Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
20
ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
ОРТІС РОДРІГЕС САУЛЬ
УДК 624.04 : 69.059
ВПЛИВ вихідних ПАРАМЕТРІВ НА РОЗРАХУНКОВІ МОДЕЛІ БУДІВЕЛЬ
В СКЛАДНИХ УМОВАХ БУДІВНИЦТВА
Спеціальність 05.23.01 –Будівельні конструкції, будівлі та споруди
Дніпропетровськ –
Дисертація є рукописом.
Роботу виконано на кафедрі будівельних конструкцій Запорізької державної інженерної академії Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
БАНАХ Віктор Аркадійович,
Запорізька державна інженерна академія, декан будівельного факультету, завідуючий кафедрою будівельних конструкцій.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор КУЛЯБКО Володимир Васильович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури (м. Дніпропетровськ), професор кафедри металевих, дерев’яних та пластмасових конструкцій;
кандидат технічних наук, доцент ДАВИДЕНКО Олександр Іванович, завідуючий кафедрою архітектури та будівельних конструкцій Донбаського гірничо-металургійного інституту (м. Алчевськ).
Провідна установа:
Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, відділ основ та фундаментів будівель і споруд у звичайних та складних інженерно-геологічних умовах, Державний комітет будівництва, архітектури та житлової політики України м. Київ.
Захист відбудеться “”червня 2003 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.085.02 Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а.
Автореферат розісланий “”травня 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
д.т.н., проф. Кваша Е.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Загальною для більшості країн в області проектування і розрахунків будівельних об'єктів є проблема раціонального призначення розрахункових моделей будівель і споруд, адекватних реальним об'єктам будівництва, оцінка впливу параметрів, що враховуються, на зміну напружено-деформованого стану елементів будівель, а також відповідність отриманих результатів чисельних експериментів реальній картині розподілу напружень і деформацій в елементах будівель і споруд. Це стосується не тільки об'єктів, що будуються та проектуються, а й будівель і споруд, що експлуатуються в складних умовах, об'єктів, що підлягають реконструкції і капітальному ремонту.
У зв'язку з цим значно зросла актуальність розробки інженерних методів оцінки зміни напружено-деформованого стану будівель внаслідок дії силових і деформаційних впливів на об'єкт, методики визначення комплексу найбільш несприятливих впливів на будівлю і оцінка адекватності розрахункових моделей, що використовуються в розрахунках конструкцій будівель.
Оцінка впливу параметрів розрахунку на зміну напружено-деформованого стану несучих елементів будівель і споруд, розробка науково обґрунтованих методики і рекомендацій по спрощенню розрахункових моделей, що сприяє підвищенню надійності рішень, які приймаються, на стадіях проектування, експлуатації і реконструкції будівельних об'єктів, а також зниженню матеріальних витрат, обумовлює актуальність обраної теми роботи.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в розвиток Постанови Кабінету Міністрів України № 409 від 05.05.1997 р. “Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд і інженерних мереж”, а також Постанови Департаменту Розвитку і Будівництва Болівії № 1402/98 від лютого 1998 р. “Про стимулювання технічного розвитку і якості будівництва”.
Мета і задачі дослідження. Розробка універсальної інженерної методики оцінки напружено-деформованого стану будівель і споруд в складних умовах будівництва на основі аналізу параметрів, отриманих внаслідок розрахунків детальних просторових моделей так званих будівель-представників, які є характерними для кожного типового конструктивного класу будівель.
Відповідно до поставленої мети сформульовані основні задачі дослідження:
Об’єкт дослідження. Вихідні параметри розрахункових моделей будівель і споруд у складних умовах будівництва.
Предмет дослідження. Вплив вихідних параметрів розрахункових моделей на напружено-деформований стан конструкцій будівель.
Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач виконані натурні, теоретичні і експериментальні дослідження.
Внаслідок комплексних натурних досліджень:
Внаслідок теоретичних досліджень:
Експериментальні дослідження проведені у вигляді чисельного експерименту для перевірки теоретичних положень методики спрощення розрахункових моделей і наближеної оцінки параметрів напружено-деформованого стану елементів будівлі.
Наукова новизна одержаних результатів:
Новими є також статистичні дані щодо складу, конструктивних особливостей, стану й практики реконструкції житлового фонду м. Санта-Круз (Болівія).
Практичне значення одержаних результатів. Практичне значення роботи полягає в забезпеченні можливості оцінки зміни напружено-деформованого стану будівель при зміні умов їх експлуатації і при реконструкції завдяки розробленій методиці визначення найбільш несприятливого варіанту зовнішніх впливів на будівлю і проведеним дослідженням впливу параметрів розрахунку на розрахункові моделі при зміні характеристик напружено-деформованого стану несучих конструкцій будівель. Використання розроблених рекомендацій по складанню розрахункових моделей з урахуванням характерних конструктивних рішень будівель забезпечить необхідний рівень точності результатів перевірочних розрахунків при мінімальних матеріальних витратах. Методика визначення найбільш несприятливого варіанту зовнішніх впливів на будівлю і рекомендації по складанню розрахункових моделей будівель при зміні умов їх експлуатації і при реконструкції повністю готові до використання в проектних, наукових і інших зацікавлених організаціях. Отримані результати використовуються в навчальному процесі на кафедрі будівельних конструкцій ЗДІА та при обстеженні і паспортизації будівель і споруд Запорізького регіону.
Особистий внесок здобувача:
Апробація результатів дисертації. Результати роботи апробувалися на Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми реконструкції і експлуатації промислових і цивільних об'єктів”(м. Дніпропетровськ, 1999 р.); на Всеукраїнській науково-технічній конференції “Реконструкція будівель і споруд. Досвід і проблеми”(м. Київ, 2001 р.); на науково-практичному семінарі ЗДІА на V Міжрегіональній спеціалізованій виставці “Домострой. Домотехника – 2002”(м. Запоріжжя, 2002 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Будівництво, реконструкція і відновлення будівель і споруд міського господарства”(м. Харків, 2002 р.); на розширеному засіданні Міжвідомчої координаційної науково-технічної Ради з питань будівництва і захисту будівель, споруд, територій в складних інженерно-геологічних і сейсмічних умовах України “Сучасні проблеми будівництва і реконструкції будівель в центральній частині м. Запоріжжя”(м. Запоріжжя, 2002 р.); на науково-практичних конференціях кафедри будівельних конструкцій ЗДІА (м. Запоріжжя, 1999, 2000, 2001, 2002 р.); на розширеному науковому семінарі кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій Придніпровської державної академії будівництва і архітектури (м. Дніпропетровськ, 2003 р.).
Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 7 наукових статтях і тезах доповідей.
Структура і обсяг дисертації. дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літератури (132 найменування), 4 додатків. Матеріали викладені на 167 сторінках друкарського тексту, в тому числі 112 сторінок основного тексту, 55 малюнків, 19 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі наведено актуальність проблеми взагалі та окремо даної теми досліджень, поставлена мета дослідження, сформульовані задачі, які необхідно розв’язати для досягнення цієї мети, наведено наукову новизну дослідження, його практичне значення, обґрунтованість і достовірність отриманих результатів, а також особистий внесок автора. Представлено інформацію щодо апробації та впровадження результатів роботи, кількості публікацій, зв’язку роботи з науковими програмами і темами, а також щодо обсягу дисертаційної роботи.
У першому розділі розглянута характеристика складних умов будівництва, наведене поняття розрахункової моделі, вивчені підходи, що використовуються до формування розрахункових моделей будівель і споруд, показане значення параметрів розрахунку, що приймаються, і можливість їх впливу на результати чисельних досліджень напружено-деформованого стану конструкцій. Розглянуті спрощені розрахункові моделі, детальні просторові, включаючи суперелементні, а також моделі взаємодії будівель з основами. Приведені їх достоїнства, недоліки, можлива область застосування. Для цього використані дослідження провідних фахівців з цієї проблематики –В.М.Байкова, О.С.Городецького, П.Ф.Дроздова, О.О.Диховичного, О.Зенкевича, С.М.Клепікова, Б.О.Косіцина, В.В.Кулябка, Ю.І.Немчинова, А.В.Перельмутера, Д.М.Подольського, Л.А.Розіна, Л.Сегерлінда, А.Ф.Смирнова. Наведений приклад техніко-економічної оцінки розрахункових моделей, що застосовуються.
У результаті зроблені висновки про те, що вибір найбільш раціональної розрахункової моделі на основі аналізу значущості розрахункових параметрів дозволяє знизити трудомісткість виконання розрахунків, отримати достовірні результати і знизити ризик появи критичних помилок розрахунку, пов'язаних з великою кількістю вихідних даних і їх можливою невизначеністю.
Поставлено задачу розробки універсальної інженерної методики оцінки НДС будівель в складних умовах будівництва на основі аналізу параметрів, отриманих внаслідок розрахунків детальних моделей будівель-представників, що характеризують кожний типовий конструктивний клас будівель.
У другому розділі доведено, що у практиці проектування є необхідність в порівняно простій, але досить надійній інженерній методиці визначення напружено-деформованого стану конструкцій будівель і споруд, яка дозволяє або виконувати розрахунки невеликої складності, або мати можливість оцінки зміни напружено-деформованого стану конструктивних елементів однотипних будівель, для яких виконаний еталонний детальний розрахунок так званих “будівель-представників”.
Під “будівлею-представником”розуміється типова будівля для кожного окремого класу будівель у стадіях проектування, зведення, експлуатації та реконструкції. При цьому основною задачею стає така класифікація будівель, за якої кожному виділеному класу будівель відповідає одна будівля-представник, що характеризується загальними параметрами конструктивної схеми, матеріалом, умовами експлуатації.
Проаналізовано стан житлового фонду Болівії на прикладі міста Санта-Круз, характерні конструктивні рішення та умови його експлуатації, і на основі цього розроблена класифікація з виділенням будівель-представників для кожного класу.
Складні ґрунтові умови Болівії характеризуються наявністю:
Складні умови будівництва, пов'язані з геологічними і кліматичними особливостями місцевості, характеризуються наявністю:
Виконаний аналіз міської забудови за характерними ознаками: призначенням, конструктивною схемою, горизонтальною і вертикальною структурою, кількістю поверхів будівель, матеріалом несучих конструкцій.
Проаналізувавши прийняті в практиці будівництва Болівії конструктивні рішення житлових будівель, зроблений висновок про те, що найбільш істотними ознаками, які впливають на розрахункову модель, що приймається, є конструктивна схема будівлі і її структура. Кількість поверхів будівель і матеріал несучих конструкцій в цьому випадку виконують важливу, але другорядну роль.
Виконаний аналіз стану житлового фонду і його класифікація за кількістю поверхів в залежності від конструктивної схеми і структури, за матеріалом конструкцій в залежності від конструктивної схеми і структури, за демографічною ознакою і за деформаціями в залежності від кількості поверхів будівель.
Зроблені висновки про те, що найбільш правильним підходом є виконання розрахунків не для кожного об'єкта, що досліджується, а для найбільш характерної в своєму класі будівлі-представника, для якої виконується розрахунок з урахуванням максимальної кількості факторів, що впливають на роботу таких будівель. Аналіз даних про розподіл і стан житлового фонду дозволив виділити найбільш характерні для міської забудови конструктивні системи, з числа яких буде сформовано будівля-представник кожного класу, для якої надалі і складається детальна просторова розрахункова модель і виконується еталонний розрахунок. Виділення будівлі-представника можливе тільки в тому випадку, якщо є досить велика кількість будівель з однаковою конструктивною схемою і структурою, наприклад, при типовому будівництві.
Третій розділ присвячений оцінюванню впливу параметрів розрахунку на моделі будівель у складних умовах будівництва. Однією з проблем є вибір адекватної розрахункової моделі, який залежить насамперед від цілей дослідження. Для комплексного дослідження конструкції, коли важливими можуть виявитися неістотні на перший погляд параметри, необхідний докладний аналітичний матеріал. Такий матеріал можливо отримати тільки шляхом розрахунку детальних моделей конструкцій і їх систем з урахуванням як можна більшого числа істотних параметрів впливу.
Під істотними параметрами впливу будемо розуміти набір вихідних параметрів розрахункової моделі (геометрія, жорсткість, силові впливи, детальність опису, розміри кінцевих елементів, зв'язки, граничні умови, та інше), що помітно впливають на напружено-деформований стан конструкцій будівлі. При цьому частіше за все невідомо, які саме з параметрів розрахунку можуть вплинути найбільше на напружено-деформований стан конструкцій будівлі.
Крім цього, для більшості країн актуальною залишається проблема розрахунку детальних моделей будівельних конструкцій і їх систем. Ця проблема пов'язана з наявністю кваліфікованих фахівців, здатних скласти таку розрахункову модель, перевірити її і проаналізувати результати розрахунку. Вона також пов'язана і з технічними можливостями: наявністю відповідного апаратного і програмного забезпечення. Комплекс цих проблем створює передумови для розробки інженерної методики оцінки напружено-деформованого стану будівельних конструкцій, будівель і споруд за наближеними залежностями, що описують зміну напружено-деформованого стану відповідно до зміни зовнішніх впливів, геометричних характеристик, граничних умов для кожного виділеного типу будівель. Ця методика повинна базуватися на детальних просторових розрахунках моделей будівель-представників кожного виділеного типу, і враховувати можливі варіанти зміни впливів на будівлю і його поведінки відповідно до конкретних умов майданчика будівництва і умов експлуатації.
Створення такої методики, що і є метою даної роботи, дозволить на основі аналізу результатів розрахунку детальних моделей будівель-представників, виконаних кваліфікованими фахівцями, і використанні емпіричних залежностей, отриманих автором даного дослідження при виконанні чисельних експериментів, оцінити зміну напружено-деформованого стану конструкцій будівель і споруд при зміні умов їх експлуатації (деформації основи під будівлею, реконструкція будівлі з переплануванням, надбудова поверхів, монтаж або демонтаж важкого обладнання, дефекти і пошкодження несучих конструкцій, що впливають на жорсткісні характеристики, тощо), а також при використанні однотипних проектів будівель для будівництва в регіонах з різними умовами будівельного майданчика.
Як показали численні дослідження, ігнорування просторової роботи конструкцій будівель в розрахункових моделях призводить до значних погрішностей в результатах розрахунку. Однак застосування спрощених моделей залишається досить привабливим через простоту підготовки вихідних даних. У цьому випадку можливі такі варіанти врахування просторової роботи конструкцій будівлі:
Для дослідження впливу врахування просторової роботи конструкцій будівлі було виконано еталонний розрахунок будівлі-представника –п’ятиповерхового безкаркасного цегляного будинку з подовжніми несучими стінами і збірними залізобетонними плитами перекриттів і покриття, що відноситься до одного з самих поширених типів будівель. Усі розрахунки виконувалися за допомогою програмного комплексу LIRA-Windows версії 5.03, розробленого НДІАСБ (м. Київ).
Чисельний експеримент складався в оцінці й аналізі напружено-деформованого стану конструкцій безкаркасної будівлі, яка зазнає впливу просідаючої основи, що нерівномірно деформується. Були проведені роботи з обстеження технічного стану будівлі гуртожитку Гідроенергетичного технікуму Запорізької державної інженерної академії.
Мета роботи полягала в тому, щоб на основі проведених обмірних робіт і обстеження, аналізу інженерно-геологічних умов майданчика, фактичного висотного положення будівельних конструкцій і перевірочних розрахунків, визначити за допомогою різних розрахункових моделей зміну напружено-деформованого стану конструкцій і елементів будівлі.
Після того, як був виконаний розрахунок еталонної моделі, з'явилася можливість оцінки зміни параметрів напружено-деформованого стану конструкцій будівлі при використанні спрощених моделей з різними варіантами врахування просторової роботи конструкцій.
Внаслідок розрахунку цих моделей були отримані характеристики напружено-деформованого стану зовнішньої подовжньої стіни будівлі-представника для всіх трьох варіантів. Характер розподілу зусиль в елементах розрахункових моделей показує, що найбільші розходження спостерігаються в рівні перших двох поверхів. У рівні 3…5 поверхів відхилення становлять 3…7 %.
З використанням програми Advanced Grapher була апроксимована залежність зміни величини відхилення значень зусиль від урахування просторової роботи конструкцій.
Таким чином, можна зробити висновок про можливість заміни просторових розрахункових моделей спрощеними з моделюванням поперечних стін і плит перекриття хоч би на половину розміру цих елементів для коректної передачі навантаження на стіну і врахування просторової роботи конструкцій.
Перша серія розрахунків була виконана з урахуванням впливу деформацій основи в складних умовах будівництва і експлуатації. Друга серія розрахунків проводилася з використанням тих же моделей без урахування деформацій основи, тільки на вертикальні впливи –навантаження від власної ваги конструкцій будівлі і корисного навантаження на покриття і перекриття.
Застосування детальних просторових моделей при необхідності дозволяє уточнити результати розрахунку по спрощених плоских моделях орієнтовно на 16…25 % в залежності від урахування впливів від основи, що деформується. Використання таких спрощених моделей допустиме тільки для орієнтовної оцінки напружено-деформованого стану конструкцій будівель. Застосування ж спрощених моделей з моделюванням елементів, що примикають, і необхідних зв'язків дозволяє отримати достовірну картину розподілу зусиль в окремих елементах будівлі, а також величину цих зусиль, причому відхилення від еталонного варіанту складає величину до 12 %. Такі моделі можуть бути рекомендовані для розрахунку окремих елементів будівель, однак повної картини напружено-деформованого стану вони не дають.
Для комплексного розв'язання проблеми врахування параметрів при розрахунку моделей будівель в складних умовах будівництва і експлуатації, проаналізовано вплив природних і штучних основ на напружено-деформований стан конструкцій. Це питання важливе тому, що при наявності складних інженерно-геологічних умов цей вплив виявляється основним і найчастіше перекриває всі інші впливи разом взяті. Крім всього іншого, ця проблема актуальна як для Болівії, так і для України, де майже половина цивільних будівель зводиться і експлуатується в складних інженерно-геологічних умовах майданчиків будівництва.
Розглянуті найбільш поширені підходи до формування розрахункових моделей взаємодії будівель з основами та наведені варіанти розрахункових моделей системи “будівля –ґрунтова основа”. У разі невизначеності з розрахунковою ситуацією (варіант найбільш несприятливого впливу основи на будівлю) самим прийнятним підходом виявляється розподіл задачі взаємодії на два етапи: на першому етапі використовується спрощена модель будівлі (система перехресних балок для стрічкових фундаментів і ростверків, плита кінцевої або безмежної жорсткості для плитних і суцільних фундаментів) для визначення реакції основи (осадок, реактивного опору, узагальнених зусиль) і найбільш несприятливого варіанту впливу на будівлю; на другому –власне кінцево-елементний розрахунок детальної просторової моделі на деформації, визначені на першому етапі розрахунку. Для розв'язання проблеми пошуку найбільш несприятливої розрахункової ситуації скористаємося програмою SPLEND (розроблена разом фахівцями КиївЗНДІЕП та ЗДІА).
Програма SPLEND призначена для розв’язання задач взаємодії будівель і споруд з основою на базі розрахункових моделей у вигляді штампу на основі, що нелінійно деформується, які дозволяють врахувати реальну конфігурацію підошви фундаменту будівлі, що розраховується, і фактичний розподіл навантажень в рівні контакту ґрунтової основи з конструкціями будівлі. Прийнявши таку модель, можна зосередити увагу на вивченні характеру деформацій ґрунтового масиву і, таким чином, найбільш точно і повно врахувати всі особливості ґрунтових умов.
У програмі передбачені наступні види ґрунтових умов: основи, що лінійно і нелінійно деформуються, основи, що просідають, основи, що підробляються, пальові основи. Для забезпечення врахування всіх видів ґрунтових основ необхідно передбачити і можливість розрахунку слабких заплавних основ, що нелінійно деформуються. Скористаємося підходом, запропонованим авторами програми SPLEND, для доробки програмного алгоритму. Алгоритм гілки розрахунку для податливих заплавних ґрунтів, що нелінійно деформуються, розроблений як доповнення до програми SPLEND.
Відхилення значень напружень відносно еталонного просторового варіанту моделі, отримані при розрахунку з моделюванням ґрунтової основи плоскими кінцевими елементами, що мають відповідну різним шарам ґрунту жорсткість, склали в середньому за всіма кінцевими елементами зовнішньої подовжньої стіни 25 %. Такі розрахункові моделі можуть бути рекомендовані тільки для оцінки характеру розподілу параметрів напружено-деформованого стану в елементах будівлі, але ніяк не для розрахунку окремих конструкцій.
Таким чином, можна зробити висновок про можливість заміни просторових розрахункових моделей плоскими з моделюванням ґрунтового масиву основи плоскими кінцевими елементами для отримання картини розподілу напружено-деформованого стану в конструктивній системі. Для розрахунку параметрів напружено-деформованого стану конструкцій рекомендується користуватися просторовими розрахунковими моделями з урахуванням впливу ґрунтів основи або у вигляді вимушених деформацій, що прикладаються до вузлів контакту будівлі з основою, або безпосереднім моделюванням основи просторовими кінцевими елементами.
З метою розробки рекомендацій по складанню спрощених розрахункових моделей будівель з відомим ступенем впливу прийнятих спрощень на точність отриманих результатів, були проведені дослідження по визначенню впливу детальності розрахункової моделі на значення характеристик напружено-деформованого стану несучих конструкцій.
Для визначення впливу на розрахункової моделі кількості поверхів, що враховуються, виконано чотири розрахунки моделей із заміною верхніх поверхів еквівалентним навантаженням (рис. 1), і два розрахунки для визначення впливу доданих поверхів при їх надбудові.
Рис. 1. Варіанти розрахункових моделей для аналізу впливу вищерозташованих поверхів: Р–рівномірно розподілене навантаження, еквівалентне
сумарній вазі замінених вищерозташованих поверхів.
Встановлена також можливість заміни вищерозташованих поверхів еквівалентними навантаженнями. Внаслідок чисельного експерименту з використанням просторових розрахункових моделей (рис.2) була отримана уточнена залежність (див. таб.1 та рис.3), причому дослідженнями підтверджується висновок про те, що при спрощенні розрахункових моделей багатоповерхових будівель і оцінці напружено-деформованого стану їх конструкцій в рівні першого поверху, розрахункова модель повинна складатися як мінімум з двох поверхів. Невиконання цієї умови може привести до того, що діапазон відхилення значень напружень перевищить 15%, що неприпустимо.
Рис. 2. Відсоткові відхилення значень зусиль по варіантам відносно до еталонного при заміні вищерозташованих поверхів еквівалентними навантаженнями:
а –при заміні одного поверху; б –при заміні двох поверхів;
в –при заміні трьох поверхів.
Таблиця 1.
Накопичення середньої величини відхилень значень зусиль
при зміні кількості вищерозташованих поверхів, що враховуються
|
№ варіанту |
Середнє значення відхилень, % |
Прирощення, % |
|
1 |
0 |
|
|
2 |
,8 |
,8 |
|
3 |
,7 |
,9 |
|
4 |
,5 |
,8 |
Рис. 3. Наближення та графічне відображення залежності зміни величини відхилення значень зусиль від кількості поверхів.
Y = 0,25X - 0,11Х - 0,10 ,
де Y –середня величина відхилень значень зусиль, %;
Х –кількість замінених поверхів, шт.
Для визначення впливу розмірів кінцевих елементів, що використовуються при формуванні розрахункових моделей, на значення характеристик напружено-деформованого стану, зокрема, зусиль в зовнішніх стінах, були виконані розрахунки трьох варіантів і проаналізовані їх результати. У розрахунках використовувалися ті ж просторові моделі, що і для попереднього дослідження.
Таким чином, можна зробити висновок, що параметри напружено-деформованого стану конструкцій будівлі чутливі до детальності опису їх розрахункових моделей, однак отримані в чисельному експерименті математичні залежності дозволяють корегувати зусилля в елементах будівель у разі їх розрахунку за спрощеними моделями.
Для визначення впливу параметрів розрахункових моделей на напружено-деформований стан будівель, що експлуатуються і що будуються, в складних умовах будівництва, а також при сейсмічних впливах, були проведені чисельні дослідження, в яких розглядалися просторові розрахункові моделі будівлі. Були проведені серії розрахунків, в яких варіювалися наступні параметри:
У першій серії розрахунків розглядався вплив динамічного навантаження на будівлю в залежності від врахування стінового заповнення, причому були виконані і проаналізовані результати розрахунку п'яти варіантів розрахункових моделей.
За результатами розрахунку аналізувалася зміна характеру розподілу і параметрів напружено-деформованого стану в характерних кінцевих елементах. Зіставляючи значення зусиль, отриманих внаслідок виконання серій різних варіантів розрахунку, зі значеннями зусиль в характерних кінцевих елементах еталонного варіанту, з використанням приведеної вище методики встановлювалися відхилення отриманих значень.
Внаслідок проведених досліджень можна зробити висновок, що при врахуванні сейсмічних впливів на будівлі в розрахунках велику роль відіграє врахування стінового заповнення, оскільки це спричиняє підвищення загальної жорсткості і стійкості будівлі, хоч і за рахунок деякого збільшення зусиль в елементах нижньої частини будівлі. Також виникає можливість прогнозування найбільш несприятливого варіанту сейсмічних впливів на будівлю в залежності від варіанту розташування епіцентру землетрусу. Такий прогноз може бути складений для будь-якого типу будівель-представників і врахований при виборі майданчика будівництва, особливо для відповідальних будівель і споруд.
Проведені дослідження дозволяють створити інженерну методику розрахунку будівель та споруд, що зводяться та експлуатуються в складних умовах будівництва. Необхідність створення інженерної методики розрахунку полягає в тому, що не завжди є можливість і необхідність розрахунку детальних просторових розрахункових моделей для визначення напружено-деформованого стану конструкцій будівель, хоч і загальновизнано, що найбільш точні результати виходять з розрахунків моделей, що найбільш точно відображають структуру будівлі, внутрішні і зовнішні зв'язки конструктивних елементів, матеріали, зовнішні впливи і граничні умови.
Першою умовою застосування інженерної методики, що пропонується є наявність класифікації будівель і споруд по узагальнених ознаках. Другою умовою є наявність докладного розрахунку просторової моделі будівлі-представника кожного типу, виконаного кваліфікованими інженерами. Третя умова полягає в наявності адекватних розрахункових моделей будівель і споруд. Четверта умова –можливість визначення найбільш несприятливого варіанту впливу на будівлю в складних умовах будівництва і експлуатації, а також пов'язана з цим можливість прогнозування подальшої поведінки будівлі при посилюванні впливу на будівлю з боку зовнішніх силових і деформаційних факторів.
Четвертий розділ присвячений обґрунтуванню і розробці інженерної методики врахування впливу вихідних параметрів при формуванні розрахункових моделей будівель в складних умовах будівництва. Для перевірки адекватності розрахункових моделей, використаних для проведення досліджень з урахування впливу вихідних параметрів при формуванні розрахункових моделей будівель і споруд в складних умовах будівництва, проведено чисельні експерименти, засновані на даних докладних натурних обстежень будівель-представників. Зроблено висновок, що всі моделі, використані для проведення чисельних експериментів з урахування впливу параметрів розрахунку на зміну напружено-деформованого стану конструкцій будівель, адекватні фізичним об'єктам в тій мірі, в якій це необхідне для аналізу і узагальнення даних, а також для підготовки рекомендацій (рис. 4).
Рис. 4. Схема будівлі, висотне положення конструкцій та її розрахункова модель.
Доведено, що результати докладного обстеження будівель і споруд можуть служити основою для формування адекватних розрахункових моделей і постановки чисельних експериментів. При цьому критерієм адекватності розрахункової моделі є збіг картини напружено-деформованого стану реального об'єкта і отриманої внаслідок розрахунку. Проведення чисельних експериментів, що базуються на детальних просторових розрахункових моделях будівель і споруд, дає можливість не тільки визначити фактичний напружено-деформований стан конструкцій, але й скласти прогноз його зміни при подальшій експлуатації або при реконструкції.
При розрахунках моделей будівель незалежно від їх детальності важливим питанням залишається вибір найбільш несприятливої розрахункової ситуації. Це пов'язано з тим, що пошук можливих впливів на будівлю, що викликають максимальні деформації і зусилля в її конструкціях, з використанням моделей, що базуються на методі кінцевих елементів, нераціонально, оскільки потребує багаторазових розрахунків із заданими практично випадково комбінаціями впливів на будівлю.
Оскільки прийнято при невизначеності у величинах зовнішніх впливів на будівлю, які носять ймовірностний характер (наприклад, сейсміка, нерівномірні деформації основ, тощо), оцінювати її несучу здатність, стійкість і міцність конструктивних елементів за сумою впливів, що спричиняють максимальні деформації і зусилля, розглянуто стратегію визначення такої несприятливої розрахункової ситуації (рис.5).
Для розв'язання цієї проблеми рекомендується застосування програми SPLEND, що використовувалася раніше. Алгоритм цієї програми передбачає завдання найпростішої моделі будівлі у вигляді плити або системи перехресних балок з можливістю врахування реальної жорсткості будівлі введенням її матриці жорсткості, отриманої як проміжний результат кінцево-елементного розрахунку. Однак в більшості випадків для визначення впливів основи на будівлю досить абсолютно жорсткої моделі, що значно спрощує підготовку вихідних даних при незначному зниженні точності розрахунку.
Критеріями найбільш несприятливої розрахункової ситуації є так звані узагальнені зусилля в перетинах розрахункової моделі (згинаючі моменти і поперечні сили), а також величини осадок будівлі в фіксованих точках моделі, причому основними показниками є не абсолютні значення цих осадок, а їх різниця в межах плану будівлі, тобто їх нерівномірність. За цих обставин як впливи для кінцево-елементної моделі можуть бути використані вимушені деформації фіксованих точок контакту будівлі з основою (деформаційні впливи) і величини реактивного опору основи (силові впливи), які також визначаються програмою SPLEND. При розрахунках детальної моделі взаємодії будівлі з основою, що моделюється об'ємними кінцевими елементами, найбільш несприятливий варіант впливу враховується завданням зміни жорсткісних характеристик елементів основи в зоні, що визначена за допомогою програми SPLEND.
Розроблено інженерну методику, яка включає в себе рекомендації щодо складання розрахункових моделей для різних варіантів зовнішніх впливів на будівлі, обґрунтування спрощення розрахункових моделей будівель, рекомендації з урахування вихідних параметрів, а також рекомендації відносно подальшого уточнення результатів розрахунку моделей за допомогою емпіричних залежностей.
Необхідною умовою застосування методики є наявність детальних даних про будівлю-представника. Для будівель, що будуються та проектуються –це детальна проектна документація з даними інженерних досліджень. Для будівель, що експлуатуються –результати детального (візуального і інструментального) обстеження, що включає й аналіз інженерно-геологічних умов. Можливе також використання результатів натурних експериментів.
грунт під підошвою фундаментів
слабкий поймений грунт
підстилаючий грунт
а
вісь змін характеристик грунта
б
Рис. 5. Визначення несприятливої розрахункової ситуації: а –осадки будівлі;
б –зміщення вісі зміни характеристик.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ.
Основні наукові і практичні результати, отримані в дисертаційній роботі, дозволяють зробити наступні висновки:
Розроблено інженерну методику врахування параметрів розрахунку будівель при формуванні їх розрахункових моделей, що дозволяє формувати розрахункові моделі будівель і споруд з обґрунтованим врахуванням параметрів, що впливають на напружено-деформований стан конструкцій цих будівель. Методика включає в себе рекомендації по складанню розрахункових моделей для різних варіантів зовнішніх впливів на будівлі, обґрунтування спрощення розрахункових моделей будівель, рекомендації по врахуванню параметрів розрахунку, а також рекомендації відносно подальшого уточнення результатів розрахунку моделей за допомогою емпіричних залежностей.
Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:
АННОТАЦИЯ
Ортис Родригес С. Влияние исходных параметров на расчетные модели зданий в сложных условиях строительства. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 –Строительные конструкции, здания и сооружения. –Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры. Днепропетровск, 2003.
Работа посвящена изучению влияния параметров, используемых в расчетах строительных конструкций зданий и сооружений, на расчетные модели этих объектов, эксплуатируемых в сложных условиях строительства, а также решению проблемы проверки адекватности расчетных моделей по результатам подробного натурного обследования зданий. Показана возможность прогнозирования изменений напряженно-деформированного состояния конструкций зданий и сооружений по результатам их расчета на предельные значения воздействий основания для сложных грунтовых условий. Разработана инженерная методика учета параметров воздействия на здания и сооружения в их расчетных моделях, обоснование упрощения расчетных моделей с последующим уточнением результатов их расчета корректировкой параметров напряженно-деформированного состояния коэффициентами, полученными по эмпирическим зависимостям.
Основной инструмент исследований –численные эксперименты, построенные на использовании подробных расчетных моделей, адекватность которых подтверждалась сопоставлением параметров напряженно-деформированного состояния, полученных в результате расчета и подробного обследования зданий и сооружений.
Под существенными параметрами влияния понимается набор параметров расчетной модели (геометрия, жесткости, силовые воздействия, подробность описания, размеры конечных элементов, связи, граничные условия и т.д.), оказывающих заметное влияние на напряженно-деформированное состояние конструкций здания.
Для анализа влияния параметров расчета на модели использовались расчеты зданий-представителей, характерных для каждого класса зданий, что позволило охватить максимальное количество объектов. Для этого выполнен анализ городской застройки на примере г. Санта-Круз (Республика Боливия) по характерным признакам –по назначению, по конструктивной схеме, по структуре горизонтальной и вертикальной планировки, по этажности зданий, по материалу несущих конструкций и условиям эксплуатации. Произведена классификация зданий с выделением зданий-представителей, характерных для каждого класса.
На основании численных экспериментов, построенных на расчетах при помощи программного комплекса LIRA-Windows зданий-представителей, проанализировано влияние на изменение их напряженно-деформированного состояния следующих параметров: пространственной работы конструкций в различных вариантах расчетных моделей; взаимодействия зданий с основаниями в сложных грунтовых условиях; подробности описания расчетных моделей, а именно –учитываемой в моделях этажности и размеров конечных элементов; динамических воздействий –динамической составляющей ветровой нагрузки (пульсации ветра) и сейсмических воздействий.
В результате анализа различных вариантов расчетов проанализированы изменения величин максимальных и средних отклонений значений параметров напряженно-деформированного состояния для моделей, с различной степенью подробности описывающих здания-представители, и при помощи специализированной программы Advanced Grapher получены эмпирические зависимости, позволяющие корректировать параметры напряженно-деформированного состояния, определенные при расчете упрощенных моделей. Проведенные исследования позволили обосновать и создать инженерную методику расчета зданий и сооружений, возводимых и эксплуатируемых в сложных условиях строительства, основанную на упрощенных расчетных моделях. Определены условия применения указанной методики.
Решена задача поиска наиболее неблагоприятного варианта воздействия слабых пойменных оснований на здание. Для этого использована программа SPLEND (совместная разработка КиевЗНИИЭП и ЗГИА), предназначенная для решения задач взаимодействия зданий и сооружений с нелинейно деформируемым основанием на базе расчетных моделей в виде плиты конечной и бесконечной жесткости, позволяющих учесть реальную конфигурацию подошвы фундамента рассчитываемого здания и фактическое распределение нагрузок в уровне контакта фундамента с конструкциями здания. В программе предусмотрены такие виды грунтовых условий, как линейно деформируемые, нелинейно деформируемые просадочные основания, подработка, свайные основания. Для обеспечения учета всех видов грунтовых оснований, составляющих оговоренные сложные грунтовые условия, предусмотрена возможность расчета нелинейно деформируемых слабых пойменных оснований. Разработан и программно реализован алгоритм ветви расчета для податливых пойменных нелинейно деформируемых грунтов, разработанный как дополнение к программе SPLEND.
Для проверки адекватности расчетных моделей, использованных для проведения исследований по учету влияния параметров расчета при формировании расчетных моделей зданий и сооружений в сложных условиях строительства, использованы данные численных экспериментов, основанных на результатах подробных натурных обследований зданий-представителей. Доказано, что результаты подробного обследования зданий и сооружений могут служить основой для формирования адекватных расчетных моделей и постановки численных экспериментов. При этом критерием адекватности расчетной модели является совпадение картины напряженно-деформированного состояния реального объекта и полученной в результате расчета. Проведение численных экспериментов, базирующихся на подробных пространственных расчетных моделях зданий и сооружений, дает возможность не только определить фактическое напряженно-деформированного состояния конструкций, но и составить прогноз его изменения при дальнейшей эксплуатации или при реконструкции.
Разработана методика, которая включает в себя рекомендации по составлению расчетных моделей для разных вариантов внешних воздействий на здания, обоснование упрощения расчетных моделей зданий, рекомендации по учету параметров расчета, а также рекомендации относительно последующего уточнения результатов расчета моделей при помощи эмпирических зависимостей.
Ключевые слова: расчетные модели, здания-представители, параметры расчета, сложные условия строительства, напряженно-деформированное состояние, адекватность расчетных моделей, прогнозирование состояния эксплуатируемых зданий.
АНОТАЦІЯ
Ортіс Родрігес С. Вплив вихідних параметрів розрахунку на розрахункові моделі будівель у складних умовах будівництва. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 –Будівельні конструкції, будівлі та споруди. –Придніпровська державна академія будівництва та архітектури. Дніпропетровськ, 2003.
Робота присвячена вивченню впливу параметрів, що використовуються в розрахунках будівельних конструкцій будівель і споруд, на розрахункові моделі цих об’єктів, які експлуатуються в складних умовах будівництва, а також вирішенню проблеми перевірки адекватності розрахункових моделей за результатами детального натурного обстеження будівель. Показано можливість прогнозування змін напружено-деформованого стану конструкцій будівель та споруд за результатами їх розрахунку на граничні значення впливів основ для складних ґрунтових умов. Розроблено інженерну методику врахування параметрів впливу на будівлі в їх розрахункових моделях, обґрунтування спрощення розрахункових моделей з наступним уточненням результатів їх розрахунку корегуванням параметрів напружено-деформованого стану коефіцієнтами, отриманими за емпіричними залежностями.
Розроблено методику, що включає рекомендації по складанню розрахункових моделей для різних варіантів зовнішніх впливів на будівлі, обґрунтування спрощення розрахункових моделей будівель, рекомендації з урахування параметрів розрахунку, а також рекомендації відносно наступного уточнення результатів розрахунку моделей за допомогою емпіричних залежностей.
Ключові слова: розрахункові моделі, будівлі-представники, параметри розрахунку, складні умови будівництва, напружено-деформований стан, адекватність розрахункових моделей, прогнозування стану будівель, що експлуатуються.
SUMMARY
Ortiz Rodriguez S. Influence of analysis parameters on the analytical models of buildings under complicated conditions for the construction. –Manuscript.
Thesis for Degree of Candidate of Technical Science, specialty 05.23.01 –Structure of Buildings and Constructions. –Pridneprovskaya State Academy of Civil Engineering and Architecture. Dnepropetrovsk, 2003.
The work is devoted to the investigation of the influence of parameters used in analysis of elements of buildings and structures, on the analytical models of these objects exploited under complicated conditions for the construction, and also the solution of problems for the verification of the adequacy of analytic models by results of detailed natural inspection of buildings. The possibility of predicting the variation of the stress-strain state of the elements of buildings and structures by results of their calculations on limiting meanings of influences of the bases for complicated earth conditions is shown.
Has been elaborated an engineering methodology that takes in consideration the parameters of influence on buildings and structures in their analytical models, substantiation of simplification of the analytical models with the subsequent specification of results of their analysis by correction of stress-strain state parameters with coefficients received from empirical dependence.
Has been elaborated the methodology, which includes recommendations for drawing up the analytical models for a different variants of external influences on buildings, substantiation of simplification of the analytical models of buildings, recommendation to takes in consideration the analysis parameters, and also recommendation concerning the subsequent specification the results of analysis of the models with the help of empirical dependences.
Keywords: analytical models, buildings - representatives, analysis parameters, complicated conditions for the construction, stress-strain state, adequacy of analytical models, prediction of the exploitation state of the buildings.