СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Исследована задача устойчивости цилиндрической оболочки с различными модулями на вязкоупругом основании. Предполагается, что оболочка круглого сечения подвергается силовому воздействию и теряет устойчивость в осесимметричной форме. Считается, что один конец оболочки остается неподвижным, а другой меняет свое местоположение (движется) с определенной скоростью. При этом предполагается, что поперечное перемещение больше продольного. При решении задачи принималось во внимание сопротивление внешней среды, а также учитывалось, что цилиндрическая оболочка изготовлена из разномодульного материала. Получены уравнения связи между критической силой c характерными параметрами для цилиндрической оболочки, расположенной на основании, характеризуемом, в свою очередь, как вязкоупругое основание, и моделью Пастернака. Из полученных уравнений и изложенных результатов видно, что допускаются серьезные погрешности, если при решении вопросов устойчивости не учитываются сопротивление внешней среды и разная модульность. Результаты расчета показывают, что значение критической силы в рассматриваемом случае существенно отличается от значений, соответствующих классическим задачам, и зависит от параметров, характеризующих сопротивление основания. Полученные результаты могут быть использованы при расчетах разномодульных цилиндрических оболочек на прочность, устойчивость и частотно-амплитудных характеристик с учетом сопротивления внешней среды.

Сформулирована динамическая задача с отрицательным течением времени. Обычные уравнения движения с добавлением начальных условий достаточны не только для того, чтобы рассматривать движение деформируемой системы при обычном, прямом течении времени, но позволяют восстанавливать состояние системы для предыдущих моментов времени. Практическое приложение решения задач с отрицательным временем авторы видят, прежде всего, в контроле численных методов инте- грирования уравнений движения, поскольку прямой и обратный ход не являются идентичными. Предлагаемый способ тестирования численных методов решения динамических задач в принципе может быть применен к любой вычислительной схеме интегрирования уравнений движения. Дано два примера с численным решением на основании явной вычислительной схемы с экстраполяцией по Адамсу. Решаемые задачи относятся к плоско-деформированному состоянию пластин в условиях больших перемещений. Области пластин разбиваются на треугольные конечные элементы с равномерным шагом для пространственной сетки. Криволинейные границы в этом случае получаются ступенчатыми. Результаты приведенных тестовых примеров продемонстрировали хорошую точность тестируемого метода. Были рассмотрены задачи, требующие большого количества шагов интегрирования (до 1 миллиона), при этом система возвращалась в исходное состояние с большой точностью. Второе из приведенных численных решений имело расчетную схему из 160 000 конечных элементов, динамическое решение задачи носит явно выраженный волновой характер решения. В примерах приведены данные о восстановлении значений упругих перемещений, скоростей и напряжений. Основной вывод, который можно сделать из работы, заключается в том, что предлагаемый вариант контроля численных методов может быть эффективно использован, особенно для задач, решение которых носит волновой характер.

Дифференциальные уравнения равновесия безмоментной теории оболочек легче всего интегрируются для цилиндрических и прямых конических круговых оболочек. Труднее задача решается для оболочек нулевой гауссовой кривизны, заданных не в линиях кривизны. Это еще раз подтверждено на примере конической эллиптической оболочки. Впервые получены аналитические формулы для определения нормальных и касательных внутренних усилий в прямой конической эллиптической оболочке по безмоментной теории оболочек, заданных в неортогональной сопряженной системе криволинейных координат. Полученные результаты могут быть использованы для приближенной оценки напряженного состояния тонких конических оболочек на эллиптическом основании, а также при исследовании устойчивости этих оболочек. Четыре внутренних тангенциальных усилия, полученные интегрированием системы четырех уравнений равновесия элемента оболочки, содержат две неизвестные функции интегрирования, которые находятся при выполнении поставленных граничных условий. Использование полученных аналитических формул проиллюстрировано на примере расчета усеченной конической эллиптической оболочки со свободным верхним краем. Внешняя нагрузка — поверхностная равномерно распределенная нагрузка в направлении вертикальной оси оболочки. Приведенные формулы легко адаптируются для случая расчета прямой круговой конической оболочки.

Большое количество зданий за свой эксплуатационный период приобретают повреждения различного происхождения: техногенного, природного, эксплуатационного и др. Для детальной оценки технического состояния зданий и сооружения в соответствии с нормативными документами проводят динамические испытания для общего анализа состояния поврежденности здания. Во многих работах отечественных и зарубежных авторов приведены результаты сопоставления натурных испытаний и численных расчетов методом конечных элементов. При анализе результатов можно сделать выводы, что динамический метод является достоверным, однако имеет ряд ограничений. Преимуществом динамического метода оценки повреждений зданий является возможность корректировки конечно-элементных моделей в программных комплексах с учетом полученных результатов по натурным испытаниям, что позволяет получить более точные результаты для оценки несущей способности в условиях сейсмических воздействиях. Для уточнения сведений о влиянии повреждений зданий на их сейсмостойкость был поставлен эксперимент на коррозионно-поврежденных железобетонных колоннах. Результатом первого этапа эксперимента является оценка изменения динамических характеристик (собственная частота, декремент колебаний, коэффициент затухания колебаний и др.) железобетонных образцов колонн, подверженных коррозионным повреждениям.

В настоящее время спектр максимальных реакций представляет собой основное понятие в сейсмической инженерии и является удобным средством для представления воздействия землетрясений на сооружения. Он также дает возможность для применения на практике положений динамики конструкций при проектировании конструкций и разработке требований в строительных нормах и правилах. К сожалению, российским проектировщикам эта концепция практически не известна и не используется в расчетах на сейсмостойкость. В российских нормах при расчетах на сейсмостойкость используется концепция динамических коэффициентов, не имеющая физического смысла для землетрясений. Отсутствие в российских нормативных документах по расчету сооружений на сейсмостойкость понятия спектров ответов, по нашему мнению, является серьезной ошибкой. Представление спектров реакций максимальных перемещений, скоростей и ускорений в логарифмических координатах на одном графике позволило выявить закономерности практически любых сейсмических воздействий, что нашло широкое применение в нормативных документах многих стран.

Исследовано влияние длительности эксплуатации железобетонного каркаса здания на параметры его живучести при сценарии внезапного отказа одного из несущих элементов конструктивной системы. В качестве объекта исследования была выбрана железобетонная несущая система здания филармонии. Для количественной оценки ее живучести используется относительный индекс живучести, связанный с параметрами разрушающей нагрузки для системы с наличием начального локального разрушения и без разрушений. В рамках исследования выполнялось квазистатическое моделирование методом конечных элементов с учетом физической и геометрической нелинейности. Физическая нелинейность бетона, в том числе при длительной эксплуатации сооружения, учитывалась с помощью модифицированных билинейных диаграмм состояния материала, отличавшихся для элементов с различным напряженно-деформированным состоянием на стадии длительной эксплуатации. Параметры таких диаграмм были получены с использованием интегрального модуля В.М. Бондаренко. По результатам исследования получены и проанализированы деформации и усилия в элементах несущей системы после возникновения в ней начального разрушения. Построены графики зависимости изменения процента разрушенных элементов от параметров разрушающей нагрузки для моделей несущей системы с наличием начального локального разрушения в виде отказа колонны крайнего ряда и моделей системы без начальных разрушений. Показано, что при учете длительности эксплуатации сооружения значения параметра разрушающей нагрузки и параметра живучести несущей системы снижаются.

Исследовано поведение сферической оболочки из легкого пенополистиролбетона (EPSC) при изгибе и проведено сравнение ее с аналогичной бетонной оболочкой. Такое поведение EPSC еще не изучено, и этот материал не применялся в конструкциях оболочек. В качестве методов были использованы численный анализ линейной потери устойчивости (LBA), нелинейный анализ материалов (MNA) и геометрический нелинейный анализ материалов с учетом дефектов (GMNIA) как для бетонных, так и для EPSC сферических оболочек с одинаковыми геометрическими параметрами в программном обеспечении ABAQUS. Согласно результатам исследования, упругие и пла- стические свойства оболочки EPSC на изгиб и сопротивление изгибу, полученные методом GMNIA, меньше, чем у аналогичной бетонной оболочки. Максимальные перемещения оболочки EPSC, соответствующие методу GMNIA, при приложении первых собственных и фактических нагрузок превышают размеры бетонной оболочки на несколько миллиметров. Способность оболочки EPSC к потере устойчивости, полученная с помощью трех методов, превышает фактическое внешнее равномерное давление (собственный вес EPSC и фактическая снеговая нагрузка), а результаты смещения являются достаточно обоснованными, чтобы гарантировать стабильность сферических оболочек EPSC и возможность их практического применения.