Строительная механика инженерных конструкций и сооружений

Исследован численный метод анализа быстротекущего динамического поведения системы тел при их контактном взаимодействии. Метод исследования основан на анализе сходимости решения при сгущении конечно-элементной сетки и уменьшении временного шага. Алгоритм и соответствующая компьютерная программа разработан авторами. Задача рассматривается в геометрически и физически нелинейной постановке, рассматриваются большие упругие и пластические деформации. Использован метод конечных элементов. Применяется простейший треугольный конечный элемент с линейным полем перемещений. Первоначальная сетка конечных элементов принята равномерной, в процессе деформирования пластины она сильно видоизменяется, так как моделируются большие перемещения. Рассматривается плоская деформация. За критерий начала наступления пластических сдвигов принимается достижение касательными напряжениями заданного в условиях задачи определенного предела. Реализованная в программе зависимость между деформациями и напряжениями подразумевает учет истории деформирования материала в данной точке, а не только текущее значение деформаций. Модель позволяет рассматривать и разгрузку, если таковая имеет место. Расчетная модель ориентирована на правильный учет геометрии при больших перемещениях и углах поворота, допускает рассмотрение свободного полета составляющих расчетной схемы, их контактное взаимодействие. В части интегрирования уравнений движения программа опирается на явную схему вычислений с экстраполяцией по Адамсу. Применение изложенного алгоритма показано на примере задачи об ударе летящей короткой балки (пластины) по жесткому упору. Пример включает рассмотрение ударного взаимодействия, отскок от упора, свободный полет колеблющейся балки. Дается сравнение упругого и неупругого поведения материала. Продемонстрирован волновой характер решения. Пример всесторонне проанализирован, в частности, исследована сходимость при двукратном сгущении сетки и уменьшении шага по времени. Максимальное количество конечных элементов составляет 204 800. Численный алгоритм имеет ряд особенностей: постоянное получение и хранение напряжений для площадок, ориентированных по неподвижным глобальным осям, возможность появления деформаций сдвига на любой из критических площадок. Сделан вывод о невозможности достижения сходимости для ускорений при сгущении сетки и вывод о том, что эта невозможность не является фатальной для метода. Как альтернатива предлагается определение ускорения центра масс балки или любого фрагмента расчетной схемы.

Нить конечной жесткости является расчетной моделью для широкого круга несущих конструкций, например большепролетных висячих покрытий общественных и промышленных зданий. Вместе с тем сравнительно недавно появился новый класс инженерных сооружений, предназначенных для создания непреодолимого физического препятствия несанкционированному продвижению автотранспортных средств. Основными элементами, обеспечивающими общую прочность и жесткость конструкций подобных сооружений, являются стальные профили с сечением в виде кольца, работающие по восприятию поперечного удара. В связи с этим возникает потребность в решении задач оптимального проектирования указанных элементов. Цель исследования - создание метода, позволяющего ставить и решать обозначенные задачи. В основу разработанного метода положена однокритериальная многопараметрическая условная оптимизация, метод Бубнова - Галеркина, а также интегральное и дифференциальное исчисление функций нескольких переменных. Проведена верификация предложенной технологии моделирования. Расхождения в значениях принятых критериев оценки истинности получаемых результатов укладываются в допустимые погрешности решения инженерных задач. С помощью созданного метода проведены исследования и выявлено влияние соотношения внутреннего к внешнему диаметру кольцевого профиля на массогабаритные характеристики, а также поведение изгибно-жесткой нити под действием кратковременной динамической нагрузки.

Большепролетные конструкции покрытия позволяют создавать просторные помещения без использования промежуточных опор, что важно для гибкой планировочной системы промышленных и общественных зданий. Как правило, такие конструкции выполняют из металлических или железобетонных ферм или арок. Объектом исследования является новая двускатная конструкция деревянного дощатого покрытия-настила для промышленного здания пролетами 24 и 30 м. Ширина настила без стропильных конструкций составляет 2,4 м. Соединение отдельных досок и элементов между собой в настиле предусматривается гвоздевыми и болтовыми, что выгодно отличает его от клеёных деревянных конструкций. Существует возможность сборки конструкции непосредственно на строительной площадке. Не требуется доставка крупномасштабного изделия до места монтажа. Представлен подробный анализ конструктивных решений, приведены методы расчета, в результате которых определено, что предложенная конструкция удовлетворяет условию изгибной жесткости. Описана простая в изготовлении и монтаже система, основанная на применении деревянных досок и панелей, которые обеспечивают необходимую общую устойчивость конструкции, что делает ее привлекательным вариантом для использования в различных климатических районах. Результаты исследований подтверждают высокую перспективность дальнейшего внедрения подобной технологии в реальную практику проектирования.

Исследована сейсмическая уязвимость железобетонных зданий, не соответствующих требованиям строительных норм и правил в сравнении с сооружениями, построенными с их соблюдением. Для оценки критических сейсмических характеристик, таких как собственный период колебаний, коэффициент участия масс, поперечная сила в основании, спектр несущей способности, коэффициент пластичности, коэффициент сверхпрочности, механика разрушения и нелинейное гистерезисное демпфирование, использован линейный упругий и нелинейный статический расчет. Сооружения, спроектированные в соответствии с непальскими сводами правил NBC 205 (старый) и RUD 205 (новый), а также индийским сводом правил IS 1893, были проанализированы относительно образцов зданий (NES1-NES6), не соответствующих строительным нормам, с целью выявить различие в характеристиках. Полученные результаты показывают, что здания, соответствующие строительным нормам, демонстрируют значительно более высокую сейсмостойкость, гибкость, эффективное рассеивание энергии землетрясения, высокую пластичность, коэффициент сверхпрочности и предел поперечной силы у основания. В зданиях, не соответствующих строительным нормам, часто наблюдается разрушение гибкого этажа, при этом первоначальные повреждения наблюдаются в колоннах, что подчеркивает их уязвимость во время сейсмической активности. Вместе с тем железобетонные здания, спроектированные по RUD с учетом сейсмических принципов, демонстрируют лучшие сейсмические характеристики, придерживаясь концепции «прочная колонна, слабая балка», а также превосходное соотношение прочности и сейсмостойкости, более высокие коэффициенты сверхпрочности и пластичности, что подчеркивает их сейсмоустойчивость. Результаты показывают, что соблюдение положений строительных норм и правил обеспечивает сейсмостойкость зданий с гарантированной пластичностью несущей конструкции, что позволяет реализовать расчетный механизм разрушения.