Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития методов расчета и проектирования железобетонных конструкций и оценки их надежности характеризуется внедрением и широким использованием программного компьютерного обеспечения, созданного на основе методов математического моделирования. Однако эти методы слабо увязываются с эмпирическими и частными подходами традиционных методов проектирования, что стало препятствием на пути их автоматизации.
Возникает необходимость представления моделей железобетона современными вычислительными методами в таком виде, чтобы с их помощью можно было оценить напряженно-деформированное состояние конструкции в процессе нагружения на различных стадиях: стартовой - в момент обжатия и предельной - в момент разрушения; упругой и пластической; с трещинами и без трещин. Это возможно только при использовании аппроксимирующих функций экспериментальных диаграмм деформирования материалов.
Приоритетным направлением в развитии современной науки является проблема уменьшения материалоемкости строительных конструкций заводского изготовления. Основной акцент при этом делается на оптимальное соотношение экономичности и безопасности конструкций при эксплуатации. Это требует существенного увеличения объема научных исследований в развитие теории надежности.
Наиболее экономичными и активно внедряемыми в практику строительства являются конструкции со смешанным армированием - балки и плиты покрытия, для которых не существует, на сегодняшний день, точных методов оценки напряженно-деформированного состояния и четко обоснованных критериев выбора классов совмещенной арматуры. Таким образом, моделирование напряженно-деформированного состояния конструкций со смешанным армированием и оценка их надежности являются востребованными и актуальными задачами.
Настоящая работа посвящена математическому моделированию напряженно-деформированного состояния конструкций со смешанным армированием с учетом физической нелинейности конструкционных материалов, с целью совершенствования методики их расчета.
Цель диссертации - разработка нелшийно-деформащюнной модели и реализация ее в программах для ЭВМ по анализу напряженного состояния и оценке начальной надежности конструкций со смешанным армированием для их рационального и надежного проектирования.
Поставленные задачи:
Разработать математическую модель и программу для ЭВМ по оценке напряженно-деформированного состояния конструкций со смешанным армированием на всех этапах кратковременного нагружения с учетом экспериментальных диаграмм деформирования материалов.
На основании сопоставления результатов численного и натурного экспериментов доказать адекватность разработанной математической нелинейно-деформационной модели.
С учетом накопленной статистической информации по изменчивости параметров технологического процесса разработать вероятностные модели на основе методов линеаризации функций и статистического моделирования и программы для ЭВМ по оценке начальной надежности исследуемых конструкций.
Выполнить численный анализ напряженно-деформированного состояния балок со смешанньш армированием и влияния на него ряда конструктивных параметров: коэффициента частичного преднапряжения, уровня начального напряжения напрягаемой арматуры, характера расположения совмещенного армирования по высоте сечения, различных классов ненапрягаемой арматуры.
Научная новизна:
Обоснована и разработана математическая модель и программа по оценке напряженно-деформированного состояния конструкций со смешанным армированием на основе нелинейно-деформационной модели, позволяющая учитывать совместное действие изгибающих моментов, продольных и поперечных усилий.
Получены результаты численного моделирования по разработанной программе (внутренние усилия, прогибы, ширина раскрытия трещин, деформации сдвига, нормальные напряжения и относительные продольные деформации в бетоне и арматуре), позволяющие объективно оценить напряженно-деформированное состояние конструкций со смешанным армированием во всех нормальных сечениях по длине элемента при кратковременном нагружении.
Разработаны вероятностные модели и программы по оценке начальной надежности конструкций со смешанным армированием, позволяющие выявить резервы снижения материалоемкости и возможность изменения отдельных технологических параметров по производственной необходимости.
Предложены рекомендации по назначению оптимальных конструктивных решений: количества ненапрягаемой арматуры, уровня начального преднапряжения, классов совмещенной арматуры и схемы армирования; по критериям пригодности конструкции к нормальной эксплуатации.
Практическая значимость работы. Программа по оценке напряженно-деформированного состояния конструкций со смешанным армированием на основе нелинейно-деформационной модели позволяет с высокой точностью оценить их несущую способность и деформации, реализовать экономичные решения с одновременным обеспечением требуемой прочности и жесткости;
Программы по оценке начальной надежности конструкций позволяют:
учитывать влияние изменчивости технологических факторов на эксплуатационную пригодность конструкций со смешанным армированием;
оперативно решать производственные задачи, связанные с необходимостью замены классов арматуры и бетона, величины предварительного напряжения;
осуществлять автоматизированный контроль качества готовой продукции на заводах железобетонных изделий.
Реализация результатов работы. Полученные в ходе выполнения работы результаты найдут практическое применение на заводах железобетонных конструкций, в том числе, на комбинате «Братскжелезобетон» для внедрения в сие-
тему автоматизированного контроля качества балок и плит покрытия со смешанным армированием.
Применение разработанных программ при проектировании конструкций со смешанным армированием позволяет получить конструкции с оптимальным армированием с точки зрения прочности, жесткости, экономичности и надежности, существенно сократить сроки проектирования по сравнению с существующими нормативными методами.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «БрГУ» для подготовки специалистов по направлению 270100 «Строительство» специальности 270102.65 «Промышленное и гражданское строительство».
Достоверность и обоснованность результатов, представленных в диссертации, обусловлена использованием теоретически обоснованных численных методов расчета строительных конструкций, сопротивления материалов, строительной механики и теории железобетона, подтверждается сопоставлением данных численного и натурного экспериментов и теоретическими исследованиями ряда других авторов.
Апробация работы.
Результаты работы были доложены и обсуждены на:
кафедре «Строительные конструкции» ГОУ ВПО «БрГУ», 2003 -2009гг.;
всероссийских научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири» г. Братск: БрГУ, 2004 -2009гг.;
межрегиональных научно-технических конференциях «Строительство: материалы, конструкции, технологии» Братск: ГОУ ВПО «БрГТУ», 2003 -2005гг.;
IV международной научно-практической конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» г. Тирасполь, 2005г.;
международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» г. Пенза, 2005г;
международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальноь; и дорожном комплексах», г. Брянск, 2009 г.
Публикации. По теме диссертации публиковано 9 работ и зарегистрировано 2 программы в Роспатенте (свидетельстве об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2005612294, №2005612300) по оценке напряженно-деформированного состояния конструкций со смешанным армированием и по оценке их надежности.
Работа выполнена на кафедре «Строительные конструкции» ГОУ ВПО «Братский государственный университет» 2003-2009 гг.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель напряженно-деформированного состояния конструкций со смешанным армированием с учетом совместного действия изгибающих моментов и поперечных сил и неупругих свойств конструкционных материалов.
Вероятностные модели на основе методов линеаризации функций и статистического моделирования оценки начальной надежности конструкций со смешанным армированием заводского изготовления.
Алгоритмы и программный комплекс по оценке напряженно-деформированного состояния конструкций со смешанным армированием на всех этапах кратковременного нагружения и оценки их надежности на стадии изготовления.
Результаты математического моделирования по оценке влияния на напряженно-деформированное состояние конструкций со смешанным армированием коэффициента частичного преднапряжения, уровня начального напряжения арматуры, характера размещения совмещенного армирования по высоте сечения. Рекомендации по выбору класса ненапрягаемой арматуры в зависимости от класса напрягаемой.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка из 132 наименований и содержит 175 страниц, 42 рисунка, 19 таблиц, 1 приложение.
