Моделювання напружено-деформованого стану основ інженерних конструкцій для оцінки сейсмічного впливу

Abstract

Мета. Метою проведеної роботи була оцінка зміни передаточної характеристики сейсмічного середовища за додаткового навантаження на нього масивних інженерних конструкцій. Такий аналіз дасть змогу точніше оцінити характеристики осадових товщ під час досліджень передаточних характеристик середовища під інженерними спорудами вже на етапі проектування самих конструкцій. Методика. Частотну характеристику середовища отримано розв’язанням прямої динамічної задачі сейсміки. Для вирішення цієї задачі та розрахунку напружено-деформованого стану середовища використовувався метод скінчених елементів. Цінність цього методу математичного моделювання полягає в можливості проводити розрахунки для середовищ із складною геометричною будовою та різноманітними включеннями. Задаючи сигнал у вигляді, близькому до дельта імпульсу, отримуємо відклик середовища у повному можливому діапазоні частот коливання моделі, без додаткової обробки вхідних та вихідних сигналів. Результати. Здійснений розрахунок напружено-деформованого стану осадового шару під великими інженерними конструкціями. Змодельоване хвильове поле у середовищі. Розрахунок напружено-деформованого стану осадового шару та моделювання хвильового поля для цього середовища проводилося для трьох моделей: перша – модель осадового шару без інженерних конструкцій; друга та третя моделі – те саме середовище з розміщеними на них інженерними конструкціями з основою фундаменту 46 м та 86 м відповідно. Розраховано передаточну характеристику осадового шару для трьох моделей. Проведене моделювання показало, що передаточна характеристика середовища суттєво змінюється залежно від навантаження, яке викликане спорудами. Наукова новизна. Показаний підхід дає змогу розрахувати передаточну характеристику осадового шару, яка характе- ризуватиме середовище після зміни напружено-деформованого стану, математичними методами, не проводячи інструментальних досліджень. Практична значущість. Запропонована методика дає можливість оцінювати передаточну характеристику сейсмічного середовища та зміну її на етапі проектування складних конструкцій і вносити необхідні виправлення вже на цьому етапі. Цель. Целью проведенной работы является оценка изменения передаточной характеристики сейсмической среды при дополнительной нагрузке мощными инженерными конструкциями. Такой анализ позволяет более точно оценивать характеристики осадочных слоев при исследовании передаточных характеристик середы под инженерными сооружениями уже на этапе проектирования. Методика. Частотные характеристики среды было получено путем решения прямой динамической задачи сейсмики. Для решения этой задачи и расчета напряженно-деформированного состояния среды использовался метод конечных элементов. Ценность этого метода математического моделирования в том, что он позволяет проводить расчеты для сложных геометрически сред и с разнообразными включениями. Используя сигнал в виде, близком к дельта импульсу, ми получаем отзыв среды в полном диапазоне частот колебаний модели, без дополнительной обработки входных и выходных сигналов. Результаты. Проведен расчет напряженно- деформированного состояния осадочного слоя под большими инженерными конструкциями. Смоделировано волновое поле в среде. Расчет напряженно-деформированного состояния осадочного слоя и моделирования волнового поля для этой среды проводилось для трех моделей: первая – модель осадочного слоя без инженерных конструкций; вторая и третья модели – та же среда с размещенными на них инженерными конструкциями с основанием фундамента 46 м и 86 м соответственно. Рассчитано передаточную характеристику осадочного слоя для трех моделей. Проведенное моделирование показало, что передаточная характеристика среды существенно меняется в зависимости от нагрузки, вызванной сооружениями. Научная новизна. Данный подход позволяет рассчитать передаточную характеристику осадочного слоя, которая будет характеризовать среду после изменения напряженно-деформированного состояния, математическими методами, не проводя инструментальных исследований. Практическая значимость. Эта методика позволяет оценивать передаточную характеристику сейсмической среды и изменение ее на этапе проектирования сложных конструкций, а также вносить необходимые исправления уже на этом этапе. Purpose. The aim of this work was to evaluate changes in the transfer characteristics of the seismic environment with additional loading of massive engineering structures. This analysis will help to more accurately assess the characteristics of sedimentary layer in the study of the transfer characteristics of environment under the engineering structures already at the design stage of construction. Methodology. Frequency characteristic of environment was obtained by solving the direct dynamic seismic problem. To solve this problem and calculate the stress-strain state of the environment was used finite element method. The value of this method of mathematical modeling is the ability to make calculations for environments with complex geometrical structure and various inclusions. Setting a signal as close to the delta impulse, we receive environment response in the full possible frequency range of fluctuations in the models, without additional processing input and output signal. Results. Calculation of stress-strain state of the sedimentary layer under the large engineering structures was carried out. Wave field in the surrounding environment was modeled. Calculation of stress-strain state of the sedimentary layer and modeling of wave field for this environment was conducted for the three models: the first – the model of the sedimentary layer without engineering structures; the second and third model – the same environment with placed engineering structures with base of the foundation 46 m and 86 m, respectively. Transfer characteristics of sedimentary layer of the three models were calculated. The conducted simulation showed that the transfer characteristic of environment changes significantly depending on the load caused by buildings. Scientific innovation. Showed approach allows us to calculate the transfer characteristics of the sedimentary layer that will characterize the environment after the change of the stress-strain state, only using mathematical methods without making instrumental studies. Practical significance. This technique allows to evaluate the transfer characteristics of the seismic environment and its change at the design stage of complex structures and make necessary corrections already at this stage.