Введение к работе
Актуальность темы. Исследование нагрузок и воздействий на здания и сооружения является одним из важных направлений исследований в области строительной механики. Важность исследований в этой области непосредственно связана с постановкой задачи архитектурно-строительного 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. Особую актуальность исследование сверхпроектных нагрузок приобретает в случаях сверхпроектного износа строительных конструкций ответственных строительных объектов, включая АЭС, большепролетные и высотные здания и сооружения.
В настоящее время в условиях интенсивного роста объемов и темпов строительства, а также развития строительного комплекса в целом в крупных городах и мегаполисах наблюдается процесс ужесточения требований к вместительности и функциональности объектов строительства, к эффективности использования ограниченного числа свободных земельных участков под застройку, что, как правило, ведет к увеличению этажности строительства, повышению нагрузок на фундаментные конструкции и грунты основания.
Согласно основным положениям монографии [] 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.
Феодосьев В.И. в монографии [] рассматривает различия между силовым и деформационным нагружением конструкции, в том числе два возможных способа создания в ней механических напряжений:
приложением некоторой нагрузки, вызывающей напряжение;
принудительным деформированием, создающим деформацию, которой соответствует такое же напряжение, как и в первом случае.
Поскольку различие между двумя способами создания напряжений существенно, автор [2] 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 автор [2] считает, что особое внимание должно быть уделено нагрузкам в виде перемещений узлов и опор плоских и пространственных стержневых систем.
Учитывая корректность подобной интерпретации закона Гука и ее эффективное применение при расчетах плоских и пространственных стержневых систем, можно утверждать, что развитие в системе типа «объект-основание» неучтенных современными методами расчета неравномерных деформаций основания может приводить к возникновению в строительных конструкциях больших сверхпроектных усилий и/или моментов, требующих специальных исследований и оценок.
На основании вышеизложенного, а также на основе комплексного анализа других рассмотренных источников научной литературы в области строительной механики, в рамках настоящей диссертационной работы 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.
Учитывая, что в последние годы наблюдается рост числа строительных аварий не только в связи со значительным износом несущих конструкций и коммуникаций ЖКХ, но также и объектов нового строительства, в том числе в связи с недооценкой при проектировании малоизученных микровибродинамических процессов формирования сверхпроектных нагрузок как на элементы несущих конструкций, так и в системе «объект-основание», в результате которых экономический ущерб в масштабах России исчисляется сотнями миллиардов рублей и существенно возрастает угроза здоровью и жизни населения, можно утверждать, что исследование и расчетная оценка путем моделирования дополнительных нагрузок на строительные конструкции в результате малоизученных деформационных проявлений микровибродинамических процессов в основаниях строительных объектов является одной из актуальных тем современной строительной механики и практики проектирования.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка расчетных моделей и алгоритмов для оценки сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции, формирующихся в результате многоциклового микровибродинамического взаимодействия строительных объектов и оснований и 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 в диапазоне частот более 0,1 Гц. Сопутствующей целью является своевременное (на стадии проекта или обследования) выявление и корректная интерпретация возможных последствий развития предаварийных и аварийных процессов в строительных конструкциях, связанных с формированием плавных отказов данного типа в системе «объект – основание» в виде сверхпроектных осадок, создающих требующие учета усилия и/или моменты в несущих конструкциях, и, как следствие, продление срока безопасной эксплуатации строительных объектов, повышение надежности и рентабельности эксплуатации зданий и сооружений.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
провести обзорно-аналитическое исследование новых и широко используемых в области механики твердого тела и строительной механики методов решения аналогичных задач;
на основе проведенного обзора выбрать и обосновать расчетную модель и метод расчета;
разработать обобщенную численную модель микровибродинамического нагружения упругой среды со слабым проявлением пластичности при микровибродинамических нагрузках;
провести расчетное моделирование распределения интенсивности микровибродинамических напряжений в основаниях при возбуждении волновых процессов в системе типа «объект – основание» для реальных строительных объектов и сравнить полученные результаты с результатами проведенных обследовательских работ;
сформулировать предложения о применимости разработанных моделей и алгоритмов в инженерных расчетах строительных конструкций и объектов, указать границы области применения, определить возможные пути дальнейшего развития метода.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработан, программно реализован и зарегистрирован в Роспатенте пакет алгоритмов для расчета распределения интенсивности полей микровибродинамических напряжений и деформаций продольного, сдвигового и релеевского модального состава в системах типа «объект – основание» для типовых схем и конфигураций площадки нагружения;
Разработаны численные модели для расчета параметров накопления остаточных деформаций под действием долговременных микровибродинамических нагрузок в диапазоне частот более 0,1 Гц, позволяющие на этапе проектного моделирования своевременно выявить и дать корректную оценку возможных предаварийных и аварийных процессов, связанных с формированием сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в системе типа «объект – основание». Входные данные являются универсальными, что дает возможность использовать разработанные модели в сочетании с различными методами расчета конструкций;
Выполнена разработка и отработка методов выявления на численных моделях реальных строительных объектов зон реализации аварийно опасных сверхпроектных деформационных нагрузок на конструкции строительных объектов, в том числе экологически опасных.
Разработаны типовые схемы расчетного моделирования взаимодействия строительных конструкций и оснований методом комплексирования элементарных источников микровибродинамических нагрузок, позволяющие формировать при моделировании адекватные реальным поля распределения интенсивности волновых напряжений и деформаций в основании, соответствующие излучению простых и сложных конструкций виброактивных фундаментов.
Методы исследования. В работе автор использовал:
материалы инструментальных и теоретических исследований, выполненных в 2000-2008 годах Научно-исследовательским институтом экспериментальной механики (НИИЭМ) ФГБОУ ВПО «МГСУ»;
методы аналитической геометрии для разработки алгоритмов трехмерной дискретизации модели упругой среды основания со слабым проявлением пластичности при микровибродинамических нагрузках;
прикладную динамическую теорию упругости, разработанную в рамках проектов Научно-инновационного сотрудничества Минобразования и Минатома России № 3.01-02 “Натурная верификация инструментальных методов аттестации параметров геодинамической безопасности АС”;
модальный и вибродозиметрический методы моделирования тонких и нелинейных микровибродинамических и деформационных процессов, разработанные в ФГБОУ ВПО «МГСУ» по заданию Минобразования РФ № 2.001.02Д;
результаты теоретических и экспериментальных исследований, опубликованные в научной литературе;
методы объектно-ориентированного программирования для расчета параметров микровибродинамического напряженно-деформированного состояния (НДС) в полупространстве упругих оснований со слабым проявлением пластичности.
Инженерные модельные исследования и расчеты по теме диссертационной работы проводились и финансировались в рамках проектов № 4.01-06 и №4.01-07 программ научно-инновационного сотрудничества Минатома, Минобороны, ФССС и Минобрнауки РФ, а также в рамках проекта №7185 Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2011 годы.
Достоверность работы обоснована сравнением и проверкой результатов, полученных при расчете систем «объект – основание» для реальных конкретных строительных объектов, с имеющимися данными их натурных инструментальных обследований и мониторинга.
Практическая значимость данного диссертационного исследования заключается в разработке инженерных информационных технологий для оценки сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции методом компьютерного моделирования распределения интенсивности полей микровибродинамических напряжений и деформаций, а также их остаточных деформационных проявлений в полупространстве упругих оснований со слабым проявлением пластичности, позволяющих на стадии проектирования или обследования принять меры повышения надежности и рентабельности, продления срока эксплуатации зданий и сооружений.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы применены при компьютерном моделировании зон формирования повышенных сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции в виде деформационных проявлений микровибродинамических процессов в основании машинного зала реакторно-турбинного цеха Нововоронежской атомной электростанции, далее АЭС, в рамках программы научно-технического сотрудничества Минатома и МГСУ, а также при исследовании по заказу собственника аварийно опасных деформационных процессов в строительных конструкциях сектора здания Дорогомиловского торгового центра в результате многоциклового действия микровибродинамических нагрузок в системе «объект-основание».
Личное участие автора в решении поставленных в данной диссертационной работе задач заключается в:
разработке расчетных численных моделей;
самостоятельной разработке и программной реализации алгоритмов расчетного моделирования;
разработке приемов инженерного применения современных информационных технологий при расчетном моделировании;
разработке способов выявления и отображения зон реализации аварийно опасных сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции в виде остаточных деформационных проявлений микровибродинамических волновых процессов в основаниях строительных объектов;
проведении расчета сверхпроектных деформационных нагрузок на несущие конструкции для реальных строительных объектов и сравнении полученных результатов с результатами проведенных обследовательских работ;
составлении выводов и рекомендаций по применению разработанных моделей, пакетов алгоритмов и программ в инженерных расчетах сверхпроектных нагрузок на несущие конструкции в виде остаточных деформационных проявлений долговременных микровибродинамических воздействий для расчетного моделирования реальных строительных объектов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на:
-
-
II Научно-технической конференции «Научно-инновационное сотрудничество Минобразования и ФССС РФ», Москва, МГСУ, 2003 г.
-
Межотраслевой научно-технической конференции по программе научно-технического сотрудничества Минатома и Минобразования РФ, Москва, МИФИ, 2003 и 2004 г.
-
Тематической научно-практической конференции «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан» в рамках Научно-технического конгресса по безопасности "Безопасность - основа устойчивого развития регионов и мегаполисов", Москва, МГСУ, 2005 г.
-
«Повышение безопасности зданий и сооружений в процессе строительства и эксплуатации», Москва, 2009 г.
-
11 Международной межвузовской научно-практической конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов, Москва, ВВЦ, 2009 г.
-
V Международной конференции "Предотвращение аварий зданий и сооружений" (ПАЗиС), Москва, ГК "Измайлово", 2010 г.
-
Научно-технической конференции в рамках отраслевой выставки «ЖКХ-2010», Москва, 2010 г.
На защиту выносятся
результаты исследования, численного моделирования и оценки сверхпроектных нагрузок на несущие конструкции в виде остаточных деформационных проявлений долговременных микровибродинамических воздействий в основаниях реальных строительных объектов;
расчетная схема микровибродинамического нагружения системы «объект – основание» и расчетная модель микровибродинамического взаимодействия объекта и основания;
сравнительный анализ результатов, полученных при расчете интенсивности полей формирования сверхпроектных нагрузок в виде остаточных деформационных проявлений микровибродинамических процессов в основаниях реальных строительных объектов, с данными инструментальных натурных обследований указанных объектов;
выводы и рекомендации по применению разработанных моделей, алгоритмов и методов расчета сверхпроектных нагрузок на несущие конструкции в виде остаточных деформационных проявлений долговременных микровибродинамических воздействий в основаниях строительных объектов.
Работа выполнена на кафедре Прикладной Механики и Математики факультета Промышленное и гражданское строительство (ПГС) Мытищинского филиала ФГБОУ ВПО «МГСУ», а также в Научно-исследовательском институте экспериментальной механики (НИИЭМ) МГСУ.
Публикации. По материалам диссертационной работы в 2003-2011 годах опубликовано 26 статей и докладов, 7 из которых опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК, получено 5 свидетельств о регистрации пакета программ проектного моделирования в Роспатенте.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение и изложена на 158 страницах машинописного текста, включая 108 рисунков и 3 таблицы. Список использованных источников насчитывает 103 наименования.
Похожие диссертации на Исследование микровибродинамических процессов формирования сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции
-
