Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время при проведении различных научных исследований, расчете и проектировании зданий и сооружений ответственного назначения безусловное преимущество имеет метод численного моделирования, позволяющий получать достоверную информацию о поведении изучаемых объектов при относительно малых затратах. Этому способствует бурное развитие вычислительных комплексов, основанных на реализации численных методов анализа, позволяющих изучать сложные системы, включающие в себя многослойные структуры с различными физико-механическими и геометрическими характеристиками.
В строительстве к таким структурам относятся слоистые грунтовые массивы, на которых возводятся сооружения (на равнинных территориях верхняя часть разреза геологической среды представляет собой область с плоскопараллельной слоистостью), протяженные конструкции, используемые в строительстве (многослойные покрытия, дорожные конструкции, аэродромные покрытия и др.).
Основными задачами, которые необходимо решить, здесь являются оценка прочностных и деформационных свойств слоистых элементов, анализ их несущей способности и долговечности, вопросы оптимального проектирования фундаментов сооружений с учетом строения среды и реального соотношения механических и геометрических свойств ее составляющих. В особенности это относится к возведению зданий и сооружений в районах с повышенной сейсмической активностью.
Слоистые структуры при динамическом нагружении часто обладают
волноводными свойствами, характеризующимися наличием
распространяющихся поверхностных или пограничных волн, что существенно влияет на поведение объектов, сопряженных с этими средами, и требует изучения и оценки локальных резонансных режимов их работы.
В настоящее время существуют достаточно хорошо отработанные аналитические и численные методы, позволяющие проводить расчет основных характеристик их динамического НДС. Однако имеется ряд проблем, для решения которых требует существенное развитие известных или разработка новых подходов. Это вопросы, связанные с оптимальным конструированием и реконструкцией многослойных конструкций, оценкой их прочностных свойств при динамическом нагружении, в том числе, на основе энергетических критериев. Решение данных проблем связано как с развитием эффективных
аналитических методов описания НДС слоистых конструкций, численно-аналитических методов (метод граничных интегральных уравнений) и прямых численных методов (наиболее распространены МКЭ и метод конечных разностей).
В работе предлагается ряд подходов, позволяющих решить некоторые из перечисленных проблем.
При использовании методов численного моделирования поведения сложных систем при различном типе нагружения важнейшим является вопрос контроля ее адекватности реальной ситуации, методов корректировки разработанных моделей на основе сопоставления с данными натурных экспериментальных исследований. Последние вопросы требуют развития современных экспериментальных средств и методов исследования.
Изложенное выше обусловливает актуальность и практическую значимость исследования динамических характеристик слоистых структур при динамическом (техногенном или сейсмическом) воздействии.
Цель диссертационного исследования - разработать эффективные аналитико-численные и экспериментальные методы прогнозирования состояния слоистых конструкций с учетом характера динамического воздействия на них, реального строения и соотношения геометрических и механических характеристик.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
На основе анализа современного состояния исследований в строительной механике дать анализ существующих методов и подходов к описанию динамических процессов в слоистых элементах конструкций и выявить области их оптимального применения.
Разработать и реализовать эффективный аналитический метод расчета динамических (деформационных, прочностных и энергетических) характеристик многослойных структур (многослойного полупространства или пакета слоев) с учетом большого числа компонент и произвольного соотношения их геометрических и механических параметров.
Реализовать конечно-элементные модели исследования динамики многослойных элементов конструкций (на примере системы «дорожная конструкция - грунт») и провести численный эксперимент, нацеленный на сопоставительный анализ аналитического и конечно-элементного методов расчета. Выявить основные закономерности динамического деформирования в различных компонентах исследуемых конструкций.
4. Разработать методы обработки и анализа экспериментальных данных для слоистых конструкций (на примере системы «дорожная конструкция -грунт») с использованием мобильного виброизмерительного комплекса. Провести сопоставление результатов эксперимента с расчетными данными. Дать анализ эффективности математических моделей и провести их коррекцию по результатам эксперимента.
Научная новизна:
-разработка и обоснование метода полупространств для расчета основных характеристик динамического НДС многослойных конструкций при стационарном гармоническом воздействии;
- разработка и обоснование расчетного МКЭ алгоритма для анализа
характеристик динамического воздействия на многослойную конструкцию
техногенных или сейсмических колебаний;
-исследование основных закономерностей распределения волновых полей в многослойных структурах при различных соотношениях механических характеристик слоев; оценка состояния слоистых конструкций на основе анализа распределения энергии в среде;
- методика корректировки математической модели на основе данных
натурного эксперимента по регистрации характеристик динамического
деформирования дорожных конструкций при тестовом ударном воздействии.
Практическая ценность:
-разработана эффективная аналитическая методика расчета характеристик отклика многослойных конструкций на динамическое воздействие в широком диапазоне изменения механических и геометрических параметров. Методика переносится на пространственные задачи теории упругости, а также для использования совместно с методом граничных интегральных уравнений;
выявлены основные типы строения слоистых конструкций, обладающие благоприятными или неблагоприятными прочностными свойствами при динамическом воздействии;
разработана и апробирована методика корректировки математической модели на основе данных натурного эксперимента с использованием мобильного виброизмерительного комплекса по регистрации характеристик динамического деформирования дорожных конструкций при тестовом ударном воздействии.
Результаты работы могут быть применены при проектировании автомобильных дорог, аэродромных покрытий, фундаментов зданий и
сооружений с учетом реального динамического техногенного или сейсмического воздействия.
На защиту выносятся:
-метод полупространств для построения аналитических решений краевых задач динамической теории упругости для многослойного полупространства или пакета слоев, обладающий численной устойчивостью при большом числе компонент в широком диапазоне соотношений геометрических и механических характеристик слоев;
-пространственные и плоские конечно-элементные модели для расчета характеристик динамического НДС сложных структур, на примере системы «дорожная конструкция - грунт» во временной и частотной областях;
-методика корректировки расчетной модели системы «дорожная конструкция - грунт» на основе специальной обработки результатов натурного эксперимента;
-экспериментальные методы получения и обработки результатов виброизмерений и их применение к анализу состояния многослойных сред.
Достоверность полученных результатов определяется:
обоснованным и корректным применением математических методов исследования модельных задач при получении аналитических и численных решений;
сопоставлением результатов расчета для частных случаев на основе аналитических решений и разработанных МКЭ алгоритмов и экспериментальных данных.
-сопоставлением расчетных данных с результатами натурного эксперимента на примере модели системы «дорожная конструкция - грунт».
Апробация работы и публикации
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на
международных научно-практических конференциях Ростовского
государственного строительного университета «Строительство-2003», «Строительство-2004», «Строительство—2005», «Строительство-2006», «Строительство-2007», «Строительство-2008» и «Строительство-2009».
По теме диссертационных исследований опубликованы десять печатных работ из них две - в журналах, рекомендуемых высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки РФ.
7 Структура и объем диссертации
Диссертация, объемом 125 страниц машинописного текста, состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 92 наименований.
