Введение к работе
Актуальиость проблемы. Конструктивные схемы современных крупнопанельных, каркасно-панелыгых, кирпичных и монолитных зданий повышенной этажности, ядро-диафрагмовые системы могут быть представлены пространственной моделью тонкостенного составного стержня. Теория пространственных тонкостешшх составных стержней в основном разработана н детерминированной постановке для расчета зданий на действие статических нагрузок. Вопросы динамики тонкостенных составных систем остаются в настоящее время малоизученными, особенно в вероятностной постановке, хотя эта задача имеет важное практическое значение. Для высотных зданий преобладающей нагрузкой является динамическая ветровая. Кроме того с развитием монолитного домостроения появилась возможность увеличения этажности зданий, возводимых в сейсмических районах, и динамическая модель тонкостешюй составной системы может с успехом использоваться для расчета и проектирования таких зданий.
Воздействия на строительные конструкции имеют ярко выраженную случайную природу и в общем случае представляют собой изменяющиеся во времени и пространстве случайные поля. Существенным случайным разбросом обладают свойства строительных материалов, геометрия конструкций, значительной неопределенностью обладает сама расчетная модель системы. Поэтом}' строительные конструкции должны рассматриваться как стохастические системы, и для их расчета и проектирования должны применяться методы теории вероятности, случайных функций и полей, а также теории надежности, что дает возможность наиболее адекватно отразить случайную природу основных расчетных величин, взаимосвязь между внешними воздействиями и прочностью конструкции, оценить ее надежность и долговечность.
Стохастическая пространственная расчетная динамическая модель тонкостенного составного стержня наиболее эффективна в приложении к расчету зданий на сейсмостойкость, оценке безопасности и эксплуатационной пригодности их несущих конструкций с заданным значением сейсмического риска (обеспеченностью), что имеет большое народнохозяйственное значение.
Принятые в существующих нормах и большинстве исследований консольно-маятниковые расчетные динамические модели и одномерные модели динамических воздействий не могут отразить действительную работу сооружения и определяют только интегральные параметры действующих нагрузок и реакции самого сооружения. Анализ работы сооружений на динамику и сейсмостойкость показывает, что при нагрузках высокой интенсивности оіш работают как стохастические пространственные сгруктуры, в которых возникают локальные повреждения и зоны пластических деформаций, что вызывает необходимость оценки нелинейной работы сооружения.
Таким образом, при расчете зданий на сейсмостойкость первостепенное значение имеет разработка более совершенных динамических моделей сооружений, позволяющих рассматривать здание как единую пространственную стохастическую систему под действием случайной пространственной динамической нагрузки.
Преимуществом стохастических расчетных динамических моделей является то, что они позволяют избежать неопределенностей, связанных с выбором расчетной модели, и рассматривать сооружение как линейную динамическую систему. Это связано с тем, что при вероятностном расчете влияние нелинейных факторов на выходные вероятностные характеристики системы значительно слабее, чем на отдельные возможные значения случайных величин.
В связи с этим тема диссертации, посвященная разработке динамической теории тонкостенного составного стержня со случайной внутренней структурой под действием случайной многокомпонентной динамической нагрузки и применение ее к расчету зданий на динамические воздействия и оценки их надежности, является весьма актуальной.
Цель работы. Разработка вероятностно-статистической теории колебаний гфостранствеїгаьтх составных систем в приложении к расчету зданий на динамические воздействия и оценка их надежности и долговечности.
Научное значение исследования заключаются в том, что разработаны и доведены до практического применения вопросы динамического расчета тонкостегаюго составного стержня в вероятностной постановке, что позволяет перейти к рассмотрению пространственных стохастических динамических моделей при расчетах здагагії на сейсмические и ветровые воздействия, оценки их надежности и безопасности.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые: н в качестве расчетной динамической модели здания предложена пространственная стохастическая модель в виде тонкостенной составной системы со случайной внутренней структурой под действием случайной многокомпонентной динамической нагрузки;
решена полная проблема собственных значений применительно к задаче собственных колебаний тонкостенного составного стержня как в детерминированной, так и в вероятностной постановке;
решена задача стохастических колебаний тонкостенного составного стержня под действием многокомпонентной динамической нагрузки с учетом корреляции двух видов: между
компонентами вектора входного воздействия и между степенями свободы самого сооружения;
дано дальнейшее обобщение и развитие метода спектральных канонических представлений в приложении к решению пространственной задачи колебаний тонкостенного составного стержня под действием случайной многокомпонентной нагрузки;
разработана методика вероятностного расчета зданий различных конструктивных схем на действие сейсмических и ветровых нагрузок на основе предложенной пространственной динамической модели;
и разработана методика оценки безопасности и долговечности зданий как пространственных стохастических систем с учетом корреляции при многокомпонентных воздействиях;
разработана расчетно-информационная система ИРИС,
предназначенная для расчета зданий повышенной этажности как
пространственных стохастических систем на статические и
динамические нагрузки, для оценки их надежности и
безопасности. Система реализована для ПЭВМ типа ЮМ.
Практическая ценность работы. Для практического использования рекомендуются: методы анализа свободных пространственных колебаний зданігіі различных конструктивных решений - монолитных, панельных, каркасно-панелъных - с учетом случайного разброса физико-механических и жесткостных параметров системы; вероятностный расчет зданий как пространственных тонкостенных систем на действие многокомпонентной динамической нагрузки; методика вычисления дополнительных нагрузок в элементах конструкции при учете корреляции как компонент вектора входного динамического воздействия, так и корреляции обобщенных координат: методика расчета монолитных зданий повышешюи этажности на сейсмостойкость с учетом заданного
уровня риска; система автоматизированного вероятностного расчета зданий на основе пространственной расчетной модели тонкостеїшьіх составных стержней со случайной внутренней структурой на действие статической и динамической нагрузки; расчет надежности и безопасности зданий.
Реализация работы. В АО «Волгоградагропроект» при проектировании многоэгаяагых жилых и обществетшх зданий внедрена методика расчета здаїгий на динамические ветровые воздействия (расчет 9-этажного жилого каркасно-связевого здания). В проектной организации «Универсалпроект» (г. Волгоград) при проектировании монолитных зданий повышенной этажности гражданского и общественного назначения (в частности, сборно-монолитное здание 7-этажного гаража) использованы научно-практические разработки и программное обеспечение по расчету зданий на статические и динамические воздействия. Результаты разработок использовались при выполнетш исследовании по теме: «Надежность здания в сложных грунтовых и природных условиях» в рамках научно-технической программы Госкомвуза РФ «Архитектура и строительство». Автоматизированная система расчета зданий ИРИС, предназначенная для расчета и проектирования жилых и гражданских зданий как пространственных систем на статические и динамические нагрузки в вероятностной постановке и оценки их надежности, используется на кафедре «Строительные конструкции, основания и надежность сооружений» Волгоградской архитектурно-строительной академии в дипломном и курсовом проектировании, а также для научных исследоваїшй.
Степень обоснованности. Научные положения, выводы, рекомендации, изложешше в диссертационной работе, полностью обоснованы, соответствуют совреметшм представлениям теории сооружений, теории сейсмостойкости и теорті надежности.
Достоверность полученных результатов не вызывает сомнений и обусловлена применением современных методов исследования. На защиту выносятся следующие вопросы:
модель многокомпонентных динамических воздействий как пространственно-временное случайное поле;
расчетная динамическая стохастическая пространствеїшая модель зданий в виде тонкостенного составного стержня;
В решение задачи свободных пространственных колебаний
тонкостенного составного стержня в детерминированной и
вероятностной постановке;
И методика вероятностного расчета тонкостенного составного
стержня при действии многокомпонентной динамической
нагрузки с учетом корреляции между компонентами случайного
вектора внешних воздействий и корреляции обобщенных
координат;
Н приложение разработанной методики вероятностного расчета
тонкостенного составного стержня к расчету монолитных зданий
на сейсмостойкость.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались: на региональной научно-технической конференции
«Надежность и реконструкция - 88» (Волгоград, 1988); на
республиканской научно- технической конференции «Компьютеризация и
САПР в строительных вузах» (Волгоград, 1990); на научно-технической
конференции к 40-летию образования ВолгИСИ (Волгоград, 1992); на
Международной научно-технической конференции «Высшая школа в
решении экологических проблем Нижне-Волжского региона» (Волгоград,
1994); на Международном научном симпозиуме «Экология и безопасность
жизнедеятельности» в рамках Международного конгресса «Экология,
жизнь, здоровье» (Волгоград, 1996); на ежегодных конференциях по
итогам научно-исследовательских работ Волгоградской Архитектурно-строительной академии (1988-1996). на объединенном научном семинаре кафедр Сопротивления материалов и Строительной механики МГСУ (Москва, ноябрь 1996); на теоретическом семинаре 26 Центрального НИИ МО РФ (Москва, 1997).
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и выводов, изложена на 315 страницах текста содержит 26 рисунков и 33 таблицы. Список используемой литературы включает 194 наименования.