаточных деформационных проявлений в полупространстве упругих оснований со слабым проявлением пластичности, позволяющих на стадии проектирования или обследования принять меры повышения надежности и рентабельности, продления срока эксплуатации зданий и сооружений.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы применены при компьютерном моделировании зон формирования повышенных сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции в виде деформационных проявлений микровибродинамических процессов в основании машинного зала реакторно-турбинного цеха Нововоронежской атомной электростанции, далее АЭС, в рамках программы научно-технического сотрудничества Минатома и МГСУ, а также при исследовании по заказу собственника аварийно опасных деформационных процессов в строительных конструкциях сектора здания Дорогомиловского торгового центра в результате многоциклового действия микровибродинамических нагрузок в системе «объект-основание».

Личное участие автора в решении поставленных в данной диссертационной работе задач заключается в:

§ разработке расчетных численных моделей;

§ самостоятельной разработке и программной реализации алгоритмов расчетного моделирования;

§ разработке приемов инженерного применения современных информационных технологий при расчетном моделировании;

§ разработке способов выявления и отображения зон реализации аварийно опасных сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции в виде остаточных деформационных проявлений микровибродинамических волновых процессов в основаниях строительных объектов;

§ проведении расчета сверхпроектных деформационных нагрузок на несущие конструкции для реальных строительных объектов и сравнении полученных результатов с результатами проведенных обследовательских работ;

§ составлении выводов и рекомендаций по применению разработанных моделей, пакетов алгоритмов и программ в инженерных расчетах сверхпроектных нагрузок на несущие конструкции в виде остаточных деформационных проявлений долговременных микровибродинамических воздействий для расчетного моделирования реальных строительных объектов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на:

1) II Научно-технической конференции «Научно-инновационное сотрудничество Минобразования и ФССС РФ», Москва, МГСУ, 2003 г.

2) Межотраслевой научно-технической конференции по программе научно-технического сотрудничества Минатома и Минобразования РФ, Москва, МИФИ, 2003 и 2004 г.

3) Тематической научно-практической конференции «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан» в рамках Научно-технического конгресса по безопасности "Безопасность - основа устойчивого развития регионов и мегаполисов", Москва, МГСУ, 2005 г.

4) Международной конференции «Повышение безопасности зданий и сооружений в процессе строительства и эксплуатации», Москва, 2009 г.

5) 11 Международной межвузовской научно-практической конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов, Москва, ВВЦ, 2009 г.

6) V Международной конференции "Предотвращение аварий зданий и сооружений" (ПАЗиС), Москва, ГК "Измайлово", 2010 г.

7) Научно-технической конференции в рамках отраслевой выставки «ЖКХ-2010», Москва, 2010 г.

На защиту выносятся

§ результаты исследования, численного моделирования и оценки сверхпроектных нагрузок на несущие конструкции в виде остаточных деформационных проявлений долговременных микровибродинамических воздействий в основаниях реальных строительных объектов;

§ расчетная схема микровибродинамического нагружения системы «объект - основание» и расчетная модель микровибродинамического взаимодействия объекта и основания;

§ сравнительный анализ результатов, полученных при расчете интенсивности полей формирования сверхпроектных нагрузок в виде остаточных деформационных проявлений микровибродинамических процессов в основаниях реальных строительных объектов, с данными инструментальных натурных обследований указанных объектов;

§ выводы и рекомендации по применению разработанных моделей, алгоритмов и методов расчета сверхпроектных нагрузок на несущие конструкции в виде остаточных деформационных проявлений долговременных микровибродинамических воздействий в основаниях строительных объектов.

Работа выполнена на кафедре Прикладной Механики и Математики факультета Промышленное и гражданское строительство (ПГС) Мытищинского филиала ФГБОУ ВПО «МГСУ», а также в Научно-исследовательском институте экспериментальной механики (НИИЭМ) МГСУ.

Публикации. По материалам диссертационной работы в 2003-2011 годах опубликовано 26 статей и докладов, 7 из которых опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК, получено 5 свидетельств о регистрации пакета программ проектного моделирования в Роспатенте.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение и изложена на 158 страницах машинописного текста, включая 108 рисунков и 3 таблицы. Список использованных источников насчитывает 103 наименования.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, обоснована практическая важность достижения основных целей диссертации.

В первой главе на основе изучения литературных источников и нормативно-технической документации дается корректный анализ основных причин реализации аварий на строительных объектах, определены параметры интенсивности и спектры наиболее распространенных источников вибраций, природных и техногенных микровибродинамических воздействий на системы типа «объект-основание» в условиях крупных городов и промышленных зон, рассмотрены основные микровибродинамические явления, аккумулятивные деформационные эффекты, аргументируется обоснование выбора основного направления прикладных исследований и параметров доминирующих причинно-следственные связей ускоренного износа и критического роста сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции в условиях повышенной виброактивности, формируется основная теоретико-аналитическая база для постановки, алгоритмизации и решения поставленных задач диссертационной работы.

В результате обзорно-аналитических исследований установлено, что наиболее критический характер имеют проблемы безопасности строительных объектов, связанные с развитием предаварийных и аварийных процессов, которые отличаются трудно контролируемыми плавными отказами компонентов и системы «объект-основание» в целом. Это связано, главным образом, с ростом виброактивности источников микровибродинамических нагрузок на строительные конструкции зданий и сооружений. В научной литературе и нормативно-технической документации среди таких источников выделяются транспортные магистрали (метрополитен, городская железная дорога, автодороги различного класса), применяемое при строительстве технологическое оборудование (сваебойные копры, вибромолоты, буровые станки, формовочные машины, компрессоры, пилорамы, дробилки, грохоты, турбоагрегаты и др.), создающие микровибродинамическое воздействие на фундаменты строительных объектов.

Результаты обзорно-аналитического исследования позволили сделать вывод, что проектное моделирование аварийно опасных физико-механических процессов формирования сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции, таких как процессы скрытого неравномерного накопления остаточных деформаций упругих сред со слабым проявлением пластичности, в частности, грунтов оснований строительных объектов, под действием долговременных микровибродинамических нагрузок, является в настоящее время актуальной практической проблемой строительной механики.

Во второй главе диссертации проводится теоретический анализ пределов достоверности применения наиболее распространенных методов проектного моделирования эволюции напряженно-деформированного состояния строительных конструкций и их оснований и осуществляется выбор наиболее эффективного метода для решения поставленных в диссертации задач исследования и моделирования интенсивности полей микровибродинамических нагрузок на строительные конструкции в среде оснований со слабой пластичностью.

В рамках диссертационного исследования разработаны принципы расчетного моделирования сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции в виде остаточных деформационных проявлений микровибродинамических процессов в основаниях строительных объектов на базе модели точечного источника механических деформаций и принципов волновой акустики.

Существует два наиболее распространенных вида решения волновых уравнений упругих, например, сферических гармонических волн, каждое из которых обладает определенными особенностями и «удобствами» в плане их дальнейшего использования. Например, математически изящное комплексное представление решения волнового уравнения на частоте =2f:

, (1)

конструкция строительный деформация

где - соответственно максимальная и текущая амплитуда, длина волны, мнимая единица, является универсальным для решения академических задач математической физики и акустики.

Вместе с тем определенные сложности или метрологические «неудобства» возникают при сопоставлении или «настройке» таких виртуальных решений на реальные и метрологически достоверные показания приборов в конкретной точке наблюдения, то есть в случае прямого измерения упругих колебаний техническими средствами. В этом случае при инструментальной верификации, например, гармонического микровибродинамического возбуждения среды будет регистрироваться гармонический сигнал:

, (2)

где - отставание возбуждения по фазе, обусловленное временем распространения волны от источника до точки наблюдения.

В связи с этим в настоящем исследовании было целесообразно использовать представление решения волнового уравнения в форме (2). Перспективность такого выбора подтверждается возможностью представления любых исследуемых в диссертации, например, циклических микровибродинамических нагрузок суммой гармонических составляющих (рядом Фурье), а также источниками научно-технической литературы, в которых авторы предпочитают для гармонических волн использовать частное решение волнового уравнения типа (2) ([ Энциклопедия «Ультразвук». Под. ред. И.П.Галяминой [Текст]. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - с.71], [ Рябинкин Л. А. Теория упругих волн. Учебное пособие для вузов [Текст]/ Л. А.Рябинкин. - М.: Недра, 1987. - 182 с.] и др.).

Используемая в диссертации теория точечного элементарного (сферического с радиусом r_o) источника продольных акустических волн с длиной волны _р, основана на том, что такой источник обладает только скалярным волновым потенциалом

, (3)

где - приведенная скорость распространения продольной волны в среде, а, непосредственно, процесс динамического возбуждения среды можно записать в виде волнового уравнения:

или . (4)

Суть используемого в рамках диссертационного исследования вибродозиметрического метода оценки износа строительных конструкций и оценки устойчивости систем типа «объект-основание» заключается в том, что при многоцикловом микровибродинамическом нагружении упругопластичной среды удельная энергия микровибродинамических деформаций среды будет равна сумме двух компонент: упругой и кинетической ()

. (5)

В каждом элементарном объеме среды в результате пластических деформаций, обусловленных механическим гистерезисом, циклическое поглощении энергии разупрочнения, подчиняется закону:

, (6)

где ,b, - коэффициент разупрочнения, начальный коэффициент гистерезисного поглощения и коэффициент ослабления (усиления) этого поглощения по мере приближения к предельному разупрочнению или уплотнению материала. При этом, как показано в ряде классических монографий (в том числе: [ Ильюшин А.А. Пластичность. Часть первая. Упруго-пластические деформации [Текст]/ А.А.Ильюшин. - М.: Изд. «Проспект», МГУ, 2004. - 388 с.], [ Седов Л.И. Механика сплошной среды. Том 2 [Текст]/ Л.И.Седов. -М.: Наука, 1970. - 568 с.], [ Гольденблатт И.И. Нелинейные проблемы теории упругости [Текст]/ И.И.Гольденблатт. -М.: Наука, 1969. - 336 с.] и др.), для жестко-пластичных или хрупких материалов, таких как, например, горные породы и бетоны, характерно проявление циклической усталости в виде сегментации или роста плотности дефектов, включая прогрессирующее трещинообразование, сопровождающееся снижением прочности, а для упруго-пластичных сред, например, для большинства типов грунтов оснований, характерно проявление циклической усталости, например, в виде уплотнения.

Тогда можно составить уравнение эквивалентности для каждой из тензорных компонент остаточных деформаций за N=f·t циклов колебаний нагрузок с частотой следования циклов f, которые связаны непосредственно с разупрочняющим или уплотняющим изменением элементарного объема и/или с изменением его формы, а также принимая условие в<<b:

, (7)

. (8)

где _р , _s - коэффициенты удельного веса (в относительных единицах) доли энергии поглощения соответственно продольных и поперечных микровибродинамических напряжений, затраченной на разупрочнение, уплотнение или формоизменение. При изотермическом микровибродинамическом нагружении эти коэффициенты могут достигать 1.

Учитывая, что одной из задач диссертационной работы является расчетная оценка накопленных остаточных микродеформаций грунтов оснований, формирующих вертикальные осадки несущих конструкций зданий в критических точках, то есть в точках их максимальных проявлений, например, при стационарном характере интенсивности (постоянной амплитуде) возбуждения микровибровозмущений, используя формулу (7) получим выражение для осадок

, (9)

где z_o - нижняя граница расчетного объема, на которой амплитуды микровибродинамических деформаций меньше требуемой погрешности вычислений.

В третьей главе представлены результаты разработки алгоритма расчета микровибродинамического НДС в основании реального объекта исследования - машинного зала реакторно-турбинного цеха Нововоронежской атомной электростанции, далее АЭС. В главе приведены: результаты оценки деформационных проявлений в точках максимальных осадок в результате многоциклового микровибродинамического уплотнения грунтов основания объекта; дана интерпретация причинно-следственных связей ускоренного износа строительной конструкции и оборудования в связи с формированием плавных отказов в системе «объект-основание»; проведено сравнение и проверка результатов, полученных при расчете, с имеющимися данными обследований и геодезического мониторинга указанного объекта; сформулированы основные выводы и рекомендации по результатам расчетного моделирования.

В качестве проверочных данных при расчетном моделировании использовались материалы наблюдений нестабилизированных осадок за период более 20 лет, согласно которым в точках контроля осадок (см. рис. 2) не реализуется ожидаемая стабилизация осадок согласно проекту здания станции, а также результаты динамических исследований на площадке и на фундаментах корпусов зданий АЭС, выполненные профессором ФГБОУ ВПО «МГСУ» Шаблинским Г.Э.

Согласно исследованиям Росатомнадзора, выполненным главным научным сотрудником Научно-технического центра Росатомнадзора, д.т.н., проф. Ковалевичем О.М. [ Ковалевич О.М. Вероятностные характеристики микросейсмических проявлений на площадках ряда российских АС [Текст]/ О.М.Ковалевич // Сб. докладов I Научно-технической конференции «Научно-инновационное сотрудничество» Минатома и Минобразования России. -М.: МИФИ, 2002. - с.18] и ведущим научным сотрудником этого центра, к.г.-м.н. Фихиевой Л.М., в непосредственной близости от турбогенераторов, наблюдаются резонансные пики микровибродинамических колебаний на частотах 6,1, 8,5; 12,5 и 16,5 Гц, для которых среднестатистические амплитуды смещений, соответственно, равны: 0,5 мкм; 0,15 мкм; 0,7 мкм; 0,4 мкм.

Анализ спектральной плотности микровибродинамических колебаний и форм колебаний строительных конструкций показал, что в спектре отчетливо выделяется более 10 резонансных компонент, а в некоторые моменты времени максимум плотности достигается на доминирующей частоте около 12 Гц. На перекрытии объекта амплитуда колебаний находится в пределах до 100 мкм. Идентифицированные формы колебаний конструкций показали, что основной микровибродинамической модой возбуждения геодинамического резонанса системы «объект-основание» является вертикальная продольная.

Эквивалентная схема для моделирования микровибродинамического взаимодействия фундаментов турбогенераторов и основания машинного зала реакторно-турбинного цеха АЭС, приведенная на рис. 3, составлена путем комплексирования элементарных (точечных) источников продольных микровибродинамических волн по подошве фундаментных блоков каждого турбогенератора, изолированных от фундаментов ограждения реакторно-турбинного цеха АЭС.

В качестве результатов расчетного моделирования микровибродинамического взаимодействия фундаментов турбогенераторов и основания машинного зала АЭС получены эпюры распределения интенсивности микровибродинамических процессов в расчетном объеме основания, примеры которых приведены на рис. 4 и рис.5, а также эпюра осадок расчетного объема основания АЭС, приведенная на рис. 6.

Рисунок 3 - Эквивалентная схема моделирования вибродинамического взаимодействия фундаментов турбогенераторов и основания машинного зала АЭС в широкой полосе частот

Рисунок 4 - Эпюра распределения интенсивности нормальных напряжений для продольного и поперечного типа волн в плоскости первой (верхней) границы «жестко-пластического» пласта с углом наклона 5⁰

Рисунок 5 - Эпюра распределения интенсивности напряжений в проекции на ось Z для продольного и поперечного типа волн в вертикальной плоскости № 1 (вдоль исследуемого корпуса) с углом наклона первой акустически контрастной границы пластов 5⁰

Рисунок 6 - Эпюра осадок объекта в вертикальной плоскости

Учитывая, что толщина пластов тонкой структуры основания объекта была меньше четверти длинны волны на частотах доминирующей микровибродинамической нагрузки, эффекты отражения и преломления в тонкой структуре принимались согласно классическим представлениям пренебрежимо малыми (см., например, монографию академика Бреховских Л.М. [ Бреховских Л.М. Акустика неоднородных сред. Том 1 [Текст]/ Л.М.Бреховских, О.А.Годин. -М.: Наука, 2007. - 443 с.]) и в расчетном моделировании не учитывались.

На основании полученных расчетных данных сделаны следующие выводы и рекомендации.

В результате микровибродинамического возбуждения грунтов основания машинного зала реакторно-турбинного цеха АЭС под фундаментами турбогенераторов имеет место неравномерное циклическое уплотнение грунтов расчетного объема и происходит нарушение стабилизации осадок строительного объекта. Наряду с этим неоднородность и «наклонный» характер пространственной топологии тонкой структуры геологического разреза основания существенно усиливают рост неравномерности НДС и деформационных процессов.

В связи с этим возможно возникновение сверхпроектных напряжений в каркасе несущей конструкции и в стенах ограждения, следствием которых могут стать интенсивные процессы трещинообразования. Результатом реализации этих проявлений износа могут стать частичные разрывы монтажных стыков панелей ограждения и несущих колон, нарушение герметичности и жесткости крепления перекрытий. Перекосы валов турбогенераторов приведут к быстрому износу подшипников и муфтовых соединений.

Достоверность полученных результатов подтверждается данными целого ряда обследований состояния конструкций машинного зала АЭС и геодезическим мониторингом осадок в течение всего срока эксплуатации станции. Выявленные зоны повышенных остаточных деформационных проявлений микровибродинамических нагрузок и повышенной возможности их развития подтверждается характером и топологией реальных внешних проявлений (трещин и нарушения стабилизации осадок) ускоренного сверхпроектного износа строительных конструкций исследуемого корпуса АЭС, выявленных в процессе натурных обследований, проведенных ФГБОУ ВПО «МГСУ» под руководством профессора Шаблинского Г.Э. и обследований по линии Росатомнадзора, выполненных д.т.н. Ковалевичем О.М. и к.г.-м.н. Фихиевой Л.М.

В четвертой главе диссертационной работы представлены результаты разработки и применения алгоритма и программы моделирования и расчета микровибродинамического НДС в основании реального объекта исследования - секции большепролетного здания торгового центра; приведены результаты идентификации микровибродинамических причинно-следственных связей реализации сверхпроектных деформационных процессов, происходящих в основании секции исследуемого здания; сформулированы основные выводы и рекомендации по результатам расчетного моделирования.

Исследуемый объект представляет собой каркасное здание торгового центра с покрытием типа «Кисловодск» и антресольным этажом во втором свете. Несущими элементами исследуемой секции здания являются четыре металлические колонны, металлические конструкции покрытия и железобетонные отдельно стоящие фундаменты колонн, имеющих сетку 18Ч18 м.

Основанием для проведения исследовательских работ послужил факт неравномерной осадки колонн (наибольшей осадке в секции здания подверглись две колонны из четырех, расположенные по диагонали), скопления атмосферных вод на кровле здания и, как следствие, протечек, а также заметной при визуальном контроле осадки пола здания, выполненного по грунту. Задачей исследования являлось установление причин неравномерной осадки колонн и составление прогноза дальнейшей эволюции деформационных процессов в основании объекта.

В результате проведенного комплекса работ на объекте было установлено, что причиной сверхпроектных деформационных процессов в основании исследуемого объекта являются микровибродинамические воздействия на несущие конструкции.

С целью анализа характеристик и верификации типов колебательных движений фундаментов несущих колонн здания, вследствие микровибродинамического воздействия расположенных вблизи объекта перегона метро и ветки железной дороги, были выполнены исследования спектров микроускорений фундаментов колонн объекта с помощью аппаратуры, разработанной в ФГБОУ ВПО «МГСУ».

На основании данных спектрального анализа установлено, что амплитуды резонансного микровибродинамического возбуждения четырех фундаментов колонн секции здания существенно отличаются друг от друга. Компьютерное расчетное моделирование зон развития потенциально опасных деформационных процессов в основании исследуемого объекта, в рамках которого разработана компьютерная модель фундаментов несущих колонн здания и подстилающих слоев грунта на расчетную глубину, выполнено с учетом выявленной разности амплитуд резонансного возбуждения фундаментов колонн. результатом проведенного моделирования являются эпюры осадок расчетного объема основания в вертикальных плоскостях (рис. 7) и схемы деформирования несущего каркаса исследуемой секции здания (рис. 8).

Рисунок 7 - Эпюры осадок в вертикальных плоскостях 1-2 и 3-4

В результате проведенного исследования микровибродинамических нагрузок на несущие колонны и фундаменты, а также компьютерного моделирования неравномерных осадок колонн рассматриваемой секции здания за счет существенного отличия амплитуд их резонансного микровибродинамического возбуждения и, как следствие, неравномерной циклической нагрузки на грунты под фундаментами колонн выявлено следующее.

1. Расчетные значения осадок фундаментов несущих колонн исследуемого здания микровибродинамического происхождения соответствуют с небольшим отклонением (не более (10-20)%) данным геодезического мониторинга.

2. Неравномерное уплотнение грунтов под фундаментами несущих колонн исследуемой секции большепролетного здания вследствие действия микровибродинамических нагрузок формирует остаточные деформационные воздействия на несущие конструкции надземной части здания, приводящие к возникновению в них дополнительных требующих учета усилий и моментов. Выявленные неравномерные осадки фундаментов несущих колонн исследуемой секции увеличиваются с течением времени в связи с аккумулятивным характером последствий, увеличивая силовые и моментные нагрузки на несущие конструкции надземной части здания.

3. В результате анализа полученных схем деформирования несущего каркаса исследуемой секции рассматриваемого здания установлена объективная необходимость выполнения поверочных расчетов несущей способности и устойчивости каркаса здания инженерными методами строительной механики на действие неравномерной осадки опор и возникновения в связи с этим эксцентриситетов приложения нагрузки на несущие колонны, а также развития кренов, превышающих нормируемые допустимые величины.

Основные выводы и результаты

По материалам проведенного диссертационного исследования сформулированы следующие выводы и получены следующие основные результаты.

1. К числу основных причин ускоренного износа и снижения устойчивости зданий и сооружений следует отнести явление механического гистерезиса и аккумулятивные эффекты накопления остаточных деформаций в результате воздействия долговременных многоцикловых микровибродинамических нагрузок.

2. В результате выполнения диссертационной работы были разработаны численные модели для расчета параметров сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в результате накопления остаточных деформаций под действием долговременных волновых микровибродинамических нагрузок в диапазоне частот более 0,1 Гц, позволяющие на этапе проектного моделирования своевременно выявить и дать корректную оценку возможных, например, остаточных деформационных последствий развития предаварийных и аварийных процессов в системе типа «объект - основание».

3. Разработаны и отработаны принципы выявления зон реализации аварийно опасных сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в виде остаточных деформационных проявлений многоцикловых микровибродинамических воздействий на моделях неравномерного распределения интенсивности полей микровибродинамических напряжений в основаниях строительных объектов.

4. Выполнена натурная верификация разработанных моделей, алгоритмов и принципов на основе расчета сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в виде неравномерных осадок в результате остаточных деформационных проявлений долговременных микровибродинамических нагрузок в основаниях реальных строительных объектов, в том числе машинного зала реакторно-турбинного цеха АЭС и секции большепролетного здания торгового центра, подтвердившая их достоверность.

5. Результаты диссертационной работы подтвердили перспективность продолжения исследований в данном направлении, в том числе в части разработки алгоритмов и численных моделей полей распределения интенсивности широкополосных микровибродинамических нагрузок и их остаточных деформационных проявлений, вызванных микровибродинамическим возбуждением поперечных, отраженных и преломленных волн, а также трансформацией мод волновых процессов как на границах пластов неоднородных упругих оснований со слабым проявлением пластичности, так и в узлах строительных конструкций.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Могилюк Ж.Г. Проектное моделирование процессов микродинамической деградации остаточного ресурса надежности зданий и сооружений [Текст] / Ж.Г.Могилюк // Вестник МГСУ. - М. - 2008. Спецвыпуск 1. - с. 585-590.

2. Могилюк Ж.Г. Повышение производительности программ компьютерного моделирования методом перенормировки шкал [Текст] / Ж.Г.Могилюк// Вестник МГСУ. - М.- 2009. Спецвыпуск 2. - с.72-82.

3. Могилюк Ж.Г. Анализ состояния системных проблем снижения аварийности в строительном комплексе [Текст] / М.С.Хлыстунов, Ж.Г.Могилюк // Вестник МГСУ. - М. - 2009. Спецвыпуск 2. - с.66-72.

4. Могилюк Ж.Г. Анализ рисков геодеформационных проявлений вибросейсмических процессов в основании турбинного корпуса АС [Текст] / М.С.Хлыстунов, Ж.Г.Могилюк // Вестник МГСУ. - М.- 2011. Вып.2, том 2. - с.215-221.

5. Могилюк Ж.Г. Оценка динамической погрешности разностных схем численного моделирования в решениях задач механики твердого тела [Текст] / В.Н.Савостьянов, В.В.Немчинов, М.С.Хлыстунов, Ж.Г.Могилюк // Вестник МГСУ. - М. - 2011. Вып.2, том 2. - с.184-190.

6. Могилюк Ж.Г. Метод и алгоритм оценки снижения остаточного ресурса надежности элементов строительных конструкций зданий и сооружений [Текст] / М.С.Хлыстунов, Ж.Г.Могилюк // Вестник МГСУ. - М.- 2011. Вып.2, том 2. - с.196-202.

7. Могилюк Ж.Г. Оценка динамической погрешности численного моделирования и расчета резонансных частот методом конечных элементов [Текст] / В.Н.Савостьянов, В.В.Немчинов, М.С.Хлыстунов, Ж.Г.Могилюк // Вестник МГСУ. - М.- 2011. Вып.2, том 2. - с.202-207.

НА ОСНОВАНИИ РАЗРАБОТОК ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛУЧЕНЫ ПАТЕНТЫ И СВИДЕТЕЛЬСТВА НА ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ

1. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Программа расчета распределения интенсивности динамических напряжений от точечного источника вибросейсм в двухслойных основаниях с наклонной границей пластов для прямых продольных волн/ Свидетельство о государственной регистрации программа для ЭВМ. Роспатент, №2010611587 от 26.02.2010.

2. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Программа расчета распределения интенсивности динамических напряжений от прямоугольного источника вибросейсм в двухслойных основаниях с наклонной границей пластов для прямых продольных волн/ Свидетельство о государственной регистрации программа для ЭВМ. Роспатент, №2010611660 от 01.03.2010.

3. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Программа расчета распределения интенсивности динамических напряжений от источника вибросейсм в виде ленты в двухслойных основаниях с наклонной границей пластов для прямых продольных волн/ Свидетельство о государственной регистрации программа для ЭВМ. Роспатент, №2010611659 от 01.03.2010.

4. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Программа расчета распределения интенсивности динамических напряжений от кольцевого источника вибросейсм в двухслойных основаниях с наклонной границей пластов для прямых продольных волн/ Свидетельство о государственной регистрации программа для ЭВМ. Роспатент, №2010611661 от 01.03.2010.

5. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Программа расчета распределения интенсивности динамических напряжений от источника вибросейсм в виде диска в двухслойных основаниях с наклонной границей пластов для прямых продольных волн/ Свидетельство о государственной регистрации программа для ЭВМ. Роспатент, №2010611584 от 26.02.2010.

Размещено на Allbest.ru