Расчет зданий на сейсмические воздействия в ПК ЛИРА 10.8

Виды деятельности:
Разработка и поставка ПК ЛИРА 10
Расчет зданий
и сооружений, экспертиза
Обучение моделированию
и расчетам
Техническое и инженерное сопровождение
ЛИРА софт
ЛИРА софт внесено в реестр СРО Союз «СПБ»
Свидетельство: №573/17 Выдано 28.03.2017

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА В ПК ЛИРА 9 И 10
ПК ЛИРА 9.0:
Линейно-спектральный метод
ПК ЛИРА 9.2:
Линейно-спектральный метод
Прямой динамический метод (линейная и геометрически нелинейная постановки)
ПК ЛИРА 10.4:
Линейно-спектральный метод
Прямой динамический метод (линейная и геометрически нелинейная постановки)
Нелинейный статический метод (Pushover analysis)
ПК ЛИРА 10.8:
Линейно-спектральный метод
Прямой динамический метод (линейная и геометрически нелинейная постановки)
Нелинейный статический метод (Pushover analysis)
Прямой динамический метод с учетом физической нелинейности

Уравнения движения
Основные методы решения уравнений движения
Разложение по формам
собственных колебаний
Прямое интегрирование
уравнений движения
Аппроксимация ускорений
Аппроксимация скоростей
Аппроксимация перемещений

РЕАЛИЗОВАННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ

Школы сейсмостойкого строительства стран бывшего Советского Союза
не развивали первый и четвертый методы

Спектральный метод
с использованием
модального анализа

Модальный анализ
Формы собственных колебаний нормируются по матрице масс
Для определения частот и форм собственных колебаний решается частичная проблема собственных значений
Решение ищется в виде
то система уравнений
Если матрица демпфирования удовлетворяет условиям ортогональности
в базисе из форм собственных колебаний распадется на отдельные уравнения

Диагональная и согласованная матрицы масс
Матрицы масс пространственного стержня
В ПК ЛИРА 10.8 при определении собственных форм колебаний, наряду с диагональной используется и согласованная матрица масс, при решении задач динамики во времени используется только согласованная матрица масс

Диагональная и согласованная матрицы масс
Сравнение определения первой частоты

Реализованные строительные нормы
Модуль 27 – сейсмическое воздействие
по однокомпонентной акселерограмме
Модуль 29 – сейсмическое воздействие
по трехкомпонентной акселерограмме
Модуль 41 – сейсмическое воздействие
по спектру реакции одномассового осциллятора
Модуль 60 – сейсмическое воздействие
по трехкомпонентным графикам
спектрального коэффициента динамичности
Дополнительные модули расчета на сейсмические воздействия, реализованные в ПК ЛИРА 10.8

Суммирование результатов по формам собственных колебаний
Метод суммирования корень квадратный из суммы квадратов
SRSS (Square Root of the Sum of the Squares)
Метод полной квадратичной комбинации
CQC (Complete Quadratic Combination)

Прямое интегрирование уравнений движения

Схема численного интегрирования уравнений движения
Аппроксимация ускорений
Аппроксимация скоростей
Аппроксимация перемещений

Матрица демпфирования в форме Рэлея
Полагая, что параметры затухания одинаковы

МАТРИЦА ДЕМПФИРОВАНИЯ В ФОРМЕ РЭЛЕЯ
Для описания затухания используются следующие величины:
Эти четыре параметра связаны следующей зависимостью

Расчет на акселерограмму и Сейсмограмму землетрясения
Расчет на акселерограмму землетрясения
Расчет на сейсмограмму землетрясения позволяет учесть скорость распространения сейсмической волны. Эффект от скорости распространения ожидать следует в протяженных конструкциях
Расчет на сейсмограмму землетрясения
В результате получаем абсолютные перемещения конструкции
В результате получаем относительные перемещения конструкции

Динамическое воздействие на смонтированное сооружение
Анимация стадий монтажа
Сейсмограмма
После окончания процесса возведения здания выполняется расчет по динамике во времени, например, на сейсмограмму землетрясения.

Нелинейные методы:
- статический
- динамический

РЕАЛИЗОВАННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ

ЗАГРУЖЕНИЕ «СПЕКТР НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ»

НЕЛИНЕЙНЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ МЕТОД (PUSHOVER ANALYSIS)
Условие общей и местной пластичности
Требование главы 4 EN 1998-1:2004

НЕЛИНЕЙНЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ МЕТОД (PUSHOVER ANALYSIS)
Это условие должно выполняться и для другого направления приложения нагрузки
4.4.2.3(4) В каркасных зданиях с двумя или более этажами, во всех соединениях первичных (несущих) или вторичных (не несущих) сейсмических балок с первичными сейсмическими колоннами должно выполняться следующее условие (4.29):
Условие общей и местной пластичности

НЕЛИНЕЙНЫЙ СТАТИЧЕСКИЙ МЕТОД (PUSHOVER ANALYSIS)
Проектирование как продольной, так и поперечной арматуры в колоннах зависит от фактической несущей способности балок. Таким образом, необходимо обязательно рассчитать и запроектировать балки прежде, чем приступить к расчету и проектированию колонн
Условие общей и местной пластичности

НОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИ НЕЛИНЕЙНЫЕ КОНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ЗАДАЧ ДИНАМИКИ

НОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИ НЕЛИНЕЙНЫЕ КОНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В ПК ЛИРА реализованы физически нелинейные конечные элементы изгибаемых стержней и пластин, основанные на нелинейной теории упругости. Эти элементы успешно применяются для статических расчетов, но не применимы для динамических. Затем были разработаны двумерные и трехмерные физически нелинейные конечные элементы, основанные на теории упруго-пластичности. Эти элементы применяются и для статических, и для динамических расчетов, но не решают задач изгиба. Предлагаются новые физически нелинейные конечные элементы изгибаемых стержней и пластин, основанные на теории упруго- пластичности. Эти новые элементы могут применяться как для статических, так и для динамических расчетов, в том числе и для решения задач сейсмики. В статической задаче применяется шагово-итерационный метод, в динамической - метод конечных разностей.

НОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИ НЕЛИНЕЙНЫЕ КОНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: СТАТИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

НОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИ НЕЛИНЕЙНЫЕ КОНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: СТАТИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Диаграммы работы, описывающие закон деформирования для бетона и арматуры

НОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИ НЕЛИНЕЙНЫЕ КОНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: СТАТИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Перемещения свободного края при моделировании физически нелинейными КЭ
Перемещения свободного края при моделировании упруго-пластичными КЭ

НОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИ НЕЛИНЕЙНЫЕ КОНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: ДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

НОВЫЕ ФИЗИЧЕСКИ НЕЛИНЕЙНЫЕ КОНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ: ДИНАМИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Сравнение результатов нелинейной задачи с результатами, полученными в пакете конечно-элементного анализа ANSYS
Вначале была решена линейная динамическая задача, результаты которой показали полное совпадение между ПК ЛИРА 10.8 и ANSYS.

Реализация физ. нелинейности при использовании модуля Динамика+
бетон
арматура

ПРИМЕР РАСЧЕТА В РЕЖИМЕ ДИНАМИКА+ С УЧЕТОМ ФИЗИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ

Система Динамика+

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Переход от акселерограммы к спектру реакции

ПОСТРОЕНИЕ УСРЕДНЕННОГО СПЕКТРА РЕАКЦИИ ПО ПАКЕТУ АКСЕЛЕРОГРАММ

ПОСТРОЕНИЕ УСРЕДНЕННОГО КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧНОСТИ ПО ПАКЕТУ АКСЕЛЕРОГРАММ

АКСЕЛЕРОГРАММА/СЕЙСМОГРАММА СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

ПОЭТАЖНЫЕ СПЕКТРЫ РЕАКЦИИ
Спектры реакций могут быть построены для динамики во времени и для 27, 29 модулей динамики

Прочие возможности

Представление сейсмического воздействия
Переход от акселерограммы к спектру реакции

Построение усредненного спектра реакции по пакету акселерограмм

Построение усредненного коэффициента динамичности по пакету акселерограмм

Акселерограмма/сейсмограмма сейсмического воздействия

Переход от Акселерограммы/сейсмограммы к сейсмограмме/Акселерограмме

Конденсация масс
Это пример сооружения, когда удержание 33 собственных форм колебаний собирает лишь
0.15% модальной массы

Исключение элементов из расчёта
Конденсация масс

Расчёт с учётом сейсмоизоляции
Внешний вид здания

Расчёт с учётом сейсмоизоляции
Схема расположения сейсмоизолирующих опор
- GZP400V5A (78шт)
- GZY400V5A (12шт)

Расчёт с учётом сейсмоизоляции
Был выполнен модальный анализ здания без и с сейсмоизолирующими опорами
Только за счет установки сейсмоизолирующих опор практически в 2 раза снижены нагрузки от сейсмики

Расчёт с учётом сейсмоизоляции
Диаграмма работы комбинированного элемента
Этапы нагружения комбинированного элемента
Для моделирования действительной диаграммы работы опор типа GZP400V5A подойдут КЭ типа 55
Для моделирования действительной диаграммы работы опор типа GZY400V5A необходимо ввести параллельно еще и линейный КЭ типа 55
Моделирование работы сейсмоизолирующих опор в динамике во времени
В ПК ЛИРА есть КЭ типа 255 с учетом предельных усилий и его диаграмма работы

Расчёт с учётом сейсмоизоляции
Сравнение результатов
Сейсмограмма

КОНДЕНСАЦИЯ МАСС
Конструкция, у которой существенный вклад дает только 9 форма собственных колебаний
Результат применения конденсации масс
Изменение первой частоты составило
Конденсация масс

РЕАЛИЗОВАННЫЕ МОДУЛИ
Модуль 27 – сейсмическое воздействие
по однокомпонентной акселерограмме
Модуль 29 – сейсмическое воздействие
по трехкомпонентной акселерограмме
Модуль 41 – сейсмическое воздействие
по спектру реакции одномассового осциллятора
Модуль 60 – сейсмическое воздействие
по трехкомпонентным графикам
спектрального коэффициента динамичности
Дополнительные модули расчета на сейсмические воздействия, реализованные в ПК ЛИРА 10.8

ПРОЦЕНТ ВКЛАДА МОДАЛЬНОЙ МАССЫ

Прямое интегрирование уравнений движения

СХЕМА ЧИСЛЕННОГО ИНТЕГРИРОВАНИЯ УРАВНЕНИЙ ДВИЖЕНИЯ
Аппроксимация ускорений
Аппроксимация скоростей
Аппроксимация перемещений

КОНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НЕОТРАЖАЮЩИХ ГРАНИЦ
Моделирование КЭ неотражающих границ
Приложенная нагрузка
Неотражающие граничные условия задаются в виде:
Моделирование связями

ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СМОНТИРОВАННОЕ СООРУЖЕНИЕ
Анимация стадий монтажа
Сейсмограмма
После окончания процесса возведения здания выполняется расчет по динамике во времени, например, на сейсмограмму землетрясения.

Усиление Промышленного здания

Усиление Промышленного здания
Учет (неучет) существующего НДС конструкций до усиления
Усилие N в нижнем поясе фермы: 109т (72т)
Прогиб фермы: 22 мм. (17 мм.)
Усилие N в колонне, примыкающей к ферме: 34т (31т)

Усиление Промышленного здания
НЕУЧЕТ существующего НДС конструкций до усиления

Усиление Промышленного здания
Учет существующего НДС конструкций до усиления

Механические характеристики
cейсмоизолирующих опор

Исследование реакции сейсмоизолированного здания с применением резинометаллических сейсмоизоляторов
ЦУП космодрома Восточный
(Канев Д.В., Колесников А.В. и др.)

Реализация физ. нелинейности
при использовании модуля Динамика+
12

РАСЧЕТ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ
зависимость поперечной силы от горизонтального перемещения

Объекты. Стадион к ЧМ по футболу (г. Ростов-на-Дону)
Расчетное обоснование:
Келасьев Н.Г. (ЦНИИПромзданий, гл. инженер)
Мкртычев О.В. (МГСУ, зав. НИЛ НСС)
Колесников А.В. (ЛИРА софт)
Геом. Нелинейность
Монтаж
Динамика +

Объекты. Стадион к ЧМ
по футболу (г. Ростов-на-Дону)
перемещение т.1
Ускорения т.1
КЭ 304 Нить (геом. нелин.)

lira-soft.com
Проблемы и практические аспекты расчета больших резервуаров для хранения СПГ на особые нагрузки и воздействияЛИРА 10.8
Алексей Колесников
Технический директор «ЛИРА софт»
Николай Келасьев
к.т.н., главный инженер,
заместитель генерального директора АО «ЦНИИПромзданий»»

Диаметр 50 м.
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
Внешние стены железобетонные толщиной 0,6 м, бетон класса В55, F200, W8.

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
1) Постоянные, включая следующие:
вес конструкций;
вес теплоизоляции;
вес стационарного оборудования;
2) Временные (длительные и кратковременные), включая следующие:
нагрузки предварительного напряжения арматуры в стенке: кратковременные нагрузки без учета потерь преднапряжения и длительные нагрузки с учетом полных потерь;
гидростатическое давление СПГ;
давление паров СПГ;
температурные нагрузки при возведении и эксплуатации;
нагрузки на купольную крышу;
вакуум;

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
вакуум;
давление теплоизоляции;
ветровая нагрузка (с учётом воздействия ветра на оборудование по рекомендациям специализированных организаций);
снеговая нагрузка с учетом возможного неравномерного ее распределения;
воздействия от деформации основания с учетом максимальной и минимальной величин осадок основания;
строительные нагрузки, включая строительно-монтажные нагрузки, нагрузки от оборудования, рабочей силы, нагрузку от незатвердевшего бетона при использовании облицовки внешней крыши в качестве опалубки, а также ветровые и снеговые нагрузки. Ветровые и снеговые нагрузки при строительстве следует принимать на 20 % меньше, чем эти же нагрузки на стадии эксплуатации;
нагрузки при испытаниях (от гидро- и пневмоиспытаний);

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
Аварийные ситуации:
утечка продукта из внутреннего резервуара;
пожар на предохранительном клапане;
ударная нагрузка от летящих объектов: от предмета весом 50 кг, летящего со скоростью 45 м/с, и от предмета весом 4000 кг, падающего с высоты 10 м;
взрывные воздействия от соседних объектов – 28 кПа;
тепловой поток от пожара на соседнем объекте;
разлив СПГ из внутреннего резервуара.

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение: ЦНИИПромзданий, ЛИРА софт

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
Ветровой район – II.
Тип местности – А.
wm=w0k(ze)c;
w0 = 0,3 кПа;
k(ze ) – коэффициент, учитывающий изменение давления ветра по высоте, определяется по п.11.1.6[1];
k10= 1; α = 0,15.
Аэродинамический коэффициент внешнего давления се1 (рисунок 4.3) определяется по формуле:
ce1=k*cβ,
где k= 1 при cβ>0 и k= 0,6 при cβ<0.

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
4.2.1. Ударная волна
Резервуар СПГ 73D01 расположен во взрывной зоне с манометрическим давлением в 28 кПа. Продолжительность фазы сжатия дается в 0.135 с, продолжительность отраженной волны давления дается в 0.035 с.
Первые четыре собственные частоты колебаний установлены для двух расчетных вариантов нагрузки. Первый расчетный вариант нагрузки – рассматривается для пустого резервуара с собственным весом бетонных частей, с постоянной нагрузкой от внутреннего содержимого и постоянной нагрузкой от платформы. Второй расчетный вариант - нагрузки, рассматриваемые для заполненного резервуара, которые включают те же нагрузки, что и для пустого резервуара, с добавленными нагрузками от СПГ.

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
4.2.3. Тепловое излучение
Тепловое излучение, согласно [10, 12], принято равным 32 кВт/м2 для 30 минут на расстоянии в 15 м. Учитывая расстояние, угол и коэффициент излучения источника тепла, может быть рассчитано излучение на внешнюю поверхность бетонной стенки. Ниже представлен принцип расчета и зависимость между расстоянием и углом:

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Рис. 4.9 Температура поверхности стенки в летнее время
Чтобы учесть рассчитанную температуру в МКЭ-модели, поверхность разделена на сегменты по 4 м с углом Pi = 10°. Суммарный угол излучения источника равен 102°, таким образом, разделение на части по 10° представляется разумным [12]. Для зимнего времени, когда рассчитаны значительно более низкие температуры, расчет с такими температурами не требуется.
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
4.2.4. Сильная утечка
В случае повреждения внутренней части резервуара, внутренняя поверхность бетонной стенки будет находиться в контакте с СПГ. Таким образом, бетонная стенка должна выдерживать расчетную температуру в минус 170 °C, как указано в документе технического регламента №&AA-B-SX 7301.001 выпуск 0.2, 06.09.2016 [10] и НТС [12]. В этом случае приоритетом бетонной конструкции является обеспечение газонепроницаемости на срок до четырех дней. Чтобы обеспечить непроницаемость бетона в случае отказа внутреннего резервуара, в зоне остаточного сжатия должна быть область сжатия в 100 мм и среднее напряжение от остаточного давления в 1 Н/мм 2.

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
4.2.4. Сильная утечка

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
Рис. 4.11. Эквивалентная статическая нагрузка
4.2.5. Эквивалентная статическая взрывная нагрузка

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт
Рис. 4.15 Коэффициенты динамичности при действии импульсов различной формы

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО РЕЗЕРВУАРА
Результаты моделирования с учетом физической и геометрической нелинейности при поэтапном возведении и преднапряжения при проектной арматуре.
Научное сопровождение:
ЦНИИПромзданий
ЛИРА софт

lira-soft.com
Мечеть имени пророка Мухаммада
в г. Махачкала: Особенности проектирования и расчета на внешние воздействия.
Алексей Колесников
Технический директор «ЛИРА софт»
Арсен Сулейманов
Главный инженер ООО «Компания Авилон»

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ МЕЧЕТИ
154.6 х 218.2 м.
Объект разделен швами на 9 блоков

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ МЕЧЕТИ

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ МЕЧЕТИ

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ МЕЧЕТИ

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ МЕЧЕТИ

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ МЕЧЕТИ

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ МЕЧЕТИ

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ МЕЧЕТИ

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ МЕЧЕТИ