Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Диссертационная работа:

Кашеварова Галина Геннадьевна. Математические модели деформирования и разрушения системы "здание-фундамент-основание" и вычислительные технологии оценки безопасных проектных решений : диссертация ... доктора технических наук : 05.13.18, 01.02.06. - Пермь, 2005. - 282 с. : ил. РГБ ОД,

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1, АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ И СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СИСТЕМЫ «ЗДАНИЕ- ФУНДАМЕНТ-ОСНОВАНИЕ» 20

1.1. Анализ проблемы безопасности строительных объектов 20

1.2. Основные причины и формы деформирования и разрушения многоэтажных зданий 25

1.3. Обоснование системного подхода к моделированию строительного объекта З1 1.4« Анализ существующих моделей расчета здания совместно с фундаментом и основанием 34

1.5. Аналитический обзор математических моделей описания механических свойств и критериев разрушения материалов системы «здание-фундамент- основание» 38

1.5J. Кирпичная кладка 42

1.5.2, Бетон и железобетон 50

L5.3. Грунты 54

1.6. Обоснование выбора метода прочностного анализа зданий и сооружений и программного комплекса для его реализации 64

1.7. Обоснование состава и структуры частных задач исследования 68

Выводы по главе 71

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ БАЗОВОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ЕЕ ЧИСЛЕННОГО АНАЛОГА ДЛЯ ПРОЧНОСТНОГО АНАЛИЗА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ «ЗДАНИЕ-ФУНДАМЕНТ- ОСНОВАНИЕ» 73

2Л. Разработка базовой математической модели для прочностного анализа пространственной системы «здание-фундамент-основание». 73

2.2. Применение метода конечных элементов для численной реализации математической модели прочностного анализа системы ЗФО 78

2.2. L Разработка эффективного алгоритма построения конечно- элементной модели системы «здание-фундамент-основание» 80

2.2.2. Вариационная постановка метода конечных элементов для численной реализации линейных краевых задач 84

2.3, Обоснование выбора определяющих соотношений нелинейной упругости и пластичности для замыкания краевой задачи 87

23 J. Модель физически нелинейного упругого материала 88

23.2. Модель деформационной теории пластичности 90

233, Теория пластического течения в расчетах грунтового основания 92

23А. Модель пластического течения Друккера - Прагера 96

2.4. Разработка и применение моделей определяющих соотношений упруго- хрупких материалов с учетом структурного разрушения (накопления повреждений) 99

2.4.1. Модель упруго-хрупкого поведения бетона (железобетона) 99

2.4.2. Создание обобщающей математической модели механического поведения упруго-хрупких материалов (кирпичной кладки) 101

2АЗ. Определение критериев открытия - закрытия трещины 110

2.4А. Описание модели разрушения упруго-хрупкого материала при сложном напряженном состоянии 111

23. Разработка алгоритмов численной реализации нелинейных краевых задачі 17

23.1. Алгоритм пошагового решения краевой задачи для упруго-хрупких материалов 119

23.2. Алгоритм метода последовательных приблюїсений для упруго-пластичных материалов (теории течения) 121

Выводы по главе 122

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ СВОЙСТВ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ, ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРНЫХ И ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ПОЛНОЙ ДИАГРАММЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ 124

3.1* Определение рационального коэффициента сдвига слоев в перевязанных швах кладки .,..125

3.2. Разработка методики численного прогнозирования эффективных свойств кирпичной кладки (модулей упругости, модулей сдвига и коэффициентов Пуассона). ,„ ...Л 27

3.3. Исследование влияния упругих характеристик компонентов (кирпича, раствора и металлических армирующих сеток) на эффективные характеристики кладки І 30

3.4. Проведение натурных экспериментов для построения полной диаграммы деформирования кирпичной кладки 133

3.5. Проведение численных экспериментов по исследованию процесса разрушения образца кирпичной кладки для построения полной диаграммы деформирования„„.„ 140

Выводы по главе 145

ГЛАВА 4. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ТРЕЩИН В НЕСУЩЕЙ КИРПИЧНОЙ СТЕНЕ 147

4.1. Численное решение линейной краевой задачи о неравномерной осадке кирпичной стены и исследование качества решения 147

4.2. Анализ влияния ортотропии упругих свойств материала на НДС кирпичной стены 153

4.3. Исследование основных закономерностей и механизмов разрушения кирпичной стены при изгибе 155

4.3А, Численные исследования деформирования и разрушения кирпичной стены с использованием разработанной модели, учитывающей накопления повреждений 155

43.2. Определение резерва несущей способности конструкции 159

433. Верификация результатов численной реализации 160

43.4. Исследование влияния механических характеристик материала на процесс разрушения 163

43.5. Сравнение резльтатов численного решения с результатами натурных экспериментов 165

4,4, Исследование влияния нагружающей системы (фундамента и грунтового основания) на процесс разрушения кирпичной стены 168

Выводы по главе 174

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНИЦ ПРИМЕНИМОСТИ УПРОЩЕННЫХ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ МЕТОДОМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА, 175

5.1. Численная реализация базовой математической модели для расчета НДС пространственной системы ЗФО и анализ практической сходимости 175

5J.L Исследование сходимости решения и точности полученных результатов с помогцью метода подмоделей 179

5.1.2. Тестирование используемой программы с помощью петч-теста 183

52. Численное моделирование, анализ качества решения и границ применения расчетной схемы здания в виде отдельной несущей стены .,.,. 185

5.2 J. Оценка практической сходимости и точности полученных результатов 187

52.2. Учет структурного разрушения материалов кирпичной кладки и бетона при расчете несущей стены с оконными проемами 189

5.2.3. Сравнительный анализ границ применимости плоской и пространственной моделей 191

5.3. Анализ возможности моделирования здания без оконных и дверных проемов 193

5.4. Исследование необходимости включения в расчет коробки здания при расчете фундамента 197

5.5, Анализ возможности расчета фундамента по схеме плоской задачи и целесообразности учета нелинейных свойств грунта ..202

5.6, Исследование влияния размеров грунтового массива и граничных условий на НДС здания в системе «здание-фундамент-основание» ...,.207

Выводы по главе 210

ГЛАВА 6, РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РЕКОНСТРУКЦИИ РЕАЛЬНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ 213

6Л. Ретроспективный анализ причин деформирования и разрушения жилого пятиэтажного кирпичного здания с использованием разработанной математической модели 213

6.2. Разработка и применение вычислительной технологии решения пространственной задачи встраивания нового здания в существующую застройку 222

6.2.1, Численный анализ проекта фундаментной плиты под новое здание 223

6.2.2, Исследование влияния нового здания на существующие 234

6.2.3, Численные исследования по усилению фундаментов соседних зданий2Ъ%

6.3. Численные исследования возможности безопасной реконструкции существующего здания на закарстованной территории , 239

6.3. L Определение дополнительных осадок от пристраиваемых конструкций и анализ напряэюенно-деформированного состояния здания и фундамента 240

63>2. Анализ напряженно-деформированного состояния здания и фундамента с учетом возникновения карстовых воронок 244

633. Численный анализ конструкции усиления существующего здания 246

6А О необходимости использования пространственной модели системы ЗФО для обоснования решения о возможной реконструкции здания, расположенного на площадке с уклоном 247

Выводы по главе 254

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 256

БИБЛИОЕРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 259

ПРИЛОЖЕНИЕ -. 279 

Введение к работе:

Строительные сооружения являются объектами длительного пользования и в процессе эксплуатации могут подвергаться разнообразным внешним воздействиям, в том числе, не предусмотренным первоначальным проектом (непроектными воздействиями). Это может быть реконструкция существующих зданий, пристрой или встраивание в существующую застройку новых зданий, что вызывает дополнительные усилия от новых эксплуатационных нагрузок и нередко - появление неравномерных осадок фундаментов в дополнение к тем осадкам, которые произошли с момента строительства. Неравномерные осадки могут также появиться в результате изменения физико-механических свойств грунтов, залегающих под подошвами фундаментов, причинами которого могут стать негативные геодинамические процессы (повышение или понижение уровня грунтовых вод, выход на поверхность карстовых воронок и др.), локальное увлажнение просадочных или набухающих грунтов из-за нарушения технологического процесса при возведении зданий или правил их эксплуатации. Эти и другие воздействия могут вызвать различные формы деформации здания, появление трещин, а в некоторых случаях приводят к разрушению здания.

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.

Проблема безопасности до недавнего времени не фиксировалась в нормативных документах РФ по проектированию и строительству и требуется разработка рекомендаций по комплексной системе показателей, для создания и переработки существующих норм и стандартов. Способы нормирования безопасности связаны с количественными и качественными критериями и параметрами, для получения которых необходимо развитие научных основ анализа строительных конструкций в рамках представлений о разрушении как о результате потери устойчивости процессов неупругого деформирования. Это позволит разработать систему оценок по параметрам, влияющим на начало и развитие процесса разрушения, на резерв несущей способности, на энергетическую катастрофичность разрушения зданий и сооружений и предполагает разработку математических моделей накопления повреждений и структурного разрушения строительных материалов.

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 - фундамент и грунт, 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 (кирпичной кладки, железобетона, грунта) 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 здание, фундамент, грунтовое основание и другие конструктивные элементы сооружения (плиты перекрытий, колонны, несущие стены и др.) 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 грунтового основания - разработаны в меньшей степени, хотя в настоящее время некоторые исследователи уже обращаются к методам численного моделирования сооружений с использованием ЭВМ (AT. Шашкин, К,Г\ Шашкин, Л.А. Бартоломей, М.С, Чухлатый и др.), выделяя те или иные аспекты в своих исследованиях. Обычно это расчеты, связанные с определением напряженно-деформированного состояния сооружений без учета накопления структурных повреждений в конструкциях здания; некоторые авторы ограничиваются рассмотрением плоских моделей, чаще всего в линейной постановке, или нелинейность поведения материалов учитывается при моделировании свойств грунтового основания.

Актуальность настоящего диссертационного исследования вытекает из сложившегося противоречия между необходимостью прогнозирования поведения зданий и сооружений при изменении условий эксплуатации и обеспечения их безопасности - с одной стороны и отсутствием теоретических исследований процессов деформирования существующих сооружении с развивающимися трещинами или дефектами - с другой. Данное противоречие преодолевается решением следующей научной проблемы:

- развитие методологии создания математического и программного обеспечения для исследования процессов деформирования и разрушения зданий и сооружений и определения резервов их несущей способности при накоплении структурных повреждений.

Это определило цель и задачи исследования:

Целью работы является создание научно-обоснованной математической модели и ее численного аналога пространственной системы «здание фундамент - основание», обеспечивающих возможность учета появления трещин в кирпичной кладке или бетоне (железобетоне), неоднородности, нелинейного поведения и изменчивости свойств грунтового основания; разработка научно-методических основ применения вычислительных технологий оценки решений, в условиях возникновения воздействий, не предусмотренных первоначальным проектом, внедрение которых имеет существенное значение для решения проблемы безопасности зданий и сооружений.

Дня достижения цели требуется решить следующие задачи: L Разработать базовую математическую модель пространственной системы «здание-фундамент-основание» (ЗФО) для исследования напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при различных внешних воздействиях, методику построения конечно-элементной модели системы ЗФО и разработать универсальную программу для построения и расчета типовых зданий для использования ее при проектировании новых и реконструкции существующих объектов строительства,

2. Разработать 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. Выполнить исследование и верификацию алгоритма решения задачи,

3. Разработать методику численного прогнозирования эффективных деформационных и прочностных характеристик структурно-неоднородного материала кирпичной кладки. Провести натурные и численные эксперименты по исследованию процесса разрушения образца кирпичной кладки для получения полной диаграммы деформирования упруго-хрупкого материала кирпичной кладки.

4. Провести комплексный анализ факторов, влияющих на процесс образования и развития дефектов (условия зарождения трещины, кинетику ее продвижения, резерв несущей способности конструкции и др.) в кирпичной стене на основе численных и натурных экспериментов и с учетом свойств нагружающих систем. Провести исследование и верификацию алгоритмов решения задач и верификацию модели натурным экспериментам.

5. Провести численные 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,

6. Разработать научно-методических основы и реализовать на практике вычислительные технологии оценки решений, обеспечивающие безопасность зданий и сооружений в условиях возникновения воздействий, не предусмотренных первоначальным проектом.

Таким образом, объектом исследования является система «здание-фундамент-основание», а предметом исследования математические модели и их численные аналоги процессов деформирования и разрушения сооружений; разработка научно-методических основ оценки их несущей способности и безопасности под влиянием непроектных внешних воздействий.

Основу методологической и теоретической базы исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области математического моделирования (СП. Курдюмов, Г.Г. Малинецкый, 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, ЛМ. Кочанов, А.С Кравчук, А.И. Лурье, В,А. Ломакин, Яй Малинин, В.В. Новожилов, Б,Е- Победря, Л.К Седов и др.), численных методов (О. Зенкевич, Г.И. Марчук, Дж. Оден, Б.Е. Победря, Л. Розин, А. Сегерлжд, Г. Стренг, Ф. Сьярле, Дж. Фикс, Р.В. Хемминг и др.), механики разрушения материалов (В.Э. Выльдеман, ЮЖ Соколкин, А.А. Ташкинов, Я.Б. Фридман и др,)А методов расчета строительных конструкций (СМ. Алейников, В.И. Андреев, AM. Бамбура, В.А. Барвашов, В.Г. Федоровский, Л.А. Бартоломещ О.Я Берг, В.В. Болотин, Н.М. Герсеванов, М.И. Горбунов-Пассадов, ТА. Малшова, ЛЖ. Онжцик, А.В. Перелъмутер, ВЖ Слывкер, В.И. Соломин).

Научную новизну исследования составляют:

- постановка новой научной проблемы развития методологии создания 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;

- создание обобщающей математической модели механического поведения упруго-хруп кого материала кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния с учетом процессов структурного разрушения и деформационного разупрочнения материала, отличающейся от известного тем, что изначально (и после разрушения) материал является ортотропным;

- новая постановка задачи прогнозирования эффективных свойств кирпичной кладки в зависимости от свойств компонентов (кирпича, раствора, армирующих металлических сеток), методика и результаты ее решения;

- раскрытие новых закономерностей процесса разрушения кирпичных строений для разработки комплекса показателей оценки безопасности в зависимости от физико-механических свойств материала кирпичной кладки и свойств нагружающих систем;

- получение новой информации о взаимодействии элементов системы ЗФО, позволяющей наиболее рационально выбирать расчетные схемы в зависимости от поставленной цели при анализе несущей способности строительного объекта или прогнозировании его поведения при изменении внешних воздействий;

- исследование и научное обоснование границ применимости некоторых упрощенных расчетных моделей, традиционно используемых в проектировании строительных объектов;

- разработка научно-методических основ применения вычислительных технологий оценки решений, обеспечивающих безопасность зданий и сооружений при реконструкции существующих зданий, пристрое или встраивании в существующую застройку новых зданий, изменении свойств грунтового основания, т.е. при воздействиях, не предусмотренных первоначальным проектом.

Практическая значимость работы определяется наличием эффективных методик 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.

Основные разделы работы выполнялись в рамках тематического плана госбюджетных НИР по заданиям Министерства образования РФ по направлению «Совершенствование методов проектирования зданий, конструкций, оснований и фундаментов, санитарно-технических систем, дорожно-транспортных комплексов и строительных материалов с учетом энергосбережения и экологии». Работа поддержана грантами РФФИ-Урал №04-01-97503 и №04-01-96067, в которых проект «Принципы и методы экспертных оценок безопасности поврежденных строительных конструкций на основе прогнозирования аварийных ситуаций и анализа деформационных ресурсов структурно-неоднородных материалов» направлен на решение фундаментальной задачи «Развитие научных основ уточненного прочностного анализа, включающего оценку безопасности, ответственных конструкций на основе комплексного анализа факторов, влияющих на характер процессов развития дефектов и определяющих живучесть систем; создание аналитической информационной системы экспертных оценок аварийности поврежденных строительных конструкций».

Внедрение результатов исследования. Методики теоретического исследования поведения зданий и сооружений па деформируемом грунтовом основании, а также программные продукты на их основе реализованы в виде проектных решений конкретных строительных объектов и переданы в строительную отрасль для практического использования:

- в ООО «Пермгражданпроект» по результатам вычислительных экспериментов спроектирована фундаментная плита под разноэтажное здание и выполнены исследования влияния встраивания нового здания в существующую застройку, при разработке проекта дома по адресу г.Пермь, ул. Пионерская 2, которые позволили оптимизировать материалоемкость строительных конструкций, повысить технологическую эффективность при реализации проектных решений.

- ООО «Пермская финансовая строительная компания» приняла для практического использования методику численного моделирования здания высотой 2-6 м по адресу г.Пермь, ул. Кирова 76 с подземной автостоянкой, откопки котлована и устройства шпунтового ограждения, а численные эксперименты по исследованию влияния производства работ при строительстве нового сооружения на существующую застройку, позволили избежать аварий и повреждений соседних зданий;

- в 000 «Либерти» при разработке проекта реконструкции двухэтажного административного здания под 7-этажную гостиницу по адресу г.Пермь, ул. Кирова 78а использована методика численного моделирования поведения зданий окружающей застройки при изменении условий их эксплуатации. Проведенные исследования позволили существенно сократить временные и финансовые затраты на производство работ, а также избежать негативных последствий нового строительства в условиях плотной исторической застройки центра.

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 используются в учебном процессе Пермского государственного технического университета при изучении дисциплины «САПР в строительстве» студентами специальностей «Промышленное и гражданское строительство» и «Производство строительных конструкций».

Основными научными положениями, сформулированными в диссертационной работе и выносимыми на защиту, являются:

1. Обоснованная постановка задачи математического моделирования пространственной системы «здание-фундамент-основание» для исследования напряженно-деформированного состояния элементов конструкций при различных внешних воздействиях, определяющих соотношениях и граничных условиях.

2. Разработанная автором математическая модель нелинейного механического поведения кирпичной кладки в условиях сложного напряженного состояния, учитывающая процессы накопления упруго-хрупких повреждений и закритического деформирования.

3- Методика и результаты численного и экспериментального исследования свойств ортотронного материала кирпичной кладки.

4. Теоретические основы прочностного анализа несущих стен кирпичных зданий с учетом структурного разрушения и деформационного разупрочнения материалов и свойств нагружающих систем,

5. Обоснованные рекомендации границ применимости упрощенных расчетных моделей. Алгоритмы и программы для решения упрощенных задач оценки напряженно-деформированного состояния элементов строительных конструкций,

6. 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.

Совокупность выносимых на защиту теоретических положений можно квалифицировать как разработку подходов, методов, алгоритмов и программных средств моделирования процессов деформирования и разрушения строительных сооружений при исследовании их безопасности

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались;

- на Всесоюзных и международных зимних школах по механике сплошных сред (Пермь, 1997, 2003, 2005), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001), II конференции «Информация, инновации, инвестиции» (Пермь, 2001), XI Международной научно-технической конференции «Информационная среда вуза». (Иваново, 2002), III, IV всероссийских конференциях «Информация, инновации, инвестиции» (Пермь, 2002, 2003), XXX юбилейной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Пермского государственного технического университета. (Пермь, 2003), Международном семинаре «Современная миссия технических университетов в развитии инновационных территорий» (Варна. 2004), Всероссийской (с международным участием) конференции «Информация, инновации, инвестиции» (Пермь, 2004), Международном конгрессе конференций «Информационные технологии в образовании» (Москва, 2004).

Материалы диссертационной работы в целом обсуждались на научных семинарах кафедры строительной механики и вычислительной техники, кафедры строительных конструкций строительного факультета ПГТУ, кафедры вычислительной математики и механики ПГТУ, Института механики сплошных сред УРО РАН.

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. В приложении представлены копии актов внедрения результатов, подтверждающих практическую ценность работы.

В первой главе обсуждаются: актуальность проблемы безопасности строительных объектов и необходимость разработки критериев и параметров нормирования безопасности; проводится анализ существующих математических моделей и методов расчета сооружений и обосновывается необходимость совместного расчета здания, фундамента и деформируемого грунтового основания как единого целого; в результате анализа существующих математических моделей описания механических свойств и критериев разрушения материалов системы «здание-фундамент-основание» отмечается, что в них, как правило, не учитываются процессы структурного разрушения и деформационного разупрочнения материалов и свойства нагружающих систем; учет влияния вида напряженного состояния и процессов структурного разрушения неоднородных сред становится возможным при использовании методов математического моделирования с применением современных численных методов и программных комплексов, реализующих их на ЭВМ; на основании проведенного анализа современного состояния и подходов к решению проблемы безопасности зданий и сооружений с развивающимися трещинами и дефектами при воздействиях, не предусмотренных при проектировании этих объектов, приводится обоснование состава и структуры частных задач исследования.

Во второй главе рассматривается создание базовой математической модели и ее численного аналога для прочностного анализа пространственной системы «здание-фундамент-основание», Основное внимание уделено формулировке условий на границах областей системы для различных расчетных случаев и решению проблемы замыкания краевой задачи определяющими соотношениями; предложен эффективный алгоритм построения конечно-элементной модели сооружения для проведения вычислительных экспериментов; по результатам анализа механического поведения материалов грунтового основания и железобетона предложены возможные варианты моделей определяющих соотношений, учитывающие влияние шаровой части тензора напряжений в определяющих соотношениях теории пластического течения и упруго-хрупкого разрушения, а для материала кирпичной кладки разработана математическая модель механического поведения, учитывающая накопление упруго-хрупких повреждений, т.е. явление деформационного разупрочнения на закритической стадии и ортотропию свойств материала, как исходного, так и поврежденного в условиях сложного напряженного состояния, которая является обобщающей и для бетона; разработаны алгоритмы пошагового решения для упруго-хрупких и упруго-пластичных материалов.

Третья глава посвящена численному прогнозированию свойств кирпичной кладки. Предлагается методика численного определения эффективных деформационных и прочностных характеристик структурно-неоднородного материала кирпичной кладки, с помощью которой получены новые зависимости влияния упругих характеристик компонентов (кирпича, раствора и металлических армирующих сеток) на эффективные характеристики кладки и установлены соотношения характеристик компонентов, при которых в расчетах строительных конструкций необходимо учитывать анизотропию свойств кладки. Для обеспечения монолитности и прочности кирпичной (каменной) кладки определены возможные значения коэффициента сдвига слоев, обеспечивающие минимальный уровень интенсивности напряжений. Описывается проведение натурных и численных экспериментов по разрушению представительного объема кирпичной кладки для получения полных диаграмм деформирования кирпичной кладки,

В четвертой главе представлен комплексный анализ факторов, влияющих на процесс образования и развития трещин в несущей кирпичной стене. Приведены численные эксперименты по исследованию НДС кирпичной стены с использованием линейных определяющих соотношений, с учетом ортотропии свойств кирпичной кладки- Численные исследования процесса разрушения и выявления резерва несущей способности конструкции проведены с использованием разработанной математической модели механического поведения упруго-хрупкого материала, учитывающей накопление структурных повреждений и закритическую стадию, соответствующую ниспадающей ветви полной диаграммы деформирования. Проведена верификация результатов численной реализации. Адекватность разработанной модели подтверждена результатами натурного эксперимента. Приведены результаты численных экспериментов по исследованию процесса разрушения кирпичной стены с учетом свойств нагружающей системы (фундамента и грунта).

В пятой главе рассмотрена численная реализация разработанной пространственной модели системы «здание-фундамент-основание», проведена ее верификация, в том числе с применением метода подмоделей; представлены численные эксперименты по определению границ применимости упрощенных моделей, используемых в инженерной практике и возможности: замены пространственного объекта плоской моделью в виде одной несущей стены; моделирования здания без оконных и дверных проемов; расчета ленточного фундамента по схеме плоской деформации поперечной полосы на упругом основании. Исследовано применение разных моделей определяющих соотношений для учета нелинейного поведения грунта» Проведен численный анализ влияния размеров грунтового массива на НДС здания,

В шестой главе показан опыт применения методов численного моделирования в проектировании реальных строительных объектов. На реальном примере подтверждена адекватность разработанной математической модели деформирования и разрушения пространственной системы ЗФО; разработана и применена вычислительная технология решения пространственной задачи встраивания нового здания в существующую застройку; приведены численные исследования возможности безопасной реконструкции существующего здания на закарстованной территории; представлен пример использования пространственной модели при прогнозировании осадок реконструируемого здания, расположенного на площадке с уклоном. Выполненные исследования позволили избежать негативных последствий нового строительства в условиях плотной застройки, оптимизировать материалоемкость строительных конструкций, существенно сократить сроки строительства и повысить эффективность принятия проектных решений.

Подобные работы
Карелина Раиса Олеговна
Построение двусторонних оценок на решения интегральных моделей некоторых саморегулируемых систем
Чухлатый Максим Сергеевич
Численное исследование напряженно-деформированного состояния системы "здание-фундамент-грунт"
Фролов Максим Евгеньевич
Апостериорные оценки точности приближенных решений вариационных задач для эллиптических уравнений дивергентного типа
Трачева Наталья Валерьевна
Методы Монте-Карло для оценки параметров асимптотики решения уравнения переноса излучения с учетом поляризации
Подлипский Олег Константинович
Решение задач классификации при двух оценках по каждому признаку для построения полных баз экспертных знаний
Ворончак Виктор Иванович
Оценка продуктивности газовых и нефтяных скважин на основе метода нечетких деревьев решений
Макарова Ирина Дмитриевна
Исследование стационарных решений математических моделей химических реакторов идеального вытеснения
Копылов Сергей Анатольевич
Модели принятия решений при предупреждении чрезвычайных ситуаций
Зиборов Максим Валерьевич
Разработка моделей принятия решений для программного обеспечения медицинских информационных систем
Исламов Дмитрий Викторович
Разработка моделей принятия решений при инновационном развитии предприятий угольной промышленности

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net