Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время проектные организации активно применяют вычислительные программные комплексы для расчета несущих строительных конструкций. Идет 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.
В градостроительстве всегда существовала такая проблема, как реконструкция зданий и городских территорий, которая не менее актуальна, чем новое строительство.
В городе с исторически сложившейся застройкой любой новый объект можно назвать «точечной застройкой». Это естественное развитие городов, в этом нет ничего плохого, разумеется, при соблюдении санитарного и природоохранного законодательства, закона о культурном наследии.
Без расчётов и анализа уплотнение и точечная застройка в существующей среде приведут к градостроительному хаосу, превращению города в переполненную «коммунальную квартиру», социальному недовольству, ухудшению условий жизни в существующей и новой уплотнительнои застройке, перегрузке транспортных и инженерных сетей.
В законодательстве внятного термина, что считать точечной застройкой нет до сих пор. Разрешение данного вопроса дополнительно осложняет отсутствие какой-либо внятной нормативно-правовой базы, которая бы регламентировала размещение новых объектов на уже застроенной территории. В законодательстве, в частности, в различных СНиПах и ГОСТах существуют определенные нормы, согласно которых определено предельно допустимое расстояние от красных линий и от уже стоящих жилых домов, но на деле это не решает проблем точечного строительства.
При проектировании уникальных объектов, при изысканиях в сложных инженерно-геологических условиях - в районах развития геологических и инженерно-геологических процессов (карст, склоновые процессы, сейсмичность, подтопление и др.), на территориях распространения специфических грунтов (многолетнемерзлые, просадочные, набухающие и др.), и в районах с особыми условиями (шельфовая зона морей, горные выработки, предназначенные для размещения объектов народного хозяйства и др.), а также при строительстве в стесненных условиях застройки - следует выполнять математическое и физическое моделирование, в том числе напряженно-деформированного состояния строительных конструкций, массива и геофильтрации. Моделирование и другие специальные работы и исследования следует выполнять с привлечением научных и специализированных организаций.
В связи с вышеизложенным тема диссертационной работы является актуальной.
Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с пунктами «5. Разработка специального математического и алгоритмиче-
ского 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 технике)».
Объектом исследования являются исследования напряженно-деформированного состояния фундаментных плит строений со сложным гидрогеологическим и территориальным ландшафтным состоянием.
Предметом исследования являются методики расчета и системного анализа напряженно-деформированного состояния фундаментных плит строений, возводимых на площадях со сложным территориальным ландшафтным состоянием, и возведении многоэтажных зданий на территориях плотной застройки.
Цель работы состоит в проведении системного анализа напряженно-деформированного состояния фундаментных плит сооружений вновь возводимых строений на территориях со сложным гидрогеологическим и территориальным ландшафтным состоянием, а также существующих зданий при встраивании многоэтажных зданий с высоким удельным давлением на основание в подошве здания.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
осуществить конечно-элементную дискретизацию конструктивных модулей нулевого цикла и надземной части строения;
установить физические модели нелинейной упругости и пластического течения материалов конструкций строений;
провести численное моделирование нелинейных процессов упругости и пластичности в строительных конструкциях строения;
разработать программно-инструментальные средства для имитационного моделирования проектов безопасной реконструкции существующих строений, в том числе, расположенных на территориях развития карста;
предложить методику численного анализа проекта укрепления конструкций фундамента существующего строения;
обосновать определение дополнительных осадок грунта основания и изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения в целом от возводимых пристроек.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
Применялись методы строительной механики, динамики и расчетов прочности структурно однородных и неоднородных строительных конструкций, теории упругости и упруго-вязкого течения строительных материалов, а также теории твердого деформированного тела.
В работе учитывались методы и технические средства гидрогеологического исследования грунтов под строящиеся здания, а также результаты картографирования застраиваемой территории.
Математическое и имитационное моделирование напряженно-деформированного состояния фундаментных плит и встраиваемых объектов осуществлялось с помощью метода конечных элементов, реализуемого посред-
ством программы ANSYS.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается многолетней практикой и опытом строительства, эксплуатации технического состояния промышленных корпусов и зданий жилищного фонда, построенных в сложных географических, гидрогеологических и климатических условиях.
Мониторинг технических и эксплуатационных характеристик зданий показал, что при проектировании и строительстве их весьма корректно выбирались краевые и начальные условия при построении моделей строений и расчете напряженно-деформированного состояния их конструкций.
На защиту выносится:
верификация математической модели сооружения на основе проведения натурного эксперимента деформации и разрушений существующего строения с учетом изменения литологического состояния грунта;
прогноз изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения, дислоцированных на закарстовых территориях на основе вычислительного эксперимента;
математическое моделирование и вычислительный эксперимент пространственной структуры сооружения как объективный критерий проектов реконструкции фундаментов и строений, построенных на местности со сложным рельефом;
имитационное моделирование деформационно-прочностных изменений свойств проектируемых фундаментных плит при возможных естественных и техногенных воздействиях;
численное моделирование изменения осадок грунта и интенсивности механических напряжений фундаментов существующих строений в результате встраивания нового сооружения;
методика оценки эффективности проектов укрепления фундаментов соседних строений.
Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученных лично автором, заключается в следующем:
определены граничные и краевые условия для компьютерного моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния наиболее ответственных конструктивных элементов сооружения - фундаментных плит, подвергающихся внешним нагрузкам, как собственного веса здания, так и нестационарным кинематическим возмущениям со стороны различных пластов упруго-вязкого грунта;
уточнена модель динамического взаимодействия трех основных составляющих частей здания: строения, фундамента и грунта; выявлены превалирующие факторы, которые влияют на процесс сохранения целостности и разрушения каждой из частей; определены предельные динамические и кинематические возмущения приводящие к образованию трещин, разрывов и разрушения фундаментов;
методом вычислительного эксперимента сделан прогноз изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения, дислоцированных на закарстовых территориях, при стационарных и экстремальных динамических и кинематических возмущениях;
предложена методика математического моделирования и вычислитель-
ного эксперимента пространственной структуры сооружения как объективный критерий проектов реконструкции фундаментов и строений, построенных на местности со сложным рельефом;
разработаны математические модели и вычислительные технологии системного анализа, основанные на принципах когнитивного проектирования сложных систем, каковой являются здания и сооружения с их наземной и подземными частями, для достижения оптимальных параметров, обеспечивающих длительный жизненный цикл строения;
дан системный анализ результатов и последствий точечного встраивания многоэтажных зданий на земельных участках, расположенных между близко расположенными зданиями старой застройки, в конструкциях которых заложены низкие пределы прочности фундаментов; предложен алгоритм численного расчета влияния встраиваемых зданий с высоким удельным напряжением на грунт на возникновение трещин и разрывов в стенах и фундаменте старых зданий.
Практическая полезность работы. Главным достоинством работы является то, что реально созданы численные модели целостного строения, диакоптиче-ски расчлененного на наземную часть сооружения, фундамент и основание. Построенные математические модели и разработанные программно-инструментальные средства для объективного компьютерного моделирования напряженного состояния всех частей и конструктивных элементов сооружения. Такой мощный аппарат имитационного моделирования динамического состояния всей конструкции здания при воздействии различных внешний возмущений позволяет с достаточной точностью прогнозировать жизнеспособность строения и обеспечить безопасность жителей здания.
Кроме того, автоматизированный программный комплекс компьютерного моделирования позволяет работникам архитектурно-строительных учреждений проводить техническую экспертизу надежности строящегося здания, а также определять возможные последствия от влияния встраиваемого здания на фундаменты и стеновые конструкции ветхих кирпичных домой старой застройки.
Разработка сервисных программ для использования программного продукта ANSYS обеспечивает доступность использования полученных в диссертации работ.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Ш-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2011); Междунар. заоч. науч. конф. «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, 2011); XII Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2012); Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика» (Воронеж, 2013); XIII Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2013).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 9 научных работах общим объемом 4,5 п.л., авторский вклад - 3,7 п.л. Автор имеет 3 научных труда в издании, выпускаемом в РФ и рекомендуемом ВАКом для публикации основных результатов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 167 стр. машинописного текста. В работу включены 125 рис., 20 табл., список литературы из 153 наименований.
