Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ проблемы безопасности строительных объектов и существующих подходов к исследованию несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций 12
1.1. Анализ проблемы безопасности строителыіьіх объектов 12
1.2. Анализ существующих подходов к моделированию зданий и сооружений для исследования несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций 18
1.2.1. Моделирование геометрической формы объектов строительства 19
1.2.2. Моделирование механических свойств строительных материалов 21
1.3. Обзор методов расчёта несущей способности строительных конструкций 33
1.3.1. Роль численных методов в расчетах зданий и сооруэ/сений 34
1.3.2. Основные математические соотношения метода конечных элементов 37
1.4. Обзор основных программных комплексов для проектирования и
анализа строительных объектов 42
1.4.1. Специализированные и универсальные программные комтексы для расчета строительных объектов 42
1.4.2. Обоснование выбора программного комплекса ANSYS для исследования деформирования и разрушения строительных объектов.. 44
1.5. Обоснование состава и структуры частных задач исследования..49
выводы по главе 50
ГЛАВА 2. Разработка эффективных алгоритмов и программы для проведения вычислительных экспериментов по исследованию несущей способности и процессов разрушения строительных конструкци й 52
2.1. Описание вычислительных алгоритмов и принципа работы программы asbb 52
2.1.1. Термины и определения, принятые в программе ASBB 52
2.1.2. Интерфейс пользователя 53
2.1.3. Область применения и ограничения программы 55
2.1.4. Этапы работы с программой ASBB 57
2.1.5. Алгоритм создания программного кода модели здания или сооружения , 58
2.1.6. Описание алгоритма учёта разброса механических свойств материалов строительных конструкций 64
2.1.7. Экспорт графических данных 67
2.2. Алгоритм действий пользователя при работе с программой asbb на примере расчёта строительного объекта посредством пк ansys 73
2.2.1. Основные инструменты и настройки 73
2.2.2. Реализация алгоритма создания геометрической модели здания.. 76
2.2.3. Создание и редактирование программного кода на языке параметрического проектирования APDL 81
2.2.4. Анализ эффективности использования программы ASBB 83
Выводы по главе 86
ГЛАВА 3. Сравнительный анализ численных и натурных экспериментов по исследованию несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций 88
3.1. Анализ причин появления макторазрушений в строительных конструкциях зданий 88
3.2. Математические модели механического поведения упруго-хрупких материалов, учитывающие структурное разрушение 92
3.3. Проведение натурных и численных экспериментов для построения полной диаграммы деформирования кирпичной кладки 98
3.4. Натурный и вычислительный эксперимент деформирования и разрушения кирпичной стены при изгибе 105
3.4.1. Результаты /штурного эксперимента изгиба кирпичной стены. 105
3.4.2. Вычислительные эксперименты и анализ процесса деформирования и разрушения кирпичной стены при изгибе 107
3.4.3. Определение резерва несущей способности конструкции 112
3.4.4. Сравнение результатов численного решения с результатами натурных экспериментов 113
3.4.5. Исследование влияния вида кладки на процесс деформирования и разрушения кирпичной стены 114
3.5. Исследование влияния разброса свойств раствора на процесс разрушения кирпичной диафрагмы 116
3.6. Сравнительный анализ применения разных программных комплексов для расчета строительных конструкций и сооружений... 120
Выводы по главе 129
ГЛАВА 4. Моделирование и численная реализация разработанной программы для исследования напряженно-деформированного состояния, поврежденности и резервов несущей способности реальных строительных объектов 131
4.1. Моделирование пятиэтажного здания и внешнего воздействия в виде осадок грунта 131
4.2. Моделирование пространственной системы «здание-фундамент-основание» с помощью программы asbb и исследование практической сходимости численного решения 135
4.3. Исследование процесса деформирования и разрушения жилого пятиэтажного кирпичного здания 138
4.4. Моделирование сооружений с трещинами 146
4.4.1. Моделирование трещин в отдельном кирпиче 146
4.4.2. Моделирование здания с трещинами с целью прогнозирования его дальнейшего поведения при реконструкции 149
Выводы по главе 158
Основные результаты и выводы 160
Библиографический список литературы
- Анализ существующих подходов к моделированию зданий и сооружений для исследования несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций
- Термины и определения, принятые в программе ASBB
- Реализация алгоритма создания геометрической модели здания..
- Математические модели механического поведения упруго-хрупких материалов, учитывающие структурное разрушение
Введение к работе
На современном этапе в строительном проектировании происходит переход от основополагающего критерия несущей способности конструкций к критерию безопасности строительных объектов для людей и окружающей среды на протяжении всего срока службы. Обеспечение безаварийной эксплуатации существующих зданий и сооружений предполагает умение прогнозировать их поведение при изменении условий эксплуатации и в аварийных ситуациях при частичной потере несущей способности, а для этого требуются высокопроизводительные вычислительные комплексы.
В проектных организациях строительного профиля, как правило, используются сертифицированные Госстроем РФ программные комплексы (ПК): LIRA, SCAD, MicroFe и др., которые, в основном, предназначены для проектирования новых зданий и сооружений, а не для анализа поведения существующих объектов с дефектами и трещинами при изменении условий их эксплуатации.
Сложность моделирования строительных объектов для выполнения качественного расчёта и анализа с целью определения резервов несущей способности при наличии дефектов, или для выявления участков конструкции, в которых возможно появление и развитие трещин, требует работы с так называемыми «тяжёлыми» расчётными системами, примером которых является программный комплекс ANSYS - один из самых мощных современных программных продуктов, позволяющих выполнять полноценный анализ проектных разработок новых и реконструируемых зданий. ANSYS позволяет проводить сложные нелинейные расчёты, учитывать все особенности строительных конструкций, в том числе, наличие и развитие системы трещин или ухудшение свойств материалов, взаимодействие здания с грунтовым массивом, влияние времени и поэтапное изменение внешних нагрузок. Это даёт возможность специалисту получать наиболее достоверные результаты расчёта при проведении вычислительных
экспериментов, существенно сокращая сроки и финансовые потери на производство работ.
Процесс моделирования здания или сооружения в интерактивном режиме в расчётных системах, в том числе и в ANSYS является достаточно трудоёмким и сложным, ввиду отсутствия специализированных инструментов и ограниченного набора примитивов и операций, с помощью которых можно формировать модели зданий. Кроме того, требуются большие затраты времени и ресурсы для подготовки специалиста, умеющего работать в ПК ANSYS.
Проблема снижения трудоёмкости работ при проведении вычислительных экспериментов становится весьма актуальной при расчётах сложных строительных объектов. Это побуждает совершенствовать вычислительную технологию и искать новые алгоритмы расчёта зданий и сооружений. Определению путей решения этой проблемы посвящена данная диссертационная работа.
Актуальность темы настоящего диссертационного исследования определяется тем, что проблема безопасности сооружений и углубление наших знаний в области определения несущей способности конструкций здания, прогнозирования их поведения в аварийных и предаварийных ситуациях (закритичные нагружения, нагрузки, не предусмотренные проектом, развитие системы трещин) являются весьма важными в строительном проектировании, а методы математического моделирования с применением современной вычислительной техники, современных программных пакетов и численных методов во многих случаях являются единственно возможным инструментом для проведения таких исследований.
Следует отметить, что следующие исследования: Г.Г. Кашеварова, Е.И. Новопашина, А.Н. Акулова «Модель каменной кладки стены для исследования схем и механизмов разрушения» [30], Г.Г. Кашеварова, Д.А. Поварницын «Анализ процесса разрушения и деформационных ресурсов структурно-неоднородных строительных материалов» [26]
посвящены данной проблеме. Это определило необходимость в совершенствовании вычислительной технологии оценки безопасности строительных объектов (зданий и сооружений), несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций, а также развитии методологии создания математического и программного обеспечения для исследования процессов деформирования и разрушения строительных объектов с целью определения резервов их несущей способности при накоплении структурных повреждений.
Это определяет цель исследования:
Целью работы является разработка эффективного алгоритма проведения исследования зданий, сооружений и строительных конструкций с учётом появления и развития трещин в кирпичной кладке или бетоне (железобетоне), неоднородности, нелинейного поведения и изменчивости свойств грунтового основания; реализация данного алгоритма в существующую методику проведения исследования несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций, внедрение которых имеет существенное значение для решения проблемы безопасности зданий и сооружений.
Основная идея исследования заключается в развитии методологии создания математического и программного обеспечения для исследования процессов деформирования и разрушения зданий и сооружений с целью определения резервов их несущей способности при накоплении структурных повреждений.
Научная новизна заключается в следующем:
- разработка проблемно-ориентированной программы, способной формировать программный код (на языке APDL) геометрической и расчётной модели специализированными инструментами, удобными проектировщику, для исследования деформирования и разрушения пространственных сооружений в ПК ANSYS на заданные нагрузки;
совершенствование методики применения ПК ANSYS в инженерных расчётах несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций за счёт разработки нового способа создания расчётной и геометрической моделей строительных объектов;
разработка алгоритма создания расчётной модели с учётом разброса механических свойств материала в строительных конструкциях и определение области применения данного алгоритма.
Практическая значимость работы: создание проблемно-ориентированной программы позволяет сократить сроки подготовки специалистов к работе с ПК ANSYS и заметно уменьшить трудозатраты и временные ресурсы специалистов для выполнения инженерных расчётов несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций при внедрении на предприятиях.
Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается эффективной работой со сложными математическими моделями зданий и сооружений, таких как учёт развития системы трещин в конструкциях, учёт известных трещин, прогнозирование поведения конструкции при больших нагрузках и/или с использованием временных параметров, за счёт прогрессивных функций, реализованных исключительно в ПК ANSYS.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: XXX юбилейной научной конференции, (г. Пермь, 2003 г.), студенческой научно-технической конференции «Компьютерная механика материалов и конструкций» (ПГТУ, г. Пермь, 2003 г.), 6-й Всероссийской (с международным участием) конференции «Информация, инновации, инвестиции» (г. Пермь, 2005 г.), 14-ой и 15-ой международных зимних школах по механике сплошных сред (УрО РАН, г. Пермь, 2005, 2007 гг.), международной научно-технической конференции «Вычислительная механика деформируемого твёрдого тела» (МИИТ, г. Москва, 2006 г.), 7-й Всероссийской конференции «Информация, инновация, инвестиции» (г.
Пермь, 2006 г.), научной сессии «Взаимосвязь проектирования пространственных конструкций с вопросами безопасности, эксплуатационной надёжности и долговечности» (г. Москва, 2007 г.). В 2006 году в конкурсе на лучший научный доклад аспиранта по техническим наукам автор занял I и III место в первом и во втором турах конкурса соответственно (г. Пермь, 2006 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах, две из которых относятся к рекомендованным ВАК сборникам.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, заключения и списка литературы.
В первой главе обсуждаются: актуальность проблемы безопасности строительных объектов и существующих подходов к исследованию несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций. Исследуется моделирование механических свойств строительного материала. Проводиться обзор всех методов расчёта несущей способности строительных конструкций и программных комплексов для создания компьютерных моделей большой размерности для расчёта с учётом развития системы трещин. Рассматриваются способы создания расчётной модели пространственных конструкций для определения наиболее простого и эффективного способа.
Во второй главе рассматриваются разработанные алгоритм и проблемно-ориентированная программа для эффективного проведения вычислительных экспериментов по исследованию несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций. В начале даётся описание и принцип работы программы AnSysBuildingBlock (ASBB) предназначенной для эффективной автоматизации процесса создания программного кода на языке параметрического моделирования APDL, который часто используется для исследования деформирования и разрушения пространственных сооружений в ПК ANSYS на заданные внешние воздействия. Определены
основные этапы работы с программой. Также в главе описаны ограничения программы и область её применения. Подробно описан алгоритм создания программного кода модели строительного объекта. Описан алгоритм учёта разброса механических свойств материала строительных конструкций. Для решения проблемы качественного экспорта геометрических моделей из расчётных комплексов в чертёжно-графические системы приведена и описана специально разработанная функция. Был разработан подробный алгоритм применения программы ASBB. В конце главы приведён сравнительный анализ эффективности использования программы ASBB, по результатам которых, можно отметить существенные преимущества новой вычислительной технологии.
Третья глава посвящена проведению сравнительных анализов численных и натурных экспериментов по исследованию несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций. В начале главы приводиться анализ причин появлений макроразрушений в строительных конструкциях зданий и математическая модель механического поведения упруго-хрупких материалов, таких как железобетон и кирпичная кладка. Далее предоставляются результаты сравнительных анализов численных и натурных экспериментов: результаты натурного и вычислительного экспериментов, проведенных для получения полной диаграммы деформирования материала кирпичной кладки; деформирование и разрушения кирпичной стены при изгибе и определение резерва несущей способности; исследование влияния разброса свойств раствора на процесс разрушения кирпичной диафрагмы. В конце главы приведён сравнительный анализ разных программных комплексов для расчёта строительных конструкций и сооружений.
В четвертой главе рассматривается численная реализация разработанной программы для исследования НДС, повреждённости и резервов несущей способности реальных строительных объектов. На примере жилого пятиэтажного кирпичного здания типовой серии
проводиться несколько численных исследований для определения: влияния вида кинематического воздействия, практической сходимости и численного решения модели «здание-фундамент-основание» и исследование процесса разрушения и деформирования при реальных внешних воздействиях (ухудшение свойств грунта под основанием), Исследуется воздействие трещины на НДС одного кирпича и на НДС всего строительного объекта. Моделируется кирпичное двухэтажное административное здание с трещиной в несущей стене для определения возможности прогнозирования его дальнейшего поведения при реконструкции.
Анализ существующих подходов к моделированию зданий и сооружений для исследования несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций
При создании расчетной схемы сложной конструкции обычно прибегают к некоторой идеализации ее формы, при этом степень этой идеализации влияет на достоверность результатов расчета. Моделирование геометрической формы производится на основе геометрических соображений («похожести» формы) и начинается с выделения из объекта его несущей части. И если в каркасном здании довольно просто указать на его основные несущие конструктивные элементы, то для зданий с несущими (кирпичными или железобетонными) стенами это удается сделать далеко не сразу. Более того, несущие элементы в таких зданиях могут оказаться различными для разных режимов работы.
Реальный объект заменяется идеализированным деформируемым телом с изученными топологическими свойствами: стержень (балка), стержневой набор (рама, ферма), арка, плоская стенка, деформируемая в своей плоскости, изгибаемая пластинка, пространственное массивное тело, и определенностью предполагаемого вида напряженно-деформированного состояния: плоское напряженное состояние (ПНС), плоское деформированное состояние (ПДС), трехмерное напряженное состояние. Вносятся уточнения в условия сопряжения элементов расчетной схемы. В отдельных точках вводится разрыв части связей, например, взаимный поворот (шарнир), взаимное продольное или поперечное смещение в сочленениях стержней или других элементов, нарушение сплошности плоской или пространственной расчетной области. В природе не существует ни «чистых» шарниров, ни «абсолютно жестких» соединений элементов. Исследователь должен сам принять решение о том, как идеализировать отдельные узлы, чтобы максимально адекватно смоделировать их действительную работу.
Устанавливаются условия закрепления (граничные условия) расчетной области. Прежде всего, это относится к внешним границам. По направлению каждой степени свободы краевых точек (плоскостей) возможны три варианта граничных условий (ГУ): 1. кинематические ГУ: нулевое или ненулевое фиксированное перемещение; 2. силовые ГУ: по направлению соответствующего вектора задается сила, равная нулю (свободное перемещение) или не равная нулю; 3. упругоподатливая связь в виде линейного соотношения между перемещением и силой отпора (реакции). В отдельных случаях могут быть полностью запрещены перемещения некоторых узлов системы.
Наконец, назначаются формы и размеры поперечных сечений стержней, толщины пластинчатых конструкций.
В докомпьютерный период расчёт сооружений на прочность, жесткость и устойчивость проводился, как правило, методами строительной механики и специалист, составляя расчетную схему, прежде всего, думал о возможности решения задачи в такой постановке.
С появлением компьютеров, вызвавших интенсивную разработку численных методов, произошел перенос центра тяжести от многочисленных узко ориентированных приемов строительной механики в фундаментальные исследования методов механики деформируемого твердого тела, а в инженерной практике - на приемы и методы построения компьютерных пространственных моделей зданий и сооружений. Строительные нормы и правила [58, 68] при выборе расчетной схемы сооружения рекомендуют учитывать наиболее существенные факторы, определяющие напряженное состояние и деформации основания и конструкций сооружения, пространственную работу конструкций, геометрическую и физическую нелинейность, анизотропию, пластические и реологические свойства материалов и грунтов, но не содержат практических предложений по решению данной проблемы.
Фундаментальную роль в переходе к расчетной схеме является выбор модели механического поведения материала строительной конструкции (упругого, пластического, упруго-хрупкого и т.п.). Этот выбор в наибольшей мере нуждается в экспериментальном обосновании.
При моделировании механических свойств материала должна быть установлена связь между напряжениями и деформациями в виде физических уравнений и определены критерии их разрушения. При этом обычно пренебрегают атомарной и зернистой структурой материала, считая его сплошным и первоначально (до нагружения) однородным по своим механическим свойствам. Предположение о сплошности дает возможность считать напряжения, деформации и перемещения отдельных точек непрерывными и однозначными функциями координат, имеющими непрерывные частные производные первого и более высоких порядков. Материал может обладать свойствами упругости, хрупкости, пластичности и ползучести, которые по-разному проявляются на разных этапах работы конструкций при разных внешних воздействиях.
Основные материалы и среды, используемые в строительстве: железобетон, сталь, кирпичная кладка, дерево, грунт. Основные постулаты и физические уравнения, используемые в современных математических моделях этих материалов, изложены в СНиП [67-71].
На стадии проектирования строительных объектов при моделировании механических свойств материалов обычно нелинейными эффектами пренебрегают, полагая, что все конструкции должны работать в упругой области, т.е. связь между напряжениями и деформациями линейна и имеет вид обобщенного закон Гука.
Для описания нелинейных эффектов в определяющих соотношениях для разных материалов конструкций сооружения используют разные теории и математические модели, в зависимости от механического поведения материала в конкретных условиях эксплуатации.
Термины и определения, принятые в программе ASBB
Программа AnSysBuildingBlock разработана на профессиональном языке программирования Microsoft Visual Basic 6.0, работает в среде Microsoft Windows 2000/ХР и является отдельным приложением Windows. Имеет собственный GUI (интерфейс пользователя), предназначенный для специалистов строительного профиля.
Системные требования к компьютеру: оперативная память - более 128 Мб; свободное место на жёстком диске - более 10 Мб.
Объекты - все вспомогательные и строительные элементы и объекты, которые используются на планировках зданий и сооружений (за исключением сетки привязки).
Вспомогательные объекты - применяются для привязки строительных конструкций на планах зданий и сооружений. При формировании кода модели они в программный код не включаются. Применение вспомогательных объектов для создания модели необязательно. Вспомогательные объекты не привязываются к конкретным этажам (т.е. на всех этажах используются одни и те же вспомогательные объекты; так называемое «сквозное поэтажное отображение вспомогательных объектов»). Вспомогательным объектам никогда не назначаются свойства материалов.
Строительные объекты - применяются для формирования модели здания или сооружения. При формировании кода модели все объекты без исключений учитываются. Для создания строительных объектов вспомогательные объекты применяются в качестве привязки. Строительные объекты всегда привязываются к конкретным этажам. Строительным объектам всегда назначаются свойства материалов.
Модель - геометрическая и расчётная модели здания или сооружения (также можно рассматривать несколько зданий, отдельные конструкции, конструктивный узел, систему «здание-фундамент-основание»), которое создается в виде виртуальной модели в данной программе. Модель -фактический набор взаимосвязанных строительных объектов. По виртуальной модели формируется программный код для ПК ANSYS.
Код модели - программа (формат ТХТ) на языке параметрического проектирования APDL, описывающая расчётную модель здания или сооружения. Поэтажное построение модели представляет собой процедуру создания отдельного этажа здания. Остальные этажи можно создать методом «копирования». Программа состоит из двух основных подпрограмм или интерфейсов.
Первый (главный) интерфейс в целом предназначен для создания и отображения модели здания или сооружения (см. рис. 2.1). Пользователю предоставляется окно формирования геометрической модели, в котором можно отображать план текущего этажа либо трёхмерное изображение этажа или всех этажей. Здесь же представлены инструменты поэтажного создания модели и задания внешних нагрузок, а также команды формирования программного кода и редактирования ранее созданных моделей.
Второй интерфейс программы представляет собой редактор кода модели (см. рис. 2.2), в котором отображается автоматически сформированный программный код созданной модели. Его в дальнейшем можно перенести в ПК ANSYS для выполнения прочностных расчётов и анализа. Есть также возможность удобного отображения любых программных кодов написанных на языке APDL, которые были созданы без использования автоматизированных средств главного интерфейса программы.
Интерфейс программы соответствует «стандартным приложениям Windows» [82]. Принцип создания элементов модели и редактирования модели подобен самым распространённым графическим платформам строительного проектирования (Project Studio, КОМПАС со специализированными приложениями, Allplan Архитектура, АгСоп, ArchiCAD).
Основная область применения - статический расчёт любых строительных объектов: дома, здания, сооружения, отдельные строительные конструкции или конструктивные узлы.
Текущая версия программы имеет следующие ограничения: 1. Использование только прямых стен / балок / перекрытий / блоков (не криволинейных, не дугообразных);
2. Использование строительных объектов (стен, перегородок, балок, фундаментов и т.п.), параллельных одной из осей декартовой системы координат: X / Y / Z;
3. Ограничения по числу объектов: объектов одного типа не должно быть больше 501 шт. на одном этаже;
4. Ограничение по числу этажей: общее число этажей не должно превышать значения 101 (включая подвальный этаж);
5. Ограничение по числу материалов используемых в модели: общее число материалов не должно превышать 101;
6. Высотная отметка низа и верха проёма окон являются едиными для всех оконных проёмов одного этажа, заданных в диалоговом окне формирования этажей. Использование разных высот проёмов окон допускается на разных этажах. Высотные отметки верха оконных проёмов и дверных проёмов могут различаться. Так же, для всех дверных проёмов используется единые высотные отметки: низ проёма - 0.000 от уровня пола этажа, верх проёма - согласно заданным параметрам риски этажей (см. рис. 2.3);
Реализация алгоритма создания геометрической модели здания..
Все объекты модели объединяются в тематические группы (тематические объекты). К вспомогательным объектам относятся: оси и характерные точки. К строительным объектам относятся: стены, проёмы, колонны, балки, перекрытия и блоки. Всего восемь тематических групп. Проёмы - это зависимые объекты (т.е. они зависят от стен, например, мы не сможем установить проём вне стен, или, если мы удаляем стену, то все проёмы в ней тоже будут удалены). Такое разбиение на группы позволяет корректно создавать модель здания или сооружения, быстро находить объекты, редактировать и управлять ими.
В ПК ANSYS применяются следующие системы координат: прямоугольная (декартова система координат), цилиндрическая, сферическая и торовая [7].
Так как строительные объекты имеют преимущественно прямоугольные формы и очертания, то у строителей-проектировщиков принято применять прямоугольную систему координат при создании геометрических и расчётных моделей, как в чертежах проектной документации, так и при расчёте строительных конструкций.
В программе ABSS также принята прямоугольная система координат, и введено понятия глобальной системы координат, которая полностью совпадает с глобальной системой координат ПК ANSYS при создании расчётной модели. Пользователь может произвольно привязать геометрическую модель к глобальной системе координат, так как это никак не скажется на результатах расчёта.
Для точной интерактивной работы с окном отображения модели в программе ASBB действует система привязок. Здесь можно отображать сетку привязок с заданным шагом.
Программа ASBB на первом этапе работы позволяет создавать геометрическую модель здания или сооружения в произвольном порядке. Например, можно настроить высотные отметки этажей, а затем формировать планировку этажа, или наоборот; можно последовательно формировать этажи, начиная с первого, а можно произвольным образом нарушить этот порядок. Применение произвольного создания геометрии повышает комфортность работы и удобство редактирования отдельных объектов или частей модели.
За счёт настроек «по умолчанию» программа надёжно защищена от сбоев и вылета при формировании геометрической модели. Однако, пользователь не должен пропустить ни одного подэтапа формирования геометрической модели, если он нарушает последовательность.
Для «быстрого старта» в программу ASBB встроен подробный пример создания модели здания. Кроме того, пользователю предоставляется обширная система справочной информации и система подсказок.
Рассмотрим реализацию алгоритма создания модели здания, описанного выше, на примере двухэтажного дома, отдельные части которого ослаблены трещинами.
1. Анализируем исходные данные по зданию. Это могут быть: чертежи разделов АС, АР или КЖ проектно-сметной документации (см. рис. 2.19), пояснительная записка, результаты обмеров реального здания или результаты обследования (свойства материалов).
В любом случае мы должны получить иметь следующие данные: этажность, наличие подвала, высоту каждого этажа, параметры перемычек и балок, толщину перекрытия, отметки и высоты дверей и окон, используемые материалы и их физические свойства.
Эти данные мы изначально вносим в соответствующие диалоговые окна: «этажи» и «материалы» (см. рис. 2.20 а, б).
При работе с материалами мы можем включить линейный или нелинейный расчёт. Для нелинейного расчета с применением КЭ типа SOLID65 потребуется ввести дополнительные данные, которые описывают математическую модель механического поведения материала.
2. Заполняем общие параметры модели (см. рис. 2.21): название модели (в дальнейшем это будет база данных для ПК ANSYS), размеры конечно-элементной сетки (это будет максимальный размер КЭ при формировании расчётной модели в ПК ANSYS), материалы (по умолчанию) для тематических групп объектов модели.
3. Создаём планировку начального этажа, используя инструменты по созданию объектов. Сначала создаём вспомогательные объекты. Далее к ним привязываем строительные объекты. Принцип задания параметров объектов и редактирования параметров созданных объектов аналогичен реализации в ПК КОМПАС-График. Для копирования, симметрии, перемещения, удалении объектов используем инструменты редактирования.
При создании объектов мы можем использовать три режима работы: ввод параметров объектов с клавиатуры, интерактивный ввод с окна представления графической модели и автосоздание объектов. 4. Копируем этажи, в случае если их планировка повторяется или создаём новую планировку вышележащих этажей. Если здание одноэтажное - то это этап пропускаем. 5. Задаём параметры фундаментов и кинематические нагрузки (рис. 2.22).
Математические модели механического поведения упруго-хрупких материалов, учитывающие структурное разрушение
В последние годы в строительстве широко используются высокопрочные и средней прочности материалы, такие как кирпичная кладка или монолитный, сборный железобетон. Такие материалы в процессе эксплуатации при наличии различных внешних и внутренних факторов и воздействий, как правило, склонны к хрупкому разрушению, а именно к разрушению путем спонтанного распространения трещины без заметных предварительных пластических деформаций. Поэтому при оценке работоспособности материала в конструкции необходимы данные о сопротивлении материала хрупкому разрушению, особенно в тех случаях, когда в конструктивном элементе имеется острый концентратор напряжений - дефект типа трещины - и когда такой элемент подвергнут совместному воздействию силовых полей и физико-химических факторов, приводящих к повышенной склонности материала к хрупкому разрушению.
Изучение явлений хрупкого разрушения материалов стало особо актуальным в связи с фактами разрушения крупных конструкций именно по хрупкому механизму (путем распространения трещины), несмотря на то, что условия их прочности в рамках классических подходов (по упругому или пластическому состоянию) были удовлетворены. Эти факты привели к созданию методов и средств определения сопротивления конструкционных материалов хрупкому разрушению, а также к разработке теории прогнозирования работоспособности тел (элементов конструкций), ослабленных дефектами типа трещин. Результаты исследований и рекомендаций в этой области науки о прочности материалов и конструкций составляют теперь ее новую ветвь - механику хрупкого разрушения. Усилиями многих ученых достигнут значительный прогресс как в области теоретических трактовок и количественного описания явлений хрупкого разрушения, так и в области инженерных приложений теоретических результатов. В России и за рубежом опубликован ряд обобщающих трудов [14, 24], посвященных анализу важнейших достижений по механике хрупкого разрушения.
Железобетон - композиционный материал, в котором бетон и стальная арматура, соединенные взаимным сцеплением, работают как единое целое. Механические свойства материала зависят от свойств отдельных компонентов. Известно, что бетон может работать в упругой области или проявлять нелинейные свойства (трещинообразование, пластичность, ползучесть), которые по-разному проявляются в разных конструкциях на разных этапах работы. Для конструкций, рассматриваемых в данной работе, определяющее значение имеет трещинообразование в бетоне и поэтому выбрана модель, ориентированная на описание упруго-хрупкого поведения материала бетона, разработанная K.J. Willam и E.D. Warnke [94], и реализована в конечно-элементном пакете ANSYS [83]. При построении математической модели механического поведения бетона материал изначально считается изотропным, линейно упругим а, повреждаясь, становится и остается ортотропным. Армирование может производиться в нескольких направлениях. Эффективные характеристики тензора жесткости железобетона определяются, как смесь упругих характеристик компонент с учетом их направлений по формулам: где Na - номер армирующего материала; V" - относительная объемная доля материала арматуры г-го типа; С)ы - симметричный тензор жесткости изотропного материала бетона, ненулевые компоненты которого равны: а с учетом структурного разрушения его компоненты зависят от направления и количества трещин [83].
Сини компоненты тензора жесткости арматуры r-го типа, известным образом [92] преобразованные из локальной системы координат (x",y",zar), связанной с конкретным типом арматуры, к глобальной декартовой системе координат (x,y,z). В локальных координатах тензор С/(г) имеет одну ненулевую компоненту С,"1(,) = Е", равную модулю упругости материала арматуры r-го типа (ось хаг совпадает с направлением укладки арматуры).
В работе Г.Г. Кашеваровой [34] разработана математическая модель нелинейного механического поведения кирпичной кладки в условиях сложного напряжённого состояния, учитывающая процессы накопления упруго-хрупких повреждений и закритического деформирования.
При этом учитывались такие характерные виды её разрушения, как раскалывание и раскрашивание. В отличие от бетона сделано предположение, что материал изначально является ортотропным (или изотропным) и, повреждаясь, остается ортотропным. Т.е. данная модель является обобщающей для упруго-хрупких материалов.
Рис. 3.2. Диаграмма деформирования упруго-хрупкого материала Опираясь на результаты теоретических исследований [3, 8, 16, 44, 47, 80, 81] и натурных экспериментов для бетона и кирпичной кладки и составляющих компонентов, свойства упруго-хрупких материалов с учетом структурного разрушения (накопления повреждений) можно представить в виде идеализированной диаграммы деформирования при одноосном сжатии вдоль любого из направлений (рис.3.2).
