Взаимодействие грунта и конструкции
 | Эту статью необходимо отредактировать, чтобы Википедии она соответствовала Руководству по стилю . ( февраль 2020 г. ) |
Взаимодействие грунта и конструкции ( SSI ) состоит из взаимодействия грунта (грунта) и возведенной на нем конструкции. Это прежде всего обмен взаимными напряжениями , при котором на движение системы грунт-сооружение влияет как тип грунта, так и тип конструкции. Особенно это касается районов сейсмической активности. Различные комбинации почвы и конструкции могут либо усиливать, либо уменьшать движение и последующий ущерб. Здание на жестком, а не на деформируемом грунте, как правило, понесет больший ущерб. Второй эффект взаимодействия, связанный с механическими свойствами грунта, — это проседание фундаментов, усугубляемое сейсмическим событием. Это явление называется разжижением почвы .
Большинство строительных конструкций гражданского строительства включают в себя тот или иной тип структурных элементов, находящихся в непосредственном контакте с землей. Когда на эти системы действуют внешние силы, такие как землетрясения , ни структурные смещения, ни смещения грунта не являются независимыми друг от друга. Процесс, в котором реакция грунта влияет на движение конструкции, а движение конструкции влияет на реакцию грунта, называется взаимодействием грунта и конструкции (SSI) . [1]
Традиционные методы проектирования конструкций пренебрегают эффектами SSI. Пренебрежение SSI разумно для легких конструкций в относительно жестком грунте, таких как малоэтажные здания и простые жесткие подпорные стены. Однако эффект SSI становится заметным для тяжелых конструкций, опирающихся на относительно мягкий грунт, например, атомных электростанций, высотных зданий и эстакад на мягком грунте. [2]
Ущерб, полученный в результате недавних землетрясений , таких как землетрясение в Кобе в 1995 году , также показал, что на сейсмическое поведение конструкции сильно влияет не только реакция надстройки, но также реакция фундамента и грунта. [3] Следовательно, современные нормы сейсмического проектирования, такие как «Стандартные технические условия для бетонных конструкций: проверка сейсмических характеристик», АОСЕ, 2005 г. [4] предусмотреть, что анализ реагирования должен проводиться с учетом всей конструктивной системы, включая надстройку, фундамент и основание.
Влияние (взаимодействие грунта и конструкции) SSI и положений SSI норм сейсмического проектирования конструкции на реакцию
Принято считать, что SSI имеет исключительно положительный эффект, и им можно пренебречь в целях консервативного дизайна. Положения SSI в нормах сейсмического проектирования являются необязательными и позволяют проектировщикам уменьшить расчетный сдвиг основания зданий, рассматривая взаимодействие грунта и конструкции (SSI) как положительный эффект. Основная идея этих положений заключается в том, что система «грунт-конструкция» может быть заменена эквивалентной моделью с фиксированной базой с более длительным периодом и, как правило, с большим коэффициентом демпфирования. [5] [6] В большинстве норм проектирования используются упрощенные расчетные спектры, которые достигают постоянного ускорения до определенного периода, а затем монотонно уменьшаются с периодом. Учет взаимодействия грунта и конструкции делает конструкцию более гибкой и, таким образом, увеличивает естественный период конструкции по сравнению с соответствующей жестко опирающейся конструкцией. Более того, учет эффекта SSI увеличивает эффективный коэффициент демпфирования системы. Плавная идеализация расчетного спектра предполагает меньшую сейсмическую реакцию с увеличенными естественными периодами и эффективным коэффициентом демпфирования из-за SSI, что является основным обоснованием норм сейсмического проектирования для уменьшения расчетного базового сдвига, когда рассматривается эффект SSI. Та же идея также лежит в основе нынешних общих норм сейсмического проектирования, таких как ASCE 7-10 и ASCE 7-16. Хотя упомянутая идея, т.е. уменьшение базового сдвига, хорошо работает для линейных систем грунта, показано, что она не может должным образом отразить влияние SSI на текучие системы. [7] Совсем недавно Хосравикиа и др. [8] оценили последствия применения положений SSI ASCE 7-10 и положений Национальной программы по снижению сейсмической опасности 2015 года (NEHRP), которые составляют основу стандарта сейсмического проектирования издания 2016 года, предоставленного ASCE. Они показали, что положения SSI как NEHRP, так и ASCE 7-10 приводят к небезопасным конструкциям сооружений с поверхностным фундаментом на умеренно мягких грунтах, но NEHRP немного улучшает текущие положения для приземистых построек. Для сооружений на очень мягких грунтах оба положения приводят к консервативному проектированию, тогда как NEHRP еще более консервативен. Наконец, оба положения дают почти оптимальные конструкции для других систем.
Вредные последствия [ править ]
Используя строгий численный анализ, Милонакис и Газета [9] показали, что увеличение естественного периода структуры из-за SSI не всегда полезно, как предполагает упрощенный расчетный спектр. Мягкие грунтовые отложения могут значительно удлинить период сейсмических волн, а увеличение естественного периода конструкции может привести к резонансу с долгопериодной вибрацией грунта. Кроме того, исследование показало, что требования к пластичности могут значительно увеличиваться с увеличением естественного периода конструкции из-за эффекта SSI. Необратимая деформация и разрушение грунта могут еще больше усугубить сейсмическую реакцию конструкции.
Когда конструкция подвергается землетрясению , она взаимодействует с фундаментом и почвой и, таким образом, изменяет движение грунта. Взаимодействие грунта и конструкции в общих чертах можно разделить на два явления: а) кинематическое взаимодействие и б) инерционное взаимодействие. Землетрясение приводит к смещению почвы, известному как движение в свободном поле. Однако фундамент, заделанный в почву, не будет следовать за движением свободного поля. Эта неспособность фундамента соответствовать движению свободного поля вызывает кинематическое взаимодействие. С другой стороны, масса надстройки передает силу инерции на почву, вызывая дальнейшую деформацию почвы, что называется инерционным взаимодействием. [2]
При малом уровне сотрясений грунта кинематический преобладает эффект, вызывающий удлинение периода и увеличение затухания радиации. Однако с началом более сильного сотрясения деградация модуля грунта в ближнем поле и зазор между грунтом и сваей ограничивают демпфирование радиации, и инерционное взаимодействие становится преобладающим, вызывая чрезмерные смещения и изгибающие деформации, концентрирующиеся у поверхности земли, что приводит к повреждению сваи вблизи уровня земли. [2]
Наблюдения за недавними землетрясениями показали, что реакция фундамента и почвы может сильно повлиять на общую реакцию конструкции. Известно несколько случаев серьезных повреждений сооружений из-за SSI во время прошлых землетрясений . Яшинский [10] приводит данные о повреждении ряда мостовых конструкций с опорой на сваи из-за эффекта SSI во время землетрясения Лома-Приета в Сан-Франциско в 1989 году. Обширный численный анализ, проведенный Милонакисом и Газетас. [9] считают SSI одной из причин драматического обрушения скоростной автомагистрали Хансин во время землетрясения в Кобе в 1995 году .
Дизайн [ править ]
Основными типами фундаментов, основанными на нескольких характеристиках здания, являются:
- Изолированные плинтусы (в настоящее время невозможно)
- Плинтусы, соединенные фундаментными балками
- Обратные балки
- Тарелка ) (используется для некачественных грунтов
Заполнение оснований фундамента происходит в зависимости от механических свойств самих оснований: в Италии , например, согласно новому сейсмостойкому стандарту – Ordinanza 3274/2003 – можно выделить следующие категории:
- Категория А: однородные горные породы.
- Категория B: плотная зернистая или глинистая почва.
- Категория C: довольно плотная зернистая или глинистая почва.
- Категория D: не очень плотная зернистая или глинистая почва.
- Категория Е: грунты аллювиального поверхностного слоя (грунт очень низкого качества).
Тип фундамента выбирается в зависимости от типа грунта; например, в случае однородных горных пород выбираются соединенные плинтусы, а в случае грунтов очень низкого качества выбираются плиты.
Дополнительную информацию о различных способах возведения фундамента см. в разделе «Фундамент (архитектура)» .
И основания, и конструкции могут быть более или менее деформируемыми; их сочетание может или не может вызвать усиление сейсмического . воздействия на сооружение Земля, по сути, является фильтром по отношению ко всем основным сейсмическим волнам , поскольку более твердая почва способствует возникновению высокочастотных сейсмических волн, а менее плотная почва принимает волны более низкой частоты. Таким образом, жесткое здание, характеризующееся высокой основной частотой , подвергается усиленному повреждению, если оно построено на жестком грунте и затем подвергается воздействию более высоких частот.
Например, предположим, что есть два здания с одинаковой высокой жесткостью . Они стоят на двух разных типах почв: первый — твердый и каменистый, второй — песчаный и деформируемый. Если здание на твердом грунте подвергнется такому же сейсмическому воздействию, он понесет больший ущерб.
Второй эффект взаимодействия, связанный с механическими свойствами грунта, заключается в опускании (просадке) фундаментов, усугубляемом самим сейсмическим событием, особенно на менее плотных грунтах. Это явление называется разжижением почвы .
Смягчение [ править ]
Методы, наиболее часто используемые для смягчения проблемы взаимодействия грунта с конструкцией, заключаются в использовании ранее рассмотренных систем изоляции и некоторых методов крепления грунта, которые применяются, прежде всего, на низкокачественных системах (категории D и E).Наиболее распространены методы струйной цементации и свайной работы .Техника струйной цементации заключается в закачивании в грунт жидкого бетона с помощью бура . Когда этот бетон затвердевает, он образует своего рода колонну, которая консолидирует окружающую почву. Этот процесс повторяется на всех участках конструкции.Техника свайных работ заключается в использовании свай, которые, будучи вставлены в землю, поддерживают фундамент и здание наверху, перемещая нагрузки или веса к более глубоким слоям почвы и, следовательно, более компактным и устойчивым к движению.
Ссылки [ править ]
- ^ Туладхар Р., Маки Т., Муцуёси Х. (2008). Циклическое поведение бетонных свай с боковой нагрузкой, встроенных в связный грунт, Землетрясение и структурная динамика, Vol. 37 (1), стр. 43-59
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Вольф, JP (1985). Динамическое взаимодействие грунта и конструкции. Prentice-Hall, Inc., Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси
- ^ Милонакис Г., Газетас Г., Николау С. и Михаэлидис О. (2000b). Роль почвы в обрушении 18 опор скоростной автомагистрали Хансин при землетрясении в Кобе, Материалы 12-й Всемирной конференции по сейсмостойкому проектированию, Новая Зеландия, документ № 1074
- ^ Японское общество инженеров-строителей. Стандартные спецификации для бетонных конструкций – 2002: Проверка сейсмических характеристик. Рекомендации АОСЕ по бетону № 5, 2005 г.
- ^ АТС-3 (1978). Ориентировочные положения по разработке правил сейсмостойкости зданий: совместные усилия специалистов-проектировщиков, представителей строительных норм и исследовательского сообщества, Национальное бюро стандартов, Вашингтон, округ Колумбия
- ^ NEHRP (1997). Рекомендуемые положения правил сейсмической безопасности для новых зданий и других сооружений, Части 1 и 2, Совет по сейсмической безопасности зданий, Вашингтон, округ Колумбия
- ^ Авилес, Хавьер; Перес-Роча, Луис Э. (1 сентября 2003 г.). «Взаимодействие грунта и конструкции в пластичных системах». Сейсмическая инженерия и структурная динамика . 32 (11): 1749–1771. Бибкод : 2003EESD...32.1749A . дои : 10.1002/eqe.300 . ISSN 1096-9845 . S2CID 110609192 .
- ^ Хосравикия Фарид; Махсули Моджтаба; Ганнад М. Али (01 сентября 2017 г.). «Вероятностная оценка положений NEHRP по взаимодействию почвы и конструкции на 2015 год». Журнал инженерной механики . 143 (9): 04017065. doi : 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0001274 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Милонакис Г. и Газетас Г. (2000a). Взаимодействие сейсмических структур грунта: благо или вред? Журнал сейсмостойкой инженерии, Vol. 4(3), стр. 277-301.
- ^ Яшинский, М. (1998). Землетрясение в Лома-Приета, Калифорния, 17 октября 1989 г. – Системы шоссейных дорог, Профессиональный документ 1552-B, Геологическая служба США, Вашингтон
Внешние ссылки [ править ]
- Хотите лучше понять, что происходит, когда сейсмические волны проходят через систему наземных сооружений? (на итальянском языке)
- Сейсмическое взаимодействие грунта и конструкции
| Расследование и приборы |
| ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Земля |
| ||||||
| Структуры ( Взаимодействие ) |
| ||||||
| Механика |
| ||||||
| Численный анализ программное обеспечение | |||||||
| Связанные поля | |||||||
