Содержание
Нормативные ссылки.........................................................3
Обозначения и сокращения...................................................4
Введение...................................................................5
1 Классификация, применение и проблемы использования конструкций, моделируемых стержнями.......................................................15
1.1 Особенности применения стержневых систем..............................15
1.1.1 Основы использования конструкций из железобетона....................15
1.1.2 Вопросы использования металлоконструкций............................20
1.2 Классификация дефектов конструкций и статистика их проявлений.........24
1.2.1 Дефекты для железобетонных конструкций..............................25
1.2.2 Дефекты изготовления и монтажа металлоконструкций...................26
1.2.3 Главные причины возникновения разрушений и аварийных ситуаций 28
1.2.4 Обобщение причин возникновения обрушений промышленных конструкций..................................................................31
1.3 Характеристики затуханий колебаний в расчетных конструкциях...........37
1.3.1 Определение демпфирующих характеристик стали марки Сталь 3..........38
1.3.2 Декремент затухания для железобетона................................47
Выводы....................................................................48
2. Математическая модель стержневых систем и методика динамического расчета состояния конструкции................................................50
2.1 Общий принцип моделирования стержневых систем.........................50
2.2 Уравнения состояния одного стержня....................................51
2.3. Определение состояния стержня на основе начальных характеристик
конечного элемент в матричной форме..........................................56
2.4 Составление математической модели стержневой системы..................60
2.5 Определение законов движения точек стержневой системы.................61
Выводы....................................................................65
3. Примеры расчета задач о внезапном изменении условий онирания прямого стержня.................................................................... 66
3.1 Моделирование исходного состояния.....................................67
3.2 Моделирование обрыва одной связи на конце стержня с сохранением заделки на другом................................................................... 70
3.3 Моделирование статического состояния стержня после перехода к свободному краю на правом конце..............................................71
3.4 Моделирование поведения стержня, имеющего жесткую заделку на двух концах после перехода к шарнирам.............................................72
3.5 Динамический расчет конструкций предложенных схем.....................74
Выводы....................................................................82
4. Расчет сложных составных конструкций...................................84
4.1 Моделирование сценариев разрушения....................................84
4.2 Расчет составных конструкций с учетом демпфирования...................86
Выводы....................................................................97
Заключение................................................................98
Библиографический список.................................................100
Приложение 1.............................................................110
Приложение 2.............................................................116
Нормативные ссылки
В настоящей диссертации использованы ссылки на следующие стандарты:
- ГОСТ 23118-99. Конструкции стальные строительные. Общие технические условия;1,
- ГОСТ 31295.1 — 2005. Шум. Затухание звука;
- СНиП Ш-18-75. Металлические конструкции;
- СП 53-101-98. Изготовление и контроль качества стальных строительных конструкций.
-СНиПИ-23-81* Стальные конструкции
I I
4
Обозначения и сокращения
В тексте диссертации приняты следующие обозначения:
• полужирный шрифт обозначает векторы, например, ц - вектор распределенной силы, У — вектор параметров состояния стержня, а - столбец модальных коэффициентов и т.п.
• Прямой обычный прописной шрифт обозначает матрицы, например, А($,со), - матрица системы дифференциальных уравнений и т.п.
• Курсивный шрифт обозначает скалярные величины и компоненты матриц, векторов, тензоров, например, Г - время, УУпк - компонент матрицы с индексом строки п и столбца к.
• Знаки “{}” обозначает матрицы-столбцы, например, {их иу и2 0Х 0У 02 }-матрица-столбец.
• Знаки “[]” обозначает матрицы-строки, например, [их иу иг 0Х 0у 02 ]-■ матрица-строка.
• Знак “©” обозначает прямую сумму матриц, например, и = {их иу и7}; 0 = {0Х 0У 02} ; у = и © 0 => у ={ их иу иг 0Х 0У 02}
ду
• Знак (1) обозначает производную по координате, например, у——
. . дх
• Знак (.) над символом обозначает производную по времени, например,
• _Эу
В тексте диссертации приняты следующие сокращения:
. ЛСК — локальная система координат;
МК гг металлоконструкции;
МКЭ - метод конечных элементов;
МЖС - матрица жесткости стержня;
МДЖС - матрица динамической жесткости стержня;
МНП - метод начальных параметров;
НДС - напряженно-деформированное состояние.
5
Введение
В настоящее время все большую значимость приобретают вопросы безопасности и экономичности современных зданий и сооружений, что продиктовано постоянным ростом объема строительства в городах. Весьма примечательно, что динамичное развитие городской среды, сопровождающееся ростом техногенных нагрузок на строительные объекты и возникновением различного рода чрезвычайных ситуаций, приводит к необходимости располагать достоверной информацией о величине риска зданий. Поэтому вопросы обеспечения безопасности функционирования строительных конструкций на всех стадиях ее жизненного цикла становятся в настоящий момент одними из важных и крайне актуальных задач политики государства в области национальной безопасности [13,24,85, 102].
В последнее время популярность набирают конструкции моделируемые посредством стержневых элементов, которые, как правило, чаще изготавливают из железобетона(ЖБ) либо метала. Каждый из материалов имеет свои преимущества и свою предпочтительную сферу применения.
Железобетонные конструкции(ЖБК) широко используют в капитальном строительстве при воздействии температур не выше 50 °С и не ниже -70 °С. В каждой отрасли промышленности и жилищно-гражданском строительстве имеются (экономичные формы конструкций из сборного, монолитного или
I
сборно-монолитного железобетона.
К стержневым конструкциям, в которых предпочтительнее использовать ЖБ по сравнению с камнем и сталью можно отнести: атомные реакторы, ряд морских сооружений, мосты, аэродромы, фабрично-заводские, складские и общественные здания и сооружения; тонкостенные пространственные конструкции, силосьт, бункера и резервуары; напорные трубопроводы; башни, высокие дымовые трубы, сваи, кессонные основания и многие другие массивные сооружения. На изготовление железобетонных линейных конструкций расходуется в 2...3
| 1 .
'I 6
раза, а на изготовление плит, настилов, труб в 10 раз меньше металла, чем на стальные конструкции.
Касательно металлических конструкций (МК) можно отметить, что их развитие наряду с возрастающими объемами строительства началось еще в 30-х годах XX в. Они представляли собой одинаковые элементы металлических профилей, из которых собирали здания арочного и сводчатого типов. С момента' возникновения МК прошли ряд усовершенствований, модернизаций и к настоящему времени стали весьма популярны.
Стремительное распространение конструкций из металла связанно, в первую очередь, с основными преимуществами их применения: быстротой монтажа, экономичностью материала, надежностью, легкостью, и др. Это позволяет считать обоснованной конкурентоспособность МК и объясняет широкий спектр
применения: каркасы зданий, высотные сооружения, конструкции металлурги-
'I
ческого производства, строительные металлоконструкции и пр. (см. раздел 1.1).
К сожалению нельзя не сказать и о том, что при всех указанных положительных особенностях использования стержневых конструкций в строительстве существуют проблемы, накопившиеся в самой отрасли за минувшие годы. Они связанны р темпами роста индустрии указанных конструкций в России и обра-
* } I
щают на себя внимание, требуя своевременного разрешения. Утрачена координация работ в научно-технической и производственной сфере.:Требует коренного совершенствования система подготовки и переподготовки кадров, обобщения и распространения передового опыта. Безнадежно устарела система
I ! I
нормативной документации в области проектирования, производства и эксплуатации стержневых систем. Кроме того, после вступления в силу. Закона РФ «О техническом регулировании» ГОСТы и СНиПы перестают, быть- обязательными документами и переходят в разряд рекомендательных [70]. Существенно снижена требовательность к контролю над качеством выполнения строительно-монтажных работ и лицензированию в части стержневых конструкций. На рынке строительных услуг множатся структуры, занимающиеся проектированием и монтажом крупных, технически сложных объектов, не имея для этого ни доста-
1 1 ‘ • г
1 I•• •!*,и II ! : > || 1 I . .
7
точного опыта практической деятельности, ни квалифицированных кадров, ни
I
необходимой просктно-конструктопской и производственно-технологической базы. В результате сама идея использования металла и железобетона в строительстве как перспективного вида строительных материалов становится уже не
столь очевидной. Таким образом, мы видим, что государство как бы самоустра-
|
нилось от участия в выработке перспективной промышленной политики в строительной индустрии, замедлив и скорость ее реализации.
На современном этапе существует и другая проблема. Для конструкций необходимо иметь возможность производить, как при создании, так и в ходе эксплуатации, имитационный моделирующий расчет на вероятность частичного
I»
или полного лавиноопасного обрушения в случае возникновения критической ситуации. Под ней понимается случай, когда одна опора или несколько несущих элементов разрушаются или близки к этому. Другими словами необходимо
знать риски, возникающие при строительстве и в ходе эксплуатации, в резуль-
»1
тате непосредственного 'выключения одной или нескольких удерживающих связей в системе или предпосылок к этому с целью дальнейшей выработки грамотных, обоснованных рекомендаций к действию. Это приобретает особую актуальность для устаревших и ветхих сооружений. При этом в зависимости от условий крепления и разновидностей несущих элементов конструкции, модель
I I , } 11 I
должна предполагать возможность их варьирования для расширения класса решаемых задач. [43, 73, 79]. Сказанное позволяет утверждать, что совершенствование методов анализа динамических состояний стержневых систем в результате изменения внутренних связей ' является актуальной научно-технической задачей. * 1
. Динамике стержневых систем посвящено много работ различных ученых: Алешина А .Я., Андреева В.И., Г. Аугусти, Гордона В. А., Лехнйцкого С.Г., Розина Л. А., Светлицкого В.А., Смирнова А.Ф., Толоконникова Л.А. и др.[2, 75,
77, 68]. При'этом решение этими учеными задач динамики конструкций, моде-
1
лируемых посредством стержней, можно разделить на два направления: аналитическое и конечно-элементное. Так решение задач посредством дифференци-
• г I
1 « 1 I \
I . I) Г.*. I I I 1 Г |П|. 1
8
альных уравнений с переменными коэффициентами встречается в трудах Безу-хова Н.И., Болотина В.В., Крылова А.Н. и др. При этом нельзя не отметить, что получение точных решений в большинстве случаев затруднительно.
С каждым днем все большую важность приобретают исследования по проблемам совершенствования конструкционной надежности эксплуатируемых сооружений. Именно поэтому огромное число исследований последние годы связывают с определением надежности строительных конструкций. Однако зачастую в них применяют вероятностные методы оценки предельных состояний. Основные работы по этому направлению проводились Болотиным В.В., Бондаренко В.М., Гвоздевым A.A., Ржаницыным А.Р., Гениевым Г.А., Ройтманом
A.Г.,;Миляковским O.E., Г. Аугусти, А. Баратта, и др. Исследованию работы соединений элементов металлических конструкций посвящены труды Трулля
B.А., Малышева В. И., а так же снижение расхода металла в металлических конструкциях путем исследования их действительной работы представлено
и , 1
Дюберком И. И., Липницким М.Е. Множество трудов по этой тематике можно найти и'уj профессора Белого Г. И. При нём получило значимое развитие научное направление, связанное с реконструкцией зданий и сооружений, оценкой технического состояния металлоконструкций, имеющих дефекты и повреждения: Механике систем с неудерживающими связями посвящены работы Журав-1 , лева В.Ф.; Иванова А.П., Маркеева А.П и некоторых других ученых [38, 39, 40,
| . 1 Ч \
48, 63]: Следует отметить, что эти ученые рассматривали механические системы абсолютно твердых тел или системы с конечными степенями свободы.
Рассмотрению устойчивости сложных стержневых конструкций в динамической постановке посвящены работы Андреева JT. П., Кукушкиной Е. П. [6] При этом | данный вопрос для анализа разрушения ЖБ стержневых систем при
■ > • I
запроектных воздействиях, а так же рассмотрение вида потери устойчивости представлены в публикациях Клюевой Н. В и Александрова Д. В [60, 2] »•.
• Численное моделирование в задачах надежности и устойчивости стержне-
I
вых систем при воздействиях в виде случайных процессов опубликовано в дис-
1*1 '| 2 |
сертации! Кезина А.| С. [441, так1 же в продолжение данной тематики подобные
«i . .•> I•
»
I * *
вопросы о критериях прогрессирующего разрушения стержневых МК рассматривались Кульковой В. М. и Беловым В. В. [47]. Кроме того в работах Игнатьева А. В. можно найти результаты исследований по определению спектра частот
1 |
собственных колебаний плоских стержневых систем рассчитанных с применением МКЭ [41].
Решение задач статики и динамики для неоднородных стержней с изменением жесткости и плотности вдоль оси, а так же с внезапным изменением их
структуры без учета демпфирующих характеристик материала, из которого из-
1
готовлена конструкция, представлено в работах Гордона В. А., Павловой Т. А. [59, 60]. Они исследуют простейшие системы, применяя имитационное моделирование - метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили-бы в действительности, с учетом заданного ряда допущений. При этом результаты определяются случайным характером процессов. По этим данным ими получена достаточно устойчивая статистика.
Значимый вклад в динамику стержневых систем, как раздел динамики сооружений, внесли труды Безухова Н.И., Болотина В.В., Крылова А.Н., Бернштейна С.А., Вайнберга Д.В., Синицына А.П. и других.
(|
Современные перспективные методы проектирования, а так же обеспечения безопасного использования существующих и проектируемых технических сис-
I
тем предполагают изначальное исследование применимости классических и разработку новых критериев разрушения элементов несущих конструкций в условиях нестационарного деформирования, исследование сценариев развития аварийных ситуаций, получение количественных оценок риска различных траекторий возможных сценариев [33].
Представленное дает понять, что при разработке новых и оптимальных конструкций зданий далеко не последнюю роль играет вопрос создания новых,
' и
наиболее приближенных к реалистичным моделей, и совершенствования существующих методик расчета, по которым производится проектирование сооружений. Однако для разработки концепции обеспечения безопасности функционирования строительных несущих конструкций необходимо проводить расчет
сооружений на статические воздействия с разработкой динамических моделей расчета конструкций, которые позволили бы описать переходные процессы при изменении внутренних или внешних связей. Эффект действия динамических нагрузок на строительные конструкции должен оцениваться на всех этапах их деформирования вплоть до разрушения. Более того, в силу указанного выше, нельзя не отметить необходимость проведения точного расчета, приближенного к реально возникающим колебаниям в системе при переходе в новое состояние. Это невозможно сделать без решения задачи с учетом демпфирования колебаний возникающих в конструкции после изменения ее структуры. Этим объясняется необходимость введения реального коэффициента демпфирования колебаний для материала, используемого при возведении строительных объектов, в расчеты, и последующего описания затухающего колебательного процесса. Таким образом, вопрос изучения поведения стержневых систем в результате внезапных изменении их структуры на должном уровне не нашел отражения в работах указанных выше авторов.
Таким образом, существуют противоречия: \
- между растущим спросом на использование стержневых конструкций в строительстве и отсутствием явного прогресса в предложении современных моделей,' реализующих повышение точности вычислений и упрощение производимых расчетов наряду с соблюдением требований по безопасности конструкции;
- между увеличивающимся количеством устаревших, ветхих сооружений с каркасом на основе стержневых элементов и возможностью выработки адекватных рекомендаций по их упрочнению или необходимости ликвидации;
- между большой вероятностью нарушения внутренних связей в конструкциях моделируемых стержнями и слабой изученностью этого вопроса в существующих расчетах строительных конструкций;
- между необходимостью учета изменения расчетной схемы конструкции при внезапном выключении связей, сценариев, по которым протекает процесс
■ | I
разрушения и слабой реализацией этого сценария в существующих на данном этапе математических моделях расчета конструкций из стержней.
- Київ+380960830922