Введение к работе
Актуальность темы. В XXI веке все чаще фиксируются чрезвычайные ситуации, связанные с внезапным разрушением несущих конструкций зданий и сооружений. Основными причинами таких событий являются запроектные воздействия или воздействия, не предусмотренные условиями нормальной эксплуатации конструкций. В современной науке все большее внимание уделяется созданию методов расчета деформируемых объектов с учетом возможного внезапного выключения из работы отдельных элементов, связей, закреплений и т.п. и проектированию несущих систем, позволяющих исключить лавинообразное обрушение конструкций в случае возникновения их локальных повреждений. К числу объектов, которые необходимо защитить от лавинообразного разрушения, следует отнести широко распространенные балочные и рамные конструктивные системы. Требующееся при учете запроектных воздействий усиление таких конструкций связано с существенным увеличением стоимости строительства. Проблема минимизации этих затрат может быть решена на основе оптимизации деформируемых объектов методами строительной механики. В последнее время проводились исследования по оптимизации несущих конструкций с учетом возможных структурных перестроек, однако вопрос о создании процедур решения экстремальных задач данного типа еще требует дальнейшей проработки. Следует предусмотреть возможность осуществления поиска на дискретных множествах стандартных профилей, толщин листов и т.д. с учетом комплекса требуемых ограничений. Как известно, задачи дискретного программирования могут достаточно успешно решаться с помощью эволюционного моделирования, иначе называемого генетическими алгоритмами. Тем не менее, в оптимальном синтезе конструкций, принимающем во внимание разрушение отдельных несущих элементов, такого рода подход еще не нашел своего применения. Поэтому тема диссертационной работы, связанная с эволюционной оптимизацией балок и рам с учетом возможности внезапных изменений структуры деформируемых объектов, представляется актуальной.
Цель работы - разработка методики и алгоритмов оптимального синтеза балок и рам с учетом возможности внезапного изменения их структуры на основе эволюционного моделирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Разработать методику учета в рамках процесса оптимизации динамического характера нагружения стержневых конструкций при внезапном изменении структуры несущей системы.
2. Сформировать эволюционный алгоритм для расчета и оптимизации балочных и рамных конструкций при оценке несущей способности объектов методом предельного равновесия в случае статического приложения нагрузки.
3. Разработать методику эволюционной оптимизации балочных и рамных конструкций с учетом возможных структурных перестроек.
4. Реализовать предлагаемые алгоритмы в рамках программного комплекса конечно-элементного анализа.
5. Подтвердить работоспособность представляемых численных процедур на примере анализа и синтеза конкретных стержневых систем.
Эти задачи решались при следующих основных предпосылках:
1. Полагается, что в основных стержнях рассматриваемых конструкций преобладающим усилием является изгибающий момент в одной из главных плоскостей.
2. Материал стержней считается идеальным упруго-пластическим по Прандтлю.
3. Не анализируется этап возникновения больших перемещений в исследуемых объектах.
4. В процессе оптимизации не рассматривается местная прочность конструкций. Предусматривается решение вопросов местной прочности после нахождения рациональных проектных решений, полученных с учетом общих деформаций несущих систем.
Методы исследования. В основу оптимального синтеза несущих систем положены современные информационные технологии эволюционного моделирования. Напряженно-деформируемое состояние конструкций анализируется с помощью метода конечных элементов. В случае квазистатических расчетов физически нелинейное поведение материала учитывается с помощью статической теоремы метода предельного равновесия. Анализ динамического поведения конструкций осуществляется путем численного интегрирования систем дифференциальных уравнений, описывающих движение рассматриваемых объектов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработан алгоритм эволюционной оптимизации статически нагруженных балок и рам при оценке несущей способности систем методом предельного равновесия;
- предложена методика анализа динамического поведения стержневых систем с учетом физической нелинейности на основе алгоритма, реализующего метод Ньюмарка в приращениях;
- разработана методика оптимального синтеза балочных и рамных конструкций на дискретных множествах параметров с учетом внезапных структурных перестроек.
Обоснованность и достоверность результатов работы. Основные положения диссертации подтверждаются строгим использованием классических подходов строительной механики и сопоставлением результатов ряда расчетов с известными решениями, приведенными в литературе.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- алгоритмы исследования нестационарной динамики стержневых систем с учетом физической нелинейности исследуемых процессов;
- процедуры оптимизации статически нагруженных стержневых конструкций при проверке несущей способности объектов на основе статической теоремы метода предельного равновесия;
- методика параметрической оптимизации балочных и рамных конструкций с учетом возможности внезапных изменений структуры деформируемой системы;
- результаты расчета и оптимального синтеза рассматриваемых стержневых систем.
Практическую ценность работы составляют:
- методики оценки динамической нагруженности стержневых конструкций при внезапных структурных перестройках;
- алгоритмы и программные средства для решения задач оптимального синтеза балок и рам в предположении возможности мгновенного выключения из несущей системы отдельных конструктивных элементов;
- принципиальная структурная схема усиления несущей системы двухэтажной рамы с учетом запроектных воздействий.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований в виде расчетных методик, алгоритмов и программных средств внедрены в проектных отделах ЗАО «ЮВМ» РАО Газпром и ООО «Столичный Строитель».
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на II Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники» (г. Днепропетровск, 2006 г.); на Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов» (г. Брянск, 2006 г.); на Международной научно-технической конференции «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику» (г. Брянск, 2006 г.); на Международной научно-практической конференции «Механика несущих систем» (г. Брянск, 2008 г.); на 1-й Международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного биосферно-совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах» (г. Брянск, 2009 г.); на II Международной научно-практической конференции «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы» (г. Москва, 2009 г.).
По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК России для кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 152 страницах печатного текста и включает 65 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 197 наименований и 3 приложения на 12 страницах.
