Том 15, № 3 (2019)
- Год: 2019
- Статей: 9
- URL: https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/issue/view/1201
- DOI: https://doi.org/10.22363/1815-5235-2019-15-3
Весь выпуск
Расчет и проектирование строительных конструкций
Метод полной дискретизации в совместном расчете во времени системы «конструкция - фундамент - грунт»
Аннотация
Цели исследования. Перспективный переход СНГ на европейские стандарты проектирования в строительной отрасли требует разработки новых и модификации известных инженерных методов расчета и проектирования строительства. Создание и развитие таких методов должно основываться на фундаментальных исследованиях, которые могут стать основой для разработки принципиально новых, инновационных технологий. Методы. В статье рассматриваются основы метода полной дискретизации и его практическое применение. Этот метод является специальной модификацией метода конечных элементов для решения задач ползучести. Практическое применение метода иллюстрируется моделированием и прикладными задачами. Результаты. В работе представлен совместный расчет системы «конструкция - фундамент - грунт» на примере резервуара модульной станции биологической очистки сточных вод, проектируемой для полей фильтрации в поселке Тасбогет Акмолинской области Республики Казахстан. Во всей расчетной области получена полная картина эволюции векторов перемещений, деформаций и напряжений во времени с учетом технологии возведения, проведено сравнение результатов расчета с учетом и без учета технологии возведения конструкций.
![pages](/img/style/pages.png)
![views](/img/style/views.png)
![](/img/style/loadingSmall.gif)
Рационализация конструктивной формы башен с предварительно напряженными затяжками
Аннотация
Актуальность. Одним из основных направлений развития систем мобильной связи, радиотехнических и телекоммуникационных систем является совершенствование конструктивной формы несущих опор, что позволит решить ряд практических задач: увеличить зону покрытия, обеспечить более высокие показатели скорости передачи данных и стабильность работы в условиях растущего количества пользователей. Указанные обстоятельства обосновывают актуальность исследований в данном направлении. Цели. Задача исследования заключалась в оптимизации конструктивного решения башен с параллельными затяжками, обеспечивающего возможность возведения и безопасной эксплуатации на протяжении заданного срока службы путем выполнения требований по прочности, устойчивости и деформациям к таким сооружениям при минимальной материалоемкости. Методы. Для расчетов применялся метод конечных элементов для математического моделирования с использованием программно-вычислительных комплексов, а при создании линейки моделей для численных экспериментов - метод математического планирования экспериментов. Результаты. В статье рассмотрена работа башен предложенного конструктивного решения в качестве опор для размещения оборудования операторов сотовой связи на примере башни высотой 42 м. Для установления основных характеристик напряженно-деформированного состояния конструкций опор созданы и рассчитаны модели в программных комплексах, в основу работы которых заложен метод конечных элементов. Выполнен сравнительный анализ усилий в оттяжках, определенных аналитическим расчетом и методом конечных элементов, а также анализ изменения напряженно-деформированного состояния башен от воздействия влияющих факторов, таких как ветровая и гололедноветровая нагрузки, угол наклона оттяжек на нижнем ярусе башни. По критерию минимальной металлоемкости и технологичности возведения башен определены рациональные габаритные размеры башни. Предложены варианты конструирования основных узлов сопряжений элементов башни.
![pages](/img/style/pages.png)
![views](/img/style/views.png)
![](/img/style/loadingSmall.gif)
Результаты компьютерного расчета величины ветровой нагрузки, действующей на свод из вальцованных профилей
Аннотация
Целью исследования является численное определение воздействия ветровых нагрузок на свод из вальцованных профилей системы MIC-120. Методы. В статье приведены расчеты по определению величины ветровой нагрузки, действующей на свод из вальцованных профилей, и сопоставление результатов компьютерного моделирования с СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». Исследование проводилось путем моделирования виртуальной аэродинамической трубы с помещенным в нее сводом из вальцованных металлических профилей для ветра, действующего в торец свода (вдоль образующей), перпендикулярно к своду и под углом, а также вдоль него с изменением пролета от 12 до 24 метров. Моделирование свода из вальцованных профилей и виртуальной аэродинамической трубы выполнялось в программном комплексе COSMOSFloWorks по изложенной в ранних публикациях методике [2; 11]. Теоретико-методологическую основу исследования составили уравнения Навье - Стокса и уравнения состояния компонентов текучей среды. Результаты. Рассчитано давление на свод в зависимости от траектории и скорости ветра в разных ветровых районах и направлениях действия ветрового потока, произведено сравнение давления на свод, полученное с помощью компьютерного моделирования, с давлением по СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия», сопоставлены результаты по ветровому давлению для гладкого и ребристого сводов с одинаковыми параметрами, полученных компьютерным моделированием [14-17]. По итогам расчетов можно заключить, что нормативное давление по СП не меняется в зависимости от пролета, а результаты компьютерного моделирования показывают изменение давления от величины пролета.
![pages](/img/style/pages.png)
![views](/img/style/views.png)
![](/img/style/loadingSmall.gif)
Теория тонких оболочек
Оптимальные оболочки вращения и основные критерии оптимальности
Аннотация
Цели. Критерий оптимальности - признак, на основании которого производится сравнительная оценка возможных альтернатив и выбор наилучшего решения. Критерием выбора оптимальной формы оболочки вращения может быть ее стоимость, минимальный вес, отсутствие изгибающих моментов и растягивающих нормальных усилий, заданное напряженное состояние для действующей внешней нагрузки, заданная несущая способность при оптимальной пологости, максимальная внешняя нагрузка, минимальный вес при ограничениях на значения собственной частоты колебаний и максимальных перемещений, отсутствие изгибающих моментов при учете внутреннего давления, собственного веса и центробежных сил, максимум критической нагрузки и многое другое. Выбрать приемлемый критерий оптимальности оболочки вращения - цель настоящего исследования. Методы. В статье представлены основные критерии оптимальности для оболочек вращения и источники получения информации за период с 1970 по 2019 г., что поможет изучить предшествующие результаты по использованию критериев оптимальности и приступить к дальнейшим изысканиям. Однако единого подхода к определению оптимальной оболочки вращения нет и, повидимому, не будет. Для каждого конкретного случая нагружения, или распределения напряжений по толщине, или требований к отношению объема и площади поверхности рассматриваемой оболочки, к учету различного вида расходов и других требований необходимы свои критерии оптимальности. Результаты. Впервые представлены 24 критерия оптимальности, применяемые для оболочек вращения. Указаны ученые, предложившие эти критерии, и даны соответствующие ссылки на 45 источников информации, в которых описываются рассматриваемые критерии. Показано, что принципы, положенные в основу оптимального проектирования, должны быть изложены с помощью языка, понятного компьютерам. Используя материалы статьи, проектировщики могут выбрать критерии для своего собственного проекта оптимальной формы оболочки.
![pages](/img/style/pages.png)
![views](/img/style/views.png)
![](/img/style/loadingSmall.gif)
Геометрическое моделирование и численный расчет физически нелинейных оболочек в форме однополостного гиперболоида вращения
Аннотация
Цели. Поверхность вращения образуется вращением плоской кривой z = f(x) вокруг оси Oz , называемой осью вращения. В статьи рассматриваются поверхности в форме гиперболоидов вращения и их классификация. Проведены их геометрическое моделирование, линейное и материальнонелинейное исследования. Методы. Срединная поверхность гиперболоидов вращения построена с использованием программы MathCAD. Выполнены линейное и материально нелинейное численные исследования напряженно-деформированного состояния тонких оболочек формы гиперболоида вращения с применением метода конечных элементов в компьютерной программе R-FEM. Исходным материалом являлся бетон с изотопной нелинейной 2D/3D-кривой напряжения - деформации для материально-нелинейного исследования и линейной кривой напряжения - деформации для линейного расчета. Представлено сравнение результатов линейного и нелинейного напряженно-деформированных состояний. Результаты. Перемещения в исследованных оболочках под действием собственного веса и ветровой нагрузки при материально-нелинейном исследовании намного превышают перемещения при линейном расчете. С другой стороны, при воздействии свободной вибрации перемещения при линейном и материально нелинейном расчетах равны. Выводы, сделанные на основе полученных данных, приведены в статье.
![pages](/img/style/pages.png)
![views](/img/style/views.png)
![](/img/style/loadingSmall.gif)
Динамика конструкций и сооружений
Оценка рисков при сейсмопожароопасном воздействии на опасные производственные и категорированные объекты промышленности
Аннотация
Цель исследования - изучение и анализ риска воздействия опасных факторов (в частности, сейсмопожароопасного) на опасные производственные и категорированные объекты промышленности. Методы. Для решения поставленной задачи применялись аналитический, математический, оперативно-тактический и механо-статистический методы, а также метод исследования деформативности сейсмозащитных диафрагм. В статье рассмотрен риск сейсмовоздействия на опасные производственные объекты промышленности совместно со вторичными пожарами. Это обстоятельство - достаточно часто совпадающий совместный вектор - предлагается использовать как механизм обеспечения безопасности промышленных объектов от сейсмопожароопасного фактора воздействия, к которому относятся и аспирационные потоки. Анализ риска учитывает алгоритм обеспечения безопасности сложных технических и социальных систем, что свидетельствует о степени универсальности данного алгоритма. Этот механизм обеспечения безопасности наиболее актуален для архитектурных генпланов зданий и сооружений, а также для оперативно-тактических действий подразделений при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, кризисных и экстремальных явлений. Результаты. Полученные данные сопровождаются необходимыми математическими выкладками и экспериментальными оценками процесса обеспечения безопасности.
![pages](/img/style/pages.png)
![views](/img/style/views.png)
![](/img/style/loadingSmall.gif)
Расчет вертикальной жесткости фундамента с учетом взаимного влияния свай
Аннотация
Цели. В статье описаны исследования по определению влияния расстояния между сваями в кусте при вертикальных колебаниях фундаментов на величину динамической жесткости и сравниваются результаты, полученные при натурных испытаниях, в рамках волновой модели и согласно СП 26.13330.2012. Методы. Рассчитаны собственные частоты колебаний фундаментов из девяти свай диаметром d с высоким ростверком в зависимости от расстояний между сваями - 2 d , 3 d и 5 d . Полученные результаты сравнены с данными, полученными после серии импульсных динамических нагружений, выполненных в полунатурных условиях на моделях фундаментов. Значения скоростей поперечных волн определены непосредственно на опытном полигоне по результатам измерений. Результаты. Установлено, что увеличение расстояния между сваями в кусте приводит к повышению частот собственных колебаний свайных фундаментов. При изменении расстояния между сваями с 2 d до 5 d при вертикальных колебаниях фундаментов частота возрастает в 1,32 раза. Показано преимущество результатов расчетов в рамках волновой модели по сравнению с методом из СП 26.13330.2012 и их высокое совпадение с величинами, полученными в ходе экспериментов, что позволяет достоверно определять амплитудно-частотные характеристики фундаментов. Показатели, определяемые согласно СП 26.13330.2012, имеют значительно более низкие значения частот собственных колебаний с максимальным расхождением с экспериментальными данными в 2,7 раза и не в полной мере отражают изменение расстояния между сваями.
![pages](/img/style/pages.png)
![views](/img/style/views.png)
![](/img/style/loadingSmall.gif)
Экспериментальные исследования
Экспериментальные исследования железобетонных конструкций гидротехнических сооружений, усиленных композитными материалами
Аннотация
Актуальность. В процессе эксплуатации (в первую очередь при длительной эксплуатации) гидротехнических сооружений возникает необходимость усиления их железобетонных конструкций. В последние годы в промышленном и гражданском строительстве находит применение усиление железобетонных конструкций системами внешнего армирования из композитных материалов (например, углеродных). При этом в гидротехническом строительстве имеются только единичные примеры такого усиления. Цели. Представленные в статье экспериментальные исследования железобетонных конструкций гидротехнических сооружений, усиленных внешним армированием из углеродных материалов, проводились в целях обоснования применения внешнего армирования на основе углеродных материалов (лент и ламелей) для усиления железобетонных конструкций гидротехнических сооружений. Методы. Эксперименты по усилению гидротехнических сооружений внешним армированием из углеродных материалов осуществлялись с использованием специально изготовленных железобетонных моделей гидротехнических конструкций балочного типа. При этом для моделирования принимались железобетонные конструкции, имеющие характерные признаки гидротехнических сооружений, такие как невысокие классы бетона и проценты армирования (менее 1 %). Усиление железобетонных моделей выполнялось углеродными лентами и ламелями. Экспериментальные исследования проводились при действии изгибающего момента по стандартным методикам. Определялось повышение прочности железобетонных конструкций за счет их усиления углеродными лентами и ламелями. Результаты. Получены данные о прочности железобетонных конструкций гидротехнических сооружений без усиления и усиленных углеродными лентами и ламелями при действии изгибающего момента. На основе проведенного сравнения определено повышение прочности железобетонных конструкций за счет их усиления углеродными лентами и ламелями.
![pages](/img/style/pages.png)
![views](/img/style/views.png)
![](/img/style/loadingSmall.gif)
Определение разрушающих усилий в стержне-вантовой арке
Аннотация
Цель исследования - сравнение экспериментальных данных с результатами компьютерного моделирования работы усиленной стержне-вантовой арки. Метод исследования - экспериментально-теоретический. Результаты. Для определения характера разрушения рассматриваемой конструкции сначала проводились эксперименты на небольших настольных моделях. В ходе них было установлено, что разрушение арки происходит из-за скалывания мелкоразмерных деревянных брусков или в результате разрыва стального усиливающего элемента. Далее в ПК «ЛИРА-САПР» создавалась расчетная модель конструкции с использованием физически и геометрически нелинейных конечных элементов. Полученная модель загружалась сосредоточенной нагрузкой в зоне конька таким же образом, как и в ранее проведенных экспериментальных исследованиях. В результате расчета были получены численные значения деформации, которые отличаются от экспериментальных менее чем на 10 %, что говорит о близости компьютерной модели к реальной конструкции. В ходе дальнейшего анализа численной модели определялись наибольшие сжимающие силы в арке, а также растягивающее силы - в усиливающих ее стальных элементах. По формулам СП 64.13330.2017 и СП 20.13330.2016 вычислялись предельно допустимые скалывающие и наибольшие растягивающие усилия. Выявлено, что при заданном внешнем усилии деревянные бруски имеют более чем 7-кратный запас по прочности, а стальные ленты по их верху лишь 1,5-кратный, и при увеличении внешнего воздействия разрушение арки произойдет из-за разрыва стальных шпренгельных лент. По результатам исследования определен алгоритм расчета подобного рода конструкций с использованием ПК «ЛИРА-САПР». Рекомендуется сначала проводить расчет усиленной стержне-вантовой арки по II предельному состоянию с дальнейшей проверкой деревянных элементов на скалывание, а стальных шпренгельных элементов - на предельно допустимое растяжение. Расчет сечения исследуемой арки на устойчивость плоской формы деформирования решается так же, как расчет клеедеревянной арки по причине плотного соединения деревянных брусков с ликвидацией их податливости из плоскости.
![pages](/img/style/pages.png)
![views](/img/style/views.png)
![](/img/style/loadingSmall.gif)