Международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции», г. Брест, 2009 г.;

На семинарах кафедры «Металлические конструкции» МГСУ в 2006 - 2009 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано одно учебное пособие, 8 статей, 2 из которых опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов по результатам исследований и библиографического списка из 184 наименований. Диссертация содержит 212 страниц, 96 рисунков, 12

На защиту выносится наиболее существенный результат исследования, имеющий научную и практическую значимость, – концептуальная постановка проблемы живучести строительных конструкций и положения разработанной методики расчета на единичную живучесть.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение диссертации раскрывает актуальность выбранной для исследования темы, определяет и обосновывает объект, предмет, научную новизну и практическую значимость работы.

В первой главе диссертации выполнен в пространственно-временном, терминологическом, нормативном ракурсах критический анализ состояния проблемы, по результатам которого обзорные материалы систематизированы и изложены по нижеприведенным направлениям в следующей последовательности:

1. Возникновение первых методологических затруднений в вопросе стойкости строительных конструкций к отказам элементов в контексте истории развития темы с неудачным лингвистическим названием «прогрессирующее обрушение». Сложившиеся в нормативной базе различных стран подходы по защите от «прогрессирующего» обрушения;

2. Примеры трактовок и решения темы в разных сферах человеческой жизнедеятельности;

3. Проблема живучести в ключе системного подхода: место, роль и диалектика взаимосвязи основных свойств любой системы – надежности, живучести и безопасности;

4. Критика постановки вопроса стойкости строительных конструкций к «прогрессирующему» (диспропорциональному, лавинообразному, цепному и т. д.) обрушению;

5. Проблема живучести строительных конструкций. Существующие концептуальные подходы: трактовка внешнего повреждающего воздействия (нормирование или отказ от нормирования конкретных аварийных воздействий, подходы риск-анализа), расчетные методы анализа реакции конструкции на повреждение, оценка конечного (поврежденного) состояния конструкции.

Литературный поиск применительно к большепролетным конструкциям показал,

- Существует незначительное количество научных работ, затрагивающих вопрос их живучести, – в целом живучесть таких систем ранее практически не изучалась, а превалирующие работы для обыкновенных зданий преимущественно носят локально-прикладной характер;

- Авторы работ по живучести большепролетных систем в основном дискутируют на тему о необходимости обеспечения живучести таких систем;

- В виду сложности обеспечения живучести большепролетных конструкций в практике мирового проектирования устоялась точка зрения, при которой безопасность таких систем гарантируется в первую очередь за счет превентивных мер, а обеспечение живучести при отказе только второстепенных элементов является не более чем правилом «хорошего тона» в проектировании (в РФ нормативное воплощение такой подход нашел в МДС 20-2.2008). Одна из основных причин сложности обеспечения живучести большепролетных конструкций – принцип концентрации материала – существуют как дискретные формы, «обреченные» на нулевую структурную живучесть, так и континуальные формы, обладающие максимально возможной потенциальной структурной живучестью (например, листовые конструкции – мембранные оболочки).

Во второй главе предлагается в развитие идей различных ученых и исследователей (Н.С. Стрелецкого, Ю.И. Кудишина, Г.А. Гениева, В.В. Болотина, В.И. Колчунова, А.В. Перельмутера, B. Crowder, E. Willianson, D. Billow, J. Crawford, H. Lew, J. Gilmour, U. Strarossek, T. Canisius, B. Ellingwood и др.) сформулировать проблему обобщенной живучести – все аварийные воздействия и соответствующие проблемы стойкости к повреждающим воздействиям [а) аварийного типа, таким как: сейсмостойкость, огнестойкость, взрывоустойчивость, износостойкость, трещиностойкость; б) аварийной величины воздействий проектного типа в контексте вопроса структурной избыточности при поиске резерва несущей способности] рассматривать в рамках обобщенной проблемы живучести. Расчет на сами воздействия отнести к третьей группе предельных состояний, как состояний с недопустимым уровнем повреждений (рис. 1). Повреждающие воздействия трактовать в широком смысле, как на глобальном уровне (например, сейсмические воздействия), так и на локальном (например, потеря местной устойчивости стенки металлической двутавровой

Для устранения внутренних противоречий методики предельных состояний предлагается использовать классическую трактовку теории систем по разграничению свойств надежности и живучести: надежность – способность неповрежденной системы (в нашем случае конструкции) выполнять свое функциональное назначение (надежность нормируется соответствующими показателями безотказной работы), живучесть – способность поврежденной системы выполнять свое функциональное назначение.

Рисунок 1. – К постановке вопроса живучести строительных конструкций

Rmax,n – связность n-го уровня;

Rфакт,n – количество полученных повреждений на n-м этапе повреждений.

Применительно к большепролетным конструкциям предлагается выделить проблему единичной живучести (стойкости к единичным повреждениям). Основные концептуальные предпосылки которой: неизбежность, неумышленность, абстрактность (неизвестность причины) аварии; динамический всплеск усилий при отказах в неблагоприятных условиях; принцип единичного отказа. В главе дано обоснование каждой предпосылки, также дано обоснование различных критериев живучести, математических моделей отказа, сформулирован упрощенный подход для расчета на живучесть покрытий мембранных оболочек, дана критическая оценка предлагаемой постановки вопроса единичной живучести.

Для анализа по свойству единичной живучести большепролетных покрытий, рассмотренных в 3-й и 4-й главах, сформулирована упрощенная расчетная

- В качестве тестового стартового аварийного воздействия для конструкций покрытий выступает абстрактный отказ любого одного конструктивного элемента или узла;

- Задача рассматривается в детерминированной постановке;

- Математическая модель отказа заключается в замене в расчетной схеме конечных элементов любого элемента или узла на внутренние усилия Fi, действующие на границах конечных элементов, подчиненные во времени убывающей функциональной зависимости линейного типа (2.2);

- Время отказа tотк варьируется с начальной величины, равной 0,001 с.

- Расчет на живучесть выполняется при действии нормативных значений постоянных нагрузок и длительных составляющих временных;

- Узловые соединения конструктивных элементов принимаются равнопрочными основным элементам. В расчете принимаются все упрощения, свойственные механике стержневых систем;

- Величины физико-механических характеристик стали принимаются равными их нормативным значениям, полученным по результатам статических испытаний, т. е. не учитывается эффект упрочнения стали при быстрых нагружениях. Сталь рассматривается как упруго-пластичный материал (работа материала при одноосном НДС описывается билинейной диаграммой), т. е. исключается возможность хрупкого разрушения;

Рисунок 2. – Функция отказа

- Критерий обеспечения живучести исходит из предпосылки, что функциональное назначение покрытия в поврежденном состоянии – перекрытие пролета. Живучесть конструкции покрытия считается обеспеченной, если первичный тестовый отказ не приводит к разрушению других элементов, на которые перераспределяется нагрузка. Формульную запись неразрушения дискретных (каркасных) элементов и континуальных частей конструкции принята в следующем виде:

?max ? ?i ? [?ult] (2.3)

?max – максимальная деформация в сечении элемента;

[?ult] – предельная деформация по ГОСТу (для мягких низкоуглеродистых строительных сталей может быть принята равной ~ 20 - 25%);

?i – коэффициент запаса (?i = 0,8).

Для расчета покрытий применялся программный комплекс, основанный на методе конечных элементов. При повреждениях динамический отклик конструкции вычислялся методом прямого интегрирования при автоматическом выборе программным комплексом величины шага интегрирования, стратегий учета нелинейных эффектов и оценки сходимости решения. Прямое интегрирование системы уравнений движения (2.4) выполняется бета-методом

(t)} + [K] ? {u(t)} = {P(t)} (2.4)

[M], [B], [K] – матрицы масс, демпфирования и жесткости;