Расчет конструкций на сейсмические воздействия
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:
- 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.
- 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). - 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.
- При решении задач сейсмостойкости строительных конструкций используется метод задания сейсмики по СП 14.133.30.2014 – Строительство в сейсмических районах.
