Введение к работе
Тенденция прогрессивного подхода к расчету зданий и сооружений состоит в имитационном моделировании их работы в целом с учетом взаимного влияния проектируемого объекта и его окружения. Базовым инженерным методом, реализованным в большинстве программным комплексах, является метод конечных элементов (МКЭ).
Т.к. МКЭ в большинстве задач получают приближенное решение, то повышение точности решения в напряжениях является одной из актуальных задач при использовании МКЭ при расчетах сооружений. Однако МКЭ для получения решений с приемлемой инженерной точностью требует рассматривать расчетные модели такой густоты сетки и столь высокой размерности, что получение качественного решения становится проблематичным даже на современных высокопроизводительных компьютерах.
В местах большой концентрации напряжений средний размер конечно-элементной сетки, принятый для расчетной модели в целом, не обеспечивает достоверности результатов. Во многих фрагментах расчетной модели каркаса здания необходимо существенного сгущать сетку конечных элементов.
Автоматическое сгущение конечно-элементной сетки для всей модели значительно увеличивает объем требуемой памяти и времени счета. Сгущение конечно-элементной сетки вручную в областях с особенностями достаточно трудоемкий процесс. Кроме того, априори, до выполнения поверочных расчетов, часто нельзя определить области сгущения. Поэтому в реальных инженерных расчетах часто пренебрегают корректировкой расчетных схем. В результате проектировщики получают заниженные значения внутренних усилий и, соответственно, искусственно уменьшенные значения расчетного армирования отдельных участков или конструкции в целом, что снижает надежность проектируемого объекта.
Изложенное выше обусловливает актуальность и важность направления исследования возможности применения современной информационной и
материальной научно-технической базы для повышения достоверности инженерных расчетов.
Объект исследования: пространственные железобетонные здания и сооружения, составляющие их конструктивные элементы.
Предмет исследования: точность определения внутренних усилий методом конечных элементов, методы повышения точности решения МКЭ.
Цель исследования. Разработать научно-обоснованный метод уточнения напряженно-деформированного состояния в отдельных конструктивных элементах при расчете задний и сооружений по комплексной пространственной схеме: «верхнее строение - фундамент - деформированное грунтовое основание».
Задачи исследования:
-
Выполнить анализ современных методов расчета и расчетных схем зданий и отдельных конструкций.
-
Провести численные исследования напряженно-деформированного состояния областей с особенностями при различной точности конечно-элементной сетки.
-
Разработать и исследовать метод уточнения результатов расчета в областях с особенностями на основе расчета сооружения в целом (метод кинематической декомпозиции).
-
На основе численных экспериментов подтвердить возможность использования предлагаемого метода кинематической декомпозиции для уточнения напряженно-деформированного состояния в отдельных конструкциях здания и их расчетного армирования.
-
Оценить эффективность использования метода кинематической декомпозиции.
-
Разработать алгоритмы и программное обеспечение для автоматизации использования метода кинематической декомпозиции в современных программных МКЭ - комплексах.
Научная новизна
1. По специальности 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и со
оружения»:
-
Обосновано применения метода кинематической декомпозиции для расчетов армирования отдельных конструктивных элементов на основе комплексного расчета здания.
-
С использованием разработанного метода решены задачи определения уточненного расчетного армирования для ряда реальных объектов (серийная унификация конструктивных элементов зданий серии «90», модифицированных для мало мобильных групп населения; уточнение армирования в каркасно-монолитных зданиях).
-
Разработаны алгоритмы и вспомогательные программные утилиты для автоматического применения метода кинематической декомпозиции в распространенных в практике проектирования МКЭ - комплексах.
-
Метод кинематической декомпозиции адаптирован к расчетам в физически нелинейной постановке в гипотезе предельного состояния, что позволяет использовать метод соответственно современным нормативным требованиям выполнения проектирования с учетом нелинейных свойств материала.
-
Метод адаптирован и применен к расчету несущей способности и армированию новых типов железобетонных свайных фундаментов с учетом нелинейной работы грунта основания.
2. По специальности 05.23.17 «Строительная механика»:
-
Для повышения точности определения внутренних усилий использован и обоснован метод кинематической декомпозиции.
-
Предложены и обоснованы гладкие сплайн - функции, для аппроксимации граничных кинематических условий на отдельных конструктивных элементах.
-
Предложены и рассмотрены разные варианты реализации метода, рекомендован наиболее оптимальный.
Для решения поставленных задач применены следующие методы исследований:
математического моделирования и оптимизации;
численные (в т.ч. - метод конечных элементов).
Исследования проведены с применением программных комплексов
«Ing+», «StarkES», «Лира», «ПОЛЮС».
Достоверность полученных результатов подтверждают:
-
Применение строгих методов механико-математических методов, базирующихся на фундаментальных законах механики при обосновании метода кинематической декомпозиции.
-
Применение в исследованиях лицензионных сертифицированных программных комплексов «big+», «StarkES», «Лира» «ПОЛЮС».
-
Значительное количество выполненных численных исследований, дающих при сравнении результатов совпадение точности решения.
Практическая значимость работы:
-
Исследован и рекомендован метод, позволяющий существенно уточнить результаты конструктивных расчетов в элементах конструкций зданий и сооружений.
-
Метод адаптирован к распространенным в практике проектирования программным комплексам, используемым при выполнении расчетов строительных конструкций на прочность, жесткость, устойчивость и выполнении конструктивных расчетов отдельных строительных элементов (Ing+, STARKES, Lira, SCAD).
-
Разработан программный МКЭ - комплекс, использующий метод кинематической декомпозиции для решения нелинейных задач моделирования работы конструкций.
-
Выполнен сравнительный анализ расчетного армирования железобетонных конструкций зданий и сооружений при учете различных диаграмм работы бетона (законы нелинейного деформирования материала) и следующих норм проектирования: СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобе-
тонные конструкции», СП 52.01.2003 «Бетонные и железобетонные конструкции», СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции» (актуализированная редакция СП 52.01.2003). Положения, выносимые на защиту:
1. Необходимость и обоснование применения метода кинематиче
ской декомпозиции для уточнения конструктивных решений при расчете
зданий и сооружений по единой пространственной схеме.
-
Анализ различных вариантов предлагаемого метода и сравнительный анализ точности решения по внутренним усилиям.
-
Уточненные конструктивные решения при типовом проектировании сборных зданий серии «90», адаптированных для мало мобильных групп населения.
-
Результат численного моделирования процесса нагружения винтовой сваи АКСИС при учете физической нелинейности материала.
-
Предлагаемые алгоритмы реализации метода кинематической декомпозиции и метода унификации расчетного армирования в отдельных конструктивных элементах серийного использования.
Апробация работы. Результаты исследования доложены на: пяти Международных научно-практических конференциях «Строительство» (Ростов-на-Дону, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.), «Седьмом всероссийском конкурсном отборе инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых РГУИТП» (Москва, 2012 г.), международной научно-практической конференции «Техника и технологии: роль в развитии современного общества» (Краснодар, 2013 г.).
Результаты исследований используются при проектировании зданий и сооружений в ОАО «Ростовгражданпроект», ООО «ЮгСтройПроект-2», внедрены в лекционном и практическом курсе, в дипломном проектировании, в научно-исследовательских работах студентов, магистров и аспирантов кафедр: «Техническая механика» и «Информационные системы в строительстве» Ростовского государственного строительного университета.
Публикации. Результаты исследования изложены в 16 публикациях: 3 в изданиях ВАК РФ, 2 патента на полезные модели, 11 статей в других изданиях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит 87 рисунков, 4 таблицы, 4 приложения. Список использованной литературы содержит 117 наименований, в том числе 10 иностранных.
