Исследование влияния этажности железобетонных каркасов на деградацию собственных частот и характер разрушения при землетрясении

Введение. Цель исследования — изучение влияния деградации частотных параметров железобетонных зданий при действии сейсмической нагрузки и оценка характера разрушения в зависимости от этажности здания с помощью численных экспериментов в программном комплексе LS-DYNA. Для получения собственных частот и форм в определенные моменты времени в задаче, решаемой явной схемой интегрирования, ищется решение с использованием неявной схемы.

Материалы и методы. Рассмотрены пять сооружений разной этажности. В расчетных схемах зданий используется непосредственное армирование несущих элементов. Для моделирования бетона применяется модель материала Continuous Surface Cap Model (CSCM). Данный материал позволяет учитывать накопление повреждений. Моделирование арматуры осуществляется с помощью идеально упругопластической модели Прандтля. Арматура моделировалась стержнями и была непосредственно погружена в бетон. Для этого использовалась лагранжево-эйлерова связь. Расчет производился на жестком основании с учетом физической, геометрической и конструктивной нелинейностей. Сейсмическое воздействие задавалось в виде двухкомпонентных акселерограмм, нормированных на 8 баллов по шкале MSK-64.

Результаты. Получены кривые изменения и деградации собственных частот для каркасов разной этажности, а также кривые накопления повреждения для всего каркаса.

Выводы. Анализ полученных результатов показывает, что при землетрясении интенсивностью 8 баллов имеет место существенное (до 30 %) снижение частот собственных колебаний рассмотренных каркасов. Наибольшее количество повреждений возникает на стадии активной фазы сейсмического воздействия. С увеличением этажности интенсивность деградации собственных частот растет, скорость накопления и объем повреждений возрастают.

1. Tosti F., Ferrante C. Using ground penetrating radar methods to investigate reinforced concrete structures // Surveys in Geophysics. 2020. Vol. 41. Issue 3. Pp. 485–530. DOI: 10.1007/s10712-019-09565-5

2. Esfandiari A., Rahai A., Sanayei M., Bakhtiari-Nejad F. Model updating of a concrete beam with extensive distributed damage using experimental frequency response function // Journal of Bridge Engineering. 2016. Vol. 21. Issue 4. DOI: 10.1061/(asce)be.1943-5592.0000855

3. Mkrtychev O.V., Dzhinchvelashvili G.A., Busalova M.S. Calculation of a multi-storey monolithic concrete building on the earthquake in nonlinear dynamic formulation // Procedia Engineering. 2015. Vol. 111. Pp. 545–549. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.07.039

4. Andreev M.I., Bulushev S.V., Dudareva M. Verification of the eccentrically compressed reinforced concrete column calculation model based on the results of a full-scale experimental study // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 251. P. 04013. DOI: 10.1051/matecconf/201825104013

5. Mkrtychev O.V., Busalova M.S., Dorozhinskiy V.B. Verification of the spar model of a reinforced concrete beam // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 117. P. 00124. DOI: 10.1051/matecconf/201711700124

6. Syed Z.I., Hejah E.S., Mohamed O.A. Modelling of dapped-end beams under dynamic loading // International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. 2017. Pp. 242–247. DOI: 10.18178/ijmerr.6.3.242-247

7. Lee J., Zi G., Lee I., Jeong Y., Kim K., Kim W. Numerical simulation on concrete median barrier for reducing concrete fragment under harsh impact loading of a 25-ton truck // Journal of Engineering Materials and Technology. 2017. Vol. 139. Issue 2. DOI: 10.1115/1.4035766

8. Novozhilov Y.V., Dmitriev A.N., Mikhaluk D.S. Precise calibration of the continuous surface cap model for concrete simulation // Buildings. 2022. Vol. 12. Issue 5. P. 636. DOI: 10.3390/buildings12050636

9. Герцик C.М., Новожилов Ю.В., Михалюк Д.С. Численное моделирование динамики и прочности железобетонной плиты под воздействием воздушной ударной волны // Вычислительная механика сплошных сред. 2020. Т. 13. № 3. С. 298–310. DOI: 10.7242/1999-6691/2020.13.3.24. EDN OPARMR.

10. Chen H. An Introduction to *CONSTRAINED_BEAM_IN_SOLID // FEA Information Engineering Journal. 2017. No. Q1(6). Pp. 14–18.

11. Jiang H., Zhao J. Calibration of the continuous surface cap model for concrete // Finite Elements in Analysis and Design. 2015. Vol. 97. Pp. 1–19. DOI: 10.1016/j.finel.2014.12.002

12. Sharath R., Arumugam D., Dhanasekaran B., Subash T.R. Numerical modeling of concrete response to high strain rate loadings // 11th European LS-DYNA Conference. 2017.

13. Pachocki L., Wilde K. Numerical simulation of the influence of the selected factors on the performance of a concrete road barrier H2/W5/B // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 231. P. 01014. DOI: 10.1051/matecconf/201823101014

14. Bulushev S.V., Dudareva M.S. Nonlinear models of reinforced concrete beam elements with the actual reinforcement // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 753. Issue 3. P. 032040. DOI: 10.1088/1757-899X/753/3/032040

15. Xu S., Wu P., Liu Z., Wu C. Calibration of CSCM model for numerical modeling of UHPCFTWST columns against monotonic lateral loading // Engineering Structures. 2021. Vol. 240. P. 112396. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.112396

16. Yin X., Li Q., Xu X., Chen B., Guo K., Xu S. Investigation of continuous surface cap model (CSCM) for numerical simulation of strain-hardening fibre-reinforced cementitious composites against low-velocity impacts // Composite Structures. 2023. Vol. 304. P. 116424. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.116424

17. Mkrtychev O.V., Sidorov D.S., Bulushev S.V. Comparative analysis of results from experimental and numerical studies on concrete strength // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 117. P. 00123. DOI: 10.1051/matecconf/201711700123

18. Дурновцева С.А. Метод синтеза сейсмических колебаний, соответствующих заданному семейству спектров ответа // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2013. № 2. C. 112–120.

19. Булушев С.В. Сравнение результатов расчета сооружений на заданные акселерограммы нелинейным статическим и нелинейным динамическим методами // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2018. Т. 14. № 5. С. 369–378. DOI: 10.22363/1815-5235-2018-14-5-369-378. EDN YQJUZN.

20. Рауаби А., Урожаев А.В. Исследование нестационарных динамических процессов при помощи вейвлет-анализа // Строительство: Наука и образование. 2012. № 4. С. 2.