Structural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsStructural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsСтроительная механика инженерных конструкций и сооружений1815-52352587-8700Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)2180210.22363/1815-5235-2019-15-4-251-260Analysis and design of building structuresРасчет и проектирование строительных конструкцийResearch ArticleNumerical analysis of mechanical safety parameters of Congress Hall building in ChelyabinskРасчетное обоснование механической безопасности Конгресс-холла в Челябинске8372-9904BelostotskyAlexander M.БелостоцкийАлександр Михайлович

Doctor of Science (Technical), Professor, Corresponding Member of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences (RAACS); Professor, Department of Construction; Executive Director

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН; профессор, департамент строительства; генеральный директор

pavel.akimov@gmail.com3838-0100AkimovPavel A.АкимовПавел Алексеевич

Doctor of Science (Technical), Professor, Full Member of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences (RAACS); Professor, Department of Construction; Vice-Director for Science

доктор технических наук, профессор, академик РААСН, профессор; профессор, департамент строительства; заместитель генерального директора по науке

pavel.akimov@gmail.comDmitrievDmitry S.ДмитриевДмитрий Сергеевич

leading structural engineer, Department of Computational Analysis

ведущий инженер-расчетчик, отдел расчетных исследований

pavel.akimov@gmail.com2381-8699PavlovAndrey S.ПавловАндрей Сергеевич

Candidate of Sciences, leading structural engineer, Department of Computational Analysis

кандидат технических наук, ведущий инженер-расчетчик, отдел расчетных исследований

pavel.akimov@gmail.comDyadchenkoYulia N.ДядченкоЮлия Николаевна

senior structural engineer, Department of Computational Analysis.

старший инженер-расчетчик, отдел расчетных исследований

pavel.akimov@gmail.com3400-0273NagibovichAlexander I.НагибовичАлександр Игоревич

senior structural engineer, Department of Computational Analysis

ведущий инженер-расчетчик, отдел расчетных исследований

pavel.akimov@gmail.comPeoples’ Friendship University of RussiaРоссийский университет дружбы народовScientific Research Center “StaDyO”Научно-исследовательский центр СтаДиОРоссийская академия архитектуры и строительных наукRussian Academy of Architecture and Construction SciencesНаучно-исследовательский центр СтаДиО15122019154VOL 15, NO4 (2019)ТОМ 15, №4 (2019)25126022092019Copyright ©; 2019, Belostotsky A.M., Akimov P.A., Dmitriev D.S., Pavlov A.S., Dyadchenko Y.N., Nagibovich A.I.Copyright ©; 2019, Белостоцкий А.М., Акимов П.А., Дмитриев Д.С., Павлов А.С., Дядченко Ю.Н., Нагибович А.И.2019Belostotsky A.M., Akimov P.A., Dmitriev D.S., Pavlov A.S., Dyadchenko Y.N., Nagibovich A.I.Белостоцкий А.М., Акимов П.А., Дмитриев Д.С., Павлов А.С., Дядченко Ю.Н., Нагибович А.И.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/21802

Aims of research. The article is devoted to actual problems of computational analysis of stress-strain state, strength and stability of load-bearing structures with allowance for the main and special combinations of loads and impacts, comparison of the results of alternative structural analysis of unique cultural and business complex “Congress Hall” in Chelyabinsk. The natural conditions of the area of location of this object and main load-bearing structures of the object are described. Besides, characteristic and design loads, their combinations, formulation of objectives of computational research and methods of solution are presented. Methods. Space discretization and solution of the corresponding problems of mathematical (numerical) and computer modelling of the considering unique building were carried out with the use of finite element method. Detailed finite element models of the coupled system “combined foundation - loadbearing structures” and its fragments (subsystems) were developed and verified. They adequately reflect geometric-stiffness, inertial and load parameters of the object and the resulting stress-strain state. Progressive collapse analysis are under consideration as well. Licensed, certified and verified (by the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences) finite element software package “ANSYS Mechanical” was used. Results. The resulting parameters of stress-strain state, strength and dynamics of load-bearing structures of the building with allowance for design (in accordance with design codes) combinations of vertical and wind loads are considered. Besides, information about results of progressive collapse analysis is presented. Thus, a reasonable conclusion is made about the reliability of the criterion parameters of strength, stability and dynamics of the load-bearing structures of the object.

Цели. Статья посвящена актуальным вопросам расчетных исследований напряженно-деформированного состояния (НДС), прочности и устойчивости основания и несущих конструкций при основных и особых сочетаниях нагрузок и воздействий, сравнительного анализа результатов альтернативных расчетов уникального проектируемого объекта строительства - общественно-делового центра «Конгресс-холл» в Челябинске. Описаны природные условия района расположения здания, устройство комбинированного основания, фундаментов и несущих конструкций объекта, основные и особые нагрузки (расчетные и нормативные) и их сочетания, постановка задач расчетных исследований, инструментарий их решения и полученные результаты. Методы. Дискретизация по пространству и решение результирующих задач математического (численного) моделирования состояния объекта осуществлялись методом конечных элементов в перемещениях. Построены, разработаны и проверены подробные конечноэлементные модели системы «комбинированное основание - несущие конструкции здания» и отдельных подсистем, адекватно отражающие геометрико-жесткостные, инерционные и нагрузочные характеристики объекта и результирующее НДС, проанализирована устойчивость против прогрессирующего обрушения. Все основные расчеты проведены с использованием лицензионного конечноэлементного программного комплекса ANSYS Mechanical, верифицированного в Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН). Результаты. Рассмотрены результирующие параметры НДС, прочности и динамики основания и несущих конструкций объекта при нормативно-регламентированных сочетаниях вертикальных и ветровых нагрузок, а также результаты расчетов на устойчивость против прогрессирующего обрушения. В заключении делается обоснованный вывод о достоверности полученных расчетами критериальных параметров, определяющих прочность, устойчивость и динамику несущих конструкций объекта.

mathematical modellingnumerical modellingcomputer modellingnumerical methodsfinite element methodmechanical safetystrengthstabilitystress-strain stateunique cultural and business complexматематическое моделированиечисленное моделированиекомпьютерное моделированиечисленные методыметод конечных элементовмеханическая безопасностьпрочностьустойчивостьнапряженнодеформированное состояниеуникальный общественно-деловой комплексSP 131.13330.2012. Stroitel'naya klimatologiya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 23-01-99* (s Izmeneniyami No. 1, [Construction climatology. Updated version of SNiP 2301-99* (with Modifications 1, 2)]. Enter. 2013-01-01.СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* (с Изменениями № 1, 2). Введ. 2013-01-01.SP 22.13330.2016. Osnovaniya zdanij i sooruzhenij. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 2.02.01-83* (s Izmeneniem No. 1) [Foundations of buildings and structures. Updated version of SNiP 2.02.01-83* (with Modification 1)]. Enter. 2017-07-01.СП 22.13330.2016. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83* (с Изменением № 1). Введ. 2017-07-01.SP 47.13330.2012. Inzhenernye izyskaniya dlya stroitel’stva. Osnovnye polozheniya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 11-02-96 [Engineering site investigations for construction. Main provisions. Updated version of SNiP 11-02-96]. Enter. 2013-07-01.СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96. Введ. 2013-07-01.SP 14.13330.2014. Stroitel’stvo v sejsmicheskih rajonah. Aktualizirovannaya redakciya SNiP II-7-81* [Construction in seismic areas. Updated version of SNiP II-7-81*]. Enter. 2014-06-01.СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*. Введ. 2014-06-01.SP 16.13330.2011. Stal’nye konstrukcii. Aktualizirovannaya redakciya SNiP II-23-81* (s Izmeneniem No. 1) [Steel structures. Updated version of SNiP II-23-81* (with Modification 1)]. Enter. 2011-05-20.СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* (с Изменением № 1). Введ. 2011-05-20.SP 20.13330.2016. Nagruzki i vozdejstviya. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 2.01.07-85* (s Izmeneniem No. 1) [Loads and impacts. Updated version of SNiP 2.01.07-85* (with Modification 1)]. Enter. 2017-06-04.СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* (с Изменением № 1). Введ. 2017-06-04.Belostotsky A.M., Akimov P.A. (2016). Nauchnoissledovatel'skij centr StaDiO. 25 let na fronte chislennogo modelirovaniya [Scientific Research Centre “StaDyO”.Белостоцкий А.М., Акимов П.А. Научно-исследовательский центр СтаДиО. 25 лет на фронте численного моделирования // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering (Международный журнал по расчету гражданских и строительных конструкций). 2016. Vol. 12. Issue 1. Pp. 8-45.years on the front of numerical modeling]. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 12(1), 8–45.Белостоцкий А.М., Акимов П.А., Аул А.А., Дмитриев Д.С., Дядченко Ю.Н., Нагибович А.И., Островский К.И., Павлов А.С. Расчетное обоснование механической безопасности стадионов к Чемпионату мира по футболу 2018 года // Academia. Архитектура и строительство. 2018. № 3. С. 118-129.Belostotsky A.M., Akimov P.A., Aul A.A., Dmitriev D.S., Dyadchenko Yu.N., Nagibovich A.I., Ostrovsky K.I. (2018). Raschetnoe obosnovanie mekhanicheskoj bezopasnosti stadionov k Chempionatu mira po futbolu 2018 goda [Analysis of Mechanical Safety of Stadiums for the World Cup 2018]. Academia. Architecture and Construction, (3), 118–129.Rossi D.F., Ferreira W.G., Mansur W.J., Calenzani A.F.G. A Review of Automatic Time-Stepping Strategies on Numerical Time Integration for Structural Dynamics Analysis // Engineering Structures. 2014. Vol. 80. Pp. 118-136.Rossi D.F., Ferreira W.G., Mansur W.J., Calenzani A.F.G. (2014). A review of automatic time-stepping strategies on numerical time integration for structural dynamics analysis. Engineering Structures, 80, 118–136.Travush V.I., Belostotsky A.M., Akimov P.A. Contemporary Digital Technologies in Construction. Part 1: About Mathematical (Numerical) Modelling // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 456. 012029.Travush V.I., Belostotsky A.M., Akimov P.A. (2018). Contemporary digital technologies in construction. Part 1: About mathematical (numerical) modelling. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 456, 012029.Travush V.I., Belostotsky A.M., Akimov P.A. Contemporary Digital Technologies in Construction. Part 2: About Experimental & Field Studies, Material Sciences, Construction Operations, BIM and “Smart” City // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 456. 012030.Travush V.I., Belostotsky A.M., Akimov P.A. (2018). Contemporary Digital Technologies in construction. Part 2: About experimental & field studies, material sciences, construction operations, BIM and “Smart” city. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 456, 012030.Wang L., Zhong H. A Time Finite Element Method for Structural Dynamics // Applied Mathematical Modelling. 2017. Vol. 41. Pp. 445-461.Wang L., Zhong H. (2017). A time finite element method for structural dynamics. Applied Mathematical Modelling, 41, 445–461.Yin J., Xu L., Wang H., Xie P., Huang S., Liu H., Yang Z., Li B. Accurate and Fast Three-Dimensional Free Vibration Analysis of Large Complex Structures Using the Finite Element Method // Computers & Structures. 2019. Vol. 221. Pp. 142-156.Yin J., Xu L., Wang H., Xie P., Huang S., Liu H., Yang Z., Li B. (2019). Accurate and fast three-dimensional free vibration analysis of large complex structures using the finite element method. Computers & Structures, 221, 142–156.Петров В.В. Расчет неоднородных по толщине оболочек с учетом физической и геометрической нелинейностей // Academia. Архитектура и строительство. 2016. № 1. С. 112-117.Petrov V.V. (2016). Raschet neodnorodnyh po tolshchine obolochek s uchetom fizicheskoj i geometricheskoj nelinejnostej [Calculation of inhomogeneous thickness of shells with considering physical and geometrical nonlinearities]. Academia. Architecture and Construction, (1), 112–117.Ляхович Л.С., Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Роль парадоксов в оценке корректности расчетных моделей // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering (Международный журнал по расчету гражданских и строительных конструкций). 2013. Vol. 9. Issue 2. Pp. 34-42.Lyakhovich L.S., Perelmuter A.V., Slivker V.I. (2013). Rol’ paradoksov v ocenke korrektnosti raschetnyh modelej [Role of paradoxes when estimating the correctness of design models]. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 9(2), 34–42.Водопьянов Р.Ю., Титок В.П., Артамонова А.Е. Программный комплекс ЛИРА-САПР 2015. Руководство пользователя. Обучающие примеры. М.: Электронное издание, 2015. 460 с.Vodopjanov R.Ju., Titok V.P., Artamonova A.E. (2015). Programmnyj kompleks LIRA-SAPR 2015. Rukovodstvo pol’zovatelja. Obuchajushhie primery [Program complex LIRA-SAPR 2015. User’s guide. Educational examples]. Moscow: Electronic edition, 460. (In Russ.)Барабаш М.С. Моделирование жизненного цикла конструкций высотных зданий с учетом сопротивляемости прогрессирующему разрушению // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering (Международный журнал по расчету гражданских и строительных конструкций). 2013. Vol. 9. Issue 4. Pp. 101-106.Barabash M.S. (2013). Modelirovanie zhiznennogo cikla konstrukcij vysotnyh zdanij s uchetom soprotivlyaemosti progres-siruyushchemu razrusheniyu [Modeling the Life Cycle High-Rise Buildings Structures in View Resistance Progressive Destruction]. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 9(2), 101–106.Кашеварова Г.Г., Пепеляев А.А. Исследование проблемы защиты типовых жилых зданий от прогрессирующего разрушения // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering (Международный журнал по расчету гражданских и строительных конструкций). 2008. Vol. 4. Issue 2. Pp. 69-70.Kashevarova G.G., Pepelyaev A.A. (2008). Issledovanie problemy zashchity tipovyh zhilyh zdanij ot progressiruyushchego razrusheniya [Analysis of the Problem of Protecting of Typical Residential Buildings from Progressive Collapse]. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 4(2), 69–70.Lin S.-C., Bai Y., Hou J., Huang Y. Progressive Collapse Analysis and Structural Robustness of Steel-Framed Modular Buildings // Engineering Failure Analysis. 2019. Vol. 104. Pp. 643-656.Lin S.-C., Bai Y., Hou J., Huang Y. (2019). Progressive Collapse Analysis and Structural Robustness of Steel-Framed Modular Buildings. Engineering Failure Analysis, 104, 643–656.Rahnavard R., Fard F.F.Z., Hosseini A., Suleiman M. Nonlinear analysis on progressive collapse of tall steel composite buildings // Case Studies in Construction Materials. 2018. Vol. 8. Pp. 359-379.Rahnavard R., Fard F.F.Z., Hosseini A., Suleiman M. (2018). Nonlinear analysis on progressive collapse of tall steel composite buildings. Case Studies in Construction Materials, 8, 359–379.Al-Salloum Y.A., Abbas H., Almusallam T.H., Ngo T., Mendis P. Progressive Collapse Analysis of a Typical RC High-Rise Tower // Journal of King Saud University - Engineering Sciences. 2017. Vol. 29. Issue 4. Pp. 313-320.Al-Salloum Y.A., Abbas H., Almusallam T.H., Ngo T., Mendis P. (2017). Progressive collapse analysis of a typical RC high-rise tower. Journal of King Saud University – Engineering Sciences, 29(4), 313–320.Wilkes J., Krauthammer T. An Energy Flow Approach for Progressive Collapse Assessment // Engineering Structures. 2019. Vol. 190. Pp. 333-344.Wilkes J., Krauthammer T. (2019). An Energy Flow Approach for Progressive Collapse Assessment. Engineering Structures, 190, 333–344.Travush V., Emelianov S., Kolchunov V., Bulgakov A. Mechanical Safety and Survivability of Buildings and Building Structures under Different Loading Types and Impacts // Procedia Engineering. 2016. Vol. 164. Pp. 416-424.Travush V., Emelianov S., Kolchunov V., Bulgakov A. (2016). Mechanical Safety and Survivability of Buildings and Building Structures under Different Loading Types and Impacts. Procedia Engineering, 164, 416–424.Travush V.I., Martirosyan A.S., Kashevarova G.G. Computer Modeling as Evaluation Method of Column Base Bearing Capacity in Tower Buildings // Procedia Engineering. 2016. Vol. 153. Pp. 773-780.Travush V.I., Martirosyan A.S., Kashevarova G.G. (2016). Computer Modeling as Evaluation Method of Column Base Bearing Capacity in Tower Buildings. Procedia Engineering, 153, 773–780.Hattab O., Chaari M., Franchek M.A., Wassar T. An Adaptive Modeling Approach to Structural Health Monitoring of Multistory Buildings // Journal of Sound and Vibration. 2019. 440. Pp. 239-255.Hattab O., Chaari M., Franchek M.A., Wassar T. (2019). An adaptive modeling approach to structural health monitoring of multistory buildings. Journal of Sound and Vibration, 440, 239–255.Kaytukov T.B., Belostosky A.M., Akimov P.A., Sidorov V.N. Mathematical and Computer Modelling as the Basis of Structural Health Monitoring // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 456. 012072.Kaytukov T.B., Belostosky A.M., Akimov P.A., Sidorov V.N. (2018). Mathematical and Computer Modelling as the Basis of Structural Health Monitoring. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 456, 012072.