Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
В современной практике граждапского и промышленного строительства уже давно пояшшась тендешпш к строительству зда-пий большой протяженности и повышенном этажности. Фундаменты в плане всего здания являются болынеразмерньши и конструктивно могут быть одного или нескольких типов, что определяется структурой и физико-механическими характеристиками основания, характером распределения внешних сил. 73 целом, фундамент, оспование и здание образуют единую систему, глаппоЙ фугащией которой является равномерность осадок по всему периметру здания. Величина осадки в значительной мере определяется нелинейной деформируемостью груптоиою основания. Учет нелинейной деформируемости, сложной структуры грунтового основания и рассмотрение основания, фундамента и здания как единой системы позволяет значительно повысить точность расчетов на стадіш проектирования, обеспечивая экономический эффект до 1П% стоимости нулевого цикла. Строительные нормы и правила (СЛТиП) рекомепдуют учитывал, все указанные факторы, но не содержат соответствующей меіодикіі расчета. Методика СПиП основала на теории лилейной деформируемости грунтов. Существующее программное обеспечение по расчету основании фундаментов, используемое в проектных институтах РБ, полностью основано на методике СНиП. Поэтому актуально рассмотрение здания, фундамента в плане всего здания и нелинейно-деформируемого грунтового основатш сложной структуры как единой системы, обеспечивающей практически равномерную осадку здания и вкономичиость возводимых фундаментов. Это требует разработки новых алгоритмов и соответствующего программного обеспечения расчета оснований фундаментов мелкого заложешгя при максимальном учете структуры, фігшко-механичеекпх свойств и, прежде всего, нелинейной деформируемости грунтового основания.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Диссертация выполнена в соответствии с научным направлением кафедры вычислительной математики и программирования
Гомельского государственного университета іш.Ф.Скорюш при выполнении разделов республиканских и союзных тем: СНГ "Теоретическая разработка основ моделирования методом конечных элементов нелинейных реологических задач механики грунтов" (1986, ГР 81049669 ), СНГ "Разработать основные принципы расчетов основ алий фундаментов мелкого заложения как нелинейной реологической системы" (1987, ГР 81049669), ГБ 88-05 "Математическое моделирование напряжепно-деформнрованного состояния неравномерно сжимаемых нелинейно-деформируемых оснований отдельно стоящих фундаментов" (1989, ГР 01880041501), Х/Д 86-27 "Численное моделирование состояния линейно-деформируемых многослойных оснований ленточных и столбчатых фундаментов в выштампованном ложе при совместном действии вертикальных и горизонтальных нагрузок" (1987, ГР 01860074570), Х/Д 84-11 "Моделирование на ЭВМ работы іптампонабивньїх фундаментов с микросваями" (1985, ГР 01840020675), ГБ 90-01 "Математическое моделирование физико-технических систем" (1996, ГР 112).
Цель и задачи исследования.
Целью раооты является усовершенствование и развитие методов исследования сложных нелинейных систем грунтовых оснований и фундаментов мелкого заложения с использованием компьютерного моделирования на основе системного подхода.
Для достижения пели необходимо решить следующие задачи :
-
Анализ закономерностей нелинейного деформирования структурных элементов грунтовых, поименно-намывных и естественного залегания, осі.овапий сложных фундаментов мелкого заложения.
-
Разработка методики и алгоритмов расчета нелинейных де-(' ормаций грунтовых оснований сложных фундаментов мелкого заложения на основе системного подхода и модификаций методов конечных элементов, сунерэлементов и энергетической линеаризации.
3. Разработка для ПЭВМ программного обеспечения, ориен-
: лровашюго на пользователя-предметника и реализующего приве
денные выше методы для расчета сложных нелинейных систем
грунтовых оснований и фундаментов мелкого заложения при про
извольных нагрузках.
Научная новизна полученных результатов.
В диссертационной работе выполнены исследования по компьютерному моделированию нелинейных сложных систем оснований и фундаментов мелкого заложения, отличающиеся следующей новизной:
фундамент рассматривается не отдельными сечениями, а в плане всего здания как единая конструкция;
фундамент, основание и здание рассматриваются как единая пелипейная сложная и большая система;
разработанная на основе системного подхода методика позволяет проводить исследование взаимодействия фундаментов мелкого заложения со сложным нелинейно-деформируемым грунтовым основанием без значимых ограничений;
при оценке осадки фундамента учитывается взаимное влияние элементов конструкции фундамента;
— предложенная математическая модель функционирования
большой и сложной нелинейной системы "мелкозаглубленный фун
дамент — грунтовое осповапне" отражает достаточно полно струк
туру и свойства реальной модели;
— разработаппая методика конечноэлемеитпого и сунерэлемен-
тного моделирования нелинейных больших и сложных систем осно
ваний и фундаментов мелт.ого заложепия позволяет рассматривать
фундамент, основалие и здание как элемепты единой сложной сис
темы;
— ориентированные, на пользователя- предметника програм
мные комплексы копечноэлементного и суперэлемептного моде
лирования сложных нелинейных систем грунтового основания II
фундамента мелкого заложепия позволяют решать разнообразные
задачи по проектированию различного типа фундаментов;
— Методом вычислительного эксперимента показано:
а) устройство вырезов определенной топологии уменьшает ма
териалоемкость плиты до 40% при увеличении осадки до 5%;
б) подкрепление плиты микросваями увеличиЕ мвт несущую
способность ее до 30%;
в) минимизация крена может быть проведена па стадии проекти
рования путем устройства системы вырезов и (или) подкрепления
микросваями определенных участков.
Практическая значимость полученных результатов.
Разработанная методика и программные комплексы позволяют решать следующие задачи:
-
Оценивать экономическую эффективность фундаментов мелкого заложения;
-
Проектировать большеразмерные фундаменты оптимальной материалоемкости при допустимых по строительным нормам осадках;
-
Проектировать для любых грунтовых оснований фундаменты мелкого заложения с практически равномерной осадкой в плане всего здания;
-
Разработанное программное обеспечение ориентировано на пользователя и позволяет решать разнообразные задачи по проектированию различного типа онишальных фундаментов мелкого заложения на грунтовых основаниях произвольной структуры и свойств.
Основные теоретические результаты работы и ПО используются при изучении студентами математического факультета спецкурсов: "Математические методы САПР" и "Математігческое моделирование її численные методы".
Экономическая значимость полученных результатов.
Разработанные программные комплексы позволяют расчитать оптимальные любого типа фундаменты мелкого заложения.
Оптимальные варианты фундаментов на микросваях, рассчитанные по предлагаемой Методике с помощью разработанного программного обесгечешш, внедрены. Экономический эффект на одном здании составил 30000 рублей в ценах 1987 года.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Системно-ориентированная методика исследования взаимодействия фундамента мелкого заложения со сложным нелшіейяо-деформируемым грунтовым основанием.
2., Математическая модель функционирования большой и сложной нелішеїшоЙ системы "мелкозаглубленный фундамент — грунтовое основание".
3. Методика конечноэлементного и супералемеитного модели
рования больших и сложных нелинейных систем оснований и фун
даментов мелкого заложения.
-
Прогре. дмные комплексы конечноэлементного и суперэлементного моделирования сложных нелинейных систем грунтового основания и фундамента мелкого заложения.
-
Результаты вычислительного эксперимента на ПЭВМ по исследованию:
а) влияния сплошности большеразмерной плиты на ее осадку,
б) влияния подкрепления плиты микросваями на ее осадку;
я) причин возникновения крена сложного фундамента мелкого заложения и разработки методов его минимизации на стадии проектирования.
Личный вклад соискателя.
Все результаты работы, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно. В совместных публикациях представлены материалы- полученные автором при разработке методологии су-нерэлементного моделирования больших нелинейных систем, модификации численных методов решения моделей систем, разработке алгоритмов и их реализации на ПЭВМ.
Апробация результатов диссертации.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Второй Северо-Кавказской региональной конференции по функционально-дифференциальным уравнениям и их приложениям (Махачкала. І986 );
Республиканской конференции молодых ученых и специалистов "Применение информатики и Вычислительной техники при решении народнохозяйственных задач" ( Мййсн, І989 )j
Межреспубликанской научно-практической конференции творческой молодежи "Актуальные проблемы информатики: математическое, программное и информационное абеспечение" (Минск, 1990);
ВсесогозйоП научно-практической конференции "Вопросы экономики и организации информационных технологий" (Гомель, 1991);
Межреспубликанской научно-практической конференции творческой молодежи "Актуальные проблемы информатики: математическое, программное и информационное обеспечение" (Минск, 1992);
Международной научно-практической конференции "Информатика и рыночная экономика" (Гомель, 1993);
Международной математической конференции, посвященной 25-лстию Гомельского госуниверситета им.Ф.Скорины (Гомель, 1994);
Международной научной конференции "Проблемы математики и информатики" (Гомель, 1996);
V Межгосударственной научной конференции "Актуальные проблемы информатики: математическое, программное и информационное обеспечение" (Минск, 1996);
VII Белорусской Математической конференции (Минск, 1996).
Опубликованность результатов.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 17 работах: две статьи в сборниках научных трудов. Одни рекомендации, утвержденные Госстроем БССР. 14 тезисоА докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, основной характеристики работы, няти глав, выводов, списка используемых источников. Ее содержание Изложено па 100 страницах машинописного текста, содержит 16 рисунков, 19 таблиц, 3 приложения. Список используемых источников включает 74 наименования.