Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время строительные нормы предписывают выполнять расчет всех зданий, в том числе имеющих железобетонные конструкции, на сейсмическое воздействие спектральным методом, реализующим модель колебаний по собственным формам с учетом эмпирических коэффициентов в предположении мгновенного распространения волн напряжений и деформаций в конструкциях здания
Результаты землетрясений последнего времени свидетельствуют, что многие поврежденные и разрушившиеся здания удовлетворяют требованиям действующих норм, что свидетельствует о недостатках расчетного метода. Важнейшим недостатком спектрального метода является неучет реакции здания на возникающие в конструкциях бегущие волны напряжений и деформаций.
Методы, учитывающие бегущие волны, позволяют анализировать усилия и деформации, возникающие значительно быстрее, чем проявляются формы колебаний конструкций и объяснить характер наблюдаемых повреждений, когда в бетоне развивается густая сеть микротрещин, приводящая к раздроблению бетона (в материалах, имеющих высокую прочность при ударе и растяжении (металл, дерево) такого эффекта не наблюдается), а также объяснить быстрое исчерпание циклической прочности железобетонных элементов и потерю устойчивости, связанную с уменьшением модуля упругости бетона. Таким образом, для отражения действительных параметров сопротивления железобетонных конструкций при динамическом нагружении типа сейсмического необходим учет волнового характера реакции конструкций.
Учет распространения волн отражает более сложный вид циклического нагружения с различной, в том числе высокой частотой, что позволяет учесть увеличение циклов деформаций различной амплитуды и нелинейные эффекты
в бетоне и арматуре : влияние скорости нагружения на величину деформации, повышение деформативности конструкций при циклическом режиме нагружении за счет накапливающихся с ростом циклов остаточных деформаций, разупрочнение бетона и арматуры типа малоцикловой усталости, уменьшение модуля упругости бетона, депланации сечения бетона с закрытием трещин и др.
Анализ распространения бегущих волн для расчетных моделей позволяют проводить многие современные программные комплексы, реализующие метод конечных элементов (Abaqus, Nastran, LS-Dyna и др.), однако проведение проектных расчетов реальных зданий и сооружений и анализ полученных результатов в рамках нормативных методик для железобетонных конструкций с использованием данных программ имеет значительные ограничения. Альтернативой такому подходу является использование стержневых моделей.
Классическое дифференциальное уравнение поперечных колебаний стержня с распределенными параметрами (уравнение Бернулли-Эйлера) получено для модели, в которой учитываются только деформации , вызванные изгибом и не учитываются деформации сдвига от поперечных сил. Более точное уравнение с учетом деформаций сдвига и инерции вращения сечений получено С.П.Тимошенко, поперечные сечения при этом приняты плоскими, но не перпендикулярными нейтральной оси. Имеются уточнения, учитывающие депланацию поперечного сечения. Решение уравнения С.П.Тимошенко не является простым, к нему не применим классический метод разделения переменных. Но именно данная стержневая аппроксимация наиболее близка к точным решениям динамических уравнений теории упругости.
Необходимость совершенствования моделей железобетонных конструкций для немногократных повторных динамических нагружении высокой интенсивности типа сейсмических и обуславливает актуальность работы.
Анализ усилий и деформаций стержневых железобетонных элементов при распространении бегущих волн и является предметом исследования диссертационной работы. Целью исследования является установление особенностей поведения железобетонных конструкций при распространении бегущих волн при малоцикловом динамическом нагружении и методика волнового расчета стержневых железобетонных конструкций.
Методы исследований. При решении поставленных задач в диссертации использовались методы теории железобетона, динамики сооружений, математической физики и методы компьютерного моделирования.
Научная новизна работы:
- определены особенности реакции железобетонных конструкций при
учете распространения бегущих волн при малоцикловом динамическом
нагружении, учитывающие влияние армирования и скорости нагружения;
численными экспериментами подтверждены определенные в ходе натурных экспериментов скорости бегущих изгибных волн в железобетонных стержневых элементах и их соотношение с расчетными скоростями, определенными по точным решениям динамической теории упругости;
определены различия в усилиях, вычисленных для различных конструктивных типов железобетонных зданий, выявлены конструкции, имеющие наибольшие отличия по усилиям для спектрального метода и при учете распространения бегущих волн;
- предложена методика нелинейного проектного расчета на сейсмическое
воздействие с учетом распространения бегущих волн для систем
железобетонных стержневых элементов с использованием уравнения
колебаний стержня с учетом сдвига и поворота сечений и нелинейной работы
железобетона;
произведено большое число вычислительных экспериментов, подтверждающих достижение целей диссертации.
Достоверность результатов работы. Достоверность и обоснованность положений и выводов обеспечивается соответствием экспериментальных
б данных, приведенных в литературных источниках и разработанных методик с данными численных экспериментов, а также соблюдением законов сохранения механики сплошной среды и определяющих уравнений, применением аппарата математического анализа и методов теории железобетона.
Практическое значение работы заключается в решении актуальной научно-технической задачи развития и реализации в практике проектирования расчетной динамической модели зданий и сооружений, учитывающей распространение бегущих волн и физически адекватную модель железобетона для стержней при малоцикловом динамическом нагружении. Результаты использовались при альтернативных расчетах железобетонных конструкций зданий в районе г. Армавир Краснодарского края, в Иркутской обл., г. Владивостоке.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы отражены в 2 научных статьях, а также проекте нормативного метода расчета на сейсмические воздействия и доложены на конференции в г. Москве.
В полном объеме работа доложена и одобрена на заседании кафедры «Железобетонные конструкции» Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства.
На защиту выносятся:
анализ эффектов в стержневых железобетонных конструкциях при распространении бегущих волн;
идентификация скоростей бегущих изгибных волн в железобетонных стержневых элементах;
- нелинейная деформационная модель железобетонного стержня при динамических немногократных повторных нагружениях с учетом армирования и скорости деформирования;
- анализ влияния различных геометрических и физических факторов на
усилия в железобетонных конструкциях при сейсмическом воздействии, а
также анализ усилий, определенных по различным динамическим моделям
зданий;
методика выбора волновой расчетной динамической модели железобетонных зданий и ее численного анализа.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 работы, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения с основными выводами, списка литературы, содержащего содержащего 135 источников. Общий объём работы 114 страниц, включая 58 рисунков и 12 таблиц.
