close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

;docx

код для вставкиСкачать
3
Общая характеристика работы
Актуальность исследования. Проблемы обеспечения безопасной эксплуатации,
функционального
технологического
соответствия
и,
в
конечном
итоге,
долговечности зданий, сооружений, коммуникационных и транспортных систем,
ввиду объективно непредотвратимых факторов экстремального природного,
технологического,
техногенного
или
диверсионного
происхождения,
и
неминуемых износа и коррозионных дефектов материалов не могут быть
досконально решены в устоявшихся условиях существующих расчетных,
композиционных, объемно-планировочных и конструктивных концепций. В то же
время сокращение объемов капитального строительства новых производственных
мощностей ведет к значительным объемам вложений средств, направленных на
реконструкцию,
производственных
переоборудование,
процессов
и
связанное
использованием
с
интенсификацией
более
современного
оборудования, или усиление как промышленных, так и гражданских зданий и
сооружений. В этих условиях встает вопрос об экономичном увеличении
силового
сопротивления
железобетонных
конструкций,
в
том
числе
эксплуатируемых при динамических воздействиях с учетом того, что конструкции
могут быть подвержены коррозии, что, несомненно, влияет на их несущую
способность, и другие негативные факторы должны быть устранены или их
влияние должно быть минимизировано.
Таким образом, исследование особенностей силового сопротивления
эксплуатируемых железобетонных конструкций с учетом предыстории их
нагружения и коррозии, а также вновь возникающих влияний динамического
характера является весьма актуальным, ввиду участившейся модернизации
производственных мощностей, дополнительного устройства коммуникаций и
возникающих экстремальных динамических воздействий. Следовательно, имеется
необходимость определить все особенности расчета, разработать единую
методику, которая бы отвечала современным требованиям, учитывала вновь
возникающие факторы, порождающие динамические воздействия и влияющие на
4
конструкции уже существующих зданий и сооружений с учетом их износа,
особенностей режима эксплуатации.
В основу работы положен метод дополнительных конечных элементов,
согласно
которому
нелинейные
свойства
железобетонных
конструкций
определяются введением в расчетную схему двух типов дополнительных
конечных элементов: изменяющих либо деформационное состояние, либо
напряженное состояние основного конечного элемента.
Целью исследования является разработка на основе теоретических и
экспериментальных данных модели расчета железобетонных конструкций,
учитывающей
такие
факторы,
влияющие
на
конструкции
в
процессе
эксплуатации, либо могущие возникнуть в той или иной экстремальной ситуации,
как предыстория нагружений, изменение режима нагружений, интенсификация
внешних воздействий на конструкцию и другие. Составленную таким образом
модель расчета необходимо применить с привлечением современных средств
расчета. Так как современные методы расчета используют метод конечных
элементов при оценке напряженно-деформированного состояния, то есть
необходимость адаптировать модель расчета к этому методу, для чего
необходимо будет создание дополнительной расчетной схемы с заданием
конкретных нелинейных и динамических характеристик, а также характеристик
жесткости конкретным конечным элементам.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие
задачи:
1. Проведен анализ методик определения запаса несущей способности
железобетонных конструкций.
2. Разработана методика определения коэффициента виброползучести и
модуля деформаций с учетом предыстории и режима действовавших нагружений.
3. Выведены
определяющие
выражения
для
применения
метода
дополнительных конечных элементов к анализу напряженно-деформированного
состояния (НДС) железобетонных конструкций при моделировании конструкции
объемными конечными элементами (КЭ).
5
4. Разработан алгоритм оценки НДС поврежденной конструкции с учетом
предыстории нагружений и интенсификации динамического воздействия на нее,
справедливый также и при смене режима нагружений.
5. Проведена экспериментальная проверка и апробация результатов
исследования в практической деятельности.
Объектом исследования является процесс оценки НДС поврежденных
конструкций, испытывающих динамические воздействия, в ходе их технического
обследования с целью определения пригодности их к дальнейшей эксплуатации.
Предметом
исследования
являются
современные
методы
оценки
технического состояния железобетонных конструкций на основании проведенных
технических обследований с учетом возможности массового их применения в
инженерной практике при использовании конечноэлементного моделирования
при проведении работ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке
следующих теоретических положений:

выведении обобщенных аналитических выражений для определения
основных начальных параметров нелинейной оценки НДС железобетонных
конструкций с учетом их повреждений и предыстории нагружений;

определении выражений для матриц жесткости объемных КЭ при
использовании метода дополнительных КЭ;

переопределении
законов
зависимостей
при
формировании
поврежденных
железобетонных
дополнительных нагрузок на расчетную схему;

общего
алгоритма
оценки
НДС
конструкций с помощью объединения метода интегральных оценок и метода
дополнительных конечных элементов;

учета и оценки с помощью разработанного алгоритма НДС поврежденных
железобетонных конструкций на основе анализа конечноэлементной модели,
составленной по результатам технического обследования.
Практическая значимость результатов исследования. Разработанный
алгоритм оценки технического состояния конструкций предназначен для
6
практической деятельности специализированных организаций, проводящих
мониторинг
технического
состояния
зданий
и
сооружений
в
связи
с
возникновением новых внешних факторов, влияющих на работу конструкций.
При переоснащении производственных мощностей, а также в случае аварий или
планового контроля физического износа конструкций оценка НДС конструкций
по разработанному алгоритму позволит спрогнозировать поведение конструкции
во время ее дальнейшей эксплуатации, либо же своевременно принять решение о
замене конструкции. Более точное моделирование рассматриваемой конструкции
позволит отследить опасные скачки напряжений в теле конструкции, а
применение достаточно широко распространенного в инженерной среде
программного
обеспечения
позволит
применять
разработанный
алгоритм
массово.
Внедрение результатов работы. Положения и результаты настоящей
работы использовались в 2012-2014 г.г. при оценке технического состояния
некоторых
конструкций
различных
объектов промышленного
назначения
организацией ОАО «ГИПРОНИИАВИАПРОМ».
Апробация работы. Основные положения проведенных исследований по
теме
диссертации
докладывались
автором
на
международной
научно-
практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов
«Строительство – формирование среды жизнедеятельности», г. Москва, 2013 г.;
на Московской научно-практической конференции «Студенческая наука», г.
Москва, 2011 г.; на VIII научно-технической конференции «Пути развития науки
и образования в проектировании, строительстве и реконструкции зданий и
сооружений», г. Москва, 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них 3 статьи
опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 статьи в сборниках трудов
международных и всероссийских научно-практических и научно-технических
конференций.
Структура и объемы работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, основных выводов, библиографического списка из 109 наименований, и
7
содержит 174 страницы машинописного текста, 112 рисунков, 2 таблиц, 12
графиков и 1 приложения.
На защиту выносятся наиболее существенные результаты исследования,
имеющие научную и практическую значимость:

Основные положения методики определения параметров нелинейного
расчета с помощью метода интегральных оценок.

Теоретические принципы формирования расчетных моделей методом
дополнительных конечных элементов.

Объединение возможностей создания нелинейных расчетных схем с
помощью дополнительных конечных элементов и дополнительных нагрузок.

Общий алгоритм оценки НДС конструкции при анализе результатов
технического обследования с объединением метода интегральных оценок и
метода дополнительных конечных элементов.

Экспериментальная проверка и апробация разработанного алгоритма и
результатов теоретического исследования диссертационной работы.
Основное содержание работы
Во введении диссертации обоснована актуальность темы исследования,
Сформулированы цели и задачи исследования, перечислены основные выносимые
на защиту положения, обозначены научная новизна и практическая значимость
работы.
В
первой
главе
диссертации
проведен
анализ
существующих
теоретических и экспериментальных исследований, связанных с анализом НДС
железобетонных
конструкций,
подверженных
коррозии,
механическим
повреждениям, износу и воспринимающих воздействия динамического характера.
Проведен анализ воздействия различных видов коррозии и различного характера
динамических нагружений на конструкции.
Основные положения анализа более ранних исследований позволили
сформировать
проблемы.
общую
картину
современного
состояния
рассматриваемой
8
При проведении анализа теоретических данных о корродировании
железобетонных конструкций было показано, что:

коррозионные повреждения бетона повышают количество диссипированной
энергии при его силовом деформировании, что имеет значение для теории
сооружений, поскольку влияет на выбор конструктивных форм и энергетическую
оптимизацию сооружений, испытывающих режимные, цикловые нагружения;

коррозионные повреждения, увеличивая за счет снижения жесткости работу
при
силовом
деформировании
конструкции,
одновременно
приводят
к
уменьшению отпорности и вследствие этого снижают потенциал восстановления
исходного состояния сооружения;

в целом, открывается возможность количественной оценки комплексной
диссипации силового сопротивления сооружений с учетом особенностей
расчетных схем и режимов нагружения, коррозионных повреждений и
энергетических потерь.
В то же время в реальности все строительные конструкции испытывают
нагрузки, меняющиеся с течением времени. Не исключение и статическое
деформирование, так как часть действующих нагружений, относящаяся к временным
составляющим нагружения, не действуют одинаково в течение времени, уменьшаясь
до своих минимальных значений и увеличиваясь до максимальных. Данное
непостоянство
уровня
нагружений
обусловливает
представление
графика
напряженно-деформированного состояния для единицы объема тела в виде
замкнутой петли гистерезиса, характерной для каждого цикла нагружения-разгрузки
(рисунок 1). Как известно, площадь образованной петли гистерезиса соответствует
количеству диссипированной энергии в единице объема тела при рассматриваемом
цикле нагружения-разгрузки.
В
ходе
динамического
расчета
должны
определяться
особенности
деформирования свойственные данному динамическому процессу, закон изменения
колебаний во времени, характер асимметрии цикла в каждой рассматриваемой
области и другие характеристики необходимые для определения гистерезисного
поглощения энергии в конструкциях зданий и сооружений.
9
Рисунок 1. Расчетная диаграмма σ-ε и петля гистерезиса ΔW.
 max – полная относительная деформация;  min – ее исходная часть перед циклом
нагрузка-разгрузка; об – ее обратимая часть в исходном состоянии до
воздействия повреждений; *об – то же, при повреждении коррозией;  н.об – ее
необратимая часть в исходном состоянии до воздействия повреждений; *н.об – то
же, при повреждении коррозией;  max и  min – наибольшее и наименьшее
напряжения в режиме нагрузка-разгрузка.
Одним из наиболее важных факторов при анализе действия динамических
сил на железобетонные конструкции является виброползучесть. Природа этого
явления такова, что при многократном повторении циклов нагрузки-разгрузки
неупругие деформации постепенно накапливаются, после достаточно большого
числа циклов эти деформации, соответствующие данному уровню напряжений
постепенно выбираются, ползучесть достигает своего предельного значения и
появляется эффект упругого последействия бетона. Однако такой характер
деформирования наблюдается лишь при напряжениях, не превышающих
усталостную прочность бетона b  Rr . Ускоренное развитие ползучести, или
10
виброползучесть, наблюдается при вибрационных нагрузках с большим числом
повторений в минуту.
Количество энергии поглощаемой в процессе деформирования изменяется, как
за один цикл колебаний, так и в течение всего процесса деформирования, по
координатам пространства и времени. Отсюда количество поглощенной энергии за
все время деформирования конструкции, происходящее за n 
t  t0
T
– циклов
колебаний можно получить с помощью интегрирования по всему ее объему V. При
этом коэффициент гистерезисного поглощения энергии будет нелинейным и
будет определяться из выражения:
 1
1
1   int,max   int,min 



1  2  1 


2

m
R

,
t



m
,
(1)
где:
R , t  – динамическая прочность бетона, зависящая от асимметрии цикла
колебаний  
 min
 max
;
 и m – механические характеристики нелинейного деформирования. Для
мгновенных деформаций при нагружении и разргрузке находятся по выражениям:
0.69  
1 


 м  m м 
  m м   
37.5 
1 
R , t  
mм 


m м  5.7  0.05  R , t  ; m м   ;  м 
; м 
0.69 


R , t 
mм
1  1  m м    м 
m
R , t  м
Для деформаций ползучести, соответственно, по выражениям:
11
0.69  
1 
 
 п  mп 
  mп   
45
1 
R , t  
mп 



mп  5  0.07  R , t ; m п   ; п 
; п 
.
0.69 


mп
R , t 
1  1  mп   п 
m
R , t  п
Таким образом, основной целью исследования являлась разработка на
основе
теоретических
железобетонных
и
экспериментальных
конструкций,
учитывающей
данных
все
модели
реальные
расчета
действующие
физические факторы, влияющие на конструкции в процессе эксплуатации, либо
могущие возникнуть в той или иной ситуации, и применить данную модель
расчета с привлечением современных средств анализа НДС конструкций.
Во второй главе был проведен анализ влияния факторов ползучести и
виброползучести на НДС конструкций, проведена оценка длительной прочности и
выносливости
конструкции
как
показателей
работы
конструкций,
воспринимающих динамические нагрузки. На основе этого, а также на основе
анализа влияния коррозии и динамических нагрузок на жесткость и отпорность
конструкций были предложены аналитические выражения для определения
начальных параметров нелинейного расчета методом дополнительных КЭ.
Посредством
анализа
теоретических
данных
было
выявлено,
что
виброползучесть зависит от амплитуды динамических напряжений и круговой
частоты колебаний, от динамической характеристики и прочности бетона.
Виброползучесть проявляется при одновременном действии вибрационных и
статических нагрузок и выражается в повышенном росте деформаций ползучести
конструкций во времени, на основании чего было определено аналитическое
выражение для определения коэффициента виброползучести, описывающее весь
спектр параметров динамического нагружения:
12
t0 
2
min

K в  max ,  min , , t 0  
t0 

min
2
t0 


t0 
Для
определения
железобетонной

d
  *
dt  S П
C d 
dt t

t

t0 
min

t
t0 
0
t0
полных
деформаций

  *
dt  S П
C d 
dt t


конструкции,
  *
dt  S П
C d
dt t

t0
0

d

d


0
(2)

 d
испытывающей
t
  *
dt  S П
C d
dt t

t
0
поврежденной
динамические
коррозией
нагружения,
необходимо учитывать влияние режима нагружения, функцию возраста бетона, а
также
интенсивность
коррозионного
повреждения
в
сечении
элемента.
Аналитическая запись для вычисления полных деформаций была выведена в виде
выражения:
 Z 0 , t 
SM 
R t   t
 Z 0 , t   d
*

t , t0    у t , t0  
  SП 
  K в , , H C t ,  d ,
E Z 0 , t , t0 
t0
 R  R    d
(3)
где E Z 0 , t , t0  — модуль деформаций поврежденного сечения конструкции,
испытывающей динамическое воздействие:
1
E Z 0 , t , t 0  
EM
 FП t   K в , , H   C * t ,  
  Z 0 , t  
1  

  R  R   
Выведенные
возникающие
в
выражения
.
(4)
m
наиболее
поврежденном
полно
коррозией
описывают
железобетонном
деформации,
элементе,
испытывающем динамические воздействия, хотя и отличается некоторой
сложностью для выполнения инженерных расчетов. Выражение (4) для модуля
деформаций поврежденного сечения конструкции, испытывающей динамическое
воздействие, может служить для введения в исходные данные при расчете
конструкций методом дополнительных конечных элементов.
В третьей главе диссертационной работы было проведено теоретическое
исследование возможностей анализа напряженно-деформированного состояния
13
при действии динамических нагрузок на подверженные коррозии железобетонные
конструкции методом дополнительных конечных элементов. Также были даны
деформационные зависимости для бетона и железобетона в записи МКЭ, с
помощью проведенного анализа метода дополнительных КЭ были выведены
определяющие выражения для его применения к объемным восьмиузловым КЭ.
Деформационные зависимости для бетона без трещин в записи МКЭ
формулируются в виде связи октаэдрических напряжений  0 ,  0 и деформаций.
При этом используются следующие гипотезы:

материал считается однородным и изотропным;

связь между октаэдрическими напряжениями  0 и сдвигами  0 нелинейна
 0  G  0  0 , где G  0  - секущий модуль сдвига;

связь
между
октаэдрическими
нормальными
напряжениями


0
и
деформациями  0 также нелинейна и имеет вид  0  K  0   0   02 , где второй
член произведения обусловлен дилатацией, а  - модуль дилатации, K  0  секущий модуль объемных деформаций.
Для определения секущих модулей используется гипотеза, согласно
которой форма связи между напряжениями и деформациями не зависит от вида
напряженного состояния, т.е. связь между  0 и  0 может быть принята такой же,
как и при одноосном сжатии.
В монографии Клованича С.Ф. и Безушко Д.И. приводится выражение для
секущего модуля сдвига в виде:
G  0   G0  f  0 ,
(5)
где функция нелинейности:
f  0  
1
2
1  A  B  C
где G0 
E Z 0 , t , t0 
21   
3
,
– начальный модуль сдвига;
(6)
14
E Z 0 , t , t0  – модуль деформаций поврежденного элемента, учитывающий также и
виброползучесть;
 – коэффициент Пуассона.
Аналогично определяется и секущий модуль объемных деформаций:
K  0   K 0  f  0  ,
где K 0 
E Z 0 , t , t0 
1  2
Матрица
(7)
– начальный секущий модуль объемных деформаций.
механических
определяться как D q 
модуль упругости
Dq
характеристик
для
бетона
будет

, где стандартные механические характеристики –

E Z 0 , t , t0  и коэффициент поперечных деформаций 
определяются по соотношениям, связывающим их с объемными модулями.
При
разгрузке
бетон
принимается
линейно
упругим
изотропным
материалом с начальными значениями модуля деформации и коэффициента
Пуассона. Для установления факта разгрузки используется вектор  k   02   02 .
Увеличение значения по модулю этого вектора с ростом внешней нагрузки
свидетельствует о том, что идет процесс нагружения, в ином случае – имеет место
разгрузка.
Таким образом, связь между напряжениями и деформациями для бетона
нелинейна и имеет вид
 Dq,
где
Dq
– нелинейная матрица
механических характеристик материала.
Физические соотношения для бетона, приведенные в главе на основании
теоретического анализа, адекватно описывают поведение бетона при различных
видах напряженных состояний и могут быть использованы в нелинейных
расчетах конструкций по методу дополнительных конечных элементов.
Совместность
работы
арматуры
и
бетона
должна
обеспечиваться
выполнением следующих условий    b    s ;    b   s , где ,
s
 b  и  s  - векторы функций напряжений по граням элемента в железобетоне,
15
бетоне и армирующей среде s -го направления; ,  b  и  s  - векторы функций
деформаций в железобетоне, бетоне и армирующей среде s -го направления.
На стадии до образования трещин железобетон принимается физически
нелинейным изотропным материалом, определяющие соотношения для него
будут иметь вид
 Dq,
в которых матрица
Dq
заменяется на
Db q.
Разрешающую систему линейных алгебраических уравнений в предельном
состоянии
для
8-узлового
конечного
элемента-параллелепипеда
для
динамической задачи можно записать в следующем виде:
M i
d2
d
dt
dt
qi  N i
2
qi  K lim qi  Ri ,
(8)
где qi - матрица-столбец известных перемещений узлов;
Klim 
- матрица жесткости конструкции с нелинейными свойствами в
предельном состоянии;
N i
– глобальная матрица демпфирования элемента, зависящая от коэффициента
вязкого демпфирования;
M i
– глобальная матрица масс элемента, имеющая блочную форму для
рассматриваемого типа элементов, каждый блок которой равен:
M ijk     C i1   C i T C i dv ,
T
(9)
Vi
здесь C i – матрица интерполяционных функций конечного элемента;
V – объем конечного элемента.
Матрица демпфирования элемента для внутреннего демпфирования прямо
пропорциональна матрице жесткости и находится из выражения:
N i    K i ,
(10)
где  – коэффициент гистерезисного поглощения энергии, определяемый по
выражению (1).
16
Нелинейная матрица жесткости K lim  формируется на основе расчетной
схемы конструкции, представляющей собой ее идеальную модель разрушения,
т.е. совокупность отдельных конечных элементов, каждый из которых обладает
своими нелинейными свойствами в зависимости от степени достигнутого им
предельного состояния.
В четвертой главе работы был сформулирован итоговый алгоритм оценки
НДС поврежденной конструкции. Также была проведена апробация исследования
на основании технического обследования подкрановой балки, имеющей следы
биологической (грибковой) коррозии, а также механические повреждения (см.
рисунок 2). Основанием технического обследования помимо повреждений
являлось переоснащение производственных мощностей цеха, а именно, в
конкретном случае, замена кранового оборудования в сторону увеличения его
грузоподъемности с 3 до 10 т.
Рисунок 2. Общий вид максимально поврежденной подкрановой балки.
1 – Грибковая коррозия поверхностного слоя бетона на глубину до 3,5 см; 2 –
разрушение защитного слоя бетона, оголение рабочей арматуры и ее коррозия до
35% площади сечения; 3 – сколы бетона с оголением и незначительной коррозией
боковой арматуры и трещины шириной раскрытия до 0,5 мм; 4 – сколы бетона и
частичное разрушение защитного слоя.
17
Итоговый
алгоритм
оценки
НДС
поврежденной
конструкции,
испытывающей динамические воздействия, заключается в следующем:
1.
Смоделированная балка была разбита на характерные сечения.
2.
Методом интегральных оценок определялись параметры E ,  сж и
 раст. для характерных сечений балки.
3.
Составление исходной расчетной схемы с линейными свойствами и
сведение нагрузок от нее в узлы восьмиузловых объемных конечных элементовпараллелепипедов.
4.
Вычисление матриц жесткости основных конечных элементов с
линейными свойствами и формирование общей матрицы жесткости с линейными
свойствами.
5.
Формирование дополнительных нагрузок в узлах конечных элементов
для последующего формирования нелинейных свойств
6.
Составление
итоговой
расчетной
схемы
с
использованием
дополнительных конечных элементов для учета нелинейных свойств и заданием
этим элементам скорректированных значений модулей деформации и пределов
прочности.
7.
Решение системы алгебраических уравнений методом Гаусса.
8.
Вычисление деформаций, напряжений деформаций и узловых реакций
в схеме
9.
Анализ
достигнутого
уровня
напряженно-деформированного
состояния и вывод о несущей способности конструкции.
Расчет был произведен в одной из наиболее распространенных на
территории России и стран СНГ программ – в Лире лицензионной версии 9.8.
Модули деформаций и предельные напряжения были вычислены с учетом
предыстории нагружений, возраста, виброползучести методом интегральных
оценок. Все начальные параметры нелинейного расчета с учетом предыстории
нагружений в работе были представлены в табличной форме для неповрежденных
КЭ и в виде графиков изменения НДС – для КЭ с повреждениями (см. рисунок 6).
Рисунок 3. Напряженно-деформированное состояние конечных элементов в наиболее поврежденном сечении.
В соответствии с алгоритмом, была создана исходная расчетная схема с
линейными свойствами конечных элементов. Рассматриваемая балка была
разбита на восьмиузловые конечные элементы-параллелепипеды с размерами
4  5 15
a  h  l . В линейной постановке задачи были применены
см
стандартные прочностные параметры для бетона класса В30.
На
конструкцию
оборудования,
паспорту
были
заданы
нагрузки
от
прежнего
кранового
как описано выше, его грузоподъемность составляла 3 т. По
оборудования
были
приняты
рабочие
параметры
нагружений,
действующих от данного крана и учтены в линейном расчете. Динамические
составляющие нагружений от кранового оборудования были заданы в виде
гармонических нагружений для динамических нагрузок от движущегося и от
работающего на балке крана, а также в виде импульсной нагрузки – для нагрузок
от торможения кранового оборудования.
После
вычисления
матриц
жесткости
и
определения
напряженно-
деформированного состояния балки в линейной постановке без учета коррозии из
полученных усилий были сформированы дополнительные нагрузки, в том числе и
от каждой формы колебаний. Данные дополнительные нагрузки ввиду
особенностей расчетной программы были собраны в узлы конечных элементов.
После вышеописанных действий была создана итоговая расчетная схема с
дополнительными конечными восьмиузловыми элементами-параллелепипедами,
которым были назначены нелинейные свойства. В зависимости от степени
повреждения сечения элементам были назначены вычисленные ранее модули
деформации и пределы прочности.
Армирование нелинейных КЭ было учтено аналитически в зависимости от
процента армирования каждого конкретного КЭ, поврежденные арматурные
стержни учитывались понижением их несущей способности на поврежденном
участке, а также уменьшением площади сечения в соответствии с обследованием.
Данными КЭ с нелинейными характеристиками были заменены элементы в
исходной схеме с объединением узлов линейных и нелинейных конечных
20
элементов, т.к. в узлы были собраны дополнительные нагрузки. При нелинейном
расчете рассматривалось два расчетных случая:
1) движение крана с грузом, торможение с грузом в середине пролета балки,
работа с грузом в пролете балки, движение к опорной части балки без груза и
торможение там же, работа над опорой балки без груза, выключение крана, т.е.
переход нагрузки в статический режим;
2) движение крана без груза, торможение без груза в середине пролета балки,
подъем груза, движение крана с грузом к опорному участку балки и торможение,
работа крана с грузом, выключение крана.
В процессе расчета участки конструкции, подверженные коррозии,
разрушились, что говорит о необходимости ремонта конструкции на данных
участках с восполнением нормальной прочности всего элемента, другие участки
были подвержены близким к предельным напряжениям сжатия или растяжение,
что, в свою очередь, говорит о том, что необходимо произвести усиление
конструкции в данных участках.
Наиболее полную картину деформаций дал анализ расчетного случая №2.
Результаты определения деформаций и разрушений участков конструкции
представлены на рисунке 4.
Из анализа напряженно-деформированного состояния рассматриваемой
конструкции видно, что конструкция, не смотря на повреждения, в целом,
сохранила свою несущую способность. На обозначенных участках необходимо
устранить повреждения: поврежденный коррозией бетон срезать, после чего
восстановить новым бетоном; поврежденную арматуру необходимо зачистить от
следов коррозии и восполнить площадь сечения арматуры с помощью
приваривания дополнительных арматурных стержней; трещины необходимо
расшить, после чего заполнить бетоном или цементно-песчаным раствором с
помощью торкретирования, предварительно удалив следы коррозии в случае их
обнаружения.
Рисунок 5. Расчетный случай №1. Деформации и разрушения, мм.
Основные выводы и рекомендации
1.
С помощью привлечения энергетического критерия прочности были
выведены выражения для определения параметров длительной прочности и
выносливости конструкции. Был сделан вывод об уменьшении предела
выносливости с увеличением значения коэффициента виброползучести.
2.
На
основании
анализа
жесткости
и
отпорности
железобетонных
конструкций и выведенном другими авторами выражении для учета полных
деформаций конструкции с учетом предыстории нагружений, коррозии и
динамических
факторов
изменяющегося
модуля
нагружений,
было
выведено
E Z 0 , t , t0  ,
деформации
выражение
зависящего
от
для
уровня
нагружений, а также от степени повреждения конструкции. Модуль деформации
предложено определять с помощью метода интегральных оценок.
3.
При анализе поврежденной конструкции методом конечных элементов
предложен комбинированный метод моделирования конструкций с помощью
объемных восьмиузловых элементов-параллелепипедов. Метод заключается в
учете
коррозионных
повреждений
и
динамических
нагрузок
в
виде
дополнительных узловых нагрузок схемы, а также в учете нелинейности и
начальных
параметров
поврежденных
коррозией
элементов
с
помощью
дополнительных конечных элементов с соответствующими жесткостными
характеристиками.
Это
позволяет
отследить
изменение
напряжений
и
деформаций более подробно в теле конструкции. Это дает дополнительную
возможность сделать верные выводы о пригодности конструкции к дальнейшей
эксплуатации, что было бы сделать затруднительно, используя плоские конечные
элементы при моделировании.
4.
Проведен анализ теории использования метода дополнительных конечных
элементов, с помощью которого предложен учет реальной нелинейной работы
железобетонной конструкции. С помощью теоретических выкладок были
выведены определяющие выражения для вычисления матриц жесткости
K i
объемных восьмиузловых конечных элементов.
5.
На
основе
определения
модулей
деформации
E Z 0 , t , t0 
методом
23
интегральных оценок, а также на основе анализа метода дополнительных
конечных элементов и перехода от плоских конечных элементов к объемным с
определением их матриц жесткости
поврежденных
железобетонных
K i ,
был разработан алгоритм расчета
конструкций
с
учетом
коррозионных
повреждений, воспринимающих динамические воздействия.
6.
Аппробация разработанного в теоретическом исследовании алгоритма учета
напряженно-деформированного состояния конструкции была проведена при
техническом обследовании железобетонной подкрановой балки в связи с ее
коррозионными повреждениями, а также изменением действующей нагрузки
вследствие замены кранового оборудования. Проведенный анализ напряженнодеформированного
состояния
рассмотренной
конструкции
позволяет
положительно судить о возможности применения разработанного алгоритма
расчета.
7.
Выбранный метод моделирования конструкции позволил учесть скачки
напряжений в теле конструкции в результате накопления повреждений, что
позволило скорректировать участки конструкции, нуждающиеся в ремонте.
8.
Разработанный алгоритм учета коррозии и динамических нагружений при
оценке технического состояния конструкции целесообразно применять при
обследовании конструкций зданий первого класса ответственности ввиду его
трудоемкости, либо в случаях, когда простой процесс замены поврежденной
конструкции осложнен технологически.
9.
Разработанный алгоритм и метод расчета позволяет учесть остаточный
ресурс несущей способности конструкции и дать конкретные рекомендации по
устранению недостатков отдельных корродировавших участков, а также
разработать конкретные методы усиления конструкций.
Выявлены следующие направления дальнейших исследований:

Совершенствование методики оценки НДС поврежденных конструкций с
учетом экстремальных воздействий, например с резким кратковременным
изменением температуры и импульсным воздействием.
24

Учет перераспределения энергии при динамических воздействиях в теле
конструкции и его влияние на интенсификацию развития коррозионных
повреждений.

Систематизация средств моделирования различных видов повреждений
железобетонных конструкций.
Основные положения диссертационной работы содержатся в следующих
публикациях:
Статьи, опубликованные в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Макаренков
Е.А.
Расчет
железобетонных
конструкций
методом
конечных элементов с учетом реального описания действующих физических
процессов. / Берлинов М.В., Макаренков Е.А. // Вестник МГСУ. 2013. № 11. С.
26–33.
2. Макаренков Е.А. К вопросу о применении метода дополнительных
конечных элементов в инженерной практике. / Берлинов М.В., Макаренков Е.А. //
Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 11. С. 46–49.
3. Макаренков Е.А. Критерий прочности бетона в условиях трехосного
напряженного состояния при динамических воздействиях. / Берлинов М.В.,
Макаренков Е.А. // Научное обозрение. 2014. № 7. С. 197–201.
Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:
1. Макаренков Е.А. О применении некоторых критериев прочности к
оценке напряжённо-деформированного состояния конструкций высотных зданий.
/ Макаренков Е.А., Творогова М.Н. // Научные труды VIII Научно-технической
конференции
«Пути
развития
науки
и
образования
в
проектировании,
строительстве и реконструкции зданий и сооружений». Москва. МГАКХиС. 2010.
С. 174–179.
2. Макаренков
Е.А.
О
влиянии
коррозионных
повреждений,
сопровождающихся динамическими нагрузками, на энергетические критерии
деформативности бетона.// Научные труды VI Московской научно-практической
конференции «Студенческая наука»
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа