Экстремальные воздействия на сооружения. Бирбраер А.Н Роледер А.Ю. 2009г.
Книга посвящена вопросам проектирования сооружений на экстремальные воздействия. Описаны способы динамических расчетов конструкций на кратковременные нагрузки в упругой и неупругой стадиях деформирования. Приведены методы определения нагрузок при экстремальных воздействиях, таких как удары летящих тел различной природы, взрывы, торнадо и ураганы, падение грузов, обрушение сооружений. Излагаются принципы учета экстремальных воздействий при проектировании атомных электростанций, включая вероятностные методы оценки их опасности и риска. Приведены многочисленные примеры расчетов. Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников. Она также может быть использована студентами и аспирантами строительных специальностей.
При проектировании любых промышленных или гражданских сооружений учитывают особые нагрузки и воздействия, как природные, так и техногенные, т.е. создаваемые в результате деятельности человека. Их состав и интенсивность зависят от ответственности объекта, характеризуемой тяжестью социальных, экономических и экологических последствий, которые повлечет за собой его разрушение. Для таких опасных промышленных объектов, как крупные химические заводы, предприятия нефтехимии, хранилища и системы транспортировки газа и нефтепродуктов, высокие плотины и тому подобное, предусматривают защиту даже от весьма редко повторяющихся и тяжелых нагрузок и воздействий.
Особое место среди опасных промышленных объектов занимают предприятия, связанные с использованием радиоактивных веществ, в частности, атомные электростанции (АЭС). Непременным требованием к ним является гарантия сохранения ядерной и радиационной безопасности. Это означает, что при любых нормальных и аварийных режимах работы, любых внутренних и внешних воздействиях должен быть предотвращен выход радиоактивных продуктов за установленные пределы.
Одним из важнейших вопросов, решаемых при обеспечении безопасности АЭС, является учет экстремальных природных и техногенных воздействий. К первым относятся землетрясения, ураганы, торнадо (смерчи), цунами, экстремальные климатические температуры, снег, обледенение, лесные пожары и пр. Техногенные воздействия делят на внутренние и внешние. Внутренние возникают при нарушении нормальных условий эксплуатации и аварийных режимах работы АЭС: повышение температуры и давления в помещениях, удары разлетающихся обломков оборудования, падение транспортируемых грузов. Примерами внешних техногенных воздействий являются падение на станцию летательного аппарата, взрывы, распространение токсичных и коррозионно-опасных веществ и газов с близлежащих предприятий или транспортных путей, затопление территории вследствие прорыва водохранилищ и пр.
Важнейшим экстремальным воздействием, обязательно учитываемым в проекте любой АЭС, является землетрясение. Однако в данной книге оно не рассматривается, так как вопросы обеспечения сейсмостойкости АЭС достаточно подробно описаны в литературе. Из остальных указанных выше воздействий в книге рассмотрены падение на АЭС летательного аппарата, внешние взрывы, удары разлетающихся при авариях тел, ветровые нагрузки, ураганы и торнадо. Такой выбор воздействий обусловлен тем, что они приводят к очень большим нагрузкам на строительные конструкции и оборудование АЭС.
Особенностью этих воздействий является очень малая вероятность реализации. Поэтому выполнять проектирование «по наихудшему варианту», как при обычных нагрузках и воздействиях, – это излишне осторожный подход. Редкость экстремальных воздействий оправдывает использование специальных методов проектирования: применение вероятностных методов анализа, задание прочностных характеристик материалов с меньшей вероятностью непревышения (т.е. их более высоких значений), уменьшение запасов прочности конструкций и т.п. Исходя из концепции риска, вычисляемого на основе вероятностного анализа, устанавливают также требования к надежности наиболее ответственного оборудования.
Защита АЭС от экстремальных воздействий включает разные аспекты. Сюда входят анализ самой необходимости учета воздействия в проекте; расчет прочности и колебаний строительных конструкций; методы проектирования, конструкционные и объемно-планировочные способы защиты; требования к технологическому оборудованию, гарантирующие сохранение его работоспособности; организация работ, качество строительства; организационные мероприятия и гражданская оборона. Однако в книге рассмотрена только часть из этих проблем: анализ необходимости учета экстремальных воздействий, определение создаваемых ими нагрузок, методы расчета строительных конструкций и оборудования и, в меньшей степени, объемно-планировочные решения и способы защиты АЭС. При этом рассматривается только механическое действие на сооружения, а опасность, создаваемая, например, тепловым воздействием, выделением токсичных газов, образованием пыли и т.д., не рассматривается.
Книга разделена на три части, каждая из которых посвящена в основном какому-то одному кругу вопросов. Однако, поскольку указанные выше проблемы тесно переплетены друг с другом, полностью разделить их не удается. Поэтому в каждой из частей затрагиваются вопросы, рассматриваемые в других частях.
В I части книги излагаются методы динамических расчетов конструкций, причем особое внимание уделено импульсивным и ударным нагрузкам, характерным для рассматриваемых воздействий. Отметим, что по этой тематике существует множество печатных трудов. Тем не менее авторы сочли полезным включить в книгу сводку необходимых сведений и формул, на которые даются ссылки. Значительное внимание уделено также упрощенным и эмпирическим способам расчета. Это оправдано тем, что хотя сегодня прочностные расчеты конструкций обычно выполняют с применением компьютера, но при проектировании на очень интенсивные экстремальные воздействия часто необходимо учитывать нелинейную работу конструкций, а позволяющие сделать это вычислительные программы очень дороги и малодоступны.
Во II части изложены методы определения нагрузок, создаваемых экстремальными воздействиями. Рассмотрены нагрузки при ударах летящих тел различной природы, взрывах, авариях, ветре, ураганах и торнадо.
Заключительная III часть посвящена проектированию АЭС на экстремальные воздействия. Прежде всего, изложены общие принципы их учета. Далее рассматриваются проблемы, связанные с двумя наиболее интенсивными воздействиями: падением на АЭС самолета и взрывами. Описаны методы задания их расчетных параметров; проверка прочности строительных конструкций; расчет колебаний зданий АЭС с целью определения нагрузок на находящееся в них оборудование. В последней главе книги изложена методика вероятностного расчета сооружения и оборудования на удар самолета.
Книга была задумана как практическое пособие для проектировщиков. Поэтому в нее включено большое количество справочного материала, а также примеров, по аналогии с которыми можно самостоятельно выполнить подобные расчеты. Но в то же время книга не является чисто справочным изданием: в ней приведены доказательства многих положений, чтобы читатель мог понять исходные предпосылки и пределы применимости описанных методов расчета.
По роду своей деятельности авторы связаны с проектированием АЭС. Поэтому в книге в первую очередь затронуты вопросы, актуальные для ядерно- и радиационноопасных объектов, описаны методики и нормативные документы, используемые в этой отрасли (хотя привлекались документы и других отраслей). В то же время книга может представлять интерес и для специалистов из других отраслей промышленности и строительства, сталкивающихся с необходимостью учета экстремальных воздействий. Она также может быть полезна студентам и аспирантам строительных специальностей при изучении курса динамики сооружений. Предполагается, что читатель имеет подготовку в области математики и механики в объеме, обычном для строительных специальностей высших учебных заведений. Отдельные вопросы, выходящие за эти пределы, разъясняются в тексте.
В книге освещена отечественная и зарубежная практика проектирования АЭС и, прежде всего, большой опыт, накопленный в Санкт-Петербургском институте «Атомэнергопроект» (СПб АЭП). В то же время количество публикаций по затронутым вопросам настолько велико, что отразить их все в ограниченном объеме невозможно. Поэтому список литературы является далеко не полным.
Часть I. Расчет конструкций на ударные и импульсные нагрузки
Глава 1. Предельные состояния и прочность конструкций при динамических нагрузках
1.1. Прочность материалов при динамическом нагружении
1.1.1. Нормативные обозначения прочности
1.1.2. Диаграммы деформирования материалов
1.2. Предельные состояния конструкций
1.2.1. Характеристика предельных состояний
1.2.2. Нормирование предельных состояний железобетонных и стальных конструкций
1.2.3. О критериях отказа железобетонных конструкций при неупругих перемещениях
Глава 2. Линейные дискретные системы
2.1. Система с одной степенью свободы («линейный осциллятор»)
2.1.1. Свободные колебания
2.1.2. Вынужденные колебания
2.2. Свободные колебания дискретной системы
2.2.1. Выбор дискретной расчетной модели
2.2.2. Дифференциальные уравнения движения
2.2.3. Собственные частоты и моды системы
2.2.4. Свойства мод
2.2.5. Решение уравнений свободных колебаний методом модальной суперпозиции
2.3. Вынужденные колебания дискретной системы при силовом возмущении
2.3.1. Дифференциальные уравнения движения
2.3.2. Решение системы дифференциальных уравнений методом прямого пошагового
интегрирования
2.3.3. Решение методом модальной суперпозиции
2.4. Вынужденные колебания дискретной системы при кинематическом возмущении
2.4.1. Дифференциальные уравнения движения
2.4.2. Интегрирование системы методом модальной суперпозиции
2.4.3. Сумма нормированных векторов мод
2.5. Вычисление матриц масс и податливости с помощью мод
Глава 3. Линейные континуальные системы
3.1. Изгибные колебания стержней
3.1.1. Свободные колебания
3.1.2. Вынужденные поперечные колебания стержня при силовом возмущении
3.1.3. Вынужденные колебания стержня при кинематическом возмущении
3.1.4. Переходный процесс при колебаниях стержня
3.1.5. О точности моделирования конструкции в виде стержня
3.2. Изгибные колебания прямоугольных пластинок
3.2.1. Предварительные замечания
3.2.2. Свободные колебания
3.2.3. Вынужденные колебания пластинок при силовом возмущении
3.2.4. Вынужденные колебания пластинок при кинематическом возмущении
3.2.5. Об уточненной теории поперечных колебаний пластинок
3.3. Приближенное определение динамических характеристик конструкций
3.3.1. Однопролетные балки и плиты с постоянными характеристиками
3.3.3. Трубы
3.3.4. Многоэтажное здание высотой более 50 м
3.3.5. Первые моды сооружений
3.3.6. Эквивалентная погонная масса конструкции
3.4. Изгибная жесткость железобетонных элементов
Глава 4. Квазистатические методы расчета конструкций
4.1. Схематизация конструкции как системы с одной степенью свободы
4.1.1. Способы схематизации
4.1.2. Параметры эквивалентного линейного осциллятора
4.1.3. Задание приближенной функции прогиба в виде перемещений при статических нагрузках
4.1.4. Замечания по поводу схематизации конструкций в виде эквивалентного линейного осциллятора
4.1.5. Параметры эквивалентных линейных осцилляторов для некоторых простейших конструкций
4.2. Квазистатический расчет конструкции при действии силы
4.2.1. Коэффициенты динамичности
4.2.2. Законы движения осцилляторов
4.2.3. Квазистатический расчет конструкции как системы с одной степенью свободы
4.2.4 Квазистатический расчет конструкции как системы с n степенями свободы
4.3. Квазистатический расчет при кинематическом возмущении
4.3.1. Спектры отклика
4.3.2. Процедура расчета по линейно-спектральной теории
4.3.3. Модальные отклики конструкции
4.3.4. Вычисление суммарного («расчетного») отклика
4.3.5. Ограничение числа учитываемых мод при расчетах подсистем
4.3.6. Проверка прочности конструкции
4.4. Достоинства и недостатки квазистатических методов расчета
Глава 5. Расчет конструкций за пределами упругих деформаций
5.1. О неупругих расчетах по методу конечных элементов
5.2. Схемы с шарнирами пластичности
5.3. Неупругий расчет балок
5.3.1. Железобетонная шарнирно опертая балка
5.3.2. Железобетонная балка с заделкой и шарнирной опорой
5.3.3. Железобетонная балка с двумя заделками
5.3.4. Неупругий расчет металлических балок
5.4. Неупругий расчет железобетонных плит
5.4.1. О расчетах железобетонных плит с применением пластических шарниров
5.4.2. Шарнирно опертая железобетонная плита при равномерно распределенной нагрузке
5.4.3. Защемленная по контуру железобетонная плита при равномерно распределенной нагрузки
5.4.4. Свободно опертая по контуру железобетонная плита при сосредоточенной нагрузке
5.4.5. Защемленная по контуру железобетонная плита при сосредоточенной нагрузке
5.4.6. Железобетонные плиты иной формы и с другими граничными условиями
5.5. Расчеты при схематизации конструкции в виде упругопластического осциллятора
5.5.1. Предварительные замечания
5.5.2. Шарнирно опертая балка
5.5.3. Балка с заделкой и шарнирной опорой
5.5.4. Балка с двумя заделками
5.5.5. Железобетонная шарнирно опертая плита при равномерно распределенной нагрузке
5.5.6. Железобетонная защемленная по контуру плита при равномерно распределенной нагрузке
5.5.7. Железобетонная шарнирно опертая по контуру плита при сосредоточенной нагрузке
5.5.8. Железобетонная защемленная по контуру плита при сосредоточенной нагрузке
5.6. Заключительные замечания
Глава 6. Энергетический метод расчета строительных конструкций на кратковременные нагрузки
6.1. Скорости точек системы при действии кратковременной силы
6.2. Процедура расчета конструкций энергетическим методом
6.3. Примеры расчета с использованием схематизации в виде осциллятора
6.3.1. Предварительные замечания
6.3.2. Шарнирно опертая балка
6.3.3. Балка с защемленными концами
6.3.4. Шарнирно опертая плита
6.3.5. Защемленная по контуру плита
6.4. Заключительные замечания
Часть II. Нагрузки на сооружения при экстремальных воздействиях
Глава 7. Расчет конструкций на удары жестких тел
7.1. Удар абсолютно твердого тела в недеформируемую преграду
7.2. Удары линейно- и нелинейно-упругих тел в недеформируемую преграду
7.3. Локальные повреждения железобетонных конструкций
7.3.1. Виды повреждений бетонной преграды
7.3.2. Оценка локальных повреждений железобетонной конструкции
7.3.3. Последовательное пробивание жестким снарядом нескольких барьеров
7.3.4. Нагрузка на железобетонную преграду при внедрении жесткого тела
7.4 Локальные повреждения стальных конструкций
Глава 8. Нагрузки на строительные конструкции при ударах разрушающихся летящих тел
8.1. Удар в недеформируемую преграду
8.1.1. Удар по нормали к преграде
8.1.2. Решение уравнения движения тела в квадратурах
8.1.3. Удар тела с постоянной по длине массой и прочностью
8.1.4. Удар тела с линейно изменяющимися массой и прочностью
8.2. Удар в податливую преграду
8.2.1. Удар по нормали к преграде
8.2.2. Удар под углом к нормали меньше угла трения
8.2.3. Удар в плоскую преграду под углом к нормали больше угла трения
8.2.4. Удар в сферическую или цилиндрическую преграду под углом к нормали больше угла трения
8.3. Нагрузки и воздействия при падении на АЭС самолета
8.3.1. Виды учитываемых самолетов
8.3.2. Самолеты авиации общего назначения
8.3.3. Военные самолеты
8.3.4. Самолеты коммерческой авиации
8.3.5. Особенности нагрузок при ударе самолетов
8.4. Летящие тела при торнадо
8.4.1. Общая характеристика летящих тел
8.4.2. Удар деревянного бруса
8.4.3. Удар автомобиля
Глава 9. Воздействие взрывов на сооружения
9.1. Классификация взрывов
9.1.1. Виды взрывов
9.1.2. Характер взрыва облаков газо- и паро-воздушных смесей
9.2. Детонационный взрыв
9.2.1. Детонация концентрированных взрывчатых веществ
9.2.2. Детонация облака взрывоопасной смеси
9.2.3. Нагрузки на строительные конструкции при детонационном взрыве в неограниченном пространстве
9.2.4 Нагрузки при затекании ВУВ через проемы в ограждающих конструкциях
9.2.5. Нагрузки на строительные конструкции при детонационных взрывах в закрытых и частично открытых помещениях
9.3. Дефлаграционный взрыв
9.3.1. Определение избыточного давления при дефлаграции
9.3.2. Нагрузки на строительные конструкции при дефлаграционных взрывах
9.4. Разрыв резервуаров со сжатым газом
9.4.1. Разрушение наземного резервуара со сжатым газом
9.4.2. Разрушение подземного резервуара
Глава 10. Поражающее действие взрыва
10.1. Оценка поражающего действия воздушной ударной волны
10.1.1. Степень поражения людей и строительных конструкций
10.1.2. Оценка зоны поражения
10.2. Разлет осколков
10.2.1. Первичные осколки
10.2.2. Нагрузка на тело при его обтекании взрывной волной
10.2.3. Движение вторичных осколков
10.2.4. Дальность полета осколков
10.3. Защита от взрывов с помощью проницаемых экранов
Глава 11. Падение грузов и обрушение строительных конструкций
11.1. Падение грузов
11.1.1. Предварительные замечания
11.1.2. Падение абсолютно твердого тела на упругую конструкцию
11.1.3. Падение разрушающегося груза на недеформируемую преграду
11.1.4. Падение разрушающегося груза на податливую преграду
11.1.5. Сравнение расчетных нагрузок на конструкцию при разных исходных предположениях
11.2. Падение грузов в резервуары и бассейны
11.2.1. Постановка задачи
11.2.2. Гидродинамические нагрузки
11.2.3. Движение груза в воде
11.2.4. Динамическая нагрузка при ударе о дно
11.2.5. Эквивалентные статические нагрузки
11.2.6. Перелив и всплеск воды
11.2.7. Пример. Падение транспортного контейнера в колодец перегрузки отработавшего топлива
11.3. Нагрузки от завала при полном обрушении здания
Глава 12. Ветровые нагрузки на сооружения
12.1. Общие сведения об аэродинамике плохообтекаемых тел
12.2. Задание ветровых нагрузок по российским нормам
12.2.1. Скорость ветра
12.2.2. Виды ветровых нагрузок
12.2.3. Средняя составляющая ветровой нагрузки
12.2.4. Пульсационная составляющая ветровой нагрузки
12.2.5. Расчет сооружений на ветровую нагрузку по вычислительной программе SCAD Office
12.3. Аэроупругие колебания конструкций
12.3.1. Аэроупругость
12.3.2. Вихревое возбуждение колебаний конструкций
12.3.3. Галопирование гибких конструкций
12.3.4. Дивергенция и флаттер
12.3.5. Логарифмический декремент колебаний
Глава 13. Экстремальные метеорологические явления
13.1. Виды экстремальных ветровых нагрузок
13.2. Торнадо
13.2.1. Общая характеристика и интенсивность торнадо
13.2.2. Учет торнадо в проекте АЭС по нормам России
13.2.3. Физическая модель торнадо
13.2.4. Нагрузки и воздействия на конструкции
13.3. Ураганы
Часть III. Проектирование АЭС на экстремальные воздействия
Глава 14. Общие принципы проектирования АЭС на экстремальные воздействия
14.1. Основные понятия
14.2. Включение событий в проектные основы
14.3. Классификация элементов АЭС по отношению к экстремальным воздействиям
14.4. Особенности проектирования АЭС на экстремальные воздействия
14.5. Последовательность проектирования
14.6. Задание нагрузок
14.7. Сочетания нагрузок и характеристики пригодности
14.8. Общие требования к расчетным моделям
14.9. Характеристики материалов
14.10. Вторичные воздействия
14.11. Методы расчетов конструкций АЭС на экстремальные воздействия
14.11.1. Предварительные замечания
14.11.2. Детерминистический расчет конструкций
14.11.3. Вероятностный анализ надежности
Глава 15. Включение экстремальных воздействий в проектные основы АЭС
15.1. Падение самолета
15.1.1. Предварительные замечания
15.1.2. Процедура анализа
15.1.3. Величина дистанции отбора
15.1.4. Вероятность падения самолета на площадку АЭС
15.1.5. Вероятность удара самолета в здание АЭС
15.1.6. Вероятность удара самолета в конкретную конструкцию здания
15.2. Воздействие взрыва
15.3. Летящие тела при авариях
15.3.1. Причины образования летящих тел при авариях
15.3.2. Анализ опасности летящих тел
15.3.3. Методы и средства защиты АЭС от летящих тел
Глава 16. Прочность строительных конструкций при ударе самолета и взрыве
16.1. Предварительные замечания
16.2. Общие положения учета падения самолета на АЭС
16.2.1. Нагрузки и воздействия при падении самолета
16.2.2. Задачи и методы защиты АЭС от авиакатастрофы
16.2.3. Требования к расчетам на удар самолета
16.3. Динамический расчет железобетонной защитной оболочки на удар самолета
16.4. Учет неупругих деформаций конструкций при ударе самолета
16.5. Прочность строительных конструкций при взрыве
Глава 17. Колебания зданий и нагрузки на вторичные системы при ударе самолета и взрыве
17.1. Предварительные замечания
17.2. Поэтажные спектры отклика
17.2.1. Процедура расчета поэтажных спектров отклика
17.2.2. Моделирование зданий для расчета поэтажных спектров отклика
17.3. Поэтажные спектры отклика при ударе самолета
17.4. Поэтажные спектры отклика при действии ВУВ
17.5. Способы снижения динамических нагрузок на оборудование
Глава 18. Вероятностный анализ прочности и колебаний зданий АЭС при ударе самолета
18.1. Вероятностный анализ прочности строительных конструкций
18.1.1. Вероятность отказа конструкции
18.1.2. Вероятность отказа с учетом угла и места удара самолета
18.1.3. Учет случайности места, угла удара, скорости и массы самолета
18.1.4. Учет случайности нагрузки при проектировании конструкций
18.2. Вероятностный анализ вынужденных колебаний зданий
18.2.1. Предварительные замечания
18.2.2. Рассматриваемые случайные параметры
18.2.3. Распределение вероятности поэтажных спектров отклика
18.2.4. Допускаемая вероятность непревышения спектральных ускорений
18.2.5. Примеры вероятностного расчета поэтажных спектров отклика
18.3. Заключительные замечания