Изучение взаимодействия грунт-структура (SSI) относится к области сейсмостойкого строительства. Очень важно отметить, что структурная реакция в основном обусловлена силами взаимодействия грунт-структура, которые оказывают воздействие на конструкцию. Это одна из форм сейсмического возбуждения.
Комитет по инженерным исследованиям занимается изучением взаимодействия грунт-структура только тогда, когда эти силы оказывают заметное влияние на движение основания, когда мы сравниваем его с движением грунта свободного поля.
Движение грунта в свободном поле можно определить как движение, регистрируемое на поверхности грунта, без участия структуры.
Структурная реакция на землетрясение сильно зависит от взаимодействия между тремя связанными системами, а именно:
Анализ взаимодействия грунт-структура – это метод оценки коллективной реакции трех связанных систем, упомянутых выше, для заданного движения грунта.
Взаимодействие грунт-структура можно определить как процесс, в котором реакция грунта влияет на движение конструкции, а движение данной конструкции влияет на реакцию грунта. Это явление, при котором смещения конструкции и смещения грунта не зависят друг от друга.
Силы, действующие на грунт и конструкцию, являются в основном силами взаимодействия, которые могут возникать для каждой конструкции. Но они не способны изменить движение грунта во всех условиях.
- Прямой анализ при взаимодействии грунтовых структур
- Подход с использованием подконструкций при взаимодействии грунта со структурой
Учет эффектов взаимодействия грунта со структурой
Считается, что конструкция, при анализе которой фундамент считается жестким, не имеет эффектов взаимодействия грунта и конструкции. Теперь этот случай рассматривается, даже если сила взаимодействия воздействует на фундамент.
Влияние сил взаимодействия на движение грунта будет зависеть от:
- Величины силы
- гибкости грунтового основания
Для оценки величины сил взаимодействия можно использовать ускорение грунтового основания и инерцию конструкции. Чем тяжелее сооружение, тем больше эффект взаимодействия грунта и сооружения для конкретного грунтового участка и для данного сейсмического возбуждения свободного поля. Большинство гражданских сооружений, независимо от того, лежат ли они на твердом или среднем грунте, не проявляют никаких признаков эффектов SSI.
Как упоминалось выше, эффекты SSI в большей степени относятся к тяжелым конструкциям, включающим гидротехнические сооружения, такие как плотины, реакторные здания атомных электростанций (АЭС). Можно сделать вывод, что взаимодействие грунта в инженерных исследованиях землетрясений в основном разрабатывалось и применялось для этих областей строительной индустрии.
Другим условием, учитывающим эффекты взаимодействия грунта и сооружения, является гибкость грунта. Чем мягче грунт, тем больше шансов на возникновение эффекта SSI. Это относится к данному сооружению и площадке, которые имеют сейсмическое возбуждение свободного поля.
Примечание: Произведение массовой плотности грунта и квадрата скорости сдвиговой волны дает модуль сдвига грунта. модуль сдвига грунта. На практике плотность массы грунта колеблется около 2,0 т/м3. Следовательно, основной характеристикой жесткости почвы можно считать скорость сдвиговой волны Vs.
Если Vs< 300 м/с, то грунт считается мягким.
Если Vs> 800 м/с, то почва считается твердой.
Если Vs > 1100 м/с, то грунт считается жестким.
Применение взаимодействия грунта и структуры
Взаимодействие грунта со структурой и реакция конструкции
Основываясь на традиционных теориях, можно утверждать, что взаимодействие грунта и структуры оказывает благоприятное воздействие на реакцию конструкции. Большинство сводов правил по проектированию сооружений рекомендует пренебрегать эффектом SSI при сейсмическом анализе сооружения.
Эта рекомендация обусловлена ложным мифом о том, что SSI обеспечивает хорошую реакцию конструкции и, следовательно, имеет шансы увеличить пределы безопасности.
Более гибкая конструкция может быть получена, если мы учтем эффекты взаимодействия грунта со структурой. Это помогает увеличить естественный период конструкции. Это обеспечивает улучшение структуры по сравнению с соответствующей жесткой структурой.
Включение эффектов SSI в конструкцию помогает увеличить коэффициент демпфирования конструкции. Это исследование ограничено или игнорируется при консервативных процедурах проектирования. Анализ SSI очень сложен по своей природе. Пренебрежение им уменьшит сложность анализа конструкций.
Это означает, что миф о том, что эффект SSI полезен для конструкций, не соответствует действительности. На самом деле, SSI может оказывать вредное воздействие на конструкции. Пренебрежение эффектом SSI может привести к небезопасному проектированию надстройки и подстройки.
Каковы последствия взаимодействия грунта со структурой?
Влияние SSI в большей степени сосредоточено на его пагубных последствиях. Как уже упоминалось, даже если исследования показали, что проектирование на основе взаимодействия структуры грунта увеличивает временной период, увеличение временного периода не всегда является благоприятным фактором.
Происходит удлинение сейсмических волн, когда они возникают на участке с мягкими почвенными отложениями. Это приводит к увеличению собственного периода и, следовательно, к резонансу. Это происходит при вибрации с большим периодом.
Если собственный период увеличивается, то возрастает и требование к пластичности. Это может привести к постоянной деформации и разрушению грунта, что еще больше ухудшит сейсмическую реакцию конструкции.
В конструкции под действием сейсмической силы (сейсмического возбуждения) происходит взаимодействие между грунтом и фундаментом, которое приводит к изменениям в движении грунта. Взаимодействие грунт-структура может иметь два типа явлений или эффектов (согласно FEMA P-750, NEHRP). К ним относятся:
Кинематическое взаимодействие
Смещение грунта, вызванное движением грунта при землетрясении, называется движением свободного поля. Это движение свободного поля не сопровождается движением фундамента, расположенного на грунте. Кинематическое взаимодействие вызвано неспособностью фундамента опуститься при движении грунта в свободном поле.
Инерционное взаимодействие
Дополнительная деформация, возникающая в грунте из-за передачи инерционной силы на грунт со стороны надстройки, называется инерционным взаимодействием.
При низком уровне сотрясения грунта кинематический эффект SSI более выражен. Это приводит к удлинению периода и увеличению радиационного демпфирования. Когда начинается более сильное сотрясение, радиационное демпфирование ограничивается ухудшением модуля упругости грунта в ближней зоне и разрывом грунтовых свай.
В этой ситуации более заметным становится инерционное демпфирование. Это приведет к чрезмерным смещениям вблизи поверхности земли. Это приведет к повреждению свайных фундаментов.
Результаты исследований прошлых и недавних землетрясений показывают, что на общую реакцию конструкции влияют:
Свайные фундаменты стали серьезной причиной разрушения крупных сооружений при землетрясении. К ним относится скоростное шоссе Ханшин в 1995 году из-за землетрясения в Кобе.
Ниже перечислены факторы, с которыми связаны вышеупомянутые эффекты:
Жесткость и демпфирование фундамента
Когда вибрирующая конструкция развивает силу инерции, это приводит к возникновению моментов, кручения и сдвига основания. Эти силы вызывают смещения и вращение на границе раздела между грунтом и фундаментом. Образовавшиеся смещения и вращение являются результатом гибкости грунта и фундамента. Эта гибкость является основной причиной стабильности всей конструкции.
Создаваемые смещения приводят к рассеиванию энергии. Это влияет на общее демпфирование системы.
Поскольку все эти эффекты в большей степени связаны с инерцией конструкции, они называются эффектами инерционного взаимодействия.
Различия, существующие между движениями свободного поля и входными движениями фундамента
Эти движения могут отличаться по следующим причинам:
Движения фундамента создаются жесткими элементами фундамента, которые располагаются либо выше, либо ниже поверхности земли. Это делается для отклонения от движения свободного поля при отсутствии структуры, а инерция фундамента формирует кинематическое взаимодействие.
Деформация фундамента
Силы и смещения, действующие на элементы фундамента со стороны надстройки или грунтовой среды, приводят к деформациям изгиба, осевым деформациям и деформациям сдвига. Эти параметры являются требованиями, на которые должны быть рассчитаны компоненты фундамента. Эти эффекты более значительны в случае таких фундаментов, как плоты и сваи.
Анализ при взаимодействии грунт-структура
Вышеупомянутые взаимодействия могут быть измерены двумя методами анализа. К ним относятся:
Прямой анализ при взаимодействии грунта и конструкции
В этом типе анализа грунт и конструкция используются в одной модели для анализа. Они анализируются как единая система. Как показано на рисунке 2 ниже, система грунта представлена в виде континуума.
Одним из таких примеров является представление конечных элементов. Фундамент, структурные элементы, границы, передающие нагрузку, элементы на границе раздела, расположенные по краям фундамента, также включены.
Иллюстрация прямого анализа взаимодействия грунт-структура с помощью конечных элементов
Этот метод редко используется на практике, поскольку он требует больших вычислений и очень сложен для анализа.
Подход с использованием подконструкций при взаимодействии почвенных структур
Задача взаимодействия грунта со структурой делится на две части. Впоследствии они объединяются для получения полного решения проблемы. При таком подходе создается модель с определенными требованиями:
На рисунке 2 ниже показано, как оценивается общая задача A. Она делится на две задачи A1 и A2 таким образом, что A= A1 + A2. Это делается на основе принципа суперпозиции. Каждая проблема оценивается отдельно, а комбинация результатов дает окончательное решение.
Разделение проблемы A путем суперпозиции – подход субструктуры
Читать далее:
Работоспособность и поведение каменных конструкций во время землетрясений
Мягкие перекрытия в зданиях и их уязвимость перед землетрясениями
Пластичность строительных конструкций для расчета на сейсмостойкость
Характеристики различных типов зданий во время землетрясения
- Концептуальный сейсмический проект моста с вантовой опорой и его компоненты.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
- Методы сейсмостойкого проектирования зданий и сооружений.
- Методы управления проектами – PERT, CPM и диаграмма Ганта.
- Исследование грунта и типы фундаментов на основе свойств грунта.
- Формула расчета момента инерции.
- Руководство по сейсмостойкому проектированию сооружений.