Книга посвящена расчету конструкций на воздействие землетрясений. Особое внимание уделено вопросам сейсмостойкости АЭС, наряду с которыми рассматриваются также и обычные промышленные и гражданские объекты. Изложены основные аспекты проблемы: задание исходной сейсмологической информации, требования к конструкциям в зависимости от их ответственности, существующие методы сейсмических расчетов, выбор расчетных моделей конструкций, определение сейсмического воздействия на оборудование внутри зданий, динамические и прочностные расчеты сооружений и оборудования. Освещается отечественный и мировой опыт и требования к проектированию сейсмостойких АЭС. Даны примеры расчетов. Книга предназначается для инженерно-технических и научных работников. Может также быть использована студентами, аспирантами и преподавателями соответствующих специальностей.

Предисловие

Глава 1. Основные понятия динамики конструкций
1.1. Число степеней свободы системы
1.2. Свободные и вынужденные колебания линейного неконсервативного осциллятора
1.3. Свободные и вынужденные колебания дискретных систем
1.4. Свободные и вынужденные колебания континуальных систем
1.5. Приближенные методы вычисления собственных частот и форм

Глава 2. Исходная сейсмологическая информация
2.1. Землетрясения и связанные с ними явления
2.2. Характеристики силы землетрясения. Сейсмические шкалы
2.3. Количественные характеристики сейсмических движений грунта
2.3.1. Пиковые значения сейсмических движений грунта
2.3.2. Законы сейсмических колебаний грунта
2.3.3. Спектры отклика
2.4. Задание исходной сейсмологической информации для проектирования АЭС
2.4.1. Предварительные замечания
2.4.2. Проектное и максимальное расчетное землетрясения
2.4.3. Пиковые значения ускорений грунта
2.4.4. Расчетные спектры отклика
2.4.5. Расчетные законы колебаний грунта
2.4.6. Скорости распространения сейсмических волн
2.4.7. Обратное влияние сооружений АЭС на сейсмические колебания грунта
2.5. Задание исходной сейсмологической информации для проектирования неядерных объектов

Глава 3. Общие принципы обеспечения сейсмостойкости АЭС
3.1. Предварительные замечания
3.2. Категории сейсмостойкости элементов АЭС
3.3. Требования по сейсмостойкости к элементам различных категорий

Глава 4. Методы расчета конструкций на сейсмостойкость
4.1. Предварительные замечания
4.2. Статическая теория сейсмостойкости
4.3. Динамический анализ
4.4. Анализ с использованием интегральных преобразований
4.5. Линейно-спектральная теория сейсмостойкости
4.5.1. Предварительные замечания
4.5.2. Модальные инерционные сейсмические нагрузки
4.5.3. Модальный сейсмический отклик системы
4.5.4. Суммарный (расчетный) сейсмический отклик системы
4.5.5. Число собственных форм, учитываемых в расчете
4.5.6. Учет многокомпонентности сейсмического воздействия
4.5.7. Одновременный учет нескольких компонент отклика
4.5.8. Преимущества и недостатки линейно-спектральной теории сейсмостойкости
4.6. Расчет многоопорных подконструкций

Глава 5. Схематизация зданий для расчета вынужденных сейсмических колебаний
5.1. Общие требования к расчетной схеме здания
5.2. Основная система и подсистемы
5.3. Примеры схематизаций зданий
5.3.1. Абсолютно твердое тело
5.3.2. Стержни с сосредоточенными массами
5.3.3. Рамы с сосредоточенными массами
5.3.4. Схематизация по методу конечных элементов
5.3.5. Эквивалентные модальные осцилляторы
5.4. Учет потерь энергии в системе "сооружение-основание"

Глава 6. Учет влияния основания в сейсмических расчетах сооружений
6.1. Предварительные замечания
6.2. Расчетные динамические характеристики грунтов
6.3. Характер влияния основания на колебания сооружения
6.4. Метод эквивалентных динамических характеристик основания
6.4.1. Предварительные замечания
6.4.2. Определение расчетного сейсмического воздействия
6.4.3. Эквивалентные динамические характеристики основания
6.4.4. Влияние заглубления сооружения в основание
6.5. Прямой метод учета взаимодействия сооружения с основанием
6.6. Взаимодействие сооружений через грунт
6.7. О практическом применении различных методов учета взаимодействия сооружения с основанием
6.8. Особенности расчета несущей способности оснований при сейсмическом воздействии

Глава 7. Расчет поэтажных акселерограмм и спектров отклика
7.1. Поэтажные акселерограммы и спектры отклика
7.2. Расчет поэтажных спектров отклика
7.3. Расчет поэтажных акселерограмм
7.4. Заключение

Глава 8. Обеспечение сейсмостойкости строительных конструкций
8.1. Одношаговый и многошаговый сейсмический расчет
8.2. Сейсмический расчет строительных конструкций неядерных объектов
8.2.1. Определение инерционных сейсмических нагрузок
8.2.2. Сочетания нагрузок и расчетные прочностные характеристики материалов
8.3. Сейсмический расчет строительных конструкций АЭС
8.3.1. Определение инерционных сейсмических нагрузок
8.3.2. Сочетания нагрузок и расчетные прочностные характеристики материалов
8.4. Пример расчета сейсмических усилий в строительных конструкциях
8.4.1. Континуальная расчетная схема
8.4.2. Дискретные расчетные схемы несущих балок
8.5. Некоторые рекомендации по объемно-планировочным и конструктивным решениям зданий
8.6. Системы активной сейсмозащиты зданий
8.6.1. Сейсмоизоляция
8.6.2. Адаптивные системы сейсмозащиты
8.6.3. Системы с повышенным демпфированием
8.6.4. Системы с гасителями колебаний
8.6.5. Некоторые замечания и выводы

Глава 9. Сейсмические расчеты специальных конструкций
9.1. Конструкции, взаимодействующие с жидкостью
9.1.1. Влияние жидкости на сейсмические колебания конструкций
9.1.2. Расчет блока береговой насосной станции
9.1.3. Расчет затвора бассейна хранилища отработавшего топлива
9.1.4. Конструкции, погруженные в жидкость
9.2. Резервуары с жидкостью
9.2.1. Предварительные замечания
9.2.2. Прямоугольный резервуар
9.2.3. Расчет бассейна выдержки отработавшего топлива
9.2.4. Цилиндрический резервуар
9.2.5. Расчет цилиндрического резервуара на упругих опорах
9.2.6. Расчет с использованием присоединенных масс жидкости
9.3. Протяженные конструкции в грунте
9.3.1. Задачи и методы расчета
9.2.3. Сейсмический расчет туннеля в мягком грунте

Глава 10. Сейсмостойкость оборудования и трубопроводов АЭС
10.1. Общие положения
10.2. Методы проверки сейсмостойкости
10.2.1. Расчетные методы
10.2.2. Стендовые испытания
10.3. Способы снижения сейсмических нагрузок
10.4. Аппаратура сейсмической защиты и контроля
10.5. Примеры расчета сейсмических нагрузок на опорные конструкции оборудования
10.5.1. Предварительные замечания
10.5.2. Оборудование, схематизируемое как абсолютно твердое тело
10.5.3. Вертикальные колебания теплообменника (одна степень свободы, прямолинейные колебания)
10.5.4. Колебания теплообменника в плоскости опорных балок (одна степень свободы, угловые колебания)
10.5.5. Колебания теплообменника перпендикулярно опорным балкам (две степени свободы, прямолинейные и угловые колебания)
10.5.6. Колебания двух теплообменников на общей опорной конструкции (две степени свободы, прямолинейные колебания)
10.5.7. Колебания мостового крана с грузом на крюке (две степени свободы, прямолинейные колебания)
10.5.8. Приближенное определение инерционных сейсмических нагрузок иа дискретную систему
10.6. Оценка сейсмостойкости дизельного двигателя

Приложение. Шкала интенсивности землетрясений Медведева-Спонхойра-Кариика (MSK-64)
Литература
Список сокращений

Предисловие

Во все времена люди стремились предотвратить разрушение сооружений при землетрясениях, но к достаточно обоснованному решению данной задачи человечество подошло лишь в XIX-XX веках. Важнейшей предпосылкой к этому явилось развитие физики Земли, позволившее лучше понять природу землетрясений, а также общий прогресс науки и техники, появление новых строительных материалов и методов строительства. Значительное продвижение в этой области достигнуто за последние десятилетия в связи со строительством особо ответственных промышленных объектов, прежде всего атомных электростанций (АЭС).

Проблема обеспечения сейсмостойкости такого объекта включает в себя различные аспекты: выбор расположения площадки строительства; детальное определение ее геологических условий; задание исходной сейсмологической информации; обеспечение сейсмостойкости сооружений за счет адекватного выбора их компоновки и конструктивных схем, достаточной точности сейсмических и прочих расчетов, надлежащего качества материалов и строительных работ; обеспечение сейсмостойкости технологического и другого оборудования и т.д.

В предлагаемой читателю книге из всего многообразия названных проблем главное внимание уделено сейсмическим расчетам конструкций (под которыми понимаются как строительные конструкции, так и оборудование). Такие расчеты относятся к области динамики механических систем, но отличаются от расчетов на иные динамические нагрузки принципиальной невозможностью точного задания возмущающего воздействия, поскольку сейсмическое движение грунта - это случайный процесс, конкретная реализация которого зависит от многих трудноучитываемых факторов.

Поэтому в сейсмических расчетах используются специфические методы задания воздействия и определения ответной реакции системы, основанные на вероятностных соображениях.

В книге сделана попытка изложить современное состояние проблемы сейсмических расчетов как обычных промышленных и гражданских сооружений, так и (особенно) АЭС, Она написана на основе опыта расчетов сейсмостойкости АЭС в Санкт-Петербургском институте "Атомэнергопроект". В ней отражены также мировая практика проектирования сейсмостойких АЭС и рекомендации Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). При написании книги оказался полезным и опыт преподавания автором курса "Сейсмостойкость сооружений" в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Сейсмический расчет конструкции можно условно разделить на четыре подпроблемы: 1) задание исходных данных, в том числе сейсмических; 2) определение инерционных сейсмических нагрузок или вызванных ими перемещений конструкции; 3) вычисление внутренних усилий в самой конструкции, ее опорах, основании здания и т.д. при сочетании сейсмических и других нагрузок; 4) оценка сейсмостойкости (прочности, работоспособности и т.д.) конструкции.

Из этих четырех задач основное внимание уделено первым двум. Две другие решаются в целом так же, как при иных нагрузках, поэтому в тексте лишь кратко отмечены их особенности, вызванные характером рассматриваемого воздействия.

При написании книги автор стремился не только дать читателю общее представление о проблеме, но и описать конкретные приемы, методы, численные значения параметров и т.п., используемые при расчетах на сейсмостойкость в нашей стране и за рубежом. Но сейсмостойкое проектирование и расчеты опираются на достижения многих научных дисциплин: геофизики и инженерной сейсмологии, механики грунтов, математики, строительной механики, динамики конструкций, гидродинамики и др. Поэтому невозможно в ограниченном объеме книги детально обосновать все приведенные методы и формулы, в связи с чем многие из них даны без доказательств, а для некоторых методов дано только общее описание. Подробности и доказательства можно при необходимости найти в цитированной литературе.

Практические сейсмические расчеты сегодня являются по форме детерминистическими (невероятностными), хотя, как сказано выше, их методы основаны на вероятностных предпосылках. Полное изложение последних потребовало бы значительного увеличения объема книги и потому, как правило, не приводится. В соответствующих местах сделаны лишь некоторые указания и "наводящие рассуждения" по поводу вероятностной природы излагаемых фактов.

Книга адресована в первую очередь строителям, но большинство ее разделов могут быть интересны и разработчикам оборудования. Она также может служить пособием для студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

Автор искренне признателен рецензентам проф., д-ру техн. наук А.В. Тананаеву и проф., д-ру техн. наук С.Г. Шульману, сделавшим полезные замечания, которые автор с благодарностью учел. Автор также глубоко благодарен начальнику департамента Минатомэнерго России А.Л. Лапшину, директору Санкт-Петербургского института "Атомэнергопроект" В.Н. Коркунову, главному инженеру К.Л. Сукневу и заместителю главного инженера И.В. Кухтевичу, без моральной и финансовой поддержки которых эта книга не могла бы увидеть свет.