Введение к работе
Актуальность проблемы. Обеспечение долговечности т.е. сохранение требуемого' для нормальной эксплуатации качества строительных крнтрукций на длительный срок - это одна из важных проблем строительства. Особенно остро стоит вопрос об обеспечении требуемой долговечности оболочечных конструкций, работающих в агрессивных средах, вызывающих повреждение и разрушение материала конструкций и снижающих их степень надежности. Более половины всех промышленных производств так или иначе связано с агрессивными средами. Значительно усугубляет эту проблему и то, что условия эксплуатации часто неоправданно суровы, так как в процессе эксплуатации слишком мало уделяется внимания всякого рода профилактическим мероприятиям по предотвращению попадания агрессивных сред или отходов производства на строительные конструкции. Все это значительно снижает долговечность конструкций, вызывает необходимость проведения частых текущих и капитальных ремонт-но-восстановительных работ, а это, в свою очередь, сильно удорожает стоимость эксплуатации оболочечных конструкций и, кроме того, требует расхода материалов и рабочего времени, которые могли бы быть использованы на новое строительство.
Надежность и долговечность оболочечных конструкций во . многих случаях определяется их сопротивляемостью воздействию агрессивных сред. Несмотря на защитные мероприятия, полностью предотвратить химическое разрушение не удается, в связи с этим большое значение имеет задача прогнозирования развития коррозионных процессов и их влияния на толщину, форму и несущую способность оболочек.
Другой причиной изменения формы оболочек во времени
является ползучесть.
В научной литературе отсутствуют исследования, посвященные определению изменения форм оболочечных конструкций с учетом эксплуатационных факторов. С научной и практической точки зрения имело бы большое значение определение изменения формы во времени из-за ползучести бетона либо из-за коррозионного износа оболочек. Поэтому представляется актуальной разработка расчетных' схем для оценки несущей способности оболочек с учетом эксплуатационных факторов, разработка аппарата, позволяющего получить множество срединных поверхностей при их оптимальном проектировании, что позволило бы дать ответ на вопросы: "Разрушается ли оболочка в течение заданного периода времени? Какой будет форма оболочки в заданный момент времени? Какую форму первоначально должна иметь опалубка, чтобы в заданный момент времени оболочка приобрела требуемую проектную форму? " Ответам на эти и аналогичные вопросы посвящена' настоящая диссертация. В ней рассматриваются два - физических разных механизма изменения оболочек во времени - коррозия материала и ползучесть, однако поскольку их-последствия сходны - изменение геометрической формы и прочностных свойств во времени, - здесь они объединены в рамках одного исследования.
С другой стороны, указанные задачи могут быть решены путем использования специально разработанных методов геометрического формообразования, приближенно описывающю процессы деформирования конструкции во времени. Кроме того, при комплексном использовании методов теории предельного равновесия и- геометрического моделирования появляется возможность приближенного решения задач в более сложной поста-
новке. в частности, для разнотолщинных оболочек. Известно, что получить решения данных задач чисто методами строительной механики весьма сложно. -
При выборе или создании требуемого метода моделирования следует учесть геометрические особенности исследуемого объекта, комплекс физико - механических характеристик, а также особенности развития процесса деформирования во времени.
Проведенный анализ существующих геометрических методов образования поверхностей и описания физических процессов позволил за основу использовать метод синтеза специальных отображений из компонент, каждая из которых отвечают определенным свойствам моделируемого объекта или процесса.
Ранее метод апробирован в решении задач формообразования поверхностей раздела сред, архитектурных оболочек, парке-тирования, а также (в виде композиции отображений ) для описания электрических и тепловых полей.
Настоящая диссертация- посвящена разработке алгоритмов формирования математических моделей процессов деформирования срединных поверхностей оболочек под воздействием коррозии или ползучести бетона методами теории предельного равновесия, методики определения начальной формы с учетом времени эксплуатации, разработке геометрического описания указанных процессов для разнотолщинных оболочек, а также вопросам оптимального проектирования с применением ЭВМ.
Цель работы - разработка методики прогнозирования изменений форм оболочек во времени вследствие коррозии или ползучести методами теории предельного равновесия и геометрических отображений.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и
- 4 -решены следующие задачи:
разработать математическую модель для описания, изменяющихся во времени поверхностей оболочек с учетом ползучести бетона:
разработать математическую модель для описания поверхности корродирующей ' оболочки на основании эксплуатационных данных;
- предложить.метод определения начальной формы оболочеч-ной конструкции в зависимости от требуемой проектной формы с учетом времени эксплуатации;
выполнить графоаналитический анализ результатов численных экспериментов, проведенных на основе разработанных математических моделей;
разработать геометрическую модель описания процессов деформирования оболочек во времени с учетом комплекса геометрических и физико механических факторов;
разработать программное обеспечение, реализующее модели на ПЭВМ;
внедрить результаты исследования в практику проектирования.
Методика исследований. В работе использовались методы вычислительной метематики, аналитической геометрии, исследования по несущей способности И оптимальному проектированию оболочек , методы теории геометрических отображений.
Теоретической базой для настоящих исследований послужили работы ученых:
- в области геометрического моделирования объектов и
процессов: Ю.И.Бадаева, Г.С.Иванова, В. Е. Михайленко,
В. М.Найдыша, А.В.Павлова,. В.С.Обуховой, А. Л. Подгорного.
- 5 -К.А.Сазонова, Н.И.Седлецкой, В.А.Плоского, Л.С.Ивановой и др.
в области аналитической геометрии, математического анализа, численных методов, теории параметризации: П.С.Александрова, М.Я.Выгодского, Н.В.Ефимова, П.С.Моденова, Г.Мон-жа, А.В.Погорелова, Д.Роджерса, А.Фокса, М.Пратта и других:
в области автоматизации проектирования и машинной графики: Л.Н. Авдотьина, Ю.М. Банковского. А. А.Ляшенко, Д. Мак-Кракена, В. Е. Михайленко, У.Ньюмена, В.С.Полозова. Ф. Препараты, Д. Роджерса. К. А. Сазонова и других;
в области исследования несущей способности и оптимального проектирования архитектурных оболочек; С.Н.Алексеева, В.С.Артамонова, Н,X:Арутюняна, В.М.Бондаренко, Н.И.Безухова, С. Ф. Бугрима. Л. А. Вандаловской. Л.С.Гаранина, А. С.Дехтяря, В.В.Диковича, Л.М.Качанова, В.М.Москвина, И.Г.Овчинникова, В.В.Петрова. А.Ф. Полака, Ю. Н. Почтмана, А. 0. Рассказова, В.Б.Ратинова, Г.К.Хаидукова, Л.Я.Цикернана, В.В.Шугаева и других.
Достоверность основных результатов исследования обоснована применением хорошо изученных моделей ползучести железобетона и его коррозии в агрессивных средах, доказанной сходимостью решения задачи об упругих оболочках, хорошим согласием оценок геометрически нелинейного деформирования о.боло-чек с аналогичными оценками, имеющимися в литературе для случая кратковременного действия нагрузки.
Научную новизну работы составляют:
1. Методика математического моделирования изменяющихся во времени поверхностей оболочечных конструкций с учетом ползучести бетона.
.2. Методика' математического моделирования корродирующей 2-^-5606.
.-6-поверхности оболочек на основании эксплуатационных данных.
-
Способ определения несущей способности оболочек с учетом времени эксплуатации.
-
Метод геометрического описания процесса деформирования поверхности разнотолщинной оболочки во времени.
Практическую ценность работы составляет разработанное программное обеспечение процесса конструирования срединных поверхностей оболочек в интерактивном режиме, а также их предельного анализа с учетом эксплуатационных факторов. Предложенный программный комплекс позволяет ускорить процесс проектирования и получить решения для разнотолщинных оболочек за счет применения эффективного геометрического аппарата.
На защиту выносятся положения, сформулированные в научной новизне работы, а также разработанное программное обеспечение.
Результаты исследований внедрены в ОАО "Киевпроект".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XIII Всеукраинской научно-методической конференции (г.Харьков, 1993 г), на Международной научно-методической конференции (г. Мелитополь. 1994 г.). на Международной научно-методической конференции ( г. Львов, 1994) . на 53-55 научно - практических конференциях КГТУСА (г.Киев. 1992-1994 г.г.), на научных семинарах кафедры начертательной геометрии, инженерной и машинной графики КГТУСА (Киев. 1991-1994 г. г.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка использованной литературы из -166 наименований, приложения и содержит 101 страницу машинописного текста. 18 рисунков и И таблиц.