Совершенствование вычислительной технологии оценки безопасности зданий и сооружений, несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций

• Автор: Поварницын, Дмитрий Анатольевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 168 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ И СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ИССЛЕДОВАНИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

1.1. Анализ проблемы безопасности строителы 1ых объектов

1.2. Анализ существующих подхолов к моделированию зданий и сооружений для исследования несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций

1.2.1. Моделирование геометрической формы объектов строительства .

1.2.2. Моделирование механических свойств строительных материалов

1.3. Обзор методов расчта несущей способности строительных конструкций

1.3.1. Роль численных методов в расчетах зданий и сооружений

1.3.2. Основные математические соотношения метода конечных элементов

1.4. Обзор основных программных комплексов для проектирования и анализа строительных объектов
1.4.1. Специализированные и универсальные программные комплексы для расчета строительных объектов
1.4.2. Обоснование выбора программного комплекса для исследования деформирования и разрушения строительных объектов
1.5. Обоснование состава и структуры частных задач исслсдовапия ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
2.1. Описание вычислительных алгоритмов и принципа работы программы
2.1.1. Термины и определения, принятые в программе .
2.1.2. Интерфейс пользователя.
2.1.3. Область применения и ограничения программы.
2.1.4. Этапы работы с программой .
2.1.5. Алгоритм создания программного кода модели здания или сооружения
2.1.6. Описание алгоритма учта разброса механических свойств материалов строительных конструкций.
2.1.7. Экспорт графических данных.
2.2. Алгоритм действий пользователя при работе с программой ил ПРИМЕРЕ расчта строительного объекта посредством ПК
2.2.1. Основные инструменты и настройки.
2.2.2. Реализация алгоритма создания геометрической модели здания
2.2.3. Создание и редактирование программного кода на языке параметрического проектирования
2.2.4. Анализ эффективности использования программы А В
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.
ГЛАВА 3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЧИСЛЕННЫХ И НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
3.1. Анализ причин появления макроразрушепий в строительных конструкциях зданий.
3.2. Математические модели механического поведения упругохрупких материалов, учитывающие структурное разрушение
3.3. Проведение натурных и численных экспериментов для построения
ПОЛНОЙ ДИАГРАММЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ
3.4. Натурный и вычислительный эксперимент деформирования и РАЗРУШЕНИЯ КИРПИЧНОЙ СТЕНЫ ПРИ ИЗГИБЕ
3.4.1. Результаты натурного эксперимента изгиба кирпичной стены.
3.4.2. Вычислительные эксперименты и ананиз процесса деформирования и разрушения кирпичной стены при изгибе
3.4.3. Определение резерва несущей способности конструкции
3.4.4. Сравнение результатов численного решения с результатами натурных экспериментов.
3.4.5. Исследование влияния вида кладки на процесс деформирования и разрушения кирпичной стены.
3.5. Исследование влияния разброса свойств раствора на процесс
РАЗРУШЕНИЯ КИРПИЧНОЙ ДИАФРАГМЫ.1
3.6. Сравнительный анализ применения разных программных КОМПЛЕКСОВ для расчета строительных конструкций и сооружений. 0 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, ПОВРЕЖДЕННОСТИ И РЕЗЕРВОВ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РЕАЛЬНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ.
4.1. Моделирование пятиэтажного здания и внешнего воздействия в
ВИДЕ ОСАДОК ГРУНТА.
4.2. Моделирование пространственной системы зданиефундамептоснование с помощью программы И ИССЛЕДОВАНИЕ практической сходимости численного решения.
4.3. Исследование процесса деформирования и разрушения жилого пятиэтажного кирпичного здания.
4.4. Моделирование сооружений с трещинами
4.4.1. Моделирование трещин в отдельном кирпиче.
4.4.2. Моделирование здания с трещинами с целью прогнозирования его дальнейшего поведения при реконструкции.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
На современном этапе в строительном проектировании происходит переход от основополагающего критерия несущей способности конструкций к критерию безопасности строительных объектов для людей и окружающей среды на протяжении всего срока службы. Обеспечение безаварийной эксплуатации существующих зданий и сооружений предполагает умение прогнозировать их поведение при изменении условий эксплуатации и в аварийных ситуациях при частичной потере несущей способности, а для этого требуются высокопроизводительные вычислительные комплексы.
В проектных организациях строительного профиля, как правило, используются сертифицированные Госстроем РФ программные комплексы ПК I, , i и др., которые, в основном, предназначены для проектирования новых зданий и сооружений, а не для анализа поведения существующих объектов с дефектами и трещинами при изменении условий их эксплуатации.
Сложность моделирования строительных объектов для выполнения качественного расчета и анализа с целью определения резервов несущей способности при наличии дефектов, или для выявления участков конструкции, в которых возможно появление и развитие трещин, требует работы с так называемыми тяжлыми расчтными системами, примером которых является программный комплекс один из самых мощных современных программных продуктов, позволяющих выполнять полноценный анатиз проектных разработок новых и реконструируемых зданий. позволяет проводить сложные нелинейные расчты, учитывать все особенности строительных конструкций, в том числе, наличие и развитие системы трещин или ухудшение свойств материалов, взаимодействие здания с грунтовым массивом, влияние времени и поэтапное изменение внешних нагрузок. Это дат возможность специалисту получать наиболее достоверные результаты расчта при проведении вЕлчислительных
экспериментов, существенно сокращая сроки и финансовые потери на производство работ.
Процесс моделирования здания или сооружения в интерактивном режиме в расчтных системах, в том числе и в является достаточно
трудомким и сложным, ввиду отсутствия специализированных инструментов и ограниченного набора примитивов и операций, с помощью которых можно формировать модели зданий. Кроме того, требуются большие затраты времени и ресурсы для подготовки специалиста, умеющего работать в ПК АЫЗУБ.
Проблема снижения трудомкости работ при проведении вычислительных экспериментов становится весьма актуальной при расчтах сложных строительных объектов. Это побуждает совершенствовать вычислительную технологию и искать новые алгоритмы расчта зданий и сооружений. Определению путей решения этой проблемы посвящена данная диссертационная работа.
Актуальность


Проблемы площадей решаются за счет встраивания в тесную городскую застройку новых зданий, реконструкции и модернизации существующих зданий, устройством дополнительных этажей и мансард, и строительством на территориях, ранее считавшихся непригодными. Все это вызывает дополнительные нагрузки на существующие объекты, и угрожают их безопасности. Здания эти находятся на территориях с уже развитой жилищной инфраструктурой на престижных землях и очень привлекательны с экономической точки зрения для муниципальных властей и инвесторов. Исследование влияния вновь строящихся зданий на уже существующие строения традиционно проводится по рекомендациям СНиП, чаще всего в линейной постановке по упрощенным инженерным методикам. Вопросы безопасности также остро стоят и но отношению к жилому фонду. Центры Российских городов застроены, как правило, трехпяти этажными зданиями. Опасение за несущую способность строительных конструкций зданий, социальная напряженность, вызывают необходимость принимать меры по ремонту, усилению и реконструкции жилого фонда. Проанализировав результаты обследований учеными Пермского государственного университета множества кирпичных зданий, построенных в х годах в г. Перми, находящихся в предаварийном и аварийном состоянии, в которых трещины имеются на всех стенах продольных и поперечных, основание неоднородно, как по глубине, так и по длине и ширине здания, свойства грунтов изменились за период эксплуатации, мы пришли к заключению, что требуется более точное моделирование геометрии и свойств материалов для заключения о возможности дальнейшей эксплуатации каждого дома в отдельности. Строительные конструкции многих промышленных зданий, вследствие длительного периода отсутствия финансирования капитального и текущего ремонта или полной остановки производства подвергались неблагоприятным воздействиям внешних факторов увлажнению, замерзанию и оттаиванию, нагреву и охлаждению. При периодическом воздействии дождевых, талых и техногенных вод и промерзании фунтов изменяются свойства грунтов основания, что приводит к большим неравномерным деформациям фундаментов и наземных частей зданий и сооружений. Конструкции, не рассчитанные на такие воздействия, получают различные повреждения и требуют принятия решения по восстановлению. Следует отметить, что в настоящее время отсутствуют единые государственные нормы проектирования усилений строительных конструкций зданий и сооружений, что связано с несовершенством существующих методов расчета поврежденных конструкций, испытывающих сложное напряженное состояние. Проблема безопасности до недавнего времени не фиксировалась в нормативных документах по проектированию и строительству зданий и сооружений. Некоторые ее аспекты рассматривались в комплексах стандартов, таких как Система стандартов безопасности труда и Охрана природы, однако это практически не связывалось со строительным обеспечением безопасности. Для жилых зданий впервые это было сделано в компендиуме ЕЭК , но в общей форме такой вопрос пока не решен и предстоит большая работа по созданию и переработке целого ряда норм и стандартов. В связи с этим, исследуя проблему безопасности зданий и сооружений, нам представляется целесообразным рассматривать три аспекта этой проблемы прочность устойчивость, надежность и живучесть исследуемых объектов. Исследование прочности сооружения заключается в определении напряжннодеформированного состояния НДС несущих конструкций, оценке запаса прочности при использовании соответствующих критериев или теорий прочности. При этом решаются краевые задачи, для которых существенное значение имеет построение расчетной модели объекта исследования и математической модели поведения материалов. Точное решение краевых задач удается получить лишь для немногих частных случаев. Проблема надежности сооружения многопланова и может быть рассмотрена лишь в конкретных заданных условиях эксплуатации. В общетехническом стандарте надежность определяется как сложное свойство системы и ее элементов выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени.