WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 


«МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Данилов А.Г.*, Никифоров С.П.** ИЗК СО РАН*, ...»

МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Данилов А.Г.*, Никифоров С.П.**

ИЗК СО РАН*, ВостСибТИСИЗ** г.Иркутск

Прогноз сейсмической опасности- одно из важнейших направлений инженерной

(экологической) геофизики, заключающийся в определении интенсивности ожидаемых

сильных землетрясений на исследуемой территории. Прогнозирование величины

сейсмичности не менее сложно, чем прогнозирование момента возникновения сильного землетрясения. Конечным результатом оценки сейсмической опасности является прогноз поведения сооружений в конкретной сейсмотектонической и инженерно-геологической обстановке.

На сегодняшний день актуальным в методике оценки устойчивости геологической среды к сейсмическим воздействиям на стадии СМР является: изучение скоростных и спектральных характеристик грунтов при землетрясениях различной интенсивности в разных геоморфологических и геологических условиях; изучение инженерногеологических и инженерно-сейсмологических условий строительства в пределах тектонических нарушений; прогноз изменения реакции геологической среды на сейсмические воздействия в условиях техногенного прессинга, математическое моделирование.

Авторами накоплен значительный опыт решения проблем сейсмического микрорайонирования урбанизированных территорий Прибайкалья (г.г. Иркутск, Черемхово, Шелехов, Бабушкин, Селенгинск, Кабанск, объекты БАМ и т.

д.). Анализ данных показал, что существующие методы и методология сейсмического микрорайонирования не всегда в состоянии обеспечить получение необходимой информации об устойчивости геологической среды к воздействию вероятных для данного региона сильных землетрясений, а также прогнозировать изменение сейсмоустойчивости среды под воздействием техногенной нагрузки. Это связано, как со сложностью изучаемых объектов, так и с недостаточной научной проработкой ряда теоретических и методических вопросов инженерной сейсмологии. Наиболее слабо проработанным, на наш взгляд, является учет влияния пассивной тектоники на реакцию геологической среды при сильных землетрясениях.

Провоцирующая роль разломов в формировании очагов землетрясений общеизвестна. В то же время, помимо сейсмогенных разломов в пределах любого сейсмоактивного региона, существует сеть разломов, пассивных по отношению к формированию сейсмического очага, но выступающих как неоднородности в строении геологической среды и способных как усиливать, так и гасить воздействие сейсмических волн от землетрясений. В публикациях многих исследователей отмечалось, что только грунтовыми условиями невозможно полностью объяснить вариации макросейсмического поля. Общим в этих исследованиях является вывод о том, что причины этого явления вызваны влиянием неоднородностей геологической среды, а в частности, тектоническими нарушениями.

При анализе макросейсмических обследований разрушений зданий и сооружений сравнительно недавних катастрофических землетрясений: Спитакское (Армения,1988г.), Шикотанское (о.Итуруп,1994г.), Нефтегорское (о.Сахалин, 1995г.), Кобе (о.Хонсю, Япония,1995г.) исследователями отмечалась весьма сложная, порой противоречивая зависимость макросейсмического эффекта от планового расположения и масштаба проявления зон тектонических нарушений. Этот факт еще более подчеркивает необходимость и важность разработки и внедрения эффективной экспертной системы оценки влияния тектонических нарушений и связанных с ними форм подземного и наземного рельефа на устойчивость геологической среды в практику сейсмического микрорайонирования.

К сожалению, существующие нормативные строительные документы, регламентирующие оценку сейсмической опасности строительных площадок, не дают удовлетворительной технологической цепочки принятия решения в этом вопросе.

Например, в инструкции по СМР (Медведев и др.,1962) отсутствуют требования к способам оценки сейсмической опасности тектонических разрывов. В СНиП II-А 12-62 отмечено, что неблагоприятным в сейсмическом отношении условием является близкое расположение линий тектонических разрывов. В рекомендациях по сейсмическому микрорайонированию (СМР,1971) сделано указание о повышенной сейсмической интенсивности проявления землетрясения в полосе шириной не менее 100м от сейсмоактивных и опасных тектонических нарушений. В рекомендациях по СМР (1985) методике изучения территорий, пересеченных тектоническими разрывами, отведен уже целый раздел, но "рецептов" количественной оценки сейсмической опасности нет.

Неудовлетворенность существующим положением отмечается в научных публикациях многих исследователей.

В практике строительства в сейсмически опасных районах проблема оценки тектонических нарушений, как зон повышенной мобильности неблагоприятных для строительства, занимает особое место. Ряд исследователей выделяют зоны тектонических нарушений в качестве самостоятельного опасного геологическо процесса. Сложность решения этой проблемы обусловлена рядом причин. Во-первых, зона разлома представляет собой некую аномальную область, в следствии чего сама по себе является концентратором напряжений. Во-вторых, гетерогенность внутреннего строения деструктивной области обусловливает и резкую гетерогенность поля напряжений внутри зоны, следствием чего, в свою очередь, является ее высокая мобильность и низкая устойчивость при сейсмических воздействиях. В третьих, мобильность внутри разломного объема обусловлена и его пониженной вязкостью по сравнению с сопредельными территориями (Кучай,1983). В четвертых, зоны тектонических нарушений часто отделяют друг от друга блоки различного литологического или петрографического состава и тектонической структуры (как правило, выраженные в формах подземного и наземного рельефа), что способствует при землетрясении возникновению резко различных ускорений по обе стороны от разлома. Все это требует, исходя из инженерно-строительных задач, подходить с особой тщательностью не только к картированию разломов, но и к количественной оценке их динамического влияния.

Зоны разломов характеризуются сложной структурой залегания геологических пород, в таких зонах можно отметить несколько факторов, определяющих приращения сейсмической интенсивности:

дифракция возникающая на неоднородностях в среде, многократное отражение в верхних низкоскоростных слоях, нелинейные эффекты при сильных сейсмических воздействиях, фокусировка и рассеяние энергии сейсмических волн связанные со сложной двух- и трехмерной геометрией залегания пород, механический отклик структур включенных в данную среду при прохождении через них сейсмической волны с частотами близкими к частотам собственных колебаний этих структур. Наложение этих эффектов в зоне тектонических нарушений, сложных формах рельефа обусловливает “пятнистость” волнового поля. Вторым фактором служат аномальные физико-механические свойства пород непосредственно в зоне дробления, предопределенные повышенной трещиноватостью, обводненностью, особенностями напряженного состояния пород в зоне тектонического нарушения. Третьим фактором служит то, что разлом является зоной контакта крыльев горных пород, характеризующихся различными сейсмоакустическими свойствами и их пространственное взаиморасположение может служить одним из доминирующих факторов в оценке приращения бальности. Отмеченные факторы вносят существенный вклад в перераспределение энергии сейсмических волн и создают эффекты увеличения и уменьшения их интенсивности.

Рассмотренные проблемы особенно актуальны при сейсмическом микрорайонировании (СМР) и разработке стратегии натурных исследований. В решении этих проблем необходимо более широко применять методы моделирования. С интенсивным развитием компьютерных вычислительных технологий важное место в сейсмическом микрорайонировании стало занимать математическое моделирование. Его реализация, в сравнении с инструментальными методами, является относительно не дорогой и позволяет не только оценивать реакцию геологической среды на сейсмические воздействия, но и прогнозировать ее величину в зависимости от изменения свойств геологической среды при техногенной нагрузке.

Наиболее полно, с позиций математического моделирования решены задачи для горизонтальнослоистой модели. Разработаны многочисленные отечественные и зарубежные программные продукты: МТС (Ратникова 1973), ProShake [10], EERA (Bardet и д.р 2000), NERA (Bardet и д.р. 2001) и д.р. Наряду с этим, в последнее время интенсивно развиваются методы расчета сейсмических колебаний в средах с произвольными границами раздела: метод конечных разностей (МКР) (Аки 1983), метод граничных элементов (Luco и д.р. 1990), метод конечных элементов (МКЭ) (Li и д.р. 1992), лучевой метод (Аки 1983) и метод Aki-Larner (Horike и д.р. 1990). Наибольшее распространение получили МКР и МКЭ.

Активное применение МКЭ началось с появлением высокопроизводительных компьютеров, снявших остроту проблемы выполнения большого количества вычислительных операций, хранения обрабатываемых данных и визуализации результатов расчета. Метод получил широкое применение в различных отраслях – в машиностроении, аэродинамике, строительстве и соответственно, реализован в алгоритмах многочисленных программ таких как ABAQUS, ANSYS, CAEFEM, COSMOS, I-DEAS и др. а так же специализированных пакетов программ LUSH, FLUSH, SASSI 2000 для расчета сейсмических воздействий. Первые расчеты демонстрирующие применение МКЭ для сейсмологии были сделаны Lysmer и Drake (1972). Для трехмерного моделирования МКЭ был использован Toshinawa и Ohmachi (1992). В России, одним из первых, Гогелия (1977) разработал методику и программное обеспечение для проведения расчетов реакции двухмерной среды на сейсмические воздействия методом конечных элементов.

По обилию возможностей реализации МКЭ, одно из первых мест, по мнению авторов, занимает интегрированный пакет программ MSC/NASTRAN позволяющий решать двух и трехмерные задачи.

Последнее послужило выбором MSC/NASTRAN для оценки его возможностей и последующей адаптации к решению проблем инженерной сейсмологии. Начальный этап адаптации MSC/NASTRAN начался с обоснования и выбора тест-модели. В качестве тест модели выбрана двухслойная горизонтально-слоистая геологическая среда. Эталоном, для сравнительной оценки правильности работы алгоритма МКЭ, служили результаты расчетов на тест-модели по алгоритму реализованному в программе МТС (Данилов, Никифоров, 2001).

Сравнительный анализ расчетов по МКЭ и МТС позволил определить круг проблем в реализации расчетов по МКЭ, решение которых позволило свести к минимуму погрешности вызванные:

- краевыми эффектами;

- выбором частотного диапазона и оптимизацией размера шага расчета по времени.

- размером конечных элементов;

- выбора модели учета затухания сейсмических колебаний в среде.

С помощью программы MSC/NASTRAN проведено исследование зависимости проявления землетрясения от рельефа в мкр. Топкинский, г. Иркутск (Данилов, Никифорров, 2001).

Для изучения влияния зон пассивных разломов авторами выбрана достаточно универсальная модель вертикального (наклонного) контакта двух сред с различными физическими свойствами (рис.1). Как правило, исследования подобного типа сводились к изучению системы вертикальных контактов обрамляющих осадочный бассейн (Aki 1988, Sahchez-Sesma и Lusyn 1995 и д.р.). Картина распределения сейсмической энергии в этом случае осложнена интерференцией поверхностных волн внутри бассейна и трудна для понимания. В связи с этим представляет интерес моделирование распространения сейсмических волн на простых моделях, в частности на элементах вертикального и наклонного контакта геологических сред.

Используя в качестве исходной акселерограммы гипотетического землетрясения импульсы Берлаге и Рикера, нами рассмотрены особенности распределения сейсмических колебаний на дневной поверхности в точках расположенных вблизи вертикального (наклонного) контакта и удаленных от него. Как и предполагалось, волновая картина осложнена образующейся на контакте волной Лява (рис.2) и дифракцией сейсмической волны.

На следующем этапе моделирования, в качестве исходного сейсмического воздействия на среду использовалась синтетическая Рис. 1 Модель вертикального контакта двух сред акселерограмма (рис. 3). Расчеты проведены для 1 - Vp = 3000 м/с, Vs = 1700 м/с, = 2500 кг/м3 SV - волны, нормально падающей на подошву декремент затухания для p - волн 0.08, для s - волн исследуемой модели.

0.15: На рисунке 4 приведены графики 2 - Vp = 1200 м/с, Vs = 400 м/с, = 1900 кг/м3 распределения максимальных ускорений декремент затухания для p - волн 0.25, для s - волн движения точек на поверхности для моделей с 0.5: мощностью пород лежащих на коренных породах 3 - Vp = 3500 м/с, Vs = 2000 м/с, = 2500 кг/м3 H= 100м и углах равных 5, 15, 30, 60, 90, 120, декремент затухания для p - волн 0.03, для s - волн 150, 165, 175 градусов. Следует отметить, что для 0.08: любого угла присутствуют зоны сейсмической тени с малыми амплитудами ускорения и зоны усиления сигнала с большими, по сравнению с горизонтально слоистой средой, амплитудами ускорения. При больших углах ширина зоны сейсмической тени имеет максимальные значения. На рисунке 5 показано, во сколько раз увеличивается максимальное ускорение в зоне контакта по сравнению с ускорением в точке удаленной от нее. Максимальное усиление (почти в два раза) отмечается в диапазоне 120-165 градусов.

Отчасти, образование зон усиления и ослабления сейсмического сигнала можно объяснить на основе лучевого представления распространения сейсмической волны (рис.6). Это позволяет в общих чертах, без учета явления дифракции и образования обменных волн, представить процесс распространения сейсмических волн в зоне вертикального (наклонного) контакта (рис.7).

Рис. 2 Распределение ускорений точек среды в различные моменты времени для модели =90, H=100 м (видны распространяющиеся волны Лява). Исходная акселерогрмамма - импульс Берлаге.

- отметка расположения контакта пород.

–  –  –

=15 =150 =30 =60 =90 Рис. 4 Графики распределения максимальных амплитуд ускорения вдоль дневной поверхности (под графиками показана проекция контакта на дневную поверхность) Рис. 5 График зависимости отношения A/A0 от угла, где А – максимальное ускорение возникающее на поверхности модели: А0 – максимальное ускорение в точке удаленной от зоны вертикального контакта.

–  –  –

Выводы Математическое моделирование с использованием метода конечных элементов, реализованное в интегрированном пакете MSC/NASTRAN позволяет количественно оценить пространственное распределение энергии сейсмических колебаний в зависимости от геометрии геологических неоднородностей. Проектировать, либо вносить коррективы в используемые на практике схемы расчета устойчивости геологической среды. Программы обработки данных, такие как FeMap, MSC/Patran и т.д.

позволяют детально изучать картину динамики волновых процессов и представлять результаты расчетов в наглядной форме.

Список литературы

1. Аки К., Ричардс “Количественная сейсмология”: Теория и методы. Т.2. Пер. с англ.-М.:

Мир, 1983

2. Гогелия А.А., Напетваридзе Ш.Г. “Применение метода конечных элементов при сейсмическом микрорайонировании.”- В кн.: Сейсмическое микрорайонирование. М.: Наука, 1977, с.

161-164

3. Данилов А.Г. Никифоров С.П. Использование программы Nastran при оценке сейсмических воздействий. В сб. научных трудов: Геофизика на пороге третьего тысячелетия. – Иркутск, ИрГТУ 2001.

157-166

4. Кригер Н.И., Кожевников А.Д., Матушкин Б.А. и д.р. О принципах сейсмического микрорайонирования. В сб. научных трудов: Сейсмическое районирование для строительства и его обоснование (Труды ПНИИСа, вып. 40). – М.: Стройиздат. 1975.

5. Кучай В.К. Современная динамика Земли и орогшенез Памиро-Тянь-Шаня. – М.: Наука, 1983.

6. Медведев С.И. Инженерная сейсмология. – М.: Госстройиздат, 1962.- 278 с.

7. Ратникова Л.И. “Методы расчета сейсмических волн в тонкослоистых средах.” М: Наука,

1973. 124с.

8. Aki K. Local site effect on ground motion. In J. Lawrence Von Thun, editor, Earthquake Engineering and Soil Dynamics. II: Recent Advances in Ground-Motion Evaluation, pages 103-155. ASCE, 1988.

9. Bardet J.P., Ichii K. and Lin C.H. “EERA – A Computer Program for Equivalent-linear Earthquake site Response Analyses of Layered Soil Deposits“, University of Southern California, Department of Civil Engineering. 2000

10. Bardet J.P., Tobita T. “NERA – A Computer Program for Nonlinear Earthquake site Response Analyses of Layered Soil Deposits“, University of Southern California, Department of Civil Engineering. 2001

11. Li X., Bielak J., and Ghattas O.. Three-dimensional earthquake site response on a CM-2. In Proc.10th World Conf. on Earthquake Eng., 1992.

12. Luco E. J., Wong H. I., and F. C. P. de Barros. Three-dimensional response of a cylindrical crayon in a layered half-space. Earthquake Eng. Struc. Dynamics, 19:799-817, 1990.

13. Lysmer, J., Udaka, T., Seed, H. B., and Hwang, R. "LUSH - A computer program for complex response analysis of soil-structure systems," Report No. EERC 74-4, Earthquake Engineering Research Center, UCB, April. 1974

14. Lysmer J. and Drake L.A.. A finite element method for seismology. In B. Alder, S. Fernbach, and B.A. Bolt, editors, Methods in Computational Physics, Volume 11, chapter 6. Academic Press, New York, 1972.

15. “MSC/NASTRAN Basic Dynamic Analysis.” The MacNeal – Schwendler Corporation. 1997 16. “ProShake - Ground Response Analysis Program” EduPro Civil Systems, Inc. 1998

17. Sanchez-Sesma F.J. and Luzyn F. Seismic response of three-dimensional valleys for incident P, S and Rayleigh waves. Bull.Seism.Soc.Am.,85:269,1995 18. Toshinawa T. and Ohmachi T. Love-wave propagation in three-dimensional basin. Bull. Seism. Soc. Am., 82: 1661-1677, 1992.

19. Horike M., Uebayashi H., and Takeuchi Y.. Seismic response in three-dimensional sedimentary basin due to S-wave incidence. J. Phys. Earth, 38:261-284, 1990.



Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ АГРОХИМИИ И ПОЧВОВЕДЕНИЯ Рабочая программа дисциплины Рад...»

«1. Цели подготовки Цель дисциплины "экология" – сформировать представление об экологии, как общебиологической науке, изучающей динамику популяций различных организмов в условиях биогеоценозов; о рациональном природопользовании, эко-эффективности и охране окружающей среды. Изучение курса позволит будущим специалистам оценивать с...»

«Доклад: Экомаркировка Экомаркировка – это некий знак или графический cимвол, который в результате процедуры проверки на соответствие выработанным экологическим критериям присутствует на товаре или его упаковке, и подтверждается документально соответствие выработанным критериям экомаркировки. Знак используется на...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ "МОЗЫРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ И. П. ШАМЯКИНА" БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ АКТУАЛЬНЫЕ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЮГО-ВОСТОКА БЕЛАРУСИ СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ БИОЛОГИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА Под...»

«ИГНАТОВА Валентина Александровна ИНТЕГРИРОВАННЫЕ УЧЕБНЫЕ КУРСЫ КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ УЧАЩИХСЯ 13. 00. 01 — общая педагогика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора педаго...»

«Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. 2010. – Т. 19, № 3 – С. 127-132. УДК 581.92 (470.43) ОБЗОР СЕМЕЙСТВА VIOLACEAE BATSCH УЛЬЯНОВСКОЙ ОБЛАСТИ © 2010 С.В. Саксонов, С.А. Сенатор, Н.С. Раков* Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти (Россия)...»

«ПЛОТНИКОВ ВАДИМ АЛЕКСЕЕВИЧ МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛЕВЫХ ИЗОЛЯТОВ ВИРУСА ЛЕЙКОЗА ПТИЦ, ЦИРКУЛИРУЮЩИХ НА ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Специальност...»

«Приложение 2 к приказу ректора от 31.05.2010г. № 159 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ...»

«ферме Сан Себастьяно и производстве оливкового масла Д-р Пьетро Романо является собственником в третьем поколении фермы Сан Себастьяно. Ферма Сан Себастьяно находится в Италии, провинции Калабрия. Начиная с 90-х годов прошлого столетия направлением деятельности ф...»

«Научноисследовательская работа Взаимодействие доминантного и субдоминантного полушарий при выполнении простой зрительно-моторной реакции Автор работы: Кринко Ольга, 1 курс Академии биологии и биотехнологии ЮФУ г. Ростов-на-Дон...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.