Разработка метода оценки уровня воздействия сейсмовзрывных и воздушных ударных волн на здания и сооружения при производстве взрывных работ на горнодобывающих предприятиях

Ивановский, Александр Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка метода оценки уровня воздействия сейсмовзрывных и воздушных ударных волн на здания и сооружения при производстве взрывных работ на горнодобывающих предприятиях
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода оценки уровня воздействия сейсмовзрывных и воздушных ударных волн на здания и сооружения при производстве взрывных работ на горнодобывающих предприятиях"

На правах рукописи ИВАНОВСКИЙ Александр Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ УРОВНЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ СЕЙСМОВЗРЫВНЫХ И ВОЗДУШНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН НА ЗДАНИЯ

И СООРУЖЕНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ НА ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение

горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация - Научно-исследовательский центр № 26 ЦНИИ Министерства обороны РФ.

Защита диссертации состоится 16 декабря 2005 г. в 13 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Михаил Георгиевич Менжулин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Александр Петрович Господариков,

Виктор Георгиевич Мыркин

Автореферат разосл?» 14 ипиЯпа г

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д.т.н., профессор

ниш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в отечественной и зарубежной практике количественной оценки сейсмического и воздушного ударного действия взрыва преобладает использование зависимости скорости смещения частиц в волне возмущения в функции расстояния от места взрыва до пункта наблюдения и массы заряда. Скорость смещения частиц в меньшей степени, чем амплитуда колебаний и ускорение, зависит от условий распространения волн.

В нашей стране для расчета скорости смещения частиц применяется метод, предложенный академиком М.А. Садовским на основе критерия подобия.

При этом отклонение измеренных значений от аппроксимирующих зависимостей может быть весьма велико, так как даже для однородного месторождения распространение сейсмических волн каждый раз остается особым случаем, зависящим от всего чрезвычайно изменчивого комплекса горно-геологических и технологических условий, но самое основное -такой подход не учитывает накапливание повреждений в элементах конструкций, подверженных воздействию сейсмовзрывных и воздушных ударных волн (далее СВВ и УВВ).

Проблемой сохранности зданий от воздействия СВВ и УВВ занимались такие ученые, как М.А. Садовский, А.Б. Фадеев, C.B. Медведев, В.Н. Мосинец, Е.И. Шемякин, А.П. Господариков, В.В. Софронов, В.Г. Мыркин, Б.А. Аюрзанайн, В.А. Боровиков, И.Ф. Ванягин, М.Г. Егоров, В.А. Артемов, В.А. Михайлов, Ю.И. Виноградов и др. Изучению вопросов по механике трещинообразования в твердых телах посвящены исследования таких ученых как Ю.Н. Работнов, В.В. Адищев, М.Г. Менжулин и др. Однако, поведение конструкций при взрывах и изменение их состояния в условиях многократности взрывного воздействия, в настоящее время проанализировано недостаточно. Возникающие в процессе эксплуатации конструкции трещины и повреждения относятся в основном на счет строительных дефектов.

Анализ состояния зданий и сооружений, расположенных на подвергаемых техногенному воздействию взрывных работ территориях в г. Каменногорске, и оценка результатов контрольных замеров реакций конструкций показывает, что применение обобщенного показателя допустимой скорости смещения частиц, не учитывающего работы конструкции, не может служить окончательным критерием сейсмической взрывобезопасности сооружений.

Таким образом, при оценке степени воздействия СВВ и УВВ на здания и сооружения при производстве взрывных работ необходимо учитывать: распределение напряжений пр лрукцию

сейсмовзрывных и воздушных ударных во яжений в

отдельных узлах конструкции, развитие очагов разрушения в местах концентрации напряжений, снижение прочности материалов при многократном воздействии массового взрыва.

Связь с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ. Тема диссертации входит в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ по двум позициям: природоохранные технологии и мониторинг окружающей среды. Кроме того, работа ведется в рамках существующей региональной программы Правительства Ленинградской области по рациональному использованию минерально - сырьевой базы и снижению уровней техногенного воздействия горных работ на окружающую среду и прилегающие здания и сооружения.

Цель работы. Оценка степени техногенного воздействия взрыва на охраняемые объекты на основе расчета развития очагов разрушения в местах концентрации напряжений при преломлении в конструкцию сейсмовзрывных и воздушных ударных волн

Задачи работы.

• Мониторинг развития трещин в узлах зданий при производстве массовых взрывов на близкорасположенных карьерах.

• Оценка прочностных свойств стеновых материалов исследуемых зданий.

• Определение локальных напряжений, возникающих в узлах конструкций зданий и сооружений при преломлении в них возмущений, создаваемых сейсмовзрывными и воздушными ударными волнами.

• Оценка концентрации напряжений в узлах конструкций и сравнение данных о концентрации напряжений с результатами оценки прочностных свойств стеновых материалов.

• Создание методики расчета роста трещин в очагах разрушения при одиночных и массовых взрывах.

Идея работы.

Параметры воздействия СВВ и УВВ на здания и сооружения должны основываться не только на определении допустимой скорости смещения частиц в волнах нагрузки, но и на прогнозе развития очагов разрушений в конструктивных элементах, основанном на расчете возникновения и роста трещин вследствие концентраций напряжений.

Научная новизна.

Показано, что стойкость зданий и сооружений к воздействию СВВ и УВВ должна определяться не только допустимой скоростью смещения частиц, но и развитием очагов разрушения в зданиях и сооружениях.

Разработан метод расчета очагов разрушения, представляющий собой увеличение в размерах трещин в зданиях и сооружениях под действием концентрации напряжений в отдельных узлах зданий и сооружений.

Установлена зависимость распределения динамических напряжений в зданиях и сооружениях от параметров СВВ и УВВ.

Защищаемые научные положения.

1. Воздействие взрывных нагрузок на здания и сооружения приводят к возникновению и развитию трещин в узлах конструкции, что сопровождается снижением пределов прочности материалов узлов.

2. Безопасный уровень воздействия сейсмовзрывных и воздушных ударных волн на здания и сооружения при производстве массовых взрывов должен определяться не только по допустимой скорости смещения частиц, но и по концентрации локальных напряжений, возникающих в отдельных узлах конструкции.

3. Прогноз разрушения конструкции должен основаться на расчете возникновения и роста трещин в очагах разрушения.

Достоверность научных положений. Обосновывается большим объемом проанализированной и обобщенной исходной информации о сейсмическом действии взрыва, физической обоснованностью постановки и решения задач, мониторингом разрушения зданий от действия массовых взрывов, совпадением рассчитанных и наблюдаемых повреждений.

Методы исследовании. При выполнении работы применялись методы обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений, мониторинга роста трещин в элементах конструкции, методы определения прочностных свойств материалов в лабораторных условиях на индикаторе ИСМ - 190, методы определения трещиноватости на микроскопе МИР - 2, методы расчета распределения напряжений с помощью построения расчетных схем, а так же в программно-вычислительном комплексе StruktureCAD, методы определения концентрации напряжений в ПВК ANSYS, методы математического программирования в пакетах MS Excel и MathCAD.

Практическая значимость работы.

1. Обоснована необходимость дополнительной оценки сейсмического и воздушного ударного действия взрыва на здания, основанной на расчете развития очагов разрушений при концентрации напряжений в конструктивных узлах.

2. Разработана модель развития очагов разрушений в узлах конструкций зданий и сооружений при воздействии на них СВВ УВВ.

3. Разработана методика прогноза роста размеров трещин в очагах разрушения конструкции при однократном и многократном действии взрыва.

создаваемых сейсмовзрывными и воздушными ударными волнами. Создание методики расчета роста трещин в очагах разрушения при одиночных и массовых взрывах.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых СПГТИ(ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, 2003-2004 г.г.), всероссийских конференциях УГГА «Уральская горнопромышленная декада» (Екатеринбург, 2003 г)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы. Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, 4 приложения, введение и заключение, список используемой литературы из 114 наименований, 57 рисунков и 30 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н. проф. М.Г. Менжулину, развитие идей которого послужило основой работы, а так же за постоянное внимание и помощь в подготовке работы. Автор выражает признательность и благодарность сотрудникам кафедры «Безопасности производств и разрушения горных пород» и рецензентам за ценные научные консультации по работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе изложены существующие методики обеспечения сейсмобезопасности сооружений по скорости колебаний. Приведен обзор состояния вопроса по реакции сооружения на действие СВВ и УВВ. Рассмотрены методы расчета откликов зданий на внешние воздействия, а так же механика трещинообразования в конструкциях зданий и сооружений. Произведен анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований воздействия СВВ и УВВ на здания г. Каменногорска, проводимых кафедрой РГП СПГГИ(ТУ) с 1978 по 1996 гг. Обобщены основные параметры БВР массовых взрывов, влияющие на сохранность зданий и сооружений г. Каменногорска.

Во второй главе приведены результаты мониторинга возникновения и роста трещин в зданиях г.Каменногорска при производстве массовых взрывов на Каменногорском карьероуправлении и Каменногорском комбинате нерудных материалов. Произведен анализ результатов обследования зданий. Определена прочность и микротрещиноватость материалов стен в лабораторных условиях. Рассмотрена выносливость материалов конструктивных узлов в условиях цикличных динамических воздействий на исследуемые здания

В третьей главе произведена оценка локальных напряжений, возникающих в узлах конструкций здания при воздействии СВВ и УВВ. Рассчитан переход от параметров сейсмических волн в грунте под сооружением к напряжениям в основании сооружения. Рассчитаны

концентрации напряжении в конструктивных узлах сооружения аналитическими методами и с помощью компьютерного моделирования

В четвертой главе Разработана методика и произведены расчеты роста размеров трещин в элементах конструкции.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Воздействие взрывных нагрузок на здания и сооружения приводят к возникновению и развитию трещин в узлах конструкции, что сопровождается снижением пределов прочности материалов узлов.

Мониторинг роста существующих и образования новых трещин проводился в г Каменногорске в здании АБК ККУ, здании школы и двух жилых зданиях, в которых повреждения вызывают наибольшие опасения (ул Песочная, д.2 и ул. Леншоссе, д.92) Начало мониторинга - июль 2003 года. В качестве маяков были установлены цементные таблетки, стеклянные пластины и насечки по концам трещин, согласно СНиП 13-1022003. «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений». За период июль 2003 г. - август 2005 г. произошло подрастание трещин во всех обследуемых зданиях и прохождение их через установленные маяки (рис 1). По результатам обследования несущих стен зданий были составлены схемы дефектов, дефектные ведомости и произведена фотофиксация дефектов всех обследуемых зданий.

По результатам обследований зданий определено, что трещинообразование имеет силовой характер, о чем свидетельствует однотипное расположение и направление трещин. Так во всех зданиях независимо от конструктивной системы и материала, трещины имеют вертикальное направление и расположены в продольных несущих стенах.

Для протяженных кирпичных зданий характерны следующие типы повреждения стены: 1 -трещины в подоконной части, 2 - вертикальные трещины в простенках, 3 вертикальные угловые Рис.1 Прорастание трещины, 4 - диагональные угловые трещины. трещины через маяк Основная часть трещин расположена в углах

проемов и технологических отверстий в стенах и имеет направление от верхних углов нижележащих проемов к нижним углам вышележащих проемов.

В пятиэтажных домах заметно различие количества и размеров трещин на главном и дворовом фасадах, последний отличается меньшим числом трещин. Это объясняется большей жесткостью цоколя стены дворового фасада, нерасчлененной дверными проемами входов.

О деформациях несущей коробки панельных 9 ™ этажных зданий свидетельствуют: расстройство швов многопустотных панелей перекрытия,

Отколы^ штукатурки

Тк

„г

□

СИ

□

Вывалы заделки ^шва

9 эт 8 эт 7 эт бэт 5эт 4 эт 3 эт 2 эт 1 эт

элементов лестничных клеток, вертикальные трещины в соединениях панелей поперечных несущих стен между собой и с наружными стеновыми панелями, а так же вертикальные трещины в панелях и горизонтальные в плитах перекрытия (рис. 2).

Наибольший видимый рост размеров трещин: для кирпичных зданий - трещины 4-го и 5-го типов, для панельных зданий - трещины в межпанельных швах и трещины непосредственно в панелях и плитах перекрытия.

Кроме того, в расположении трещин, величине их длины и раскрытия заметны закономерности: от цоколя к верхним этажам их количество и раскрытие уменьшается, а длина возрастает.

При исследовании 5 ™ этажного кирпичного здания учитывались особенности кладки из силикатного кирпича, которые приводят к пониженному сцеплению кирпича с раствором и, как следствие, к расслоению кладки. Однако, обследования здания из силикатного кирпича на ул.Песчаная, 2, показали отсутствие расслоения кладки. Обнаруженные трещины, как правило, проходили по вертикальным швам и по кирпичу, что говорит о монолитной структуре кладки стен и достаточном сцеплении.

Трещины

Рис 2 Схема основных дефектов и несущих стен здания жилого 9 ти этажного

здания (Леншоссе, 92)

Для определения прочности материалов стен в лаборатории кафедры БП и РГП СПГТИ (ТУ) был проведен ряд испытаний на прочность и трещиноватость образцов кирпича, бетона и кладочного раствора, извлеченных из разрушающихся участков стены 5"™ этажного кирпичного здания по адресу: ул. Песчаная, 2 (определение предела прочности образцов кирпича) и 9'™ этажного здания по адресу: ул. Леншоссе, 92 (определение предела прочности образцов бетона). Испытания на прочность проводились согласно ГОСТ 24941 «Методы определения механических свойств нагружением сферическими инденторами» Подшлифовка образцов при испытаниях на трещиноватость осуществлялась по ГОСТ 1465-80. Всего было испытано 30 образцов: 10 -бетон, 10 - кирпич и 10 - кладочный раствор.

Определение прочности образца на индикаторе механических свойств ИСМ- 190 по ГОСТ 24941-81 позволило получить интегральную характеристику прочности, близкую к практическим случаям разрушения стеновых материалов при взрывном воздействии (табл. 1). Измерения трещинноватости образца на микроскопе МИР - 2 позволили отследить

закономерности распределения микротрещин в элементах конструкции (рис. 3).

Таблица 1 Основные результаты испытаний образцов стеновых

материалов на прочность

№ образ ца Количество Поверхнос тей Р, Н*102 Предел прочности образцов на одноосное растяжение (<г„), МПа Предел прочности образцов на одноосное сжатие (ас»), МПа

разрыва частный средний (для 10 измере ний) коэф. вариац. (для 10 измерений) частный средний (для 10 измере ний) коэф вариац. (для 10 измерений)

2 3 6 7 8 9 10 И 12

кирпич

1 1 2,70 0,22 3,58

2 2 3,30 0,27 0,26 0,13 3,29 4,09 1,59

3 1 4,80 0,45 5,40

кладочный раствор

1 4 0,85 0,05 0,50

2 2 0,57 0,03 0,07 0,16 0,39 0,87 1,92

3 1 0,94 0,08 0,94

бетон

1 1 17,00 1,17 14,01

2 1 15,00 1,33 1,16 0,67 16,01 17,5 4,07

3 2 10,00 0,97 11,61

Сейсмовзрывные и воздушные ударные волны, воздействия которых испытывают конструкции зданий, приводят к возникновению в этих конструкциях многократно повторяющихся знакопеременных усилий, вызывающих так называемую «усталость» материала, т. е. существенное снижение его прочностных характеристик, вызванное многократным воздействием нагрузки, по сравнению с пределом прочности материала при однократном приложении нагрузки (табл. 2).

На количество циклов нагрузки в условиях Каменногорска влияют следующие факторы:

1. Количество источников воздействий: два действующих карьера (ККНМ и ККУ);

2. Частота взрывов: на каждом из карьеров в последние 15 лет производится, в среднем по 2 скважинных массовых взрыва в месяц и по 4 взрыва в неделю по дроблению негабарита, что составляет 464 взрыва в год;

3. Прохождение СВВ и УВВ вызывает многократное колебание конструкций; рассмотрение сейсмограмм показывает, что один взрыв приводит к 30 - 50 циклам колебаний зданий;

Многократно повторяющиеся взрывные воздействия с интенсивностью от 0,1 см/сек по сейсмической волне и от 0,2 кПа по

воздушной ударной волне способствуют развитию существующих трещин в бетонных и каменных конструкциях. Длительный срок эксплуатации исследуемых зданий от 25 до 30 лет. Исходя из этого, можно установить, например, что кирпичный 5 - этажный дом (Песчаная, 2) за 30 лет эксплуатации испытал ориентировочно N =40x464x30 = 556800 циклов динамических нагрузок.

Таблица 2 Значения прочности исследуемых материалов с учетом

коэффициента выносливости Кв

Предел прочности образцов с учетом выносливости

Материал № образца На одноосное растяжение (а0), МПа На одноосное сжатие (<гсж), МПа

частный средний частный средний

1 0,15 2,81

кирпич 2 0,19 0,18 2,30 2,17

3 0,32 3,78

1 0,03 0,35

раствор 2 0,02 0,06 0,27 0,75

3 0,05 0,66

1 1,42 11,21

бетон 2 1,53 1,42 14,21 12,27

3 1,28 10,13

Анализ прочности и трещинноватости материалов стен показал, что здания за период эксплуатации, равный 25-35 годам, накопили объем повреждений, эквивалентный 6-ти бальному землетрясению и износ конструкций в 2,5-3,0 раза выше нормативного.

Рис 3 Распределение микротрещин по размерам.

3 бетон □ кирпич & раствор ¿1 - размер трещины, п- количество

При этом параметры буровзрывных работ принимаются в соответствии с технологией, способной по расчетным данным для типового проектирования предотвратить разрушающее действие СВВ и УВВ от массовых взрывов согласно п. 2.4 «Инструкции по определению безопасных расстояний при взрывных работах и хранении ВМ».

Таким образом, при массовых взрывах скважинных зарядов с типовыми параметрами БВР можно выделить следующие признаки повреждений:

• повышенный износ несущих и ограждающих конструкций в направлении распространения взрывных волн;

• продолжающееся трещинообразование в конструкциях зданий, прошедших период стабилизации деформаций грунтов основания;

• явное увеличение размеров существующих трещин во время или непосредственно после проведения взрывов;

• очевидное разрушение конструкций или их элементов под воздействием взрывных волн.

Процесс воздействия СВВ и УВВ на здание можно разделить на три отдельных физико-механических процесса:

1. Воздействие СВВ на фундамент здания и преломление в материал фундамента волны напряжений.

2. Ударное воздействие на здание УВВ.

3. Напряжения, возникающие в узлах здания при колебаниях, вызванных воздействием УВВ.

Напряжения в грунте под основанием сооружения, создаваемые СВВ, находятся с помощью данных о массовых скоростях по формуле:

-о="осЛМПа 0)

где• их. - скорость колебаний грунта в основании сооружения, см/с, Ср -скорость распространения продольной волны, м/с; /?0 - плотность ж/б, кг/м3

см/с (2)

их=к

где • <2 - масса одновременно взрываемых зарядов ВВ, кг; к -коэффициент пропорциональности; г - расстояние от места регистрации до очага взрыва, м; п -показатель степени затухания колебаний, зависящий от свойств пород по профилю распространения сейсмовзрывных; волн.

При преломлении в основание (фундаментные блоки) и далее в материал стены (кирпич) волна напряжений будет определяется по следующей зависимости:

2 р'Ср' р'Ср' + р0Ср0

где • /70 - плотность, Ср'- скорость прохождения продольной волны

Для определения значений напряжения вокруг проема использовалось решение задачи о равномерном одноосном растяжении

аФ = ^ МПа (3)

плоскости с отверстием. Согласно Колосову и Инглису распределение напряжений имеет вид:

а =

Ои

2*т*(г2-т}

(r^-mj

МПа (4)

т -

а-Ь

R =

a + b

а + Ь 2

где: а, Ъ- длины полуосей проема;

Концентрация напряжения в проемах имеет вид:

3 + т

' тах!

у = ±а

= о

1 -т

МПа

(5)

и составляет 0,7 МПа

Создание классификации сооружений по предельно допустимым напряжениям, возникающим в основании при преломлении СВВ (табл. 3) позволяет качественно оценить степень воздействия напряжений, возникающих при преломлении СВВ на материал и конструкцию фундамента, в соответствии с классом сооружения.

Таблица 3 Перерасчет допустимых скоростей колебаний грунта в основании сооружения на напряжения, преломленные в фундамент сооружения.

Ранг Допустимая скорость колебаний грунта, см/с а грун„ МПа 0 преломлен фунд , МПа а*, МПа

класс класс класс класс

сооружения сооружения сооружения сооружения

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

I 4,60 7,50 12,00 7,99 13,03 20,85 3,40 5,55 8,88 7,5 9 12,5

II 2,80 4,60 7,50 4,86 7,99 13,03 2,07 3,40 5,55 7,5 9 12,5

III 1,60 2,80 4,60 2,78 4,86 7,99 1,18 2,07 3,40 7,5 9 12,5

IV 1,00 1,60 2,80 1,74 2,78 4,86 0,74 1,18 2,07 7,5 9 12,5

V 0,60 1,00 1,60 1,04 1,74 2,78 0,44 0,74 1,18 7,5 9 12,5

VI 0,30 0,60 1,00 0,52 1,04 1,74 0,22 0,44 0,74 7,5 9 12,5

Расчет распределения напряжений в узлах сооружения при суммарном воздействии на здание СВВ и УВВ выполнялся при помощи методики динамического анализа в программно-вычислительном комплексе SCAD.

Так как расстройство стыков плит перекрытий в 5-ти этажном кирпичном здании не обеспечивает совместной работы всех продольных и поперечных стен, то анализ наружной стены выполняется как расчет отдельного элемента. Расчетная схема принята в виде пространственной рамы, состоящей из плоской продольной рамы соответствующей схеме

продольной стены по осям. Расчетная схема 9-ти этажного здания, исходя из конструктивной особенности несущей системы и для упрощения анализа его напряженного состояния, принимается так же в виде плоской рамы

Исходные значения параметров СВВ и УВВ для расчета принимались по результатам анализа и обобщения измерений параметров СВВ и УВВ для исследуемых зданий:

• скорость колебаний (и) = 0,4 см/с

• давление на фронте УВВ (Р) = 200 Па

• форма импульса УВВ - треугольная

• частота колебаний (1) = 5 Гц

Расчет основывается на создании конечно-элементной модели и выбора опций для выполнения процесса приложения нагрузок и граничных условий, а затем для определения отклика модели. Результаты расчета (табл. 4) сопоставимы с результатами приближенного расчета по формулам [1-5].

Таблица 4 Результаты расчета распределения напряжений

с помощью ПВК SCAD

Проект Схема нагружения Вид напряже ния Максималь ное значение, МПа Продолжитель ность воздейств., сек Декремент затухания

Жб 9 Импульс УВВ суммарн. 3,01 0,003

Жб 9 Гармонии, колеб. при УВВ суммарн. 2,96 10

Жб 9 Импульс СВВ суммарн. 1,12 0,008

Жб 9 Гармонии, колеб. при СВВ суммарн. 0,32 4 е-и,П

К 5 Импульс УВВ суммарн. 1,4 0,0028

К 5 Гармония, колеб. при УВВ суммарн 1,32 7,12

К 5 Импульс СВВ суммарн. 0,52 0,008

Расчет концентрации напряжений был выполнен с помощью моделирования в программном комплексе А^УБ (рис. 4 - 7).

При описании входных данных геометрии учитывались 5 типов проемов здания по ул Песчаной, 2, а так же 3 типа проемов здания на Леншоссе, 92, согласно конструкциям зданий.

Анализ напряженного состояния конструкций (табл. 5) показал, что максимальные значения величины распределенных в узлах конструкции напряжений (порядка 0,4 МПа для кирпичной кладки 5"™ этажного дома по Песчаной,2 и 3,0 МПа для бетонных элементов 9"™ этажного панельного дома на Леншоссе, 92) значительно меньше пределов прочности указанных материалов, даже с учетом коэффициента выносливости (порядка 1,1 МПа и 12,3 МПа соответственно). Однако, при концентрации напряжений (порядка 0,98 и 5,85 МПа) эти значения опасно сближаются, а для кирпичной кладки, учитывая прочностные особенности силикатного кирпича, могут сравняться.

Рис. 6 Концентрация Рис 7 Концентрация

напряжений при возд. СВВ напряжений при возд. УВВ

Таблица 5 Численные значения результатов расчета

концентраций напряжений в программном комплексе ЛЛФК?

Тип здания Тип проема (Т, МПа 0-тах1.МПа О"тах!, МПа к*

СВВ УВВ СВВ УВВ СВВ УВВ СВВ УВВ

5 эт 1 0,33 1,34 0,65 4,45 0,706 5,231 2,13 2,59

5 эт 2 0,33 1,34 0,53 5,21 0,706 0, 706 2,13 2,59

5 эт 3 0,33 1,34 0,98 5,3 0, 706 0,706 2,13 2,59

5 эт 4 0,33 1,34 0,72 5,7 0, 706 0, 706 2,13 2,59

5 эт 5 0,33 1,34 0,65 5,01 0, 706 0, 706 2,13 2,59

9 эт 1 0,70 2,90 1,90 5,50 1,81 5,85 2,58 2,01

9 Э1 2 0,70 2,90 1,75 5,30 1,81 5,85 2,58 2,01

9 эт 3 0,70 2,90 1,72 5,70 1,81 5,85 2,58 2,01

3. Прогноз разрушения конструкции должен основываться на расчете возникновения и роста трещин в очагах разрушения.

Процесс разрушения бетона происходит в результате прорастания одной из трещин или семейства разветвленных трещин через его сечение.

магистральных трещин в элементах конструкции при современных параметрах взрывных работ на ближайших карьерах позволяет прогнозировать развитие очагов разрушений в элементах конструкции.

Необходимым условием роста размеров трещин является

превышение напряжений в их вершинах (с^г) предела прочности

материала. Напряжение в вершине трещины меняется по закону:

п~

0-тах2 =0-тахК-- МПа (6)

V тР

где <Ттах1 - напряжение в элементе конструкции, МПа; I - критическая

длина трещины см; 1тр - длина трещины, см

При импульсной нагрузке на конструкцию здания, скорость роста трещины определяется по формуле:

см/с (7)

V = V тр г шах

V J

где • У[шх - максимальная скорость роста трещины, см;

^шах = 0,4 Ср СМ/С (8)

где ■ С - скорость продольной волны, см /с ;

^^Мй (9)

где • У' поверхностная энергия, Дж/м2; Е - модуль упругости, МПа;

п у, Е

I =-^-СМ (.10)

°"тах2

1тр = /* + А/ СМ (11)

где А/ - приращение длины трещины;

Идея методики прогноза роста размера трещины в очаге разрушения

состоит в пошаговом исчислении приращения времени А/ , при скорости роста трещины, определяемой из выражения и при условии соблюдения условия: А/

1г-1* + 2А/, см (12)

1трк =/*+/Д/см (13)

где

1тр к - конечная длина трещины, см.

Т.е. показателем роста размера трещины от критического до конечного является количество приращений этой трещины, исходя из

критической длины, и которое определяется количеством А/ , при

скорости роста V , на каждом участке приращения, до равенства суммы

Д/ с общим временем действия взрыва (рис. 8).

/ ( > 1--см

А/ = Ji

Vmpdt=V max

(14)

к У

412(0

Очевидно, что для разных элементов конструкции суммарное время действия возмущения (¿At) будет разным, а соответственно изменится и суммарное приращение длины трещины. Так как на каждом участке роста трещины скорость роста меняется, то необходимо учесть закономерность этого изменения при расчете каждого (i). Расчеты производятся с использованием математического пакета MathCAD.

Прогноз роста размеров трещин в очаге разрушения основывается на зависимости критической длины трещины l^t), как функции времени действия затухающих напряжений при колебании здания (рис.9, 10).

Приращение длины трещины (рис. 11) рассчитывается как сумма A t представляющей из себя сумму проекций на ось (t) площадей образовавшихся при пересечении графика любой трещины (I тр), из себя прямую линию и графика lkr(t), где l<lkr. В данном случае учитывается весь спектр напряжений.

Рис 8 Зависимость приращения длины критической трещины (А1) от количества шагов приращений /'

о(1)

1кг(о)

Рис. 9 Затухание напряжений при колебании здания от воздействия УВВ.

1)Ш

Рис 10 Зависимость критической длины трещины от напряжений при затухающих колебаниях здания

О 1 I I-1-1-1-1-1-1-1

0123436789

О 1 »

Рис И Приращение длины трещины при колебании сооружения

Заключение

Основные выводы по работе состоят в том, что применение в ' качестве критерия сейсмической взрывобезопасности обобщенного

показателя допустимой скорости колебаний, не учитывающего всей изменчивости обстоятельств, влияющих на работу конструкций, не является достаточным фактором, определяющим условия нормальной эксплуатации зданий и сооружений.

1. При массовых взрывах скважинных зарядов наблюдаются необратимые деформации бетона в стыках панелей и узлах их соединений, а так же продолжающееся трещинообразование в конструкциях зданий, прошедших период стабилизации деформаций грунтов основания

2. Многократно повторяющиеся взрывные воздействия с интенсивностью от 0.1 см/сек по сейсмической волне и от 0.2 кПа по воздушной ударной волне способствуют развитию существующих трещин в бетонных и каменных конструкциях.

3. Анализ прочности и трещинноватости материалов стен показывает, что здания за период эксплуатации в течение 25-35 лет накопили объем

повреждений, эквивалентный 6-ти бальному землетрясению и износ конструкций в 2,5-3 раза выше нормативного.

4. Максимальные значения величины распределенных в узлах конструкции напряжений (порядка 0,4 МПа для кирпичной кладки 5-ти этажного дома по Песчаной,2 и 3,0 МПа для бетонных элементов 9-ти этажного панельного дома на Леншоссе, 92) значительно меньше пределов прочности указанных материалов, даже с учетом коэффициента выносливости (порядка 1,1 МПа и 12,3 МПа соответственно), однако, при концентрации напряжений (0,98 и 5,85 МПа) эти значения опасно сближаются, а для кирпичной кладки, учитывая особенности силикатного кирпича могут сравняться.

5. Результаты расчетов возникновения трещин в узлах концентрации напряжений позволяют судить о критическом снижении прочностных характеристик здания материалов, а так же возможность образования и развития в конструктивных узлах и элементах очагов разрушения.

6. Разработанная методика расчета роста трещин в элементах конструкции позволяет прогнозировать развитие очагов разрушения в конструктивных узлах и скорость разрушения здания.

Публикации по теме диссертации.

1. Ивановский A.A. Воздействие сейсмовзрывных колебаний на здания и сооружения г Каменногорска при производстве взрывных работ на карьере ККУ // Сборник трудов молодых ученых по материалам межвузовской конференции молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение", Выпуск 9, СПГГИ(ТУ), Санкт-Петербург, 2003;

2. Ивановский A.A. Оценка воздействия сейсмовзрывных волн на здания и сооружения с помощью данных о концентрации напряжений в очагах разрушения конструкции // Сборник статей по материалам научно-практической конференции в рамках Уральской горнопромышленной декады, г. Екатеринбург, 2004 г;

3. Ивановский A.A. Методика расчета скрости роста трещин в конструктивных узлах зданий и сооружений при воздействии сейсмовзрывных и воздушных ударных волнах // Сборник статей по материалам научно-практической конференции в рамках Уральской горнопромышленной декады, г. Екатеринбург, 2005 г.

РИЦСПГГИ 14.11.2005. 3.472. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

№23641

PHБ Русский

2006-4 25519

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Ивановский, Александр Александрович

Введение.

Глава 1. Исследование существующих методов определения воздействия сейсмических колебаний на здания и сооружения при производстве взрывных работ.

1.1 Существующие способы оценки сейсмического действия взрыва

1.1.1. Оценка негативного воздействия сейсмических волн на здания и сооружения по скорости колебания грунта.

1.1.2. Оценка негативного воздействия сейсмических волн на здания и сооружения по их амплитудно - частотным характеристикам.

1.2. Существующие методики обеспечения сейсмобезопасности сооружений.

1.2.1. Снижение интенсивности действия сейсмовзрывных волн управлением параметрами массового взрыва. ц

1.2.2. Снижение интенсивности действия сейсмовзрывных волн с помощью искусственных преград.

1.3. Обзор состояния вопроса по реакции сооружения на действие СВВ и УВВ.

1.3.1. Методы расчета откликов зданий на внешние воздействия. ]

1.3.2. Механика трещинообразования в конструкциях зданий и сооружений.

1.4. Анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований воздействия СВВ и УВВ на здания г. Каменногорска.

1.4.1. Анализ основных результатов экспериментальных исследований воздействия СВВ и УВВ на здания г. Каменногорска проводимых кафедрой РГП СПГГИ(ТУ) с 1978 по 1996 гг.

1.4.2. Обобщение основных параметров БВР, влияющих на сохранность зданий и сооружений г. Каменногорска при массовых взрывах.

1.4.3 Обобщение основных параметров БВР, влияющих на сохранность зданий и сооружений г. Каменногорска при массовых взрывах

1.5. Выводы по главе 1 и постановка задач исследований. зg

Глава 2 Изучение прочностных характеристик материалов стен исследуемых зданий.

2.1. Мониторинг возникновения и роста трещин в зданиях г. Каменногорска при производстве массовых взрывов на Каменногорском карьероуправлении и Каменногорском комбинате нерудных материалов.

2.1.1. Фотофиксация повреждений зданий.

2.1.2. Обработка результатов наблюдений.

2.1.3. Анализ результатов обследования зданий.

2.2. Определение прочности материалов в лабораторных условиях.

2.3. Определение микротрещиноватости материалов в лабораторных условиях.

2.4. Выносливость конструктивных материалов в условиях взрывных воздействий.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Оценка локальных напряжений, возникающих в узлах конструкций здания при воздействии СВВ и У ВВ.

3.1. Переход от параметров сейсмических волн к напряжениям.

3.2. Расчет распределения напряжений в элементах конструкций панельного 9-ти этажного и кирпичного 5-ти этажного зданий

3.3. Расчет напряжений и концентрации напряжений в очагах разрушения конструкции аналитическими методами.

3.4. Расчет концентраторов напряжений с помощью компьютерного моделирования в пакете АШУБ.

3.5. Выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка методики расчета роста трещин в элементах конструкции и прогноз развития очагов разрушения в конструктивных узлах,

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка метода оценки уровня воздействия сейсмовзрывных и воздушных ударных волн на здания и сооружения при производстве взрывных работ на горнодобывающих предприятиях"

Наиболее распространенны формулы, определяющие взаимосвязь допустимой скорости смещения частиц грунта в основании сооружения с параметрами БВР, предложенные акад. М.А. Садовским на основе критерия подобия. В этом случае, решение задачи, т.е. определение массы заряда, вызывающей скорость смещения в районе охраняемых сооружений не более допустимой, требует экспериментального определения коэффициентов подобия. При этом отклонение измеренных значений от аппроксимирующих зависимостей может быть весьма велико, так как даже для однородного месторождения распространение сейсмических волн каждый раз остается особым случаем, зависящим от всего чрезвычайно изменчивого комплекса горно-геологических и технологических условий, а самое основное - такой подход не учитывает динамику зданий подверженных воздействию сейсмовзрывных и воздушных ударных волн (далее СВВ и УВВ), накапливание повреждений и развитие очагов разрушений в элементах конструкций этих зданий

Проблемой сохранности зданий от воздействия СВВ и УВВ занимались такие ученые, как М.А. Садовский, А.Б. Фадеев, C.B. Медведев, В.Н. Мосинец, Е.И. Шемякин, В.В. Адушкин, А.П. Господариков, В.В. Софронов, В.Г. Мыркин, Б.А. Аюрзанайн, В.А. Боровиков, И.Ф. Ванягин, М.Г. Егоров, В.А. Артемов, В.А. Михайлов, Ю.И. Виноградов и др. Изучению вопросов по механике трещинообразования в твердых телах посвящены исследования таких ученых как Ю.Н. Работнов, В.В. Адищев, М.Г. Менжулин и др. Однако, поведение конструкций при взрывах и изменение их состояния в условиях многократности взрывного воздействия, в настоящее время проанализировано недостаточно. Возникающие в процессе эксплуатации конструкции трещины и повреждения относятся в основном на счет строительных дефектов.

Таким образом, при оценке степени воздействия СВВ и УВВ на здания и сооружения при производстве взрывных работ необходимо учитывать: распределение напряжений при преломлении в конструкцию сейсмовзрывных и воздушных ударных волн, концентрации напряжений в отдельных узлах конструкции, развитие очагов разрушения в местах концентрации напряжений, снижение прочности материалов при многократном воздействии взрыва.

Связь с приоритетными направлениями развития паукп, технологии н технпкн РФ. Тема диссертации входит в перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ по двум позициям: природоохранные технологии и мониторинг окружающей среды. Кроме того, работа ведется в рамках существующей региональной программы Правительства Ленинградской области по рациональному использованию минерально - сырьевой базы и снижению уровней техногенного воздействия горных работ на окружающую среду и прилегающие здания и сооружения.

Задачи работы.

1. Мониторинг развития трещин в узлах зданий при производстве массовых взрывов на близкорасположенных карьерах.

2. Оценка прочностных свойств стеновых материалов исследуемых зданий.

3. Определение локальных напряжений, возникающих в узлах конструкций зданий и сооружений при преломлении в них возмущений, создаваемых сейсмовзрывными и воздушными ударными волнами.

4. Оценка концентрации напряжений в узлах конструкций и сравнение данных о концентрации напряжений с результатами оценки прочностных свойств стеновых материалов.

5. Создание методики расчета роста трещин в очагах разрушения при одиночных и массовых взрывах.

Идея работы. Параметры воздействия СВВ и УВВ на здания и сооружения должны основываться не только на определении допустимой скорости смещения частиц в волнах нагрузки, но и на прогнозе развития очагов разрушений в конструктивных элементах, основанном на расчете возникновения и роста трещин вследствие концентраций напряжений.

Научная новизна.

1. Показано, что стойкость зданий и сооружений к воздействию СВВ и УВВ должна определяться не только допустимой скоростью смещения частиц, но и развитием очагов разрушения в зданиях и сооружениях.

2. Разработан метод расчета очагов разрушения, представляющий собой увеличение в размерах трещин в зданиях и сооружениях под действием концентрации напряжений в отдельных узлах зданий и сооружений.

3. Установлена зависимость распределения динамических напряжений в зданиях и сооружениях от параметров СВВ и УВВ.

Защищаемые научные положения.

Методы исследований. При выполнении работы применялись методы обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений, мониторинга роста трещин в элементах конструкции, методы определения прочностных свойств материалов в лабораторных условиях на индикаторе ИСМ - 190, методы определения трещиноватости на микроскопе МИР - 2, методы расчета распределения напряжений с помощью построения расчетных схем, а так же в программно- вычислительном комплексе StruktureCAD, методы определения концентрации напряжений в ПВК ANSYS, методы математического программирования в пакетах MS Excel и MathCAD.

Практическая значимость работы.

Личный вклад автора. Мониторинг развития трещин в узлах зданий г. Каменногорска при производстве массовых взрывов на близкорасположенных карьерах. Оценка прочностных свойств стеновых материалов исследуемых зданий. Определение локальных напряжений и их концентраций в узлах конструкций при преломлении в них возмущений, создаваемых сейсмовзрывными и воздушными ударными волнами. Создание методики расчета роста трещин в очагах разрушения при одиночных и массовых взрывах.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых СПГГИ(ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, 2003-2004 г.г.), всероссийских конференциях УГГА «Уральская горнопромышленная декада» (Екатеринбург, 2003 г)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы.

Объем п структура работы. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 4 главы, 3 приложения, введение и заключение, список используемой литературы из 114 наименований, 99 рисунков и 40 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Ивановский, Александр Александрович

3.5 Выводы по главе 3

Анализ проведенных в главе исследований напряженного состояния конструкций показывает, что максимальные значения величины распределенных в узлах конструкции напряжений (порядка 0,4 МПа для кирпичной кладки 5-ти этажного дома по Песчаной,2 и 3,0 МПа для бетонных элементов 9-ти этажного панельного дома на Леншоссе, 92) значительно меньше пределов прочности указанных материалов, даже с учетом коэффициента выносливости (порядка 1,1 МПа и 12,3 МПа соответственно).

Однако, при концентрации напряжений (порядка 0,98 и 5,85 МПа) эти значения опасно сближаются, а для кирпичной кладки, учитывая особенности силикатного кирпича могут сравняться.

Глава 4 Разработка метода расчета роста трещин в элементах конструкции и прогноз развития очагов разрушений в конструктивных

Образование зародышевых микротрещин в элементах конструкции происходит на каждом этапе строительной истории элементов, от сушки бетона или изготовления кирпича, до окончания строительных работ. Развитие этих трещин до магистральных при воздействии напряжений, вызванных преломлением СВВ и УВВ возмущений, происходит в течение всего периода эксплуатации здания. На основе расчета скорости роста магистральных трещин в элементах конструкции при современных параметрах взрывных работ на ближайших карьерах позволяет прогнозировать развитие очагов разрушений в элементах конструкции.

Необходимым условием роста размеров трещин является превышение напряжений в их вершинах (сг^) предела прочности материала. Напряжение в вершине трещины меняется по закону: тах2 = °"тах1 - МПа (4.1) тр где сгтах1 - напряжение в элементе конструкции, МПа; Г - критическая длина трещины см; 1тр - длина трещины, см.

При импульсной нагрузке на конструкцию здания, скорость роста трещины определяется по формуле: узлах.

4.2) где: Утах -максимальная скорость роста трещины, см; шах тах = 0,4 Ср с м/с

4.3) где: Ср - скорость продольной волны, см /е.;

4.4)

2. где: у5 - поверхностная энергия, Дж/м ; Е - модуль упругости, МПа; я у. Е шах2

1тр=Г+А1сы (4.6) где: А/ - приращение длины трещины;

Идея методики прогноза роста размера трещины в очаге разрушения состоит в пошаговом исчислении приращения времени At , при скорости роста трещины, определяемой из выражения и при условии соблюдения условия: А/

2 = Г + 2 А/, см (4.7)

V* = I* + Ш см (4.8) где 1тр к - конечная длина трещины, см.

Т.е. показателем роста размера трещины от критического до конечного является количество приращений этой трещины, исходя из критической длины, и которое определяется количеством Дг , при скорости роста утр , на каждом участке приращения, до равенства суммы М с общим временем действия взрыва (рис. 4.1). м = \утр& = 1 - - А СМ (4.9)

О О V 1К

Т.к. на каждом участке роста трещины скорость роста меняется, то необходимо учесть закономерность этого изменения при расчете каждого (1)

Шаг 1

А/ = сои^г. критическая критическая ^ ы

4.10) средняя критическая ^критическая J

4.11)

А^ =

2* АI 1критическая критическая А/,

4.12)

Шаг 2

V —V ср2 2 тах крит

1 — V крит 1

I +2Д/ крит 1

2 — крит крит

I +Д/ / +2Д/ крит фит

4.1.13)

2-крит крит

1крип,+М 1кршп+ 2А/

А/

4.14)

АГ2 =2.

Очевидно, что для разных элементов конструкции суммарное время действия возмущения (£Д1:) будет разным, а соответственно изменится и суммарное приращение длины трещины. Так как на каждом участке роста трещины скорость роста меняется, то необходимо учесть закономерность этого изменения при расчете каждого (1). Расчеты 4.1 - 4.13 производятся с использованием математического пакета Ма&САБ. i

Рис. 4.1 Зависимость приращения длины критической трещины (Ы) от количества шагов приращений i

Прогноз роста размеров трещин в очаге разрушения основывается на зависимости критической длины трещины hr(t), как функции времени действия затухающих напряжений при колебании здания (рис. 4.2, 4.3).

Приращение длины трещины (рис. 4.4) рассчитывается как сумма Л t представляющей из себя сумму проекций на ось (t) площадей образовавшихся при пересечении графика любой трещины (I тр), из себя прямую линию и графика Ik/t), где 1<1кг.

Пример результата расчета скорости роста трещины для одного элемента (межоконного расстояния панельного дома) - табл. 4.1

Заключение

Здания, расположенные в зоне действия взрывных работ подвергаются воздействиям сейсмовзрывной и воздушной ударной волны в течение всего срока их эксплуатации. В период до 1991 года на близлежащих к г. Каменногорску карьерах в совокупности ежегодно производилось около 500 взрывов зарядов ВВ весом в среднем 45 т., максимальные значения достигали 60 т. С 1992 по 2005 год число взрывов и масса зарядов уменьшилась.

В настоящее время взрывы ведутся ступенями с суммарной массой заряда в блоке 25-^ 27 т., при максимальной массе заряда ступенями 2,5-^- 3,5 т.

Исследования состояния зданий в г. Каменногорске в настоящей работе и результаты исследований других авторов (в частности СПбЗНИИПИ) позволили определить здания, представляющие наибольшую опасность по возможному разрушению. Это жилое девятиэтажное панельное здание по адресу ул. Леншоссе, д. 92 и пятиэтажное кирпичное здание по адресу ул. Песчаная, д. 2.

Мониторинг роста трещин позволил выявить продолжающееся трещинообразование в несущих конструкциях зданий. Сравнительно с результатами исследований СПбЗНИИиПИ увеличение размеров трещин за период с 1997 по 2005 гг. составило: в панельном здании по адресу ул. Леншоссе, д. 92 - от 0,5 до 2,8 м, в зависимости от места расположения трещины, в кирпичном здании по адресу ул. Песчаная, д. 2 - от 1,0 до 5,0 м,

Указанные здания прошли период стабилизации деформаций грунтов основания. Увеличение размеров существующих трещин происходит явно во время или непосредственно после проведения взрывов. При этом скорости колебаний грунтов 0.05 - 0.1 см/сек и избыточные давления 0.5-0.25 кПа, что значительно меньше значений допустимых скоростей для данных классов сооружений согласно СНиП - II А. 3-62 и СНиП - II А. 12-69 [85].

Анализ исследований прочностных характеристик материалов стен и расчеты напряженного состояния конструкций показывают, что максимальные значения величины распределенных в узлах конструкции напряжений (порядка 0,4 МПа для кирпичной кладки 5-ти этажного дома по Песчаной,2 и 3,0 МПа для бетонных элементов 9-ти этажного панельного дома на Леншоссе, 92) значительно меньше пределов прочности указанных материалов, даже с учетом коэффициента выносливости (порядка 1,3 МПа и 17 МПа соответственно).

Однако, при концентрации напряжений (порядка 0,98 и 5,85 МПа) эти значения опасно сближаются, а для кирпичной кладки, учитывая особенности силикатного кирпича, могут сравняться.

Существующие методы оценки сейсмостойкости зданий и сооружений, а так же их реакции на воздействие воздушных ударных волн основаны на исследовании колебаний элементов конструкций или всего сооружения, что не позволяет прогнозировать образование новых и развитие существующих очагов разрушения. Для решения этой задачи в настоящей работе предложен метод расчета развития существующих очагов разрушения, представляющих собой строительные или возникшие при эксплуатации трещины. Решение этой задачи реализуется с помощью нескольких подходов. Один из них основан на пересчете массовых скоростей в сейсмической волне под основанием сооружения, пересчете их на компоненты напряжений и далее на расчете компонент напряжений в отдельных узлах конструкции зданий при распространении преломленной волны.

Углы проемов и сочленения зданий являются концентраторами напряжений. При наличии в области таких концентраторов напряжений строительных или возникших при эксплуатации трещин в их вершинах создаются локальные концентрации напряжений. При этом в ряде случаев создаются условия для увеличения размеров существующих трещин. Подрастание трещин происходит на каждом цикле колебаний. Такое увеличение размеров трещин на каждом цикле очень незначительно, составляет сотые доли миллиметра и менее. Однако при многократно повторяющихся воздействиях рост трещин может составлять десятки сантиметров в год, что подтверждается наблюдением за ростом трещин относительно устанавливаемых маячком.

С целью более тщательного обследования роли преломленных в здания сейсмовзрывных и воздушных ударных волн в картине напряжений были адаптированы программные комплексы StruktureCAD, ANS YS, реализация разработанной методики расчета роста трещин произведена в ПВК MathCAD.

Усовершенствованная таким образом методика расчета найдет применение не только для оценки взрывных воздействий, но и для анализа влияния на здания микросейсм от движения тяжелого транспорта, метро, работы оборудования и т.п.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Ивановский, Александр Александрович, Санкт-Петербург

1. Адищев В.В., Корпев В.М. Подход к построению критерия хрупкой прочности трещиноватых пористых тел. // Изв. Вузов. Строительство, -1997 г. №7. с.40-45.

2. Александров В.М., Сметании Б.И.,Соболь Б.В. Концентраторы напряжений в упругих телах М., Наука, 1993 г., с. 112-124.

3. Ахундов М.Б., Никитин JI.B., Суворова Ю.В. Кинетическая модель развития трещины в повреждающейся среде. // Механика твердого тела, 1986 г., №5, с.128-138.

4. Аюрзанайн Б.А. Исследование и разработка методов определения безопасных расстояний по действию ударная воздушная волна при производстве массовых взрывов на карьерах. JL, Диссертация на соискание степени к.т.н., JL, ЛГИ, 1979 г., с. 53-58.

5. Баринов С.М., Андриашвили П.И. Докритическое распространение трещины в хрупких материалах при монотонном нагружении. // Физико-химическая механика материалов, 1988 г., №6, с. 21-24.

6. Баринов С.М., Красулин Ю.Л. Докритический рост трещины в хрупких материалах в условиях микрорастрескивания. //Проблемы прочности, 1982 г., №9, с.84-87.

7. Бондаренко В.М., Наумов O.K. Феноменологические гипотезы в задачах о механическом сопротивлении бетонов. //Изв. Вузов. Строительство и архитектура, 1985 г., №2, с. 1-7.

8. Боровиков В.А. Исследование действия сейсмовзрывных волн с целью оптимизации предельного веса заряда массовых взрывов на карьере ККНМ. Л., ЛГИ, отчет по х/д 106/81, 1981 г., с. 38.

9. Боровиков В.А., Артемов В.А. Исследование воздействия ударных воздушных волн на остекление промышленных и жилых зданий Каменногорского комбината нерудных материалов и г. Каменногорска при взрывных работах на карьере, Л., ЦНТТМ, 1989 г., с. 28.

10. Боровиков В.А., Артемов В.А. Исследования действия сейсмовзрывных волн на строительные сооружения и конструкции, Л., ЦНТТМ, 1989 г., с. 49.

11. Будештский Р.И. Математическая модель композиционного материала зернистой структуры. //Проблемы прочности, 1971 г., №8, с.30-34.

12. Вайншток В.А. Сравнение двух численных методов расчета коэффициентов интенсивности напряжений. //Проблемы прочности, 1977 г., №9, с.80-82.

13. Ванин Г.А. К основам теории композиционных материалов с неупорядоченной структурой. //Прикладная механика, 1983 г. №3, с. 9-18.

14. Ванин Г.А. Новые функции распределения в механике композиционных сред. М., Прикладная механика, 1984 г., №5, с.25-31.

15. Вильяме М., Андерсон Дж. Адгезионная механика разрушения. Механика разрушения. //Мир, Новое в зарубежной технике. Механика, 1979 г., с. 216-238.

16. Владимиров А.П., Стружанов В.В. О раскрытии берегов естественной макротрещины. // Журнал прикладной механики и технической физики, -1983 г., №2, с.147-150.

17. Воробьев В.Д. Учет анизотропии массива при выборе сейсмобезопасных параметров ВР. // Добыча угля открытым способом, 1982 г., №5, с. 6-7

18. Выровой В.Н. Структурообразование и разрушение композиционных строительных материалов. Современные проблемы строительного материаловедения. Самара, СГАСА, Тр. межд. конф., 1995 г., с. 30-31.

19. Выровой В.Н., Ширяева НЛО., Макарова С.С. Влияние технологической наследственности на трещиностойкость строительных композитов. Защитные строительные конструкции и материалы. СПб, Тр. межд. конф., ПГУПС, 1995 г., с. 12-14.

20. Галатенко Г.В. О влиянии неравномерности распределения напряжений в немалой концевой зоне на рост трещин в вязко-упругих средах. //Прикладная механика, 1983 г., № 5, с.80-85.

21. Гвоздев A.A. О направлении смещений в продольной волне, распространяющейся вдоль свободной поверхности упругой среды. //Изв. АН СССР, Геофизика, 1962 г., №5, с. 103-105.

22. Германович Л.Н., Дыскин A.B., Цырульников Н.М. Модель деформирования и разрушения хрупких материалов с трещинами при одноосном сжатии. //Механика твердого тела, 1993 г., №1, с.127-143.

23. Германович JI.H., Черепанов Г.П. О критериях разрушения материалов с дефектами. //Прикладная математика и механика, 1987 г., №2, с.330-340.

24. Гойхман Б.Д. О накоплении повреждений и временной зависимости прочности твердых тел в условиях физико-химических превращений. //Физико-химическая механика материалов, 1975 г., №3, с.65-69.

25. Голиков А.Е. Механизм разрушения бетона при осевом сжатии. //Изв. Вузов. Строительство и архитектура, 1983 г. № 6, с.5-9.

26. Господариков А.П., Шульцев Д.Н. Расчет на сейсмичность оборудования трубопроводов АЭС. JI. 1983 г., Материалы конф. и совещ. по проблемам сейсмостойкости энергетических сооружений, ч. 2, с. 6-10.

27. Господариков А.П., Шульцев Д.Н., Кузьмин Ю.С., Сидоров A.A. Расчет на сейсмичность оборудования и трубопроводов АЭС //Методы исслед. сейсмостойкости гидротехн. иэнергетич. сооружений, 1981 г., с. 149-151.

28. Господариков А.П., Шульцев Д.Н. Расчет трубопроводов атомных электрических станций на сейсмостойкость. М. 1978 г., Энергомашстрой, с. 23-24.

29. ГОСТ 24941-81 Методы определения механических свойств нагружением сферическими инденторами. 1994 г.

30. Грушевский Я.Л. Определение вероятного места разрушения керамических тел. //Проблемы прочности, 1987 г., №3, с. 49-52.

31. Грушко И.М., Алтухов В.Д. Вопросы теории структуры, прочности и разрушения бетонов. //Механика бетона, 1986 г. №11. с. 15-29.

32. Гузеев Е.А., Жуков В.В., Шевченко В.И., Сейланов JI.A. Критерии разрушения бетона для расчета конструкций на долговечность. //Изв. Вузов. Строительство и архитектура, 1989 г., №1, с. 1-6.

33. Гузь А.Н. О механике разрушения композитных материалов при осевомсжатии (хрупкое разрушение). //Прикладная механика, 1982 г., №10, с.З-16.

34. Гузь А.Н. Энергетические критерии хрупкого разрушения композитных материалов с начальными напряжениями. //Прикладная механика, 1983 г., №1, с. 3-9.

35. Гурин A.A., Малый П.С., Савенко С.К. Ударные воздушные волны в горных выработках. М., Недра, изд. 2-е, перераб. и доп. 1983 г., с. 223.

36. Гусев Б.В., Зазимко В.Г., Нетеса Н.И. Исследование напряженно-деформированного состояния композитов с использованием метода ^ конечных элементов. //Изв. Вузов. Строительство и архитектура, 1981 г. №8, с. 13-16.

37. Даль Ю.М. Физические особенности макроскопической пластичности и микросдвигов у вершины равновесной трещины. Л., ЛГУ, Сб. ст. под ред. акад.В.В.Новожилова, 1977 г., Вып.1, с.20-35.

38. Димитриенко Ю.И., Димитриенко И.П. Длительная прочность армированных композитов. //Механика композитных материалов, 1989 г., №1, с. 16-22.

39. Егоров М.Г. Расчет параметров ударной воздушной волны при короткозамедленном взрывании. СПб, Сб. тр. СПГТИ (ТУ), № 4, 1997 г., с. 20-23.

40. Егупов В.К., Командрина Т.А. Расчет зданий на сейсмические воздействия. Киев, Наукова думка, 1969 г., с. 18-23.

41. Единые правила безопасности при взрывных работах. М., НПО ОБТ, 1993 г., с. 19-23.

42. Ентов В.М. О роли структуры материала в механике разрушения. //Механика твердого тела, 1976 г., №3, с. 110-117.

43. Ентов В.М., Ягуст В.И. Экспериментальное исследование закономерностей квазистатического развития макротрещин в бетоне. //Механика твердого тела, 1975 г., №4, с.93-103.

44. Жуков В.В., Шевченко В.И., Гузеев Е.А., Сейланов JI.A. Применимость J-интеграла для анализа разрушения бетона. //Изв. Вузов. Строительство и архитектура, 1987 г., №5, с. 1-5.

45. Зайцев О.В., Ковлер K.JL, Красновский P.O., Кроль И.С. Трещиностойкость бетонов с различной степенью неоднородности структуры. //Бетон и железобетон, 1989 г., №11, с.25-27.

46. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушения. М., Стройиздат, 1982 г. с 155.

47. Зобнин А.И. Распространение трещины в полимерном материале. //Механика твердого тела, 1974 г., №1, с.53-56.

48. Ивашенко Ю.А. Деформационная теория разрушения бетона. //Изв. Вузов. Строительство и архитектура, 1987 г., №1, с.33-38.

49. Игнатович С.Р. Прогнозирование объединения рассеянных дефектов. М., Проблемы прочности, 1992 г., №2, с.71-77.

50. Игнатович С.Р. Распределение размеров дефектов при нагружении твердых тел. //Проблемы прочности, 1990 г., №9, с.40-45.

51. Игнатович С.Р. Статистическая модель повреждаемости при множественном разрушении. //Проблемы прочности, 1996 г., № 1, с.74-81.

52. Илюшинский АЛО., Черный Г.Г. Атомистика разрушения. М., Наука, 1987 г., с. 157-190.

53. Инструкция по определению радиуса опасной зоны действия ударныхвоздушных волн на застекление. М., ЦПЭС треста Союзвзрывпром, 1979 г., с. 19.

54. Йрова Й., Кафка В. Структурная математическая модель реологической деформации двухкомпонентного материала //Механика композитных материалов, 1982 г., №5, с.779-783.

55. Калашников В.А., Еременко В.П. Зависимость между напряженно-деформированным состоянием бетона и акустической эмиссией. Бетон и железобетон. //М., 1978 г., №4., с. 41-42.

56. Каминский A.A. Докритический рост трещин с немалыми концевыми зонами в вязкоупругих телах. //Прикладная механика. М.,1987 г. №10, с.39-44.

57. Киселев Ф.А., Ривкин ЕЛО. Зависимость величины раскрытия трещины и размера пластической зоны от вида напряженного состояния. //Проблемы прочности. М., 1978 г., №2, с.81-82.

58. Коваленко О.В., Сироткин В.К. Модель разрушения квазихрупких сред. //Журнал прикладной механики и технической физики. М., 1985 г., №4, с.138-144.

59. Козуб Ю.И. Об оценке прочности композиционных материалов. //Проблемы прочности, 1971 г., №10, с.82-85.

60. Комохов П.Г. Физика и механика разрушения в процессах формирования прочности цементного камня. //Цемент, 1991 г. №7-8, с.4-10.

61. Коноводченко В.И. Исследование сейсмостойкости кирпичной кладки и виброкирпичных панелей. М., Наука, 1967 г., с. 82-89.

62. Конторович С.И., Маликова Ж.Г., Щукин Е.Д. Внутренние напряжения в структурах гидратационного твердения минеральных вяжущих веществ. //Коллоидный журнал, 1970 г., №2, с.224-228.

63. Кузьменко A.A., Воробьев В.Д., Денисюк И.И., Дауетас A.A.68.

Информация о работе

Ивановский, Александр Александрович
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2005
ВАК 25.00.20

Диссертация

Разработка метода оценки уровня воздействия сейсмовзрывных и воздушных ударных волн на здания и сооружения при производстве взрывных работ на горнодобывающих предприятиях - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы