Введение к работе
Актуальность проблемы
За последние десятилетия бурное развитие технологии производства новых видов материалов, аппаратов, машин и т.п. обусловило появление во многих областях техники различного рода сложных пространственных систем и в том числе конструкций зданий и сооружений.
Экологическая проблема существования человека на Земле ставит перед техникой все более сложные задачи по воплощению в жизнь смелых идей создания городов будущего в океанической зоне, арктическом поясе, включая космос. В этом смысле физическая модель надземного сооружения представляется в виде многоярусной системы, сочетающей в себе континууальные и дискретные образования, и по существу содержит признаки деформируемых сплошных сред. Процессы движения таких сред составляют целую проблему "приспособляемости" форм конструкций к деформациям, возникающим под воздействием физических факторов (температуры, динамических нагрузок и т.д.). Отсутствие "приспособляемости" системы к возникающим деформациям следует понимать как нарушение целостности элементов и их сочленений (стыков, швов и т.п.) при различных формах напряженного состояния.
Одним из существенных факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние сложных систем как взаимосвязанных сплошных сред, является температура. Накопленный статистический материал по изучению действительных температурных деформаций строительных объектов позволяет судить о значимости проблемы учета термомеханического процесса в строительных конструкциях при оценке их качества, прочности, трещиностойкости и т.п. Этой проблеме посвящены работы ряда институтов, написаны десятки статей. Однако потребность в более точном ее разрешении при различных природно-климатических условиях возведения объекта становится все более ощутимой. Но для описания полной картины процесса термодеформирования нерегулярных сред, в качестве которых могут быть представлены известные физические модели зданий, с применением известного классического механизма переноса тепла в сплошных телах, - уже недостаточно. Возникает необходимость разработки новых методик для определения функций распределения температуры в системе (моноструктуре) и термодеформирования объекта в
процессе его возведения, что позволило бы "следить" за сохранностью системы конструкций во времени. Пока еще не создана такая достаточно обоснованная математическая модель, адекватная жизни объекта во времени. Взамен предложены различные способы расчета конструкций на термовоздействие, но без учета реальных данных, связанных с "ростом" объекта и его физическим состоянием. В этой связи создание новых моделей для описания различных задач термопрочности строительных систем зданий при их возведении является актуальной проблемой.
Состояние вопроса исследования
Проблемы термоупругости строительных конструкций и материалов и термоупругопластических деформаций освещены в работах Н.Х.Арутюняна, С.Г.Гутмана, Б.Г.Коренева, С.Д.Клячко, Г.Н.Масло-ва, В.М.Майзеля, Н.И.Мусхелишвили, В.Новацкого, Ю.И.Няшина, А.А.Поздеева, В.П.Трусова, Г.Л.Хесина и др. В частности, методы расчета пространственных систем , включающих в себя трехмерные дискретные среды, и вопросы континууализации дискретных сред рассмотрены А.Ф.Смирновым, В.Я.Лащениковым, Н.И.Шапошниковым. Динамическая теория кристаллических решеток М.Борна использована И.А.Куниным, В.А.Ломакиным и другими при исследовании вопроса построения моделей упругих сплошных сред. В.Н.ионовым, П.М.Оги-баловым выполнены и обобщены решения пространственных задач механики твердого тела применительно к отдельным пространственным элементам конструкций (брусьям, пластинам, призмам, оболочкам), в том числе к условиям взаимодействия с физической средой.
Особенности термодеформаций и термонапряжений бетонных и железобетонных конструкций рассмотрены С.В.Александровым и В.М.Масловым. Диаграммы напряжений и деформаций в поле высоких температур получены А.А.Поздеевым, П.В.Трусовым, Ю.И.Няшиным методом МКЭ, где распределение температуры в конструкции моделировалось через температуру узлов конечного элемента. Исследованию температурных напряжений в реальных телах методом термоупругости посвящены работы Г.С.Варданяна, Е.М.Севостьянова, В.В.Долгополо-ва, Г.Л.Хесина, где обобщаются существующие методы исследования термоупругих напряжений в монолитных конструкциях с применением поляризационно-оптического метода. К настоящему времени накоплен огромный статистический материал по изучению действительных тем-
пературных деформаций строительных объектов, позволяющий судить о значимости проблемы моделирования термомеханического процесса деформирования строительных конструкций.
Здесь следует отметить натурные экспериментальные работы Центрального НИИ строительных конструкций, ЦНИИпроектстальконс-грукция (А.А.Емельянов, М.Г.Костюковский, л.М.Смилянский, А.И.Кикин, А.С.Никольский, Г.П.Кузьмичев и др.), экспериментальные и теоретические исследования НИИ бетона и железобетона, ЦНИ-Ипромзданий, ЛенЗНИИЭПа, Промстройпроекта (Москва), ПромстройНИ-Ипроекта (Н.В.Морозов, Г.В.Кащеев, В.И.Лепский, В.Н.Самойленко, Р.А.Еадалян, Б.Л.Абрамян и др.).
Исследования "приспособляемости" конструкций зданий и сооружений к гермодеформациям без повреждения соединений освещаются а публикациях В.А.Клевцова, И.И.Вестника, Д.Н.Пекус-Сахновского, А.И.Марченко, П.Д.Сухова, А.С.Никольского, Г.Л.Куэьмичева, П.И.Васильева и др. Методам расчета зданий на температурные воздействия посвящены десятки работ, составлены руководства и рекомендации. Многие исследования вошли в пособия по проектированию металлических, каменных и железобетонных конструкций как приложения к строительным нормам и правилам.
Упругий линейный расчет зданий на воздействие температуры реализован в работах А.А.Емельянова, В.А.Дворникова, И.Л.Забел-ло, А.Ф.Милованова, А.В.Нифонтова, И.К.Никитина, В.Н.Самойленко и многих других.
Пространственный расчет дискретных связевых систем с учетом податливости опорных конструкций рассмотрен автором для зданий с каменными стенами. В некоторых работах температурные нагрузки для плоских систем зданий приводятся к узловым силам рам (Н.А.Давыдова, В.П.Свердлов). В пространственных расчетах автором использована температурная функция плоского поля Фурье в интерпретации В.Новацкого с предварительной континууализацией дискретной каркасной системы. Схема реализации температурной задачи для крупнопанельного здания возможна методом приведения здания к многослойной плите, что также предлагалось автором. Особое место в расчетах строительных конструкций на термовоздействие занимают континууальные инженерные сооружения, к которым относятся бетонные и железобетонные массивы (плотины), фун-
даментные плиты, сплошные ростверки и т.п.
Разработана теория распределения температуры и теплообмена в телах (С.В.Александровский, А.В.Белов, Я.Б.Зельдович, П.И.Васильев, Б.Г.Коренев, Г.В.Колчин, В.М.Штейнберг и др.), используемые в исследованиях температурно-усадочных напряжений в сплошных массивных конструкциях. Применяются в основном математические модели процесса линейной теплопроводности с приведением решения к квазистатическим задачам (здесь сделано утверждение о медленности изменения температуры во времени). Модели нелинейных процессов теплопроводности в расчетах практически не применяются . Развитие аналитических методов расчета массивных бетонных конструкций с учетом нелинейного фактора при сложных режимах загружения на изменение температуры и влажности с учетом ползучести безусловно расширили возможности дальнейших исследований температурных напряжений в бетонных массивных конструкциях (С.В.Александровский, Г.Н.Маслов, И.А.Задоян и др.).
Распределению гермонапряжений в массивах, бетонных блоках, плитах, ростверках и т.п. в промышленности сборного и монолитного железобетона посвящено значительное количество работ (Н.X.Арутюнян, Б.Л.Абрамян, А.В.Белов, П.И.Васильев, Б.В.Кузнецов, В.А.Долгов, Л.И.Дятловицкий, Л.В.Рабинович, В.Г.Орехов и др.). Многие работы проверялись экспериментально методами фотоупругости, механическим моделированием (Г.Л.Хесин, Н.А.Стрель-чук, В.Н.Севостьянов, Г.С.Варданян, С.Д.Клячко, Н.И.Пригоровский и др.).
Зарубежный опыт исследований и методов расчета конструкций на воздействия температуры не так обширен, однако проблеме термодеформирования зданий и сооружений отведено значительное место (Fintel М., Rosman R., Pivovarski К., Rupper 3., Hunte Brook L., Yu-Yi-Yuan, Iesan D. и др.) В 1S77 году английским институтом железобетона разработано руководство по определению деформаций предварительно напряженных конструкций, в том числе рамных каркасов от усадки, ползучести и температуры ("Volume changes in precast prestressed concrete structures", в настоящее время третье издание).
Перечисленные выше и другие работы по исследованию стыковых соединений каркасов, в основном, проводились для традиционных
типов стыков ригеля с колонной. Как известно, стыки существующих каркасов обладают незначительной пластичностью, что исключает возможность использования полного резерва несущей способности конструкций каркаса за счет перераспределения усилий в системе в предельном состоянии. Разработка конструкций более пластичных стыков становится необходимостью. Попытка таких изысканий делается в настоящей диссертации.
Несмотря на обширный опыт исследований, проектирования и расчета зданий и сооружений на термовоздействия, законченной теории термодеформирования сложных систем зданий пока не создано. Потребность более точного решения пространственной термоупругой задачи с учетом осложняющих факторов при совершенствовании общей структуры строительного объекта в будущем - становится все более ощутимой. По нашему мнению, при создании новых моделей термодеформирования пространственных систем, позволяющих оценить их напряженное состояние, следует учитывать использование упрощенных математических моделей известных и хорошо изученных образцов, решения для которых найдены, а сходимости доказаны. Возникает необходимость создания новых достаточно доступных методик для определения функции распределения температуры в системе, как в сочлененной, упругопластической среде с учетом конфигурации объекта, с начала его возведения и до эксплуатационного периода. В связи с этим является необходимым решение задачи моделирования истории "эагружения" и построения возможных путей эволюции процесса термодеформирования объекта, когда процесс возведения любой строительной системы в условиях со значительными колебаниями температуры (например, наружного воздуха) должен быть управляемым. Это позволит обеспечить сохранность элементов системы конструкций во время возведения и последующей эксплуатации (например, трещиностойкость железобетонных конструкций). Известно, что решение нелинейных задач (упруго-пластических, пластических, вязко-упругих) при исследовании напряженно-деформированного состояния неоднородных сред со сложными соотношениями между напряжениями и деформациями (б^Е) сопряжено с большими трудностями. Поэтому подобные задачи решаются методами последовательных приближений и вариационным. К наиболее распространенным методам последовательных приближений относится метод упругих решений, общий
вариант которого разработан А.А.Ильюшиным, впоследствии усовершенствованный самим автором и другими (К.Ш.Бабамурадов, И.А.Бир-гер, А.С.Кравчук, Ю.Н.Шевченко, П.М.Огибалов, В.Н.Ионов и др.). Преимущество этого метода заключается в использовании упругих решений в каждом приближении.
Применение МКЭ для краевых задач упруготеплопроводимости и упругопластичности приведено в публикациях Л.Сегерлинда, О.С.Зенкевича и др.; А.А.Поздеевым, П.В.Трусовым, Ю.Н.Няшиным решена краевая задача теплопроводности для профиля в виде двух сопряженных пластин, где распределение температуры в системе моделировалось через температуру узлов конечного элемента.
Анализируя методы решения задач теории термоупругопластич-ности применительно к проблеме термодеформаций составных сложных систем, являющейся предметом исследований настоящей диссертационной работы, ближе всего можно подойти к построению обобщенной математической модели составной системы, используя решения краевой задачи для дифференциальных уравнений в частных производных с переменными коэффициентами. Можно пойти также по пути использования решений теории упругости неоднородных тел. Обобщение опыта построения общих решений основных уравнений для них, достаточно полно сделано в книге Г.Б.Колчина. Здесь, на наш взгляд, интерес представляет метод, иногда называемый методом аппроксимаций или расчленения, когда неоднородное тело рассматривается состоящим из отдельных слоев с постоянными механическими характеристиками . Построение интерполяционных решений теории упругости для многослойного тела с тонкими однородными слоями постоянной толщины, спаянными на границе контакта, приводится в работах В.В.Болотина, А.П.Синицына, Р.М.Раппопорт, А.Р.Ржаницына и др. Идея же о выборе однородной расчетной модели для многослойных континууальных тел (сред) с применением принципа "размазывания" - пока что остается неразрешенной. Главная причина здесь - значительные трудности учета внутренних краевых аффектов, что наблюдается также и в решениях краевых задач теории составных стержней методами строительной механики.
На основании проведенного анализа, касающегося проблемы совершенствования математических моделей и конструкций зданий и сооружений при температурных воздействиях, можно сделать следую-
щие обобщения.
1. Методам расчета систем зданий на температурные воздейс
твия посвящено большое количество работ, что свидетельствует об
актуальности данного направления исследований.
-
В существующих моделях для решения задач термодеформирования конструктивных систем зданий недостаточно учитывается влияние реальных усложняющих расчет факторов, как то: жестких включений (диафрагм, ядер и т.п.), неравномерного объемного распределения температуры в системе, дефектов (неоднородность) в соединениях, поэтому краевые условия определяющих уравнений термоупругости не являются полными.
-
Ощущается недостаток работ, посвященных исследованию распределения температуры в составных строительных системах, моделируемых сплошными подвижными средами при колебаниях температуры во времени и изменении объемов объекта при его возведении (наращивание), что ставит под сомнение достоверность полученных результатов инженерных расчетов при проектировании, так как история "загружения" (термовоздействия) сооружения остается неизвестной.
-
При проектировании зданий, моделируемых пространственными дискретно-континууальными системами, мало уделяется внимания исследованию пластичности сопряжений элементов и созданию новых типов стыков, обладающих повышенными упруго-пластическими свойствами. Тем самым упускаются возможности снижения величины напряжений в несущих конструкциях зданий, сооружений при перераспределении усилий в системах за счет образования пластических деформаций.
-
Не разработана вычислительная система регулирования процессов гермодеформирования реальных конструкций зданий при их возведении в условиях резкой сиены температур наружного воздуха, в результате чего возможно образование ранних необратимых деформаций в конструкциях (трещинообразование железобетона), сохранность которых в условиях эксплуатационного периода не будет гарантирована.
-
Не получили широкого освещения в отечественной и зарубежной литературе вопросы моделирования пространственных сложных систем реальных строительных объектов с использованием фундаментальных теорий механики деформируемого тела, открывающих новые
возможности совершенствования методов расчета несущих систем зданий и сооружений.
Основная цель работы заключается в следующем:
разработать и предложить обобщенные математические модели термоупругости составного тела с упругопластическими средами и дислокациями в области контакта элементов, которые фактически решили бы выбор расчетной модели многослойного многоярусного тела при действии нестационарного температурного поля, отражающей физическое видоизменение системы во времени (наращивание тел); позволили свести многослойную неоднородную среду к однородной и однослойной так, чтобы напряжения и деформации могли быть вычислены для каждого слоя (яруса) отдельно. Такие модели раскрывают большие возможности в решении термоупругих нелинейных динамических и квазистатических задач для сложных.составных систем (тел) с использованием накопленного обширного опыта решения температурных задач для сплошных однородных тел с различными граничными условиями на поверхности;
предложить упрощенные математические модели для составных систем, имеющих одинаковые физико-математические свойства в ярусах, при решении практических инженерных задач термоупругости для плоскопараллельных строительных многоярусных систем зданий и сооружений, что позволит учесть осложняющие расчет факторы (диафрагмы, ядра жесткости и т.п.), а также дефекты (неоднородность) в узлах сопряжений элементов в системе;
разработать новые типы стыков и систем многоярусных плоскопараллельных систем зданий с железобетонным каркасом, обладающих при сохранении необходимой прочности и устойчивости здания или сооружения повышенной податливостью за счет пластических свойств новых конструкций сопряжения для строительства каркасных многоэтажных зданий без температурно-усадочных швов;
разработать алгоритм расчетов на термовоздействия систем зданий и сооружений, позволяющий программировать на ЭВМ контроль качества строительных конструкций непосредственно при возведении объекта.
Научная новизна. Разработаны математические и обобщенная физическая модели многоярусных систем зданий с дислокациями в приведенных средах, которые аппроксимируются решениями новых
систем итерационных дифференциальных уравнений для нестационарного температурного поля с источником и позволяют прогнозировать изменение гермоупругости подвижных (наращиваемых) моноструктур, в результате чего процесс гермодеформирования становится управляемым во времени. Представляется возможным получать достоверную картину термодеформаций при возведении объекта без температур-но-усадочных швов с использованием предложенной в работе системы управления процессом на базе реальных данных с помощью ЭВМ.
Разработан способ решения пространственной задачи термодеформирования систем многоэтажных зданий различного типа (плитная аналогия, ТУМС) с учетом осложняющих расчет факторов (диафрагм, ядер жесткости и т.п.). который используется в качестве упругого решения краевой задачи в процедуре последовательных приближений, в результате удается упростить метод упругих решений, предложенный А.А.Ильюшиным. Данное упрощение этого метода позволяет значительно расширить область решения задач термоупругопластичности пространственных конструкций, многоярусных систем зданий и сооружений .
Предельное значение напряжений в моноструктуре предлагается определять расчетом М-образца (ОФМ) как составной системы с учетом пластических деформаций реальных элементов с упруго-пластическими связями. Прочность на сжатие-растяжение элементов в М-образце определяется обычным способом. Пластические свойства в Н-опытах М-образца (макросистемы) оцениваются функцией пластичности М-образца (Рм и материала элементов фв (для железобетонных конструкций). Разработан метод определения функций пластичности для бетона низкой, средней и повышенной прочности.
Разработаны конструкции упруго-пластических стыков железобетонных каркасов многоэтажных зданий, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения. Новые конструкции стыковых соединений ригеля с колонной позволяют возводить каркасные многоэтажные здания без температурно-усадочных швов и повысить трещи-ностойкость железобетонных элементов каркаса. Автор защищает:
- теоретические предпосылки и разработанные в диссертации математические и обобщенные физические модели многоярусных систем зданий и сооружений;
методы решения пространственных задач термодеформирования систем многоэтажных зданий различного типа с учетом осложняющих факторов, используемые в качестве упругого решения краевой упруго-пластической задачи как модификация метода упругих решений А.А.Ильюшина;
расчетные модели многоэтажных зданий в форме составных параллелепипедов и цилиндрических систем, с приведением их к упруго-пластическим средам с дислокациями в области контакта элементов ;
аналоговые модели решения внутренней контактной задачи для любого яруса многоярусной моносгруктуры с приведением решения к задаче теплопроводности Фурье на поверхности с нулевыми граничными условиями;
конструктивные предложения в области проектирования и строительства многоэтажных каркасных зданий без температур-но-усадочных швов и разработки новых типов эффективных стыков железобетонного каркаса для укрупненной сетки колонн промышленных и гражданских зданий;
методику определения функции пластичности бетона фв;
практический метод управления процессом термодеформирования конструкций многоярусных систем зданий при их возведении без температурно-усадочных швов с помощью ЭВМ;
результаты расчетов каркасных систем многоярусных зданий, выполненных по предлагаемым в диссертации методам на температурные воздействия;
способ оценки прочности континууальных и дискретных групп элементов систем зданий на воздействия температуры в зависимости от их сдвиговой жесткости и функции пластичности.
Практическая ценность:
- состоит в возможности использования разработанных алго
ритмов и программ расчета на ЭВМ многоярусных систем зданий раз
личного типа в нелинейной постановке на температурные воздейс
твия в практике проектирования и непосредственно на строительной
площадке - при управлении процессом термодеформирования во время
возведения объектов, что способствует улучшению качества монта
жа, повышению трещиностойкости и целесообразности армирования
железобетонных конструкций;
- разработаны новые эффективные конструкции стыков многоэ
тажных зданий с железобетонным каркасом, обеспечивающие возмож
ность строительства протяженных зданий без температурно-усадоч-
ных швов для укрупненной сетки колонн (6x9 м, 6x12 м, 9x9 м,
9x12 м). Разработки автора по стыковым соединениям защищены ав
торскими свидетельствами на изобретения N 829833 (СССР), N
945310 (СССР), с внедрением при реконструкции здания Новосибирс
кого театра оперы и балета в 1990 г. Работы выполнялись в соот
ветствии с координационными планами важнейших НИР: "Нефть и газ
Западной Сибири" (1980 г.), "Оптимальное проектирование каркас
ных зданий на температурные воздействия", разрабатываются норма
тивные региональные рекомендации (заказ НГАС.1.4.93) по расчету
многоэтажных зданий на температурные воздействия (1995 г.);
Результаты работы внедрены на объектах г.Новосибирска: холодильник N2 Новосибирского мясомолочного комбината; Новосибирский театр оперы и балета; завод "Сибэлектротяжмаш" (главный корпус) и др.
В методологическом отношении результаты работы используются в учебном процессе НГАС в качестве программ специального курса по железобетонным конструкциям для студентов строительного факультета.
Достоверность научных положений обоснована теоретически на основании научных представлений механики деформируемого твердого тела и полученных в работе теоретических результатов, численных решений на ЭВМ, проверенных на реальных реконструируемых объектах г.Новосибирска. Качественная картина НДС новых стыков проверялась экспериментально поляризационно-опгическим методом.
Апробация работы. Основные разделы диссертации докладывались на ряде совещаний научных семинаров, конференций, в том числе:
на Всесоюзном совещании "Проектирование и строительство сейсмостойких зданий и сооружений" (Фрунзе, 1971);
на Всесоюзном совещании "совершенствование методов расчета и конструирования зданий и сооружений, возводимых в сейсмических районах" (Кишинев, 1976);
на Всесоюзной дискуссии по строительству на прос-ых грунтах (Киев, 1978);
на V региональной семинаре по оптимальному проектированию и смежным вопросам Северо-Кавказского научного центра высшей школы (Туапсе, 1982);
на научных семинарах Института гидродинамики им.М.А.Лаврентьева СО РАН (Новосибирск, 1992);
на Второй Сибирской конференции по железобетону (Сибирский филиал Национального комитета <РИП, НГАС, 1992);
на 4-й и 5-й Сибирских (межрегиональных) конференциях по железобетону (Новосибирск, НГАС, 1994, 1995);
на научно-технических конференциях НГАС (НИСИ) в период с 1976 ПО 1995 ГГ.
Автор благодарен д.т.н. профессору И.А.Чаплинскому за полезные советы при написании работы по вопросам теории, также к.т.н. доцентам НГАС Г.Н.Албаут и В.Н.Барышникову в части проведения эксперимента по исследованию НДС новых стыков поляризаци-онно-оптическим методом.
Объем и структура работы. Работа содержит 542 страницы, включая введение, шесть глав, заключение, приложения на 133 страницах, 96 рисунков, 13 таблиц и 313 наименований литературы (с учетом приложений).