Математическое моделирование несущих систем многоэтажных зданий с учетом физической нелинейности конструкционных материалов

Математическое моделирование несущих систем многоэтажных зданий с учетом физической нелинейности конструкционных материалов

Автор: Кравчук, Максим Анатольевич

Шифр специальности: 05.13.18

Научная степень: Кандидатская

Год защиты: 2006

Место защиты: Братск

Количество страниц: 196 с. ил.

Артикул: 2976735

Автор: Кравчук, Максим Анатольевич

Стоимость: 250 руб.

Математическое моделирование несущих систем многоэтажных зданий с учетом физической нелинейности конструкционных материалов  Математическое моделирование несущих систем многоэтажных зданий с учетом физической нелинейности конструкционных материалов 

1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НЕСУЩИХ СИСТЕМ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ Обзор литературы.
1.1. Конструктивные системы многоэтажных зданий.
1.2. Математические модели и методы расчета зданий
повышенной этажности.
1.3. Определение напряженнодеформированного состояния
многоэтажных зданий при воздействии горизонтальной нагрузки.
1.4. Методы решения математических моделей несущих систем.
1.4.1. Методы решения дифференциальных уравнений для краевых задач
1.4.2. Вариационные методы решения краевых задач.
1.5. Исследования деформативности несущих конструкций
1.5.1. Деформации стержневых систем и стержневых элементов современных конструкций
1.5.2. Перераспределение усилий в статически неопределимых железобетонных конструкциях
1.5.3. Нелинейное деформирование конструкционных материалов.
1.6. Аварийные воздействия и их учет при обеспечении общей
безопасности многоэтажных зданий.
1.6.1. Явления прогрессирующего обрушения
1.6.2. Устойчивость крупнопанельных зданий при аварийных воздействиях.
1.7. Основные выводы по главе 1.
2. ДИСКРЕТНОКОНТИНУАЛЬНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ МНОГОЭТАЖНОГО ЗДАНИЯ
2.1. Математическая модель пространственной работы несущих
систем многоэтажных зданий.
2.2. Численное моделирование пространственной несущей
системы
2.3. Определение нормальных усилий методом прогонки.
2.4. Алгоритм программы по расчету несущих систем
многоэтажных зданий
2.5. Определение усилий в модели односвязной диафрагмы жесткости при действии вертикальной нагрузки линейноупругий расчет
2.6. Определение напряженнодеформированного состояния модели несущей системы многоэтажного здания 1 серии линейноупругий расчет.
2.7. Основные выводы по главе 2
3. ВЛИЯНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ В МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ДИСКРЕТНОКОНТИНУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ.
3.1. Деформативные характеристики элементов несущей системы многоэтажного здания.
3.1.1. Связи сдвига типа перемычек
3.1.2. Плотные связи сдвига.
3.1.3. Деформирование несущих вертикальных элементов столбов.
3.2. Алгоритм нелинейного деформирования конструкций
3.3. Исследования напряженнодеформированного состояния
односвязной диафрагмы жесткости
3.3.1. Определение усилий с учетом нелинейного деформирования перемычек.
3.3.2. Исследования односвязной диафрагмы жесткости при нелинейном деформировании столбов.
3.3.3. Нелинейное деформирование столбов и
перемычек.
3.4. Исследования напряженнодеформированного состояния
модели многоэтажного здания 1 серии нелинейная постановка
3.5. Основные выводы по главе 3.
4. ДЕФОРМИРОВАНИЕ НЕСУЩИХ СИСТЕМ С УЧЕТОМ ЛОКАЛЬНОГО ИЗМЕНЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ПО ДИСКРЕТНОКОНТИНУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ДКМ
4.1. Влияние локального изменения жесткостых характеристик
несущей системы на распределение усилий
4.1.1. Моделирование односвязной диафрагмы с локальным изменением жесткости линейноупругая постановка.
4.1.2. Нелинейное деформирование односвязной диафрагмы с переменной жесткостью по высоте
4.2. Деформирование конструкций при локальном изменении
ф жесткостных характеристик вследствие пожара.
4.3. Моделирование несущей системы многоэтажного здания 1 серии при локальном пожаре.
4.4. Основные выводы по главе 4.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
I
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в строительстве жилых, общественных и административных зданий отчтливо выявилась тенденция к росту этажности. Интенсивное увеличение строительства многоэтажных зданий вызвано дефицитом свободных земель при укрупнении административных центров городов, с одной стороны, и решением проблемы связанной с расселением и обеспечением граждан России доступным жильем, с другой. В отдельных случаях, при реконструкции действующих предприятий, увеличение этажности способствует расширению производства. Все это говорит о том, что строительство многоэтажных зданий и сооружений является определяющим направлением. Это направление содействует развитию и усовершенствованию организации строительного процесса существенно повышая скорость возведения несущих систем зданий, а также приводит к экономии денежных средств вследствие сокращения протяженности городских коммуникаций. Между тем рост этажности зданий и сооружений влечт за собой увеличение поэтажных нагрузок, что способствует повышению напряжений в несущих конструкциях и при этом появляется необходимость в достоверной оценке напряженнодеформированного состояния несущих конструкций для обеспечения требований безопасности эксплуатации многоэтажных зданий.
В силу ужесточения технических и технологических требований, предъявляемых к многоэтажным зданиям и сооружениям, ориентированных в первую очередь на безопасную эксплуатацию возникает потребность в разработке новых методов расчета несущих систем зданий, которые бы более точно отражали процесс распределения внутренних усилий в несущих конструкциях. При этом проведение прямых натурных экспериментов является весьма дорогостоящим мероприятием или оказывается небезопасным. Тогда как действующие строительные нормы и правила не выделяют общей методики расчета несущих систем многоэтажных зданий, а носят лишь рекомендательный характер, то в этом случае математическое моделирование служит важнейшей составляющей для развития методов расчета несущих конструкций многоэтажных зданий.
Необходимо отметить, что каждое многоэтажное здание представляет собой инженерную систему, в которой отличительными особенностями является собственно конструктивная схема здания, степень статической неопределимости, физикомеханические свойства материалов несущих конструкций, высота системы, количество вертикальных несущих элементов, количество многообразных связей, объединяющие вертикальные конструкции в единую пространственную систему. Исходя из этого, следует, что современные многоэтажные здания являются сложными пространственными системами, расчет которых вызывает необходимость в представлении реальных зданий и сооружений в виде идеализированных математических моделей.
Сущность методологии математического моделирования состоит в замене исследуемого объекта здания или сооружения его образом математической моделью и в дальнейшем изучении модели с помощью реализуемых на компьютерах вычислительнологических алгоритмов. Однако разнообразие моделей несущих систем многоэтажных зданий и различных методов определения усилий хоть и отражают единую концепцию распределения усилий в несущих конструкциях, но преимущество одного метода расчета над другим недостаточно обосновано. А если задачу усложнить, включением в математическую модель нелинейных диаграмм деформирования конструкционных материалов, то большинство методов определения усилий становятся несостоятельными в силу несовершенного математического аппарата. Кроме этого, влияние пластических деформаций на распределение усилий в несущих элементах многоэтажных зданий мало изучено, вследствие чего возникает необходимость в проведении исследований и в разработке новых математических моделей, позволяющих учитывать нелинейное деформирование конструкций.
Большинство существующих математических моделей несущих систем многоэтажных зданий и разработанные на их основе методы отражают линейноупругий характер работы материалов притом, что основные конструкционные материалы железобетон, камень и т.п. уже при небольших уровнях напряжений деформируются нелинейно. Следовательно, для достоверной оценки
напряженнодеформированного состояния многоэтажных зданий необходимо учитывать нелинейный характер деформирования несущих конструкций.
Проблемы обеспечения безопасности особенно обостряются в крупных городах, подверженных большому числу опасных воздействий природного, техногенного и террористического характера. Плотность городской застройки, сложность технических систем жизнеобеспечения, влекущая за собой более высокую вероятность их отказа и ущерба, й ряд других причин делают такие мегаполисы особенно уязвимыми. Так как за последнее время резко возросло число пожаров и взрывов бытового газа, которые вызывают значительные разрушения и приводят к большому количеству человеческих жертв, то при этом многоэтажные здания в значительной степени уязвимы и в меньшей степени защищены от воздействия техногенных аварий. В связи с ответственностью проектирования несущих систем многоэтажных зданий выявляется необходимость учитывать в математических моделях измененные физикомеханические свойства конструкций в зонах локальных аварий, для того чтобы спрогнозировать характер разрушений.
Хотя в новые нормы включили раздел, посвященный комплексному обеспечению безопасности зданий высотой от до 0 метров, где основное внимание уделено конструктивным особенностям многоэтажных зданий, однако попрежнему вопрос, связанный с оценкой напряженнодеформированного состояния, остается мало изученным. Поэтому, кроме конструктивных особенностей многоэтажных зданий таких как устройство технических огнезащитных этажей через каждые 7 этажей и систем противопожарной безопасности спринтсистем необходимо при проектировании учитывать резервный запас прочности на случаи чрезвычайных ситуаций.
Решение многих инженерных вопросов обеспечения безопасности невозможно без разработки обоснованных математических моделей сооружений. Выбор вида модели сооружения и вида модели воздействия взаимосвязаны. Для проведения уточненного анализа напряженнодеформированного состояния
многоэтажных зданий при чрезвычайных воздействиях необходимо учитывать реальные свойства материалов, жесткость системы и характер воздействия.
Обрушения жилых зданий в результате взрывов газа и терактов в городах России указывают на актуальность проблемы предотвращения прогрессирующего обрушения зданий при локальных разрушениях одного или нескольких несущих элементов в результате не предусмотренных проектом воздействий. Решение этой проблемы требует разработки математических моделей, учитывающих пространственное перераспределение усилий в несущей системе от разрушенных и ослабленных элементов. Однако в настоящее время математические модели строительных конструкций и их элементов не отличаются совершенством изза отсутствия в них критериев, учитывающих изменение деформативных свойств материалов. От решения этой проблемы зависит безопасность эксплуатации зданий и сооружений, здоровье и жизнь людей.
Актуальность


Основным представителем дискретной модели является метод конечных элементов МКЭ ,,,,,2,7,2,3, который впервые был применен в инженерных приложениях в начале х гг. ЭВМ. В континуальной модели , здание представляется в виде призматической оболочки, что удобно при расчете ядер жесткости и подобных конструкций. Наличие проемов и редко расположенных в плане здания диафрагм зафудняет использование этой модели. В дискретноконтинуальной модели ,,,,1 сосредоточенные связи заменяются связями, непрерывно распределенными по всей высоте здания. Такая схема приводит к замене системы алгебраических уравнений с множеством неизвестных на дифференциальные уравнения, число которых равно числу связей между вертикальными элементами столбами. Дискретноконтинуальные модели основываются на теории тонкостенных и составных стержней, основные положения которых были сформулированы в трудах А. Р. Ржаницына 9,0, В. З. Власова , ГЛО. Джанелидзе , Уманского 8 и других. Для каждого типа модели может существовать несколько методов расчета в зависимости от того, какая модель была принята за основу. Они отвечают за точность вычислений и полноту, описываемых свойств модели посредством математического аппарата. В развитие методов определения внуфенних усилий в математических моделях зданий повышенной этажности большой вклад внесла кафедра железобетонных конструкций МИСИ им. В.В. Куйбышева ,4. На основании экспериментальных исследований в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко были разработаны нормы проектирования зданий и введены в действие стандарты 4,7, включающие необходимые требования к расчету многоэтажных зданий, которые могут дополнять существующие математические модели. В работах Г. И. Гребешока, Пантелеева, и Е. В. Янькова , приводится методика оптимизации диафрагм связевых железобетонных каркасов для многоэтажных, сложных в плане зданий. Оптимизации моделей представляется в форме задач математического программирования. Варьирование параметров содержит две группы переменных коэффициентов армирования в уровнях этажей и координат центров жесткостей диафрагм в подобластях. Использование этой методики позволяет решить вопросы конструирования и расстановки диафрагм жесткости в плане, что приводит к оптимальным моделям несущих систем зданий. Применение этого способа позволяет унифицировать расчет математических моделей многоэтажных зданий. А унификация в свою очередь открывает возможность использования электронновычислительных машин при типовом проектировании. Современные каркасные здания повышенной этажности представляют собой комбинации плоских стержневых систем рам и дисков, составленных из пластинок панелей. Диски связывают плоские элементы здания в пространственную систему и служат одновременно диафрагмами, повышающими е жесткость. Решению задачи о распределении внешней нагрузки посвящено ряд работ 7,,,,,. В них зачастую принимается гипотеза о иедеформируемости горизонтальных дисков, образуемых плитами перекрытий, что существенно сокращает расчет. Э.Е. Сигалов 7 пренебрегает поперечными перемещениями рамной части здания от обжатия стоек каркаса, что может быть оправдано лишь для зданий небольшой этажности. В работах ,, П. Ф. Дроздов использует теорию составных стержней 0, учитывая поперечные перемещения. Тогда как В. К. Егупов , анализируя влияние жесткости перекрытий на распределение усилий между рамной частью и диафрагмами зданий, расчленяет пространственную систему на плоские элементы. Если же жесткость каркаса недостаточна, то для этих целей выполняют устройство дополнительных диафрагм или увеличивают сечения элементов рам. Такой способ формирования жесткости зданий наиболее обоснован и достаточно гибок. А общую устойчивость многоэтажных зданий обеспечивают менее нагруженные диафрагмы, связанные с рамной частью каркаса дисками перекрытий. Тогда как при проверке общей устойчивости удобнее пользоваться качественной теорией устойчивости сложных стержневых систем или приближенными приемами оценки устойчивости рам с учетом горизонтального смещения узлов. Устойчивость рамной части определяется устойчивостью наиболее нагруженной сжатоизогнутой стойкой в пределах этажа, которую легко отыскать в конструктивной схеме каркаса.

Рекомендуемые диссертации данного раздела

28.06.2016

+ 100 бесплатных диссертаций

Дорогие друзья, в раздел "Бесплатные диссертации" добавлено 100 новых диссертаций. Желаем новых научных ...

15.02.2015

Добавлено 41611 диссертаций РГБ

В каталог сайта http://new-disser.ru добавлено новые диссертации РГБ 2013-2014 года. Желаем новых научных ...


Все новости

Время генерации: 0.244, запросов: 244