Применение метода статистического моделирования для оценки сейсмического риска зданий при интенсивных землетрясениях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Новикова, Ольга Валерьевна

• Новикова, Ольга Валерьевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Новикова, Ольга Валерьевна

Введение.

1. Развитие методов расчетов на сейсмостойкость

1.1. Актуальность антисейсмических расчетов зданий и сооружений.

1.2. Нормативные методы расчета на сейсмостойкость.

1.3. Развитие методов оценки прочности и параметров надежности конструкции при сейсмическом воздействии.

1.4. Цель работы.

2. Моделирование сейсмического воздействия в расчетах на сейсмостойкость

2.1. Способы описания сейсмических воздействий.

2.2. Статистическое моделирование сейсмических воздействий.

3. Расчетные схемы зданий и сооружений при расчетах на сейсмические воздействия

3.1. Схематизация зданий и сооружений при расчетах на сейсмостойкость.

3.2. Сдвиговая модель здания.

3.3. Шарнирно-стержневая модель здания.

3.4. Собственные частоты и собственные формы малых колебаний.

4. Особенности расчетов при интенсивных сейсмических воздействиях

4.1. Описание пластического деформирования.

4.2. Модели, учитывающие накопление повреждений.

4.3. Численное моделирование и анализ результатов.

5. Применение метода статистического моделирования для оценки сейсмического риска

5.1. Схема статистического моделирования в антисейсмических расчетах.

5.2. Экстраполяция как средство оценки сейсмического риска.

Сводка результатов и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение метода статистического моделирования для оценки сейсмического риска зданий при интенсивных землетрясениях»

Понятия безопасности и риска являются составными частями проблемы надежности, а их основные качественные показатели аналогичны в математическом отношении соответствующим показателям в теории надежности. Среди природных источников риска для зданий и сооружений основное место принадлежит землетрясениям.

Как показали землетрясения в Мексике (1985), Армении (1988), Турции (1999), на Тайване (1999), в Иране (декабрь 2003), проблема обеспечения надежности конструкций при интенсивных сейсмических воздействиях остается актуальной.

В настоящее время считается общепризнанным, что описание сейсмических воздействий и оценка риска конструкций по отношению к ним (т.е. землетрясениям) возможно лишь с позиций теории вероятностей. При этом землетрясения рассматриваются как поток случайных событий, порождаемый тектоническими процессами в неоднородной и неоднородно напряженной земной коре. Сейсмические сотрясения на данной площадке есть реализации некоторого нестационарного (в общем случае векторного) случайного процесса. Параметры, характеризующие координаты эпицентра, глубину залегания фокуса, интенсивность, продолжительность сотрясения, спектральный состав и т.д., являются случайными величинами.

История применения вероятностных методов к антисейсмическим расчетам зданий и сооружений насчитывает около 40 лет. Первые работы принадлежат Болотину В.В., Окамото ILL, Канаи-Таджими и т.д. В 80-е годы Болотиным была построена статистическая теория сейсмостойкости, представляющая собой синтез теории сейсмического риска, динамики сооружений и теории надежности конструкций. В полной мере методы статистической теории сейсмостойкости могут быть реализованы с применением статистического моделирования (метода Монте-Карло).

Особенно это актуально для оценки сейсмического риска уникальных сооружений.

Данная работа посвящена реализации полной схемы метода статистического моделирования в теории сейсмостойкости: от моделирования потоков сотрясений, интегрирования уравнений движения упруго-пластического поведения конструкции, построения эмпирических распределений параметров качества, экстраполяции в область редких событий для оценки сейсмического риска.

При этом решались следующие вспомогательные задачи: —статистическое моделирование потоков землетрясений; —статистическое моделирование сотрясений различной балльности; —разработка расчетных схем каркасных зданий; разработка моделей, учитывающих упруго-пластическую работу, накопление повреждений; разработка алгоритмов и программ интегрирования нелинейных уравнений движения; построение эмпирических функций распределения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Новикова, Ольга Валерьевна, 2004 год

1. Айзенберг Я.М. Сооружения с выключающимися связями для сейсмических районов. - М.: Стройиздат, 1976. — 229 с.

2. Айзенберг Я.М. Развитие концепций и норм антисейсмического проектирования // Сейсмостойкость зданий и сооружений: Проблемные доклады. Строительство и архитектура. — 1997. С. 5-70.

3. Айзенберг Я.М. Уроки последних разрушительных землетрясений. Совершенствование антисейсмического проектирования и строительства: Проблемный доклад. М.: ВНИИНТПИ, 2000. - 111 с.

4. Айзенберг Я.М. О концептуальных правилах повышения сейсмостойкости и живучести сооружений // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2003. - №3. - С. 6-8.

5. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. Пер. с англ.- М.: Мир, 1989. 540 с.

6. Болотин В.В. Статистическая теория сейсмостойкости сооружений // Изв. АН СССР. ОТН. Механика и машиностроение. 1959. -№ 4. - С. 123-129.

7. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. — М.: Стройиздат, 1965.-279 с.

8. Болотин В.В. Статистическое моделирование в расчетах на сейсмостойкость // Строительная механика и расчет сооружений. — 1981. — № 1.-С. 60-64.

9. Болотин В. В. Нелинейные эффекты в расчетах на сейсмостойкость. Юбилейный сборник РААСН. М.: РААСН, 1998. -С. 110-134.

10. Болотин В.В., Радин В.П., Трифонов О.В., Чирков В.П. Влияние спектрального состава сейсмического воздействия на динамическую реакцию конструкций // Изв. РАН. МТТ. 1999. - № 3. - С. 150-158.

11. Болотин В.В., Радин В.П., Трифонов О.В., Чирков В.П. Исследование упругопластического деформирования многоэтажного каркасного здания при интенсивных сейсмических воздействиях // Изв. ВУЗов. Строительство. 2001. -№ 5. - С. 11-17.

12. Болотин В.В., Радин В.П., Чирков В.П. Упругопластический анализ несущих элементов зданий и сооружений при интенсивных сейсмических воздействиях // Изв. ВУЗов. Строительство. — 2002. — № 6. С. 4-9.

13. Борджес Дж. Ф., Равара А. Проектирование железобетонных конструкций для сейсмических районов. — М.: Стройиздат, 1978. — 135 с.

14. Гультяев А.К. MATLAB 5.3. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. СПб.:КОРОНА принт, 2001. — 400с.

15. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия / Барштейн М.Ф., Бородачев Н.М., Блюмина JI.X. и др. / Ред. Б.Г. Коренев, И.М. Рабинович. М.: Стройиздат, 1981. - 215 с.

16. Калиткин Н. Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. - 264 с.

17. Клаф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений: Пер. с англ. — М.: Стройиздат, 1979. 320 с.

18. Марпл-мл. C.JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения. — М.: Мир, 1990.-584 с.21 .Николаенко Н.А., Ульянов С.В. Статистическая динамика машиностроительных конструкций. М.: Машиностроение, 1977. - 368 с.

19. Новикова О.В., Трифонов О.В. Влияние накопления повреждений на сопротивление конструкций сейсмическим воздействиям // Изв. РАН. МТТ. 2001. — № 4. - С. 129-135

20. Поляков С.В. Последствия сильных землетрясений. — М.: Стройиздат, 1978.-311 с.

21. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Наука, 1979.-496 с.

22. Радин В.П., Трифонов О.В., Чирков. В.П. Модель многоэтажного каркасного здания для расчетов на интенсивные сейсмические воздействия // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. — 2001. — № 1. — С. 23-26.

23. СНиП II-7-81. Строительство в сейсмических районах / Госстрой СССР. М.: АЛЛ ЦИТП. 1991. - 50 с.

24. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. — М.: Мир, 1980. — 279 с.

25. Ходжсон Дж. Землетрясения и строение Земли. — М.: Мир, 1966. 193 с.

26. Шебалин Н.В. Сейсмология — наука о землетрясениях. М.: Знание, — 1974.- 156 с.

27. Anderson J.C., Gurfinkel G. Seismic behaviour of framed tubes // Earthquake Engi-neering and Structural Dynamics. 1975. - Vol.4. - No.2. - P. 145-162.

28. Augusti G., Baratta A., Casciati F. Probabilistic methods in structural engineering. London, New York: Chapman and Hall, - 1984. — 556 p.

29. Becker J. M., Llorente C., Mueller P. Seismic response of precast concrete walls // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1980. - Vol. 8. - No. 6. -P. 545-564.

30. BiDaniD N., Zienkiewicz O.C. Constitutive model for concrete under dynamic loading // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1983. — Vol. 11.— No. 5.-P. 689-710.

31. Bolotin V.V. Statistical theory of the a seismic design of structures // Proc. 2nd World Conf. Earthquake Engineering. Tokyo: WCEE. 1960. V. 2. P. 13651374.

32. Bolotin V.V. Structural integrity under stochastic loading in the area of smallprobabili-ties // Nonlinear Stochastic Dynamic Engineering Systems. IUTAM Symposium Inns-bruck / Eds. H. Ziegler, G.I. Schueller. Berlin: Springer-Verlag, 1988.-P. 269-284.

33. Bolotin V.V. Estimation of structural reliability of nonlinear systems under seismic ac-tion // Nonlinear Stochastic Mechanics. IUTAM Symposium, Turin / Eds. N. Bellomo, F. Casciati. Berlin: Springer-Verlag. 1992. - P. 103-114.

34. Bolotin V. V. Seismic risk assessment for structures with the Monte Carlosimulation // Probabilistic Engineering Mechanics. 1993. - Vol. 8. - P. 169177.

35. Bolotin V.V., Radin V.P., Trifonov O.V., Chirkov V.P. Influence of seismic load spectrum on the dynamic response of structures // Mechanics of Solids. 1999. -Vol.34.-No.3.-P.128-135.

36. Chopra A.K., Kan C. Effects of stiffness degradation on earthquake ductility require-ments for multistory buildings // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1973. - Vol.2. -No. 1. - P. 35-45.

37. Dragon A., Mroz Z. A continuum model for plastic-brittle behavior of rock and con-crete//Int. J. Eng. Sci. 1979.-Vol. 17.-No.2.-P. 121-137.

38. Earthquake disaster reduction handbook. Building Research Institute. Japan, 1992.-304 p.

39. Earthquake engineering / Ed. R.L. Wiegel. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1970.-518 p.

40. Guendelman-Israel R., Powell G.H. DRAIN-TABS: A computer program for • inelastic earthquake response of three-dimensional buildings // EarthquakeEngineering Research Center, CA. Report No. EERC-77/08. 1977. - 139 p.

41. Kan C. L., Chopra A. K. Elastic earthquake analysis of torsionally coupled multistorey buildings // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. -1977. Vol. 5. - No. 4. - P. 395-412.

42. Keshavarzian M., Schnobrich W.C. Inelastic analysis of R/C coupled shear walls // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1985. - Vol.13. - No.4. -p. 427-448.

43. Kobayashi K., Inoue S., Matsumoto T. Inelastic behavior of partially prestressed con-crete under reversed cyclic loading // Earthquake Engineering. Fifth Canadian Conference. Rotterdam: Balkema, 1987. P. 841-848.

44. Lemaitre J. A course on damage mechanics. Berlin: Springer, 1992. — 210 p.

45. Maheri M.R., Chandler A.M., Bassett R.H. Coupled lateral-torsional behaviour of frame structures under earthquake loading // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1991.-Vol. 20.-No. 1.-P. 61-85.

46. Meyer C., Roufaiel S.L., Arzoumanidis S.G. Analysis of damaged concrete frames for cyclic loads // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. -1983. Vol. 11. - No. 2. - P. 207-228.

47. Minami Т., Osawa Y. Elastic-plastic response spectra for different hystereticrules I I Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1988. - Vol.16. No.4.-P. 555-568.

48. Mukherjee P. R., Coull A. Free vibrations of open-section shear walls // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. — 1977. Vol. 5. - No.l. — P. 81-101.

49. Newmark N.M., Rosenblueth E.F. Fundamentals of earthquake engineering. « New York: Prentice Hall. 1971. - 640 p.

50. Park Y.-J., Ang A. H.-S. Mechanistic seismic damage model for reinforced concrete // Journal of Structural Engineering. 1985. - Vol. - 111. — No. 4. - P. 722-739.

51. Рагк Y.-J., Wen Y. K., Ang A. H.-S. Random vibration of hysteretic systems under bi-directional ground motions // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1986.-Vol. 14.-No.4.-P. 543-57.

52. Powell G.H., Allahabadi R. Seismic damage prediction by deterministic « methods: con-cepts and procedures // Earthquake Engineering and StructuralDynamics. 1988. - Vol.16. - No. 5. - P. 719-734.

53. Saatcioglu M., Derecho A.T., Corley W.G. Modelling hysteretic behaviour of coupled walls for dynamic analysis // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1983. - Vol. 11. - No. 5. - P. 711-726.

54. Shinozuka M., ed. Stochastic mechanics. Vol III. Princeton: Department of Civil Engineering & Operations Research Princeton University, 1988. 282 p.

55. Skrikerud P.E. Discrete crack modelling for dynamically loaded, unreinforced • concrete structures // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1986.-Vol. 14,-No.2.-P. 297-315.

56. Stanton J.F., Mcniven H.D. Towards an optimum model for the response of reinforced concrete beams to cyclic loads // Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1983. - Vol.11. -No. 3. - P. 299-312.

57. Stephens J.E., Yao J.T.P. Damage assessment using response measurements // Journal of Structural Engineering. 1987.-Vol. 113.-No. 4.-P. 787-801.

58. Sorace S. Comparative seismic damage estimates of steel frames // Proc. third European Conf. Struct. Dyn.: Eurodyn'96. Vol. 2 / Ed. G. Augusti, C. Borri, P. Spinelli. Rotterdam: Balkema, 1996. P. 981-988.

59. Tajimi H. Statistical method for determining the maximum response of a• building struc-ture during an earthquake // Proc. 2nd World Conf. Earthquake Engineering. Tokyo: WCEE. 1960. - V. 2. - P. 781-797.

60. Takeda Т., Sozen M.A., Neilsen N.N. Reinforced concrete response to simulated earthquake // ASCE. Journal of the Structural Division. 1970. - Vol. 96. - No. ST12.-P. 2557-2573.

61. The seismic design handbook / Ed. F. Naeim. New York: Van Nostrand Reinhold, 1989.-450 p.