Введение к работе
Актуальность темы. С середины 90-х гг. российские проектировщики жилых и общественных зданий и сооружений стали активно применять вычислительные программные комплексы для расчета несущих строительных конструкций. В настоящее время мы наблюдаем интенсивное развитие компьютерных технологий и программного обеспечения для строительно-архитектурного проектирования. В связи с повышением требований заказчиков строительства к надежности, экономичности и технологичности принимаемых решений растет и востребованность программных комплексов у проектных организаций.
Такая сфера деятельности, как реконструкция, являясь сегодня не менее актуальной, чем новое строительство, остается все же недостаточно проработанной в информационно-вычислительном отношении. Так, например, неопределенным звеном является оценка физического износа несущих конструкций. Современные методы оценки физического износа и технического состояния строительных конструкций не позволяют реально его оценить, спрогнозировать развитие дефектов и деформаций, а также определить эффективность финансовых вложений в реконструкцию зданий.
Для решения этой проблемы предлагается положить в основу оценки технического состояния и физического износа несущих строительных конструкций зданий современные методы их обследования в сочетании с комплексным пространственным расчетом несущих строительных конструкций с помощью современных ПК. В основу оценки физического износа конструкций здания должна лечь единая методика их обследования, разработанная в соответствии с действующей нормативной базой. По результатам обследования несущих строительных конструкций создаются архитектурная и расчетная пространственные модели здания.
В последнее время резко увеличились случаи повреждения недавно построенных строительных конструкций и даже катастрофических разрушений. Диссертация посвящена созданию корректной математической модели пространственных строительных сооружений, программного обеспечения для исследования процессов их деформирования и предотвращения технических повреждений. Так что тема диссертации является весьма актуальной.
Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с пунктами «5. Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», «11. Методы и алгоритмы прогнозирования и оценки эффективности, качества и надежности сложных систем», «12. Визуализация, трансформация и анализ информации на основе компьютерных методов обработки информации» паспорта специальности 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и промышленности)».
Объектом исследования являются модели процессов деформирования и разрушения кирпичной кладки и несущих стен кирпичных зданий.
Предметом исследования являются теоретико-информационный анализ математических моделей и их численных аналогов процессов деформирования и разрушения элементов конструкций сооружений.
Цель работы состоит в проведении теоретических и прикладных исследований системных связей и закономерностей функционирования и развития процессов деформирования и разрушения мелкодифференцируемой конструкции сплошной стены и несущих конструкций с учетом оконных и дверных проемов.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать методику построения численных моделей элементов конструкции здания, основанных на методе конечных элементов;
предложить методику теоретико-множественного анализа и имитационного моделирования индикаторных диаграмм «напряжение-деформация» материала мелкодифференцируемой строительной конструкции;
создать алгоритм и основанные на нем программно-инструментальные средства для оценки напряженно-деформированного состояния элементов строительных конструкций; провести верификацию созданных алгоритмов с помощью проверки разработанного программного обеспечения;
провести теоретико-информационный анализ комплекса причин, оказывающих влияние на появление и развитие трещин в несущей стене строения;
разработать методику системного анализа, обеспечивающую принятие объективного решения о возможности разрушения как стены, так и фундамента;
разработать теоретические основы системного анализа исследования влияния деформирующегося основания на безопасность здания.
Методы исследования. В диссертации применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
Методологическую и теоретическую базу исследования составили труды отечественных и зарубежных авторов: О.Я. Берг, В.В. Болотин, О. Зенкевич, А.И. Лурье, Г.И. Марчук, В.В. Новожилов, Дж. Оден, Б.Е. Победря, А.А. Самарский, А. Сегерлинд, Л.И. Седов, Дж. Эндрюс, Дж. Фикс.
Теоретическая часть диссертации выполнена с помощью методов аналитической механики, уравнений математической физики и математического анализа, фундаментальных положений системного и функционального анализа, теории вероятностей и случайных функций. При создании программных комплексов использовались теоретические основы информатики и программирования. Экспериментальная часть существенно использует математическую теорию планирования эксперимента.
Математическое и имитационное моделирование решаемых задач осуществлено на основе метода конечных элементов (МКЭ) и универсальной программной системы конечно-элементного анализа ANSYS.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждена использованным математическим аппаратом и методами имитационного моделирования.
Достоверность результатов вычислительного эксперимента подтверждена натурным моделированием процессов напряженно-деформированного состояния стеновых конструкций с применением математической теории планирования эксперимента.
На защиту выносятся следующие результаты работы:
- математическая модель нелинейного изменения механических характери-
стик кладки из кирпича в сложном напряженном состоянии, учитывающая влияние временного накопления повреждений и закритического деформирования;
методика численного определения эффективных свойств участка кладки из кирпича;
результаты натурных экспериментов и построенная зависимость напряжения от деформации участка для участка кладки из кирпича;
результаты численного моделирования элементов конструкции здания на основе метода конечных элементов, позволяющее определить осадки и проводить анализ напряженного состояния здания;
обоснованные рекомендации по области применимости созданных упрощенных расчетных моделей элементов конструкций зданий на практике.
Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученных лично автором, заключается в следующем:
разработана математическая модель пространственной краевой задачи в рамках линейной теории упругости, предназначенная для численного прогнозирования и оценки деформационных и прочностных характеристик неоднородной структуры участка кладки из кирпича, что впервые позволило прогнозировать напряженно-деформированное состояние мелкодифференцируемой стеновой конструкции в любой ее точке;
построена численная модель неравномерной осадки кирпичной стены, предназначенная для верификации упруго-деформированного состояния участка мелкодифференцируемой стеновой конструкции, подвергнутой изгибу, вызванному осадкой грунта, решение которой позволяет архитектору-проектировщику на основе имитационного моделирования и системного анализа прогнозировать процесс формирования и развития трещин в несущей конструкции строения;
на основе теоретико-множественного анализа создан комплекс численных моделей изгиба кирпичной стены здания, учитывающих влияние временного накопления повреждений, закритическую стадию деформирования на процесс разрушения, который дал возможность практическим архитекторам исследовать еще на стадии проектирования процесс появления и развития трещин и выявления запаса несущей способности строительной системы здания, фундамента и грунта.
Практическая полезность работы определяется исследованием поведения ортотропных и анизотропных строительных материалов, а также несущих конструкций под воздействием силовых и кинематических возмущений.
Разработанные методики и модели позволяют автоматизировать процесс проектирования и принять заключение о соответствии конструкторской документации всем требованиям и нормам СНиП.
Результаты диссертационного исследования использованы в учебном процессе образовательных учреждений при изучении дисциплин: «Строительная механика», «Промышленное и гражданское строительство», «Автоматизированное проектирование зданий и сооружений».
Реализация работы в производственных условиях. Полученные результаты использованы и апробированы для опытно-производственной экс-
плуатации в ОАО «Ижмашпроект».
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: 37-й международных конференциях «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2010); V Международной научно-практической конференции «Наука и современность - 2010» (Новосибирск, 2010); Ш-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2011); Международной заочной научной конференции «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, 2011); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы архитектуры, градостроительства и дизайна» (Магнитогорск, 2011); Международной научно-технической конференции «Промышленное и гражданское строительство в современных условиях» (Москва, 2011); Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика» (Воронеж, 2013).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 15 научных работах общим объемом 4,7 п.л., авторский вклад -3,9 п.л. Автор имеет 3 научных труда в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 173 стр. машинописного текста. В работу включены 125 рис., 20 табл., список литературы из 153 наименований.
Похожие диссертации на Комплексный анализ процессов деформирования и разрушения элементов конструкций зданий
