Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе в строительном проектировании происходит переход от основополагающего критерия несущей способности конструкций к критерию безопасности зданий и сооружений, что помимо прочностного анализа и оценки надежности предполагает прогнозирование поведения строительного объекта в аварийных ситуациях при частичной потере несущей способности. Связано это с участившимися авариями строительных объектов, вызванными чаще всего непроектными воздействиями.
Современные здания (сооружения) - это сложные многоэлементные системы, обладающие неоднородной структурой с различными прочностными и деформационными характеристиками элементов конструкций, включающие в себя кроме самого здания, также и подземную часть, которые по отношению к зданию являются нагружающими системами и оказывают существенное воздействие на процесс разрушения. Для выявления качественных закономерностей и построения количественных зависимостей процессов деформирования и разрушения строительных объектов наиболее целесообразным, а во многих случаях единственно возможным способом является математическое моделирование. При этом необходим учет реальной геометрической формы сооружения в рамках единой модели с фундаментом и основанием, неоднородности и нелинейного поведения строительных материалов и различных комбинаций граничных условий при решении краевых задач. Это становится возможным при использовании современных численных методов и программных комплексов, реализующих их на ЭВМ.
В настоящее время система <сздание-фундамент-основание» (ЗФО) и другие конструктивные элементы сооружения чаще всего рассматриваются отдельно друг от друга с использованием разных расчётных схем без учета взаимного влияния и определения границ применимости таких расчетных моделей. Методы решения комплексной задачи совместного расчета здания, фундамента и деформируемого фунтового основания разработаны в меньшей степени, хотя в настоящее время некоторые исследователи уже обращаются к методам численного моделирования сооружений с использованием ЭВМ, выделяя те или иные аспекты в своих исследованиях. Обычно это расчеты, связанные с определением напряженно-деформированного состояния (НДС) сооружений без учета накопления структурных повреждений в конструкциях здания. Некоторые авторы офаничиваются рассмотрением плоских моделей, чаще всего в линейной постановке, или нелинейность поведения материалов учитывается при моделировании свойств фунтового основания.
Актуальность настоящего диссертационного исследования вытекает из сложившегося противоречия между необходимостью прогнозирования поведения зданий и сооружений при изменении условий эксплуатации с обеспечением их безопасности и отсутствием теоретических исследований процессов деформирования существующих сооружений с развивающимися трещинами или дефектами. Преодолению данного противоречия и посвящено представленное диссертационное исследование.
Целью работы является создание научно-обоснованных математических моделей и алгоритмов для исследования процессов деформирования и разру-
шения системы ЗФО и определения резервов ее несущей способности при накоплении структурных повреждений, что будет способствовать решению проблемы безопасности встраивания новых зданий и сооружений в существующую тесную городскую застройку.
Для достижения цели требуется решить следующие задачи:
разработать базовую математическую модель пространственной системы ЗФО для исследования НДС элементов конструкций при различных внешних воздействиях; предложить методику построения конечно-элементной модели системы ЗФО; разработать универсальную программу для построения и расчета типовых зданий для использования ее при проектировании новых и реконструкции существующих объектов строительства;
создать математическую модель механического поведения кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния, учитывающую структурные разрушения и деформационное разупрочнение для анализа процессов деформирования и разрушения несущих стен кирпичных зданий;
разработать методику численного прогнозирования эффективных деформационных и прочностных характеристик структурно-неоднородного материала кирпичной кладки с проведением численных экспериментов по исследованию ее процесса разрушения для получения полной диаграммы деформирования упруго-хрупкого материала кирпичной кладки;
провести вычислительные эксперименты по определению границ применимости некоторых упрощенных расчетных моделей системы ЗФО, используемых в инженерной практике; разработать комплекс проблемно-ориентированных программ для оценки НДС элементов строительных конструкций; выполнить исследование и верификацию алгоритмов решения задач и программного обеспечения;
определить научно-методических основы и реализовать на практике вычислительные технологии оценки решений, обеспечивающие безопасность зданий и сооружений в условиях возникновения воздействий, не предусмотренных первоначальным проектом.
Объектом исследования является математическое моделирование процессов деформирования и разрушения системы ЗФО.
Предметом исследования являются математические модели и их численные аналоги процессов деформирования и разрушения сооружений, а также разработка методик оценки их несущей способности и безопасности под влиянием непроектных внешних воздействий.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
В диссертационной работе в качестве основного теоретического аппарата исследований выбран метод конечных элементов (МКЭ), а инструментом для его реализации - программный комплекс ANSYS, имеющий встроенный язык параметрического программирования APDL, с помощью которого реализованы разработанные алгоритмы.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена сопоставительным анализом разработанных и существующих математических моделей и методов, а также итогами проведения вычислительного эксперимента.
Основу методологической и теоретической базы исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области математического моделирования (СП. Курдюмов, Г.Г. Малинецкий, А.А. Самарский, П.В. Трусов, Дж. Эндрюс, Р. Мак-Лоун и др.), механики деформируемого твердого тела (И.А. Биргер, В.Г. Зубчанинов, А.А. Ильюшин, Л.М. Качанов, А.С. Кравчук, А.И. Лурье, В.А. Ломакин, Н.Н. Малинин, В.В. Новожилов, Б.Е. Победря, Л.И. Седов и др.), численных методов (О. Зенкевич, Г.И. Марчук, Дж. Оден, Б.Е. Победря, Л. Розин, А. Сегерлинд, Г. Стренг, Ф. Сьярле, Дж. Фикс, Р.В. Хемминг и др.), механики разрушения материалов (В.Э. Вильдеман, Ю.В. Соколкин, А.А. Ташкинов, Я.Б. Фридман и др.), методов расчета строительных конструкций (СМ. Алейников, В.И. Андреев, А.Н. Бамбура, В.А. Барвашов, В.Г. Федоровский, Л.А. Бартоломей, О.Я. Берг, В.В. Болотин, Н.М. Герсеванов, М.И. Горбунов-Пассадов, Т.А. Маликова, Л.И. Онищик, А.В. Перельмутер, В.И. Сливкер, В.И. Соломин).
На защиту выносятся результаты системного анализа по разработке подходов, методик, алгоритмов и программных средств моделирования процессов деформирования и разрушения строительных сооружений при исследовании их безопасности, в том числе:
обоснованная постановка задачи математического моделирования пространственной системы ЗФО для исследования НДС элементов конструкций при различных внешних воздействиях, определяющих соотношениях и граничных условиях;
математическая модель нелинейного механического поведения кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния, учитывающая процессы накопления упруго-хрупких повреждений и закригического деформирования;
методика и результаты численного исследования свойств ортотропного материала кирпичной кладки;
теоретические исследования прочности несущих стен кирпичных зданий с учетом структурного разрушения и деформационного разупрочнения материалов и свойств нагружающих систем;
обоснованные рекомендации границ применимости упрощенных расчетных моделей; алгоритмы и программы для решения упрощенных задач оценки НДС элементов строительных конструкций;
результаты внедрения разработанных математических моделей и вычислительных технологий в процесс проектирования и реконструкции реальных строительных объектов; алгоритмы и программы пошагового конечно-элементного анализа сооружений и конструкций.
Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученных лично автором, заключается в следующем:
развиты системные подходы к созданию математического и программного обеспечения для исследования процессов деформирования и разрушения существующих зданий с развивающимися трещинами и дефектами при воздействиях, не предусмотренных при проектировании этих объектов;
создана обобщающая математическая модель механического поведения упруго-хрупкого материала кирпичной кладки в условиях сложного НДС с учетом процессов структурного разрушения и деформационного разупрочнения материала;
- разработана оригинальная методика прогнозирования эффективных
свойств кирпичной кладки в зависимости от свойств компонентов (кирпича, раствора, армирующих металлических сеток);
получена новая информация о взаимодействии элементов системы ЗФО, позволяющая наиболее рационально выбирать расчетные схемы в зависимости от поставленной цели при анализе несущей способности строительного объекта или прогнозировании его поведения при изменении внешних воздействий;
проведены исследование и научное обоснование границ применимости некоторых упрощенных расчетных моделей, традиционно используемых в проектировании строительных объектов;
предложены методики применения вычислительных технологий оценки решений, обеспечивающих безопасность зданий и сооружений при реконструкции существующих зданий или встраивании в существующую застройку новых зданий с учетом изменений свойств фунтового основания.
Практическая значимость работы определяется получением ряда методик системного анализа и алгоритмов решения поставленных задач, реализованных в виде компьютерных программ для проведения вычислительных экспериментов, которые могут быть использованы в проектных организациях, занимающихся как проектированием, так и реконструкцией зданий и сооружений.
Применение методов математического моделирования с использованием ЭВМ позволило решать нестандартные задачи, возникающие при проектировании, реконструкции в условиях плотной окружающей застройки, снижать сроки строительства и повышать эффективность принятия проектных решений.
Результаты исследований могут использоваться в учебном процессе образовательных учреждений при изучении дисциплин, например, «САПР в строительстве», «Промышленное и гражданское строительство» и «Производство строительных конструкций».
Реализация работы в производственных условиях. Методики теоретического исследования поведения зданий и сооружений на деформируемом грунтовом основании, а также программные продукты на их основе реализованы в виде проектных решений конкретных строительных объектов и переданы в ГУЛ «Проектный и конструкторский институт «Башкирский промстройпро-ект» для практического использования.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на: Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001); XXX юбилейной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Пермского государственного технического университета (Пермь, 2003); Международных научно-технических конференциях «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2003-2004); VI Международном конгрессе по математическому моделированию (Нижний Новогород, 2004); Международной конференции «Компьютерное моделирование» (Санкт-Петербург, 2003-2004); Международных симпозиумах «Надежность и качество» (Пенза, 2005-2007); 33-й и 35-й Международных конференциях «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2006 и 2008); б"1 international conference «Vibrc-engineering 2006» (Каунас, Литва, 2006); 34-й и 36-й Международных конференциях «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе»
(Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2007 и 2009); 9-й Всероссийской научной конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, 2008).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 14 научных работах общим объемом 3,9 п.л., авторский вклад составил 2,9 п.л. Автор имеет 5 научных трудов в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертаций.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения с актом о внедрении и использовании результатов работы, изложенные на 169 стр. машинописного текста. В работу включены 129 рис., 21 табл. и список литературы из 179 наименований.
