Содержание к диссертации
Введение
1. Моделирование работы несущих систем многоэтажных зданий (обзор литературы) 12
1.1. Расчет несущих систем многоэтажных зданий 12
1.1.1. Математические модели работы несущих систем 12
1.1.2. Программные комплексы по расчету многоэтажных зданий 16
1.2. Экспериментальные исследования пространственной работы многоэтажных зданий 20
1.2.1. Исследование пространственной работы многоэтажных зданий 20
1.2.2. Влияние процесса возведения на пространственную работу несущих систем многоэтажных зданий 24
1.2.3. Учет физической нелинейности при расчете несущих систем многоэтажных зданий 32
1.3.Проектирование информационных систем в строительстве 42
2. Модель расчета несущих систем многоэтажных зданий в упругой постановке 48
2.1. Математическая модель пространственной работы несущих систем многоэтажных зданий 48
2.2. Алгоритм определения напряженно-деформированного состояния несущей системы многоэтажного здания на основе дискретно-континуальной модели 53
2.3. Подготовка исходных данных для проведения численных экспериментов по исследованию пространственной работы несущих систем многоэтажных зданий (линейная постановка ) 62
2.3.1. Бескаркасные здания 62
2.3.2. Связевой каркас 69
2.3.3. Учет схем приложения внешних нагрузок при моделировании работы несущих систем 71
2.4. Анализ результатов и оценка действия внешней нагрузки на несущие системы исследуемых зданий 72
2.4.1. Действие вертикальной нагрузки на несущую систему многоэтажного здания 72
3. Математическая модель пространственной работы несущих систем многоэтажных зданий при возведении 92
3.1. Влияние процесса возведения на напряженно-деформированное состояние несущих систем многоэтажных зданий 92
3.2. Математическое моделирование пространственной работы несущей системы здания в процессе возведения 94
3.2.1. Математическая модель работы односвязной диафрагмы жесткости в процессе возведения 94
3.2.2. Математическая модель пространственной работы несущей системы здания в процессе возведения 103
3.3. Алгоритм определения напряженно-деформированного состояния несущей системы в процессе возведения 104
3.4. Численный эксперимент по определению влияния процесса возведения на работу несущей системы многоэтажных зданий 108
3.4.1. Учет схем приложения внешних нагрузок в процессе возведения 108
3.4.2. Действие внешних нагрузок на формирование напряженно-деформированного состояния несущих систем в процессе возведения 109
4. Математическая модель пространственной работы несущих систем многоэтажных зданий с учетом нелинейных свойств столбов и связей сдвига 115
4.1. Учет физической нелинейности при расчете несущих систем 115
4.1.1. Диаграммы деформирования столбов 116
4.1.2. Диаграммы деформирования связей сдвига 122
4.2. Моделирование расчета несущих систем с учетом нелинейной работы столбов и связей сдвига 132
4.2.1. Математическая модель пространственной работы несущих систем с учетом нелинейных свойств столбов и связей сдвига 132
4.2.2. Алгоритм программы NELSYS и сходимость итерационного процесса 135
4.2.3. Учет схем приложения внешних нагрузок при моделировании работы несущих систем 141
4.3. Анализ нелинейной работы пространственной несущей системы многоэтажного здания 143
4.3.1 Перераспределение усилий в несущей системе многоэтажного здания при учете нелинейной работы столбов и связей сдвига 143
4.3.2. Влияние внешней нагрузки на нелинейную работу элементов несущей системы 144
4.3.3. Влияние истории нагружения на перераспределение внутренних усилий в конструктивных элементах несущей системы 148
5. Определение напряженно-деформированного состояния несущей системы многоэтажного здания на любой стадии его жизненного цикла 159
5.1. Информационная поддержка жизненного цикла многоэтажного здания 159
5.1.1. Понятие интеллектуального здания 159
5.1.2. Жизненный цикл объекта строительства 161
5.2. Моделирование пространственной работы несущей системы в рамках концепции жизненного цикла 163
5.2.1. Информационная модель несущей системы многоэтажного здания 163
5.2.2. Использование CALS-технологий для информационной поддержки объектов строительства 166
5.3. Определение напряженно-деформированного состояния несущих систем многоэтажных зданий на стадии эксплуатации 168
5.3.1. Определение технического состояния многоэтажных зданий на стадии эксплуатации 168
5.3.2. Определение напряженно-деформированного состояния несущих систем на стадии эксплуатации 175
Основные выводы 182
Библиографический список использованной литературы 184
- Экспериментальные исследования пространственной работы многоэтажных зданий
- Подготовка исходных данных для проведения численных экспериментов по исследованию пространственной работы несущих систем многоэтажных зданий (линейная постановка
- Математическое моделирование пространственной работы несущей системы здания в процессе возведения
- Моделирование пространственной работы несущей системы в рамках концепции жизненного цикла
Введение к работе
Прогресс в строительстве и во многих других отраслях народного хозяйства в значительной мере определяется достигнутыми к настоящему времени результатами в области математического моделирования тех или иных процессов и физических явлений, в частности, процессов деформирования и разрушения конструкций многоэтажных зданий. В области строительства принятие многих проектных решений для какого-либо сооружения, как правило, регламентируется строительными нормами и правилами, которые зачастую дают лишь рекомендации по учету особенностей, отражающих действительное напряженно-деформированное состояние. Кроме того, данные регламентирующие документы не всегда используют последние достижения в области математического моделирования процессов деформирования и разрушения. В частности, разделы строительных норм, относящиеся к методам прочностного анализа элементов строительных конструкций, содержат более простые методы по сравнению с современными возможностями математического описания и численного моделирования процессов деформирования сложных систем многоэтажных зданий. В этом плане существует определенный разрыв между существующими нормами, регламентирующими деятельность проектировщиков и строительную практику, и возможностями уточненных расчетов элементов конструкций и сооружений основанных на современных методах, использующих более точную постановку практических задач и их реализацию на ЭВМ.
С развитием крупных городов в строительстве выявилась тенденция к росту этажности возводимых объектов, обусловленная увеличением населения с одной стороны и ограниченностью городского пространства с другой, рост этажности, в свою очередь, усложняет архитектурные и конструктивные формы зданий. В последнее время часто возникают вопросы, связанные с реконструкцией или утилизацией жилых и общественных зданий старой застройки. Это приводит к необходимости более точной оценки напряженно-деформированного состояния несущих систем. Так как с одной стороны необходимо обеспечить полную безопасность людей находящихся в здании, а с другой обеспечить минимальные затраты на его возведение, эксплуатацию и утилизацию или реконструкцию. Современные методы расчёта не всегда позволяют полностью обеспечить данные требования. В связи с этим развиваются методы расчёта максимально приближенные к реальр условиям. Большое значение приобретает выбор математических моделей, адекватно описывающих пространственную работу несущих систем многоэтажных зданий.
В настоящее время значительно снизились государственные инвестиции в массовое строительство и широко привлекаются средства из альтернативных источников (частные инвесторы, юридические лица и т.п.). Заказчик, инвестирующий проекты, определяет новые требования к капитальности, функциональности, эксплуатационной пригодности и долговечности зданий. В связи с этим резко изменились требования и к строительному производству, что в свою очередь, обусловило необходимость информационной поддержки объектов строительства на протяжении жизненного цикла.
Информация об объекте и напряженно-деформированное состояние несущей системы на каждой из стадий жизненного цикла претерпевает значительные изменения, причины которых могут быть различны. Эти изменения часто начинаются уже на стадии проектирования, когда при расчете по классической модели определяются внутренние усилия, возникающие в конструктивных элементах. Стадией, формирующей напряженно-деформированное состояние, является стадия возведения. На данном этапе внутренние усилия изменяютсяч.. в зависимости от технологических особенностей строительного производства, изменяется конструктивная и расчетная схемы здания, к зданию поэтапно прикладываются постоянные нагрузки. На стадии эксплуатации, самой продолжительной для многоэтажных зданий, к несущей системе прикладываются временные нагрузки, изменяются свойства материала несущих конструкций. Эти изменения зависят от многих факторов, при этом материалы и конструктивные элементы проявляют нелинейный характер работы.
В процессе эксплуатации жилых и общественных зданий происходит старение конструкционных материалов, зависящее не только от времени, но и от различного рода аварийных и нештатных ситуаций, техногенных воздействий. В связи с этим часто возникают вопросы, связанные с реконструкцией, демонтажем, утилизацией и капитальным ремонтом многоэтажных зданий. Для оценки безопасности здания необходимо знать историю его нагружения, схемы приложения внешних нагрузок, историю формирования конечных внутренних усилий в конструктивных элементах, иметь возможность определить его напряженно-деформированное состояние в любой момент времени. Поэтому необходимо обобщить в единую информационную модель соответствующие математические модели, создать единый программный комплекс, обеспечивающий поддержку несущих систем многоэтажных зданий. Вопрос о том, какие усилия фактически действуют в несущих конструкциях многоэтажных зданий, остается открытым. Поэтому, зная действительное напряженно-деформированное состояние элементов несущих систем, можно найти обоснованное и оптимальное решение поставленных задач. Это становится возможным при проведении на базе программного комплекса ряда численных экспериментов, моделирующих те или иные ситуации.
Таким образом, информационная поддержка жизненного цикла несущей системы производится посредством использования информационной модели конкретного здания или сооружения, отражая его свойства, состояние, взаимосвязь с внешней средой. В настоящее время, во многих отраслях промышленности, при создании информационных систем используют CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life-cycle Support), которые позволяют в период проектирования и строительства формировать информационную модель объекта, передаваемую вместе с готовым изделием заказчику.
Поэтому обобщение в единую информационную модель математических моделей, методов, и программного обеспечения для определения напряженно-деформированного состояния элементов несущей системы многоэтажного здания, адекватно описывающих поведение несущих конструкций на любой стадии жизненного цикла объекта строительства является актуальной задачей.
Актуальность диссертационной работы обоснована необходимостью создания в рамках информационной модели единого программного комплекса по определению напряженно-деформированного состояния несущей системы и выявлению характера ее работы на любой стадии жизненного цикла.
Целью диссертации является моделирование пространственной работы несущих систем многоэтажных зданий на различных стадиях жизненного цикла для определения особенностей напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов, а также обобщение соответствующих математических моделей в единую информационную модель многоэтажного здания.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Выявление значимых параметров и разработка математических моделей пространственной работы несущих систем зданий на всех этапах жизненного цикла.
2. Разработка алгоритма и написание программы для ЭВМ по расчету несущих систем многоэтажных зданий на стадии эксплуатации с учетом нелинейной работы столбов и связей сдвига.
3. Разработка схемы информационной модели многоэтажного здания, обеспечивающей оценку его напряженно-деформированного состояния на протяжении жизненного цикла.
4. Проведение в рамках информационной модели численных экспериментов с целью определения напряженно-деформированного состояния несущей системы многоэтажного здания на стадии эксплуатации.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- обобщены в единую информационную модель математические модели пространственной работы несущих систем многоэтажных зданий на всех стадиях жизненного цикла;
- разработана математическая модель, описывающая пространственную работу несущей системы с учетом нелинейной работы столбов и связей сдвига, которая реализована в виде программы NELSYS;
- разработана схема информационной модели несущей системы многоэтажного здания на протяжении жизненного цикла;
- предложена методика проведения численных экспериментов по определению области значений внутренних усилий, возникающих в несущей системе, в зависимости от схем приложения внешних нагрузок и получены новые данные по работе несущих систем зданий;
- предложена методика определения напряженно-деформированного состояния несущей системы на любой стадии жизненного цикла многоэтажного здания в рамках информационной модели, получены данные по напряженно-деформированному состоянию несущих систем.
На защиту выносятся:
1. Математические модели пространственной работы несущей системы многоэтажного здания на всех стадиях жизненного цикла.
2. Математическая модель, алгоритм и программа расчета многоэтажных зданий с учетом нелинейной работы столбов и связей сдвига NELSYS.
3. Методика проведения и основные результаты численных экспериментов по определению спектра значений внутренних усилий в зависимости от схем приложения внешних нагрузок и моделей расчета.
4. Схема информационной модели несущей системы многоэтажного здания на протяжении жизненного цикла.
5. Результаты численных экспериментов по определению напряженно-деформированного состояния несущей системы в период эксплуатации, полученные при использовании информационной модели здания.
Практическая значимость работы:
- проведенные исследования пространственной работы многоэтажных зданий позволили выявить значимые параметры, влияющие на формирование конечных внутренних усилий, возникающих в конструктивных элементах на различных стадиях жизненного цикла;
- разработанная методика проведения численных экспериментов позволяет определять напряженно-деформированное состояние конструктивных элементов несущих систем на любой стадии жизненного цикла многоэтажных зданий;
- проведенные численные эксперименты позволили определить спектр значений внутренних усилий, возникающих в конструктивных элементах несущих систем в зависимости от схем приложения внешних нагрузок и постановки задачи;
- предложенная схема информационной модели несущей системы позволяет осуществить принятие проектных решений по сопровождению многоэтажного здания на протяжении всего жизненного цикла;
- созданная программа NEJ.SYS позволяет определять напряженно-деформированное состояние несущих систем на стадии эксплуатации с учетом нелинейной работы столбов и связей сдвига в составе статически неопределимой несущей системы.
Внедрение результатов:
Результаты диссертационной работы были внедрены в учебном процессе ГОУВПО «БрГТУ» и использовались проектным институтом «Братскгражданпроект» для определения напряженно-деформированного состояния здания серии № 464 массовой застройки г. Братска 60-70 годов и определения остаточного ресурса вертикальных несущих элементов.
Апробация работы:
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований и основные положения представлялись на:
- кафедре «Строительные конструкции» ГОУВПО «БрГТУ», г. Братск (2000-2003гг.);
- ежегодных научно-технических конференциях ГОУВПО «БрГТУ» (2000-2003гг.);
- Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», г. Волгоград 2003г.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 печатных работах. Зарегистрирована 1 программа для ЭВМ в РОСПАТЕНТ (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003610760, Москва, 2003г.).
Работа выполнена на кафедре «Строительные конструкции» ГОУВПО «Братский государственный технический университет» в 2000-2003гг.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 191 наименований и. содержит 192 страницы, в том числе 143 страницы машинописного текста, 56 рисунков, 8 таблиц.
Экспериментальные исследования пространственной работы многоэтажных зданий
Экспериментальные данные, полученные в ходе исследований, позволяют подтвердить или опровергнуть правомерность тех или иных теоретических предположений, выявить действительные условия работы несущих конструкций, и факторы, оказывающие на нее наибольшее воздействие. До настоящего времени проведено достаточно большое число исследований работы конструктивных элементов многоэтажных зданий, разработано большое число методов, подходов и принципов их расчета, что свидетельствует о важности оценки напряженно-деформированного состояния несущих систем. Часть научных публикаций свидетельствует о том, что плоская расчетная схема в достаточной степени описывает поведение конструкций, но при этом важным и становится учет деформирования перекрытий [55,121,121,165]. Другая часть обращает внимание на пространственную работу, возникновение кручения в несимметричных системах [58,45,83,118], влияние сдвига срединной поверхности несущих элементов [45,52,83]. Однако наибольшее распространение при расчете несущих систем получила дискретно-континуальная схема, развитая в трудах П.Ф. Дроздова и его последователей [46,48,52,58,118]. Основная система линейных дифференциальных уравнений второго порядка формируется при рассмотрении перемещения от изгиба и поворота каждой пары вертикальных элементов (столбов), объединенных связями сдвига. Производится запись функций распределения поперечных усилий в связях сдвига по высоте здания, которые затем выражаются через неизвестные нормальные силы и бимомент (функция кручения). Метод П.Ф. Дроздова применим к любым несущим системам, содержащим любое число замкнутых и незамкнутых контуров. Пространственный характер работы обеспечивается перекрытиями и связями сдвига.
Несущая система зданий состоит из множества конструктивных элементов, обладающих специфическим характером работы. Их взаимодействие определяет совместность работы всей несущей конструкции. Однако, сложность возникающих проблем, не позволяет использовать натурные эксперименты при исследовании работы несущих систем, поэтому чаще всего испытания проводятся на физических моделях. В частности, широко исследовалась работа зданий с ядрами жесткости [86,125,169].
В работах [114,115] приведены данные по упругой работе конструкций на мелкомасштабных моделях. В результате была доказана целесообразность замены дискретных связей сдвига непрерывной эквивалентной по жесткости средой. Автором работ [130,148] надмоделях выполненных из мелкозернистого бетона и полиметилметакрилата, проводились испытания прямоугольных в плане ядер жесткости при изгибе, изгибе с кручением и сжатии в специальной установке. На модели, имитирующей в масштабе 1:80 36-этажное ядро жесткости, исследовалось влияние нелинейной деформативности связи сдвига на работу конструкции при кручении. В результате было установлено, что по сравнению с упругой работой ядра, нормальные силы в столбах уменьшились, а угол закручивания увеличился на 60%.
На действие вертикальной и горизонтальной нагрузок испытывалась модель в масштабе 1:50 [86,53]. Анализ экспериментальных данных выявил значительное перераспределение внутренних усилий в конструктивных элементах здания со связевым каркасом.
В работе [10] проводилось испытание 10-этажного крупнопанельного здания в масштабе 1:4, целью являлось определение напряженно-деформированного состояния внутренних несущих стен при постепенном усложнении конфигурации плана здания от плоской до сложной пространственной формы, жесткостных характеристик конструктивных элементов и характер пространственной работы. Были сделаны выводы о влиянии на работу несущей системы податливости перемычек и предельном состоянии конструктивных элементов.
Исследование несущих систем на физических моделях позволяет значительно сэкономить материальные средства и получить достаточно достоверные данные о работе конструкций. Но точного подобия добиться очень сложно из-за влияния масштабного фактора, невозможности воспроизвести реальные физические характеристики материалов, узлов и стыков, идентифицировать способ приложения внешних нагрузок и т.д. Поэтому были предприняты попытки получить натурные данные о прочностных и деформативных свойствах зданий, как о наименее изученных характеристиках.
В работе [155] приводятся экспериментальные данные одеформативности крупнопанельного девятиэтажного дома. В процессе монтажаздания проводились наблюдения за деформациями ползучести и усадки внутренних несущих стен и платформенных стыков. В результате было установлено, что деформации усадки панелей в 1,5 раза больше упругих деформаций. Испытание 16-этажного монолитного бескаркасного жилого дома [21] проводилось на действие горизонтальной нагрузки с целью проверки прочности и жесткости основных несущих конструкций при нагрузках близких к расчетным. Полученные данные выявили большой запас прочности, здание работало в упругой стадии. Был сделан вывод о том, что такую конструкцию можно рассчитывать по плоской расчетной схеме, без учета работы связей в направлении, перпендикулярном направлению действия нагрузки.
Подготовка исходных данных для проведения численных экспериментов по исследованию пространственной работы несущих систем многоэтажных зданий (линейная постановка
Диафрагмы жесткости в связевом каркасе представляют собой комплексные конструкции, включающие колонны каркаса и установленные между ними специальные стеновые панели, которые соединены с колоннами и между собой сварными стыками. Сварные стыки обеспечивают совместную работу элементов диафрагм (колонн, стеновых панелей) при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок.
Расчетные модели пространственных несущих систем зданий со связевым каркасом могут быть представлены в рамках дискретно-континуальной модели. При этом столбами расчетной модели являются диафрагменные колонны; вертикальные ряды стеновых панелей и простенки панелей с проемами; связями сдвига — надпроемные перемычки и закладные детали, соединяющие панели между собой и панели с колоннами.
В сложившейся на сегодня практике проектирования зданий и сооружений горизонтальная нагрузка учитывается, как действующая по большей из осей. Кроме того, при расчете несущих систем упрощенными методами не учитывается кручение здания в плане. Исходя из этого, в качестве предмета исследования выбрано поведение несущих систем многоэтажных зданий под действием внешних нагрузок.
Численный эксперимент по исследованию напряженно у/ деформированного состояния несущих систем многоэтажных зданий в упругой постановке проводился по следующим схемам приложения внешних нагрузок: 1. Расчет на действие вертикальной нагрузки. 2. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной в направлении оси Y. 3. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной в направлении оси Z. 4. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной противоположно направлению оси Y. 5. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной противоположно направлению оси Z. 6. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной одновременно в направлению осей Y и Z. 7. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной в направлении оси Y, без учета кручения. 8. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной в направлении оси Z, без учета кручения.
При упругом расчете по программе «RAD» [92] получены следующие данные: величины нормальных и продольных усилий, изгибающих моментов в несущих элементах в каждом расчетном сечении, перерезывающих усилий в связях сдвига во всех сечениях, линейные перемещения по осям Y и Z и угол поворота здания. Быстродействие современных ЭВМ позволило без больших затрат времени провести серию численных экспериментов по выявлению характера работы пространственных несущих систем многоэтажных зданий. В реальной несущей системе все столбы и связи находятся в пространственном взаимодействии, при этом ни один элемент не может деформироваться и разрушаться независимо от других, его деформации стеснены соседними перемычками, перекрытиями и столбами. С ростом нагрузки или изменением направления ее действия в несущей системе происходит иное распределение усилий во всех ее элементах. Каждый столб подвергается воздействию упругих вертикальных усилий, полученных по соответствующим грузовым площадям. Так как напряжения от этих усилий в столбах и модули деформаций столбов различны, то и деформации столбов неодинаковы. Вследствие этого в перемычке возникают перерезывающие усилия. В результате часть вертикальной нагрузки от столба, получившего большую деформацию, через связи передается на столб, испытывающий меньшую деформацию. Связи препятствуют взаимному сдвигу смежных элементов по вертикальным швам, сопротивляются изгибу и сдвигу, в них возникают перерезывающие усилия, вследствие чего конструктивные элементы несущей системы деформируются, как показано на рис. 2.5. Кроме того, в уровнях соединения связей со столбами возникают местные моменты. Перерезывающие силы накапливаются по длине столба и создают в нем нормальную силу Несущая система многоэтажного здания, подвергаясь действию вертикальной нагрузки, испытывает стесненное кручение. В данном случае центр жесткостей сместился по оси Y на 0,563 м, по оси Z на 0,08 м, следовательно, помимо плоского изгиба несущей системы произошел ее поворот, который вызывал дополнительные изгибающие моменты в столбах
Математическое моделирование пространственной работы несущей системы здания в процессе возведения
Диафрагмы жесткости в связевом каркасе представляют собой комплексные конструкции, включающие колонны каркаса и установленные между ними специальные стеновые панели, которые соединены с колоннами и между собой сварными стыками. Сварные стыки обеспечивают совместную работу элементов диафрагм (колонн, стеновых панелей) при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок.
Расчетные модели пространственных несущих систем зданий со связевым каркасом могут быть представлены в рамках дискретно-континуальной модели. При этом столбами расчетной модели являются диафрагменные колонны; вертикальные ряды стеновых панелей и простенки панелей с проемами; связями сдвига — надпроемные перемычки и закладные детали, соединяющие панели между собой и панели с колоннами.
В сложившейся на сегодня практике проектирования зданий и сооружений горизонтальная нагрузка учитывается, как действующая по большей из осей. Кроме того, при расчете несущих систем упрощенными методами не учитывается кручение здания в плане. Исходя из этого, в качестве предмета исследования выбрано поведение несущих систем многоэтажных зданий под действием внешних нагрузок.
Численный эксперимент по исследованию напряженно у/ деформированного состояния несущих систем многоэтажных зданий в упругой постановке проводился по следующим схемам приложения внешних нагрузок: 1. Расчет на действие вертикальной нагрузки. 2. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной в направлении оси Y. 3. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной в направлении оси Z. 4. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной противоположно направлению оси Y. 5. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной противоположно направлению оси Z. 6. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной одновременно в направлению осей Y и Z. 7. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной в направлении оси Y, без учета кручения. 8. Расчет на действие вертикальной нагрузки и горизонтальной приложенной в направлении оси Z, без учета кручения.
При упругом расчете по программе «RAD» [92] получены следующие данные: величины нормальных и продольных усилий, изгибающих моментов в несущих элементах в каждом расчетном сечении, перерезывающих усилий в связях сдвига во всех сечениях, линейные перемещения по осям Y и Z и угол поворота здания. Быстродействие современных ЭВМ позволило без больших затрат времени провести серию численных экспериментов по выявлению характера работы пространственных несущих систем многоэтажных зданий. В реальной несущей системе все столбы и связи находятся в пространственном взаимодействии, при этом ни один элемент не может деформироваться и разрушаться независимо от других, его деформации стеснены соседними перемычками, перекрытиями и столбами. С ростом нагрузки или изменением направления ее действия в несущей системе происходит иное распределение усилий во всех ее элементах. Каждый столб подвергается воздействию упругих вертикальных усилий, полученных по соответствующим грузовым площадям. Так как напряжения от этих усилий в столбах и модули деформаций столбов различны, то и деформации столбов неодинаковы. Вследствие этого в перемычке возникают перерезывающие усилия. В результате часть вертикальной нагрузки от столба, получившего большую деформацию, через связи передается на столб, испытывающий меньшую деформацию. Связи препятствуют взаимному сдвигу смежных элементов по вертикальным швам, сопротивляются изгибу и сдвигу, в них возникают перерезывающие усилия, вследствие чего конструктивные элементы несущей системы деформируются, как показано на рис. 2.5. Кроме того, в уровнях соединения связей со столбами возникают местные моменты. Перерезывающие силы накапливаются по длине столба и создают в нем нормальную силу Несущая система многоэтажного здания, подвергаясь действию вертикальной нагрузки, испытывает стесненное кручение. В данном случае центр жесткостей сместился по оси Y на 0,563 м, по оси Z на 0,08 м, следовательно, помимо плоского изгиба несущей системы произошел ее поворот, который вызывал дополнительные изгибающие моменты в столбах
Моделирование пространственной работы несущей системы в рамках концепции жизненного цикла
Для управления многоэтажным зданием и получения достоверной информации о напряженно-деформированном состоянии несущих элементов на любой стадии его ЖЦ необходимо создание информационной модели. Информационная модель многоэтажного здания представляет собой совокупность программных комплексов по моделированию пространственной работы несущей системы на различных стадиях жизненного цикла и баз данных, в которых отражены свойства и состояние объекта, его взаимосвязь с внешним миром, данные о воздействиях и динамике объекта управления. Таким образом, производится замена реального объекта или процесса его формальным описанием. С помощью информационной модели изучаются свойства объекта, прогнозируется его поведение, решаются управленческие и конструкторские задачи и т.п. Использование информационной модели в конструкторской практике позволяет ответить на следующие вопросы: Как изменятся характеристики объекта при некотором воздействии на него? Какое надо произвести воздействие на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторому заданному условию?
Информационные модели несущих систем многоэтажных зданий являются неотъемлемой частью строительного производства, основываются на математических моделях, учитывающих пространственную работу несущих систем на любой стадии жизненного цикла, содержат сведения обо всех изменениях произошедших в исследуемом объекте. На рис. 5.1. приведена информационная модель многоэтажного здания. Формирование массива данных начинается на стадии проектирования, дальнейшие изменения напряженно-деформированного состояния соответствующим образом отражаются в базе данных и определяются с помощью разработанного и запатентованного комплекса программ, входящих в структуру ИМ. На стадии проектирования в информационной модели формируются базы данных, в которых описываются величины внешних нагрузок и схемы загружения; внутренние усилия и перемещения, полученные в результате упругого расчета; конструктивная схема несущей системы; особые условия проектирования и строительства; формируется конечный проект с указанием характеристик используемых материалов и конструкций. На стадии возведения в базе данных отражаются схемы возведения здания и способы монтажа конструктивных элементов; величины внешних нагрузок и схемы нагружения; внутренние усилия и перемещения, полученные в результате расчета с учетом процесса возведения; отклонения от проектных величин и несоответствия, возникшие в результате монтажа. На стадии эксплуатации в информационной модели отражаются данные об изменениях напряженно-деформированного состояния несущей системы в результате возникновения нештатных ситуаций; данные по оценке эксплуатационной пригодности конструкций; накапливаются результаты мониторинга несущей системы; отражаются сведения по усилению конструктивных элементов и изменению их расчетных схем.
Важным моментом является наличие в электронном виде проектных данных, данных комплексного и тематического мониторинга и данных о процессах негативно влияющих на состояние несущих систем. При этом данная информация должна быть актуальна и легкодоступна в момент возникновения Таким образом, создается целостная и взаимосвязанная система управления многоэтажным зданием, интегрированная не только на уровне геометрических моделей и графических интерфейсов, но и на уровне математического описания различных свойств объекта проектирования. Более того, данная система дает возможность говорить об использовании единого информационного пространства на всех этапах жизненного цикла изделия.
Информационные модели несущих систем многоэтажных зданий удобны для решения возникающих исследовательских, проектных, производственных и учебных задач, т.к. позволяют проводить компьютерные исследования объектов строительства. Современное развитие компьютерной техники позволяет проводить серии численных экспериментов, учитывая различные факторы и моделируя различные ситуации, таким образом, прогнозируя поведение несущей системы при возникновении нештатных ситуаций. Использование информационной модели позволит инженеру принимать наиболее обоснованные и экономически верные решения при возникновении задач, связанных с определением действительного напряженно-деформированного состояния. Такими задачами могут быть реконструкция, утилизация, усиление и т.п. задачи, связанные с определением эксплуатационной пригодности зданий
