Микровибродинамические процессы формирования сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  
СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ 
Ж.Г. Могилюк,  М.С. Хлыстунов 
МИКРОВИБРОДИНАМИЧЕСКИЕ 
ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ  
СВЕРХПРОЕКТНЫХ  
НАГРУЗОК НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ 
КОНСТРУКЦИИ  
Научный редактор М.С. Хлыстунов 
2-е издание (электронное)
Москва 2017

УДК 624.042.7 
ББК 38.1 
        М 742 
СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ 
Р е ц е н з е н т ы: 
доктор технических наук, профессор В. П. Никитский, 
генеральный директор МНТЦ ПНКО; 
доктор технических наук В. Н. Воронков,  генеральный 
директор ИЦ «ГЕОМИР» 
Монография рекомендована к публикации 
научно-техническим советом МГСУ 
 Фото для обложки предоставлено Ж. Г. Могилюк
М 742 
Могилюк, Жанна Геннадиевна.
     Микровибродинамические процессы формирования сверхпроектных 
нагрузок на строительные конструкции [Электронный ресурс] : монография / Ж. Г. Могилюк, М. С. Хлыстунов ; науч. ред. М. С. Хлыстунов ; Мин-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 
143 с.). — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2017. — (Библиотека 
научных разработок и проектов НИУ МГСУ) — Систем. требования: 
Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10".
ISBN 978-5-7264-1687-8
Рассмотрены новые методы оценки влияния микровибродинамических 
многоцикловых нагрузок в системах типа «объект — основание» на формирование сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции. Представлены 
теоретические основы вибродозиметрического метода моделирования вибродинамических и геодеформационных процессов, прикладной динамической теории упругости и метода точечных источников динамических нагрузок для построения типовых схем расчетного моделирования взаимодействия строительных конструкций и оснований.  
Для магистрантов, аспирантов, докторантов и научных работников, занимающихся проблемами теоретического и компьютерного моделирования полей 
микровибродинамических напряжений в основаниях строительных объектов, 
остаточных деформаций и микровибродинамических процессов формирования сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции. 
УДК 624.042.7 
ББК 38.1 
Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Микровибродинамические процессы формирования сверхпроектных нагрузок 
на строительные конструкции : монография / Ж. Г. Могилюк, М. С. Хлыстунов ; науч. ред. М. С. Хлыстунов ; Мин-во образования и науки Рос. 
Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 
2013. — 141 с. — ISBN 978-5-7264-0724-1.
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.
ISBN 978-5-7264-1687-8
©  Национальный исследовательский
Московский государственный 
строительный университет, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ 
......................................................................................... 
5 
Г л а в а  1. ПРОБЛЕМЫ АВАРИЙНОСТИ 
И МОДЕЛИРОВАНИЯ СВЕРХПРОЕКТНЫХ НАГРУЗОК 
НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ 
....................................... 
12 
1.1. Проблемы аварийности в строительном комплексе .... 
12 
1.2. Геологическая структура оснований
и формирование сверхпроектных нагрузок 
......................... 
21 
1.3. Теоретические основания для постановки         
и решения задачи оценки сверхпроектных нагрузок 
.......... 
23 
Г л а в а  2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ 
МИКРОВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 
ФОРМИРОВАНИЯ СВЕРХПРОЕКТНЫХ НАГРУЗОК .............. 
28 
2.1. Теория формирования остаточных деформаций
в упругих средах со слабой пластичностью ........................ 
28 
2.2. Теория модального анализа и моделирования  
микровибродинамических деформационных процессов ... 
46 
2.3. Элементы теории точечных источников       
динамических деформаций и напряжений .......................... 
54 
2.4. Анализ методов расчетного моделирования ................ 
63 
2.5. Принципы и алгоритмы расчетного     
моделирования микродинамических напряжений    
в упругих средах 
..................................................................... 
68 
Г л а в а  3. РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕЙ
ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОСНОВАНИИ 
МАШИННОГО ЗАЛА АЭС ............................................................ 
75 
3.1. Анализ текущего состояния строительной      
конструкции и основания станции ....................................... 
76 
3.2 Анализ особенностей района размещения станции 
...... 
77 
3.3. Анализ данных мониторинга кренов и осадок  
на территории станции .......................................................... 
80 
3 

3.4. Постановка общей задачи моделирования                        
остаточных деформаций в основании машинного зала         
станции 
.................................................................................... 
83 
3.5. Расчетные схемы и алгоритмы моделирования ........... 
83 
3.6. Моделирование остаточных деформаций 
..................... 
86 
3.7. Зоны формирования сверхпроектных нагрузок ........... 
87 
3.8. Выводы по результатам моделирования 
....................... 
90 
 
Г л а в а  4. РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕЙ                         
ВИБРОДИНАМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОСНОВАНИИ 
БОЛЬШЕПРОЛЕТНОГО ЗДАНИЯ 
................................................ 
91 
4.1. Текущее состояние конструкций и основания                  
здания ...................................................................................... 
91 
4.2. Анализ особенностей района размещения здания ....... 
92 
4.3. Исходные данные для расчетного моделирования ...... 
95 
4.4. Расчетные схемы и алгоритм моделирования ............ 
101 
4.5. Зоны формирования сверхпроектных нагрузок ......... 
103 
4.6. Анализ результатов расчетного моделирования ........ 
110 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................. 
112 
 
Библиографический список 
........................................................... 
116 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ .............................................................................. 
128 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Исследование нагрузок и воздействий на здания и сооружения 
является одним из важных направлений исследований в области 
строительной механики. Значимость исследований в этой области 
непосредственно связана с постановкой задачи архитектурностроительного проектирования и, как следствие, с качеством проекта в плане устойчивости зданий и сооружений не только к нормируемым, но и к так называемым сверхпроектным нагрузкам и 
воздействиям [1, 2]. Особую актуальность исследование сверхпроектных нагрузок приобретает в случаях сверхпроектного износа строительных конструкций ответственных строительных 
объектов, включая АЭС, большепролетные и высотные здания и 
сооружения [1, 2, 3, 4].  
Наряду с этим в настоящее время в условиях интенсивного роста объемов и темпов строительства, ускоренного развития строительного комплекса в крупных городах и мегаполисах наблюдается процесс ужесточения ряда требований к вместительности и 
функциональности объектов строительства, к эффективности использования ограниченных резервов свободных земельных 
участков под застройку. Это, как правило, ведет к увеличению 
этажности строительства, повышению нагрузок на фундаментные 
конструкции и грунты основания, а также освоению территорий 
со сложными геолого-геофизическими условиями, то есть к освоению так называемых геологических «неудобий» [3, 4, 5, 6]. 
В таких условиях сбор и идентификация действующих нагрузок становится одной из наиболее ответственных задач инженерного проектирования при построении расчетной модели как конструкции, так и системы «объект — основание» в целом [1, 2, 7]. 
В зависимости от продолжительности действия в соответствии 
со СНиП 2.01.07-85* [8] нагрузки подразделяются на постоянные 
и временные (длительные, кратковременные и особые). 
Согласно СНиП 2.01.07-85* [8] к особым нагрузкам относят в 
том числе воздействия неравномерных деформаций земной поверхности, а также состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций и зданий в целом или снижающие их 
 
 
5 

долговечность вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота), колебаний и трещин. 
Наряду с этим, согласно основным положениям монографии 
[9] при всем многообразии нагрузок и воздействий при проектировании решаются вопросы выбора их расчетных значений, моделирования в расчетах строительных конструкций, определения 
реакции сооружения на внешние воздействия и оценки взаимодействия конструкции с нагрузкой. Понятие «взаимодействие» 
указывает не только на то, что внешняя среда влияет на конструкцию, но и на то, что конструкция может влиять на окружающую среду. 
В.И. Феодосьев в [10] рассматривает различия между силовым 
и деформационным нагружением конструкции, в том числе два 
возможных способа создания в ней механических напряжений:  
1) приложением некоторой нагрузки, вызывающей напряжение; 
2) принудительным деформированием, создающим деформацию, которой соответствует такое же напряжение, как и в первом 
случае. 
Автор [10] показывает, что в первом случае увеличение 
напряжения в 1,5 раза приводит к разрушению материала, а во 
втором (увеличение деформации в 1,5 раза) — только к росту 
остаточных деформаций. Поскольку различие между двумя способами существенно, В.И. Феодосьев  предлагает другое прочтение закона Гука: если в упругой системе большие силы приводят 
к малым деформациям, то ее малые деформации могут стать причиной возникновения больших усилий в системе. 
По этой причине особое внимание такого вида нагрузкам в 
виде перемещений узлов и опор плоских и пространственных 
стержневых систем уделено, например, в специальном курсе 
строительной механики [1]. 
Учитывая корректность подобной интерпретации закона Гука 
и ее эффективное применение при расчетах плоских и пространственных стержневых систем, можно утверждать, что развитие в 
системе «объект — основание» не учтенных современными методами расчета неравномерных деформаций основания может 
приводить к возникновению в строительных конструкциях больших сверхпроектных усилий и/или моментов, требующих специальных исследований и оценок.  
 
 
6 

В связи с этим в расчетную схему строительной конструкции 
должны быть внесены соответствующие изменения, учитывающие эти дополнительные деформационные воздействия, что невозможно осуществить без проектной оценки их пространственного распределения и, в первую очередь, по подошве фундаментов, как конструкций, наиболее подверженных деформациям 
природного и техногенного происхождения, включая неравномерные осадки вследствие действия микровибродинамической 
нагрузки.  
На основании вышеизложенного, а также на основе комплексного анализа других источников научной литературы в области 
строительной механики авторами монографии было выполнено 
исследование влияния малоизученных ранее микровибродинамических многоцикловых нагрузок в системе «объект — основание» на процесс формирования деформационных воздействий на 
строительные конструкции зданий и сооружений, приводящих к 
возникновению в них требующих учета усилий и/или моментов. 
Результаты этих исследований и были положены в основу монографии. 
Анализ статистических данных последних лет показывает, что 
важными аспектами проблемы современных мегаполисов являются повышение локальной сейсмичности, негативные изменения температурно-влажностного режима, развитие карстовых и 
суффозионных процессов, многопричинный износ и исчерпание 
ресурсов несущей способности строительных материалов, конструкций и грунтов оснований [3, 11, 12, 13]. Наиболее критический характер имеют проблемы безопасности, связанные с развитием ранее малоизученных предаварийных процессов, которые 
отличаются трудно контролируемыми плавными отказами элементов строительной конструкции и системы «объект — основание» в целом.  
Главная проблема плавных отказов состоит в том, что характерной чертой их зарождения, развития и реализации современных аварийных ситуаций является скрытый процесс накопления 
и развития микродефектов, имеющих трудно прогнозируемый 
срок перехода в критическое состояние.  
Одним из таких малоизученных и аварийно опасных физикомеханических процессов стал процесс скрытого неравномерного 
 
 
7 

накопления остаточных деформаций упругих сред со слабым 
проявлением пластичности (в том числе оснований строительных 
объектов) под действием долговременных микровибродинамических нагрузок. 
В настоящее время проблема микровибродинамической прочности и устойчивости строительных объектов и систем типа 
«объект — основание» является весьма острой. Это связано главным образом с ростом интенсивности источников микровибродинамических возмущений, в результате долговременного многоциклового воздействия которых формируются сверхпроектные 
деформационные статические нагрузки на строительные конструкции, здания и сооружения в целом. К такого рода источникам следует отнести транспортные магистрали (метрополитен, 
городская железная дорога, автодороги различного класса), технологическое оборудование, применяемое при строительстве 
(сваебойные копры, вибромолоты, буровые станки и др.) и промышленное оборудование, создающее динамическое воздействие 
на фундаменты строительных объектов (формовочные машины, 
компрессоры, пилорамы, дробилки, грохоты, турбоагрегаты и др.). 
Из вышеизложенного следует обоснованная необходимость 
разработки математических моделей для исследования параметров скрытого неравномерного накопления под действием долговременных микровибродинамических нагрузок на упругие среды 
со слабой пластичностью остаточных деформаций, создающих 
требующие учета усилия и/или моменты в системе «объект — 
основание». 
В связи с этим в данной работе приводятся методы построения 
расчетных моделей и алгоритмы для оценки интенсивности полей микровибродинамического взаимодействия строительных 
конструкций и оснований, являющихся одной из аварийно опасных причин скрытого и неравномерного накопления остаточных 
деформаций, в частности, в грунтах оснований строительных 
объектов при слабом проявлении пластичности, под действием 
долговременных микровибродинамических нагрузок.  
Наряду с этим дается описание разработанных авторами способов выявления на стадии проекта или обследования процессов, 
связанных с формированием плавных отказов в системе «объект — основание» в виде сверхпроектных осадок, и, как след 
 
8 

ствие, позволяющих продлить срок безопасной эксплуатации 
строительных объектов и обеспечивающих проведение инженерных мероприятий по повышению надежности и рентабельности 
эксплуатации зданий и сооружений.  
Для обеспечения универсальности и возможности применения 
изложенных методов и алгоритмов для решения задач аналогичных исследований и разработок в монографии представлены: 
 материалы обзорно-аналитических исследований новых и 
широко используемых в области механики твердого тела и строительной механики методов решения аналогичных задач; 
 принципы выбора и обоснования расчетных моделей и метода расчета; 
 теория и принципы разработки обобщенных численных моделей микровибродинамического нагружения упругой среды со 
слабым проявлением пластичности; 
 элементы теории и расчетные схемы моделирования полей 
распределения интенсивности микровибродинамических напряжений в основаниях при возбуждении волновых процессов в системе типа «объект – основание» для реальных строительных 
объектов и принципы сравнительного анализа полученных результатов моделирования и результатов проведенных обследовательских работ; 
 методика расчетного моделирования распределения и неравномерного накопления сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в виде остаточных деформаций 
в основании, возникающих при возбуждении волновых процессов в системе «объект — основание», для различных типов конструкций фундаментов реальных строительных объектов и сравнение полученных результатов с результатами проведенных обследовательских работ; 
 принципы разработки практических предложений по применению разработанных моделей и алгоритмов в инженерных расчетах конкретных строительных конструкций и объектов и определения границ и областей применения, возможных путей дальнейшего развития метода для решения аналогичных задач строительной механики и строительного проектирования. 
Были использованы следующие методы и результаты инициативных и бюджетных исследований авторов:  
 
 
9 

 материалы инструментальных и теоретических исследований, выполненных в 2000—2008 гг. Отраслевой научноисследовательской лабораторией крупногабаритных конструкций 
Роскосмоса и Научно-исследовательским институтом экспериментальной механики (НИИЭМ) Федерального государственного 
бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «МГСУ»;  
 методы аналитической геометрии в части разработки алгоритмов трехмерной дискретизации моделей упругой среды оснований со слабым проявлением пластичности при микровибродинамических нагрузках; 
 прикладная динамическая теория упругости, метод точечных 
источников динамических нагрузок, модальный и вибродозиметрический методы моделирования тонких нелинейных вибродинамических и геодеформационных процессов, разработанные на 
инициативной основе проф. М.С. Хлыстуновым, а также практические задачи их применения в рамках задания Минобразования 
РФ № 2.001.02Д и проектов Научно-инновационного сотрудничества Минобразования и Минатома России № 3.01-02 «Натурная 
верификация инструментальных методов аттестации параметров 
геодинамической безопасности АС»; 
 методы объектно-ориентированного программирования для 
расчета параметров распределения интенсивности микровибродинамического НДС в полупространстве упругих оснований со 
слабым проявлением пластичности. 
В книге также показаны результаты инициативных научных 
исследований и разработок авторов, представляющие собой 
принципиально новые научные подходы, малоизученные ранее 
закономерности и эффекты, методы и алгоритмы численного моделирования, в том числе опубликованные в научной литературе: 
 пакет алгоритмов, разработанный на основе новых теоретических представлений и выявленных авторами закономерностей, 
для расчета распределения интенсивности полей микровибродинамических напряжений и деформаций продольного, сдвигового 
и рэлеевского модального состава в системах «объект — основание» для типовых схем и конфигураций площадки нагружения, 
на базе которого разработан, программно реализован и зарегистрирован в Роспатенте пакет программ для ЭВМ; 
 
 
10