Том 21, № 6 (2025)

Проблема обеспечения механической безопасности несущих конструкций зданий и сооружений представляется особенно актуальной. Одним из важных аспектов этой проблемы является прочность сжатых и сжато-изогнутых элементов при действии поперечной ударной нагрузки. При этом для железобетонных колонн может реализовываться несколько схем разрушения. Разработана методика аналитического определения предельной нагрузки от горизонтального удара для элементов квадратного поперечного сечения при реализации схемы разрушения по наклонному сечению. Характерными аварийными ситуациями, соответствующими этой схеме разрушения, являются столкновения с колонной автомобиля или удары вблизи зоны опорного закрепления конструкции. Основой аналитического расчета являются уравнения статического равновесия, в которых используются предельные механические характеристики материалов с учетом динамического упрочнения. При деформировании бетона учитывается эффект от стеснения в направлении, перпендикулярном сжатию, что повышает расчетное сопротивление бетона, но вызывает дополнительные напряжения в поперечной арматуре. Выполнен пример расчета железобетонной колонны здания, доведенный до числовых значений, и приведено сопоставление результатов предлагаемой методики с численным расчетом. В качестве инструмента численного расчета использовалась верифицированная объемная конечно-элементная модель. Выявлены ограничения предлагаемого аналитического метода и установлена его достаточно высокая точность и эффективность. Сформулированы перспективы дальнейших разработок и даны рекомендации по конкретному использованию метода для обеспечения механической безопасности железобетонных колонн.

Исследовано влияние несимметричной нагрузки на деформацию каркаса и на напряженное состояние основных элементов ребристо-кольцевого купола. Выявлена особенность работы купольного каркаса на несимметричную нагрузку по сравнению с симметричной при увеличении расстояния между поддерживающими купол колоннами. Одновременно с этим также установлена зависимость напряженно-деформированного состояния купольного каркаса от вида узловых сопряжений его элементов. В качестве объекта исследования рассматривался металлический ребристо-кольцевой купол из стальных труб. Купол имел четыре разные схемы опирания, характеризующиеся тем, что колонны располагались не под каждым ребром, но циклически симметрично по контуру. Для каждой схемы опирания в куполе изменялись виды узловых сопряжений элементов каркаса между собой. Разных схем по комбинациям видов сопряжений было пять. Исследования проводились посредством расчетов разных схем каркасов на компьютерных моделях. Всего исследованных расчетных компьютерных моделей насчитывалось двадцать. В процессе расчетов определялись деформации и напряжения в основных элементах купола каждой модели. Получены сведения о напряженно-деформированном состоянии всех моделей для несимметричной и симметричной нагрузок, которые сравнивались друг с другом. Составлены сравнительные диаграммы зависимостей деформаций купола и напряжений в его основных элементах от несимметричной и симметричной нагрузок для всех рассмотренных моделей. Диаграммы показали существенное влияние несимметричной нагрузки на деформацию купола и напряженное состояние элементов ребристо-кольцевого купола для всех схем опирания и видов узловых сопряжений. Отмечено, что при несимметричной нагрузке наибольшее увеличение напряжений по сравнению с симметричной происходит в меридиональных ребрах и значительное в верхнем кольце купола. В наибольшей степени увеличение деформаций и напряжений наблюдается при шарнирных узловых сопряжениях и зависит от схемы опирания купольного каркаса.

Промышленные строительные конструкции работают в тяжелых эксплуатационных условиях. Ярким примером таких конструкций являются вентиляторные градирни, которые воспринимают существенные вибрационные нагрузки, вызываемые от работающего вентилятора; при этом внутренние поверхности конструкций испытывают воздействие относительно высоких температур от контакта с охлаждаемой водой, а наружные поверхности находятся постоянно под воздействием окружающей среды. Известный подход диагностики конструкции не учитывает изменение интегральных механических свойств тонкостенных элементов конструкций и образование локальных углублений и сквозных отверстий. На примере крупногабаритной вентиляторной градирни описан подход диагностики конструкций, подверженных воздействию вибрации от работающего вентилятора и температуры охлаждаемой воды, а также окружающей среды. Экспериментально-теоретическим методом исследовано влияние вибрации и температуры на процесс коррозионного износа тонкостенных элементов конструкций. На базе нового варианта метода конечных элементов, развитого для расчета конструкций в цилиндрической системе координат, исследовано исходное и актуальное состояние металлической части вентиляторной градирни с учетом пластических деформаций. При расчете актуального состояния были учтены коррозионные дефекты и изменения жесткостных свойств тонкостенных элементов, возникших в процессе эксплуатации в результате комплексного воздействия вибрации и относительно высоких температур. Установлено, что наличие вибрации и повышенная температура среды способствуют ускоренной коррозии; при этом с увеличением температуры и времени воздействия вибрации эффект усиливается. Коррозионный износ приводит к существенному росту напряжений и образованию пластических деформаций, что обусловливает перераспределение напряжений. Отмечено, что обнаруженные эффекты необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации металлических конструкций, испытывающих существенные вибрационные нагрузки и работающих при высоких температурах.

Многие численные методы анализа жестких оболочек, такие как метод конечных элементов (МКЭ) в перемещениях, метод конечных разностей энергий, метод разделения переменных, кинематический метод теории предельного равновесия и т.д., предложены и апробированы до 2000 г. Большинство задач статического и динамического анализа канонических оболочек были успешно решены одновременно. Все эти методы активно использовались и после 2000-х гг. Однако перед инженерами-конструкторами, архитекторами и строителями стали возникать новые проблемы, связанные с многослойными стенками оболочек, с появлением новых конструктивных композиционных материалов, а следовательно, и с решением физически нелинейных задач. Геометры представили несколько сотен новых форм средних поверхностей оболочек, и поэтому возникла необходимость выбора оптимальных форм из нескольких аналогов с использованием критериев оптимальности. Выбор необходимых вычислительных комплексов из множества их типов стал проблемой. Новые проблемы требовали новых подходов к их решению. Проведен критический анализ предлагаемых решений по выполнению анализа оболочки на прочность, устойчивость и вибрацию в связи с новыми проблемами, появившимися после 2000го года. В качестве примера взяты жесткие оболочки в виде аналитических поверхностей, спроектированные с использованием канона параметрической архитектуры. Выделены аналитические средние поверхности оболочек, которые привлекли внимание архитекторов после 2000 года, и впервые отмечены подходящие методы анализа этих оболочек. Обзор составлен на основе 112 фундаментальных научных работ, опубликованных после 2000-х годов. Других научных обзоров, посвященных исследованию совместных задач геометрии, применению и расчету сборных жестких тонкостенных оболочек с аналитическими средними поверхностями, авторами найдено не было.

Влияние использования различных строительных материалов на окружающую среду при производстве экологически безопасного бетона имеет большое значение. Использование нанотехнологий в промышленности становится все более актуальным с тех пор, как устойчивое развитие стало необходимостью для защиты окружающей среды и интересов будущих поколений. Однако растрескивание по-прежнему остается большой проблемой, вызывающей ухудшение структуры и сокращение срока службы. Новые подходы к самовосстановлению бетона стали возможны благодаря последним разработкам в области нанотехнологий и биотехнологий, которые повысили выносливость и механические качества материала. Авторами изучено использование микробных агентов, а именно щелочеустойчивых бактерий типа Bacillus, и наноматериалов, включая углеродные нанотрубки и нанокремнезем, для создания самовосстанавливающегося бетона. В то время как микроорганизмы, внедренные в пористый керамзит, создают карбонат кальция для самостоятельной заделки трещин, наноматериалы повышают прочность, непроницаемость и устойчивость бетона к внешним условиям. Кроме того, для ремонта трещин исследуются такие технологии, как сплавы с памятью формы, полые волокна и микрокапсулы. Также осознание замечательных механических свойств и долговечности самовосстанавливающегося нанобетона позволяет сократить воздействие на окружающую среду и расходы на модернизацию конструкций. Согласно экспериментальным данным, бактериальный самовосстанавливающийся бетон закрывает все трещины за два месяца, в то время как обычный бетон закрывает только 33 % из них. Эти технологии обещают фундаментальные изменения в сторону устойчивой, долговечной и интеллектуальной инфраструктуры, несмотря на такие препятствия, как высокая стоимость, дисперсность наночастиц и долгосрочная жизнеспособность. Будущие исследования направлены на совершенствование этих технологий для широкого применения при сохранении экологической безопасности и экономической жизнеспособности.

Цель исследования - разработка интегрального критерия выбора алюминиевого сплава для резервуаростроения в условиях пониженных температур. В ходе работы были проведены экспериментальные исследования четырех алюминиевых сплавов 1915Т, 6082-Т6, АД35Т1, 1565ч согласно российским нормативам. Для обработки результатов испытаний применялись стандартные алгоритмы математической статистики: расчет выборочных характеристик, проверка выборок на нормальность распределения и исключение грубых погрешностей измерений. Выделены группы характеристик, влияющие на эффективность применения сплава: стандартные механические свойства, ударная вязкость, характеристики трещиностойкости, усталостные характеристики, сопротивление коррозии, стоимостно-весовые характеристики. Проведенные в процессе исследования экспертные опросы позволили определить весовые коэффициенты как внутри групп, так и самих групп при формировании интегрального критерия. Показано, что наибольший вес имеют усталостные характеристики и характеристики трещиностойкости, что указывает на необходимость включения расчета параметров усталости и трещиностойкости в нормативные документы по проектированию резервуаров из алюминиевых сплавов. Важность повышения усталостных характеристик и трещиностойкости алюминиевых сплавов для применения в арктических условиях должна быть учтена и при проектировании новых сплавов, и термических обработках существующих. Из рассмотренных в исследовании сплавов наилучший интегральный показатель у сплава 1915Т. Этот сплав обладает существенно более высокими усталостными характеристиками и ударной вязкостью по сравнению с остальными исследованными сплавами. Наихудший интегральный показатель у сплава АД35Т1, что косвенно подтверждает преимущества естественного старения алюминиевых сплавов. Лучшими стоимостно-весовыми характеристиками обладает сплав 1565ч. Дальнейшее исследование предполагает расширение показателей, входящих в предложенный интегральный критерий за счет введения показателей свариваемости.