Расчет на сейсмостойкость — это определение динамических реакций при сейсмическом воздействии на конструкции, детали или оборудование при помощи различных испытаний, анализа и прогнозирования поведения обследуемых систем в случае сейсмического воздействия и сопутствующей нагрузке. По результатам расчета конструкций на сейсмические воздействия выдают сертификат сейсмостойкости. Этот документ подтвердит, что обследуемая конструкция или оборудование может выдержать сейсмические воздействия без угрозы критического повреждения либо разрушения.
Что такое сейсмостойкость
Это способность изделий сохранять свою функциональность и целостность при сейсмическом воздействии. Нагрузка на здания, сооружения и оборудование в результате движения грунта из-за природных и техногенных факторов сложно прогнозируема. Сейсмические нагрузки — динамические нагрузки случайного характера, степень воздействия и направленности которых зависит от многих трудно учитываемых составляющих. В результате их возникновения происходит движение, деформация, а иногда и разрушение зданий, сооружений и других объектов.
Землетрясения происходят ежегодно в огромном количестве. Наиболее сильные из них приводят к разрушению несущих конструкций, обвалу стен, растрескиванию фундаментов. Вот почему важна сейсмостойкость зданий и сооружений, а также деталей и оборудования, которые используются в зонах повышенного риска. Особенно актуален расчет на сейсмостойкость для объектов атомной энергетики.
Для чего проводят расчет
Расчет на сейсмостойкость конструкций и оборудования проводят по следующим причинам:
- нахождение в сейсмоактивных зонах,
- работа на опасных производственных объектах нефтяной, химической или атомной отрасли,
- высокая вероятность техногенного воздействия.
После проведения испытаний расчетным методом, а также анализа сопутствующих документов выдается протокол испытаний с заключением о безопасности или небезопасности конструкций и систем в сейсмически активных зонах или в регионах с повышенной вероятностью землетрясений.
Испытания на сейсмостойкость машин, приборов и других технических изделий проводят на основании ГОСТ 30546.2-98.
Основные критерии сейсмостойкого оборудования
Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям в части сейсмостойкости изложены в ГОСТ 30546.1-98. При предъявлении к изделиям требований по стойкости к воздействию землетрясений исходят из интенсивности движения грунтов и уровня установки изделия.
Принципы строительства и монтажа оборудования в сейсмоопасных зонах:
- использование симметричных конструкций,
- использование усиленных элементов и узлов, не допускающих разрушения сооружений до исчерпания несущей способности,
- устройство стыков вне зон максимальных усилий,
- исключение необоснованного увеличения веса конструкций.
Испытания и расчет на сейсмостойкость подтверждают, что оборудование, приборы и конструкции воспринимают землетрясение с минимальным ущербом. Такое оснащение можно поставлять и эксплуатировать в сейсмоактивных зонах, а также на опасных производственных объектах различного назначения.
Кто проводит расчет на сейсмостойкость
Расчеты сейсмостойкости и заключения на основании испытаний проводят и выдают специализированные организации, которые аккредитованы на предмет этого вида деятельности. Основное требование — наличие определенных компетенций, инструментария и программного обеспечения для проведения всех этапов исследования.
Что необходимо для проведения расчета
Кроме непосредственно самих испытаний, для заключения специалистов необходимы:
- технический паспорт на исследуемый объект,
- руководство по эксплуатации,
- полные характеристики оборудования,
- уровень его установки.
Определение динамических реакций при сейсмическом воздействии
Подробно методы расчета сейсмостойкости машин, приборов и других технических изделий, установленных на месте эксплуатации, при их аттестации или сертификации на сейсмическую безопасность описывает ГОСТ 30546.3-98.
На практике специалисты применяют два основных способа расчета сейсмостойкости оборудования и конструкций:
- Экспериментальное обоснование, когда подтверждение сейсмостойкости испытуемого объекта получают в ходе эксперимента. Однако этот способ бывает высоко затратным и не всегда легко реализуемым.
- Расчетное обоснование сейсмостойкости при помощи программного моделирования.
Важно !
Для проведения эксперимента на сейсмостойкость необходимо изготовить стенд, на котором будет закреплено оборудование, подвергающееся нагрузкам. Нередко искусственно созданные сейсмические нагрузки приводят к разрушению стенда, а дорогостоящее оборудование становится непригодным для дальнейшего использования.
Принцип расчетного моделирования
Процедуру делят на несколько этапов:
- построение подробной математической модели исследуемого объекта с отражением всех его особенностей;
- расчет вибрационных полей во всех узлах конструкции при заданных параметрах сейсмического воздействия для определения степени перегрузки;
- анализ расчетных и допустимых значений перегрузок;
- выводы о сейсмостойкости оборудования;
- рекомендации по доработке конструкции в случае недостаточного уровня сейсмостойкости.
Моделирование в программном комплексе
Расчетное моделирование проводят при помощи специальных компьютерных программ. Такой метод позволяет спрогнозировать поведение конструкций или систем при сейсмических воздействиях и нагрузках с высокой точностью. Заданные алгоритмы программы моделируют различные сценарии землетрясений и производят оценку их влияния на объект.
Преимущества компьютерного моделирования
Анализ сейсмического воздействия при помощи программного комплекса позволяет добиться:
- Высокой точности результатов, так как компьютерное моделирование учитывает множество факторов, влияющих на сейсмостойкость объекта, в том числе геометрию конструкции и свойства материалов.
- Уменьшения стоимости исследования за счет исключения экспериментальных методик, что позволяет испытывать новейшие конструкции, а также оборудование, непосредственно работающее на объектах.
- Доработки и оптимизации конструкции с целью повышения сейсмостойкости в случае недостаточно высоких показателей испытания.
- Моделирования различных сценариев в короткий промежуток времени, чего невозможно добиться при стендовых испытаниях, и повышения качества исследования с целью максимально точных заключений.
- Безопасности испытаний и дальнейшей безаварийной эксплуатации испытуемых конструкций, машин и изделий в сейсмически активных зонах.
Как оформляют расчет
Готовый расчет на сейсмостойкость оформляют в виде протокола испытаний, на основании которого можно получить добровольный сертификат соответствия.
Методика расчета:
Совокупность дискретных областей (элементов), связанных между собой в конечном числе точек (узлов), представляет собой математическую модель системы, поведение которой нужно анализировать. Основными неизвестными являются степени свободы узлов конечно-элементной модели. К степеням свободы относятся перемещения, повороты, температуры, давления, скорости, потенциалы электрических или магнитных полей; их конкретное содержание определяется типом элемента, который связан с данным узлом. В соответствии со степенями свободы для каждого элемента модели формируются матрицы масс, жесткости (или теплопроводности) и сопротивления (или удельной теплоемкости). Эти матрицы приводят к системам совместных уравнений, которые обрабатываются так называемыми “решателями”.
Для материалов с линейными свойствами напряжения связаны с деформациями соотношением:
| {s} = [D] {eel}, | (1) |
где {s} = ësx sy sz sxy syz sxzûТ — вектор напряжений (как выходная величина помечается меткой S);
[D] – матрица упругости (описывается уравнениями (18) … (23), обратная матрица записывается в виде (4) и (5);
{eel} = {e} – {eth} — выходной массив;
{e} = ëex ey ez exy exz eyzûТ — вектор полной (суммарной) деформации;
{eth} – вектор температурной деформации (определяется соотношением (3).
Компоненты вектора напряжений показаны на Рис. 2. Для используемых в программе ANSYS напряжений и деформаций принято следующее правило знаков: величины, относящиеся к растяжению, являются положительными, к сжатию — отрицательными.
Компоненты сдвига считаются положительными, если их направления совпадают с направлениями соответствующих координатных осей. Деформации сдвига представляют собой инженерные деформации, а не компоненты тензора.
Рис. 2. Компоненты вектора напряжений
Уравнение (1) может быть обращено следующим образом:
| {e} = {eth} + [D]-1 {s}. | (2) |
Для трехмерного случая вектор температурных деформаций определяется в виде соотношения:
| {eth} = DT ëax ay az 0 0 0 ûT, | (3) |
где ax – коэффициент температурного расширения в направлении оси X
Матрица [D]-1, нормализованная по столбцам, имеет вид:
| 1/Ex | -nxy/Ey | -nxz/Ez | 0 | 0 | 0 | ||
| -nyx/Ex | 1/Ey | -nyz/Ez | 0 | 0 | 0 | ||
| [D]-1 = | -nzx/Ex | -nzy/Ey | 1/Ez | 0 | 0 | 0 | (4) |
| 0 | 0 | 0 | 1/Gx | 0 | 0 | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1/Gy | 0 | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1/Gz |
При использовании нормализация по строкам, матрица записывается следующим образом:
| 1/Ex | -n*xy/Ey | -n*xz/Ez | 0 | 0 | 0 | ||
| -n*yx/Ex | 1/Ey | -n*yz/Ez | 0 | 0 | 0 | ||
| [D]-1 = | -n*zx/Ex | -n*zy/Ey | 1/Ez | 0 | 0 | 0 | (5) |
| 0 | 0 | 0 | 1/Gxy | 0 | 0 | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1/Gyz | 0 | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1/Gzx |
Для записи элементов этих матриц используются обозначения:
Ex – модуль Юнга в направлении оси X,
nxy – минимальный коэффициент Пуассона,
n*xy – максимальный коэффициент Пуассона,
Gxy – модуль сдвига в плоскости X-Y.
Матрица [D]-1 должна быть положительно определенной. Кроме того, эта матрица должна быть симметричной, поэтому для ортотропных материалов предполагается существование соотношений:
| nyx / Ex = nxy / Ey | (6) |
| nzx / Ex = nxz / Ez | (7) |
| nzy / Ey = nyz / Ez | (8) |
или
| n*yx / Ey = n*xy / Ex | (9) |
| n*zx / Ez = n*xz / Ex | (10) |
| n*zy / Ez = n*yz / Ey | (11) |
Согласно приводимым выше соотношениям, величины nxy, nzy, nzx, n*yx, n*zy и n*zx являются зависимыми и поэтому не задаются при вводе исходных данных.
Из равенства (2) в развернутом виде, используя выражения (3), (4), а также (6) … (8), получаем шесть уравнений:
| ex = ax DT + sx /Ex — nxy sy / Ey — nxz sz / Ez | (12) |
| ey = ay DT + sy /Ey — nxy sx / Ey — nyz sz / Ez | (13) |
| ez = az DT + sz /Ez — nxz sx / Ez — nyz sy / Ez | (14) |
| exy = sxy /Gxy | (15) |
| eyz = syz /Gyz | (16) |
| exz = sxz /Gxz | (17) |
где ex — деформация в направлении оси X,
exy — деформация сдвига в плоскости X-Y,
sx — напряжения в направлении оси X,
sxy — напряжения сдвига в плоскости X-Y;
компоненты с другими индексами получаются циклическим сдвигом (X-Y-Z).
Уравнение (1) можно переписывается в развернутом виде, используя обратную матрицу (4), что вместе с уравнениями (3), (6) … (8) дает шесть соотношений для напряжений:
| sx = Ex/h [1 — (nyz)2 Ey/Ez] (ex — ax DT) + Ex/h [nxy + nxznyz Ey/Ez] (ey — ay DT) + Ex/h [nxz + nyznxy] (ez — az DT) | (18) |
| sy = Ex/h [nxy + nxznyz Ey/Ez] (ex — ax DT) + Ey/h [1 — (nxz)2 Ex/Ez] (ey — ay DT) + Ey/h [nyz + nxznxy Ex/Ey] (ez — az DT) | (19) |
| sz = Ex/h [nxz + nyznxy] (ex — ax DT) + Ey/h [nyz + nxznxy Ex/Ey] (ey — ay DT) + Ez/h [1 — (nxy)2 Ex/Ey] (ez — az DT) | (20) |
| sxy = Gxy Îxy | (21) |
| syz = Gyz Îyz | (22) |
| sxz = Gxz Îxz, | (23) |
в которых обозначено: h = 1 — (nxy)2 Ex/Ey — (nyz)2 Ey/Ez — (nxz)2 Ex/Ez — 2 nxy nyz nxz Ex/Ez.
Если модули сдвига Gxy, Gyz, Gxz не задаются при вводе, то их значения вычисляются следующим образом:
| Gxy = (Ex Ey) / (Ex + Ey + 2 nxy Ex) | (24) |
| Gyz = Gxy | (25) |
| Gxz = Gxy | (26) |
Пример расчета сейсмостойкости:
Заказать расчет сейсмостойкости: https://techdocexpert.ru/raschety-sejsmostojkosti/
