Сон Марк Петрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАМНЫХ СИСТЕМ И РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ СИЛЫ С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНОСТИ

Специальность 05.23.17 – Строительная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования «Пермский государственный

технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Кашеварова Галина Геннадьевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гайджуров Петр

доктор технических наук, профессор

Косицын Сергей Борисович

Ведущая организация: Институт ОАО "НИЦ "Строительство" - ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, г. Москва

Защита состоится « 21 » декабря 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.12 при ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. 420 УЛК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет.

Автореферат разослан «___» ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Анохин Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проверка устойчивости равновесия является неотъемлемой процедурой при проектировании многопролетных многоэтажных рамных каркасов. Задачи устойчивости равновесия пространственных стержневых систем образуют достаточно сложный и в значительной степени противоречивый раздел строительной механики, что неоднократно отмечалось многими авторами.

Прогресс в области компьютерных технологий и технического перевооружения ведущих предприятий, в том числе в строительной отрасли, позволил разработать и внедрить в инженерную практику большое число разнообразных программ.

Расчетное обоснование проектных решений - многоэтапный процесс, в котором, как минимум, следует выделять две основные стадии: инженерный проект и выпуск рабочей документации. На стадии инженерного проекта технические решения целесообразно обосновывать приближенными (инженерными) расчетами, а на второй стадии следует применять численные методы и расчеты с использованием ЭВМ.

Для практикующего инженера применение теоретических знаний связано с установлением связи с нормами проектирования, но в настоящее время имеется ряд противоречий между требованиями нормативных документов и возможностями оценки устойчивости равновесия пространственных рамных систем. Основное противоречие заключается в том, что с одной стороны здание и сооружение необходимо рассчитывать по пространственной деформированной схеме с учетом неупругих деформаций, с другой - методика такого расчета разработана только для одиночного стержня. В реальных конструкциях всегда есть начальные несовершенства (случайные эксцентриситеты) и соответственно, при действии вертикальных сил в сечениях стоек могут появиться моменты, которые по существующим методикам можно учесть, рассматривая лишь отдельные стержни, а не каркас

Большинство современных специализированных программных комплексов, в которых реализован метод конечных элементов, решают задачи устойчивости сооружений в эйлеровой постановке, определяя критическую силу в предположении идеальной упругости материалов, при действии только продольных сил. Те немногие программные комплексы, в которых возможно решение задач устойчивости за пределом упругости, частично или полностью не учитывают требования норм проектирования и при их использовании, особенно при расчете пространственных систем сложной конфигурации, необходима тщательная верификация этих программ, не регламентированная никакими общими требованиями.

Актуальность настоящего исследования вытекает из указанных противоречий, и работа посвящена численному исследованию проблемы устойчивости равновесия пространственных стержневых систем с учетом геометрической и физической нелинейности, и совершенствованию инженерной методики расчета на устойчивость многопролетных, многоэтажных рам и пространственных рамных каркасов зданий, опираясь на результаты натурных и вычислительных экспериментов.

Целью работы является развитие современных методов расчета устойчивости равновесия пространственных рамных систем, разработка и экспериментально-теоретическое обоснование инженерной методики оценки критической силы для многопролетных многоэтажных рамных каркасов зданий, с учетом физической нелинейности материала, случайных эксцентриситетов и перераспределения момента в сечениях стоек, в зависимости от уровня напряжений в них.

Задачи исследования

Проведение численного линейного и нелинейного анализа устойчивости равновесия пространственных рамных каркасов в разных программных комплексах.

Экспериментальные исследования образцов рамных каркасов на устойчивость и оценка адекватности (алгоритмической надежности) результатов численного расчета и эксперимента.

Разработка и обоснование основных теоретических положений приближенной (инженерной) методики оценки критической силы для многопролетных и многоэтажных рам.

Разработка инженерной методики расчета критической силы для пространственных стержневых систем, позволяющей учитывать физическую нелинейность материала, влияние случайных эксцентриситетов, и перераспределение момента в сечениях стоек, в зависимости от уровня напряжений в них.

Исследование границ применимости разработанной приближенной методики расчета устойчивости равновесия стержневых каркасов зданий.

Научную новизну диссертации составляют:

- численное исследование устойчивости пространственных рамных каркасов: влияния конечно-элементной дискретизации, модели деформирования материала и организации итерационного процесса в нелинейном анализе на результаты расчета;

- разработка авторских программ-макросов для расчета на устойчивость рамных каркасов с учетом геометрической и физической нелинейности;

- создание инженерной методики определения обобщенной критической силы при расчете на устойчивость многопролетных, многоэтажных рам и пространственных каркасов зданий с учетом физической нелинейности материала, влияния поперечных нагрузок и случайных эксцентриситетов и построение эффективных с точки зрения вычислительной реализации алгоритмов расчета обобщенной критической силы.