Исследование микровибродинамических процессов формирования сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции

Исследование нагрузок и воздействий на здания и сооружения является одним из важных направлений исследований в области строительной механики. Важность исследований в этой области непосредственно связана с постановкой задачи архитектурно-строительного проектирования и, как следствие, с качеством проекта в плане устойчивости зданий и сооружений не только к нормируемым, но и к, так называемым, «сверхпроектным» нагрузкам и воздействиям [1,2]. Особую актуальность исследование сверхпроектных нагрузок приобретает в случаях сверхпроектного износа строительных конструкций ответственных строительных объектов, включая АЭС, большепролетные и высотные здания и сооружения [ 1,2,3,4].

Наряду с этим в настоящее время в условиях интенсивного роста объемов и темпов строительства, а также ускоренного развития строительного комплекса, в крупных городах и мегаполисах наблюдается процесс ужесточения целого ряда требований к вместительности и функциональности объектов строительства, к эффективности использования ограниченных резервов свол бодных земельных участков на территории крупных городов и особенно мегаполисов под застройку. Это, как правило, ведет к увеличению этажности строительства, повышению нагрузок на фундаментные конструкции и грунты основания, а также освоению территорий со сложными геолого-геофизическими условиями, то есть к освоению так называемых геологических «неудобий» [3,4,5,6].

В таких условиях сбор и идентификация действующих нагрузок становится одной из наиболее ответственных задач инженерного проектирования при построении расчетной модели, как конструкции, так и системы «объект-основание» в целом [1,2,7].

В зависимости от продолжительности действия в соответствии со СНиП 2.01.07−85* [8] нагрузки подразделяются на постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые).

Согласно СНиП 2.01.07−85* [8] к особым нагрузкам относят, в том числе, воздействия неравномерных деформаций земной поверхности, а также состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций и зданий в целом или снижающие их долговечность вследствие появления недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота), колебаний и трещин.

Наряду с этим, согласно основным положениям монографии [9] при всем многообразии нагрузок и воздействий при проектировании решаются вопросы выбора их расчетных значений, моделирования в расчетах строительных конструкций, определения реакции сооружения на внешние воздействия и оценки взаимодействия конструкции с нагрузкой. Понятие «взаимодействие» указывает не только на то, что внешняя среда влияет на конструкцию, но и на то, что конструкция может влиять на окружающую среду.

Феодосьев В.И. в монографии [10] рассматривает различия между силовым и деформационным нагружением конструкции, в том числе два возможных способа создания в ней механических напряжений: приложением некоторой нагрузки, вызывающей напряжениепринудительным деформированием, создающим деформацию, которой соответствует такое же напряжение, как и в первом случае.

Автор монографии [10] показывает, что в первом случае увеличение напряжения в 1,5 раза приводит к разрушению материала, а во втором (увеличение деформации в 1,5 раза) — только к росту остаточных деформаций.

Поскольку различие между двумя способами создания напряжений существенно, автор [10] предлагает другое прочтение закона Гука: если в упругой системе большие силы приводят к малым деформациям, то ее малые деформации могут стать причиной возникновения больших усилий в системе.

По этой причине особое внимание такого вида нагрузкам в виде перемещений узлов и опор плоских и пространственных стержневых систем уделено, например, в специальном курсе строительной механики [1].

Учитывая корректность подобной интерпретации закона Гука и ее эффективное применение при расчетах плоских и пространственных стержневых систем, можно утверждать, что развитие в системе типа «объект-основание» неучтенных современными методами расчета неравномерных деформаций основания может приводить к возникновению в строительных конструкциях больших сверхпроектных усилий и/или моментов, требующих специальных исследований и оценок.

В связи с этим в расчетную схему строительной конструкции должны быть внесены соответствующие изменения, учитывающие эти дополнительные деформационные воздействия, что невозможно осуществить без проектной оценки их пространственного распределения и, в первую очередь, по подошве фундаментов, как конструкций наиболее подверженных деформациям природного и техногенного происхождения, включая неравномерные осадки вследствие действия микровибродинамической нагрузки.

На основании вышеизложенного, а также на основе комплексного анализа других рассмотренных источников научной литературы в области строительной механики, в рамках настоящей диссертационной работы было выполнено исследование влияния малоизученных ранее микровибродинамических многоцикловых нагрузок в системе «объект — основание» на процесс формирог вания деформационных воздействий на строительные конструкции зданий и сооружений, приводящих к возникновению в них требующих учета усилий и/или моментов.

Анализ статистических данных последних лет показывает, что важными аспектами проблемы современных мегаполисов являются повышение локальной сейсмичности, негативные изменения температурно-влажностного режима, развитие карстовых и суффозионных процессов, многопричинный износ и исчерпание ресурсов несущей способности строительных материалов, конструкций и грунтов оснований [3,11,12,13]. Наиболее критический характер имеют проблемы безопасности, связанные с развитием ранее малоизученных предава-рийных процессов, которые отличаются трудно контролируемыми плавными отказами элементов строительной конструкции и системы «объект-основание» в целом.

Главная проблема плавных отказов состоит в том, что характерной чертой их зарождения, развития и реализации современных аварийных ситуаций является скрытый процесс накопления и развития микродефектов, имеющих трудно прогнозируемый срок перехода в критическое состояние.

Одним из таких малоизученных и аварийно опасных физико-механических процессов является процесс скрытого неравномерного накопления остаточных деформаций упругих сред со слабым проявлением пластичности (в том числе, оснований строительных объектов) под действием долговременных микровибродинамических нагрузок.

В настоящее время проблема микровибродинамической прочности и устойчивости строительных объектов и систем типа «объект — основание» является весьма острой. Это связано, главным образом, с ростом интенсивности источников микровибродинамических возмущений, в результате долговременно-, & 1.1 ?V го многоциклового воздействия которых формируются сверхпроектные дефор- ¡-" И г /Л" мационные статические нагрузки на строительные конструкции, здания и со' 4 $ оружения в целом. К такого рода источникам следует отнести транспортные магистрали (метрополитен, городская железная дорога, автодороги различного класса), технологическое оборудование, применяемое при строительстве (сваеЩЬ ш бойные копры, вибромолоты, буровые станки и др.) и промышленное оборудование, создающее динамическое воздействие на фундаменты строительных объектов (формовочные машины, компрессоры, пилорамы, дробилки, грохоты, турбоагрегаты и др.).

Из вышеизложенного следует обоснованная необходимость разработки математических моделей для исследования параметров скрытого неравномерного накопления под действием долговременных микровибродинамических на- - грузок на упругие среды со слабой пластичностью остаточных деформаций, создающих требующие учета усилия и/или моменты в системе «объект — основание».

В связи с этим целью настоящей диссертационной работы является разработка расчетных моделей и алгоритмов для оценки интенсивности полей микровибродинамического взаимодействия строительных конструкций и оснований, являющихся одной из аварийно опасных причин скрытого и неравномерного накопления остаточных деформаций, в частности, в грунтах оснований строительных объектов при слабом проявлении пластичности, под действием долговременных микровибродинамических нагрузок в диапазоне частот более 0,1 Гц.

Сопутствующей целью является своевременное (на стадии проекта или обследования) выявление процессов, связанных с формированием плавных отказов в системе «объект — основание» в виде сверхпроектных осадок, и, как следствие, продление срока безопасной эксплуатации строительных объектов, повышение надежности и рентабельности эксплуатации зданий и сооружений.

Для достижения целей диссертационного исследования были поставлены следующие задачи: провести обзорно-аналитическое исследование новых и широко используемых в области механики твердого тела и строительной механики методов решения аналогичных задачна основе проведенного обзора выбрать и обосновать расчетную модель и метод расчетаразработать обобщенную численную модель микровибродинамического на-гружения упругой среды со слабым проявлением пластичности при микровибродинамических нагрузкахпровести расчетное моделирование распределения интенсивности микровибродинамических напряжений в основаниях при возбуждении волновых процессов в системе типа «объект — основание» для реальных строительных объектов и сравнить полученные результаты с результатами проведенных обследовательских работпровести расчетное моделирование распределения и неравномерного накопления сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в виде остаточных деформаций в основании, возникающих при возбуждении волновых процессов в системе «объект — основание», для различных типов конструкций фундаментов реальных строительных объектов и сравнить полученные результаты с результатами проведенных обследовательских работсформулировать предложения о применимости разработанных моделей и алгоритмов в инженерных расчетах строительных конструкций и объектов, указать границы области применения, определить возможные пути дальнейшего развития метода.

В работе автором были использованы следующие методы и результаты исследований: материалы инструментальных и теоретических исследований, выполненных в 2000;2008 годах Научно-исследовательским институтом экспериментальной механики (НИИЭМ) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «МГСУ" — методы аналитической геометрии для разработки алгоритмов трехмерной дискретизации моделей упругой среды оснований со слабым проявлением пластичности при микровибродинамических нагрузках- ' и прикладная динамическая теория упругости, разработанная в рамках проектов Научно-инновационного сотрудничества Минобразования и Минатома России № 3.01−02 «Натурная верификация инструментальных методов аттестации параметров геодинамической безопасности АС» — модальный и вибродозиметрический методы моделирования тонких и нелинейных микровибродинамических и геодеформационных процессов, разработанные в ФГБОУ ВПО «МГСУ» по заданию Минобразования РФ № 2.001.02Дметоды объектно-ориентированного программирования для расчета параметров распределения интенсивности микровибродинамического НДС в полупространстве упругих оснований со слабым проявлением пластичности.

Также были использованы результаты теоретических и экспериментальных исследований, опубликованные в научной литературе.

Инженерные модельные исследования и расчеты по теме диссертационной работы проводились в рамках программ научно-инновационного сотрудничества Минатома, Минобороны, ФССС и Минобрнауки РФ.

Научная новизна настоящей диссертационной работы состоит в следующем:

Разработан, программно реализован и зарегистрирован в Роспатенте пакет алгоритмов для расчета распределения интенсивности полей микровиброди-намических напряжений и деформаций продольного, сдвигового и релеев-ского модального состава в системах типа «объект — основание» для типовых схем и конфигураций площадки нагружения;

Разработаны численные модели для расчета параметров накопления остаточных деформаций под действием долговременных микровибродинамических нагрузок в диапазоне частот более 0.1 Гц, позволяющие на этапе проектного моделирования своевременно выявить и дать корректную оценку возможных предаварийных и аварийных процессов, связанных с формированием сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в системе типа «объект — основание». Входные данные являются универсальными,. что дает возможность использовать разработанные модели в сочетании с различными методами расчета конструкций;

Выполнена разработка и отработка методов выявления на численных моделях реальных строительных объектов зон реализации аварийно опасных сверхпроектных деформационных нагрузок на конструкции строительных объектов, в том числе экологически опасных.

Установлена эффективность применения вибродозиметрического метода для моделирования и расчетной оценки сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в виде остаточных деформационных проявлений микровибродинамических процессов в основаниях со слабым проявлением пластичности.

Разработаны типовые схемы расчетного моделирования взаимодействия строительных конструкций и оснований методом комплексирования элементарных источников микровибродинамических нагрузок, позволяющие формировать при моделировании адекватные реальным поля распределения интенсивности волновых напряжений и деформаций в основании, соответствующие излучению простых и сложных конструкций виброактивных фунда.

Практическая полезность данного диссертационного исследования заключается в разработке инженерных информационных технологий для оценки сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции методом компьютерного моделировании распределения интенсивности полей микровибродинамических напряжений и деформаций в полупространстве упругих оснований со слабым проявлением пластичности, позволяющих на стадии проектирования или обследования принять меры повышения надежности и рентабельности, продления срока эксплуатации зданий и сооружений. | 1.

На защиту выносятся: ¦ результаты исследования, численного моделирования и оценки сверхпро- ^ ектных нагрузок на несущие конструкции в виде остаточных деформационных? проявлений долговременных микровибродинамических воздействий в основарасчетная схема микровибродинамического нагружения системы «объектоснование» и расчетная модель микровибродинамического взаимодействия 4 объекта и основаниясравнительный анализ результатов, полученных при расчете интенсивности полей формирования сверхпроектных нагрузок в виде деформационных проявлений микровибродинамических процессов в основаниях реальных строительных объектов, с данными инструментальных натурных обследований этих объектоввыводы и рекомендации по применению разработанных моделей, алгоритмов и методов расчета сверхпроектных нагрузок на несущие конструкции в виде деформационных проявлений долговременных микровибродинамических воздействий в основаниях строительных объектов. ментов. ниях реальных строительных объектовл.

Личное участие автора в решении поставленных в данной диссертационной работе задач заключается в: разработке расчетных численных моделейсамостоятельной разработке и программной реализации алгоритмов расчетного моделированияразработке приемов инженерного применения современных информационных технологий при расчетном моделированииразработке способов выявления и отображения зон реализации аварийно опасных деформационных проявлений микровибродинамических волновых нагрузок в основаниях строительных объектовформировании информационно-аналитической базы исследованийпроведении расчета сверхпроектных деформационных нагрузок на несущие конструкции для реальных строительных объектов и сравнении полученных результатов с результатами проведенных обследовательских работсоставлении выводов и рекомендаций по применению разработанных модеЛ леи, пакетов алгоритмов и программ в инженерных расчетах сверхпроектных статических нагрузок на несущие конструкции в виде деформационных прояв лений долговременных микровибродинамических воздействий в основаниях '? у реальных строительных объектов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на:

1) IV и V Международной конференции «Предотвращение аварий зданий и сооружений» (ПАЗиС), Москва, 2010 г.;

2) научно-технической конференции в рамках отраслевой выставки «ЖКХ-2010», Москва, 2010 г.;

3) международной конференции «Повышение безопасности зданий и сооружений в процессе строительства и эксплуатации», Москва, 2009 г.;

4) 11 Международной межвузовской научно-практической конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов, Москва, ВВЦ, 2009 г.;

5) тематической научно-практической конференции «Городской строительный Г комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан» в рамках Научно-технического конгресса по безопасности «Безопасность — основа устойчивого развития регионов и мегаполисов», Москва, МГСУ, 2005 г.;

6) межотраслевых научно-технических конференциях по программе научно-технического сотрудничества Минатома и Минобразования РФ, Москва, МИФИ, 2003 и 2004 г.;

7) II Научно-технической конференции «Научно-инновационное сотрудничество Минобразования и ФССС РФ», Москва, МГСУ, 2003 г.

По материалам диссертационной работы в 2003;2011 годах опубликовано 26 научных работ, в том числе 7 в изданиях, входящих в перечень ВАК, получено 5 свидетельств о регистрации пакета программ проектного моделирования в Роспатенте.

Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение и изложена на 158 страницах машинописного текста, включая 108 рисунков и 3 таблицы. Список использованных литературных источников насчитывает 103 наименования.

4.6 Общие выводы по результатам расчетного моделирования сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции.

На основании полученных результатов было установлено, что сверхпроектные деформационные нагрузки на строительной конструкции исследованной секции большепролетного здания вызваны неравномерным уплотнением грунтов под фундаментами несущих колонн вследствие возбуждения несколькими источниками неравномерных микровибродинамических нагрузок в системе «объект-основание». Основными источниками этих нагрузок являются расположенные вблизи исследуемого объекта и интенсивно эксплуатируемые ветка железной дороги и перегон метрополитена. Эти источники, а также вибродинамические характеристики объектов окружающей застройки, являются основной причиной существенного отличия реальной схемы распределения нагрузок в конструкциях несущего каркаса объекта от проектной. Вследствие продолжающейся интенсивной эксплуатации указанных транспортных объектов сверхпроектные деформационные нагрузки на строительные конструкции рассматриваемой секции большепролетного здания в виде неравномерных осадок фундаментов несущих колонн будут продолжаться и увеличиваться с течением времени.

В связи с этим необходимо проведение поверочных расчетов несущей способности и устойчивости несущего каркаса здания инженерными методами строительной механики на действие неравномерной осадки опор и возникновения в связи с этим эксцентриситетов приложения нагрузки на несущие колонны и развития кренов, превышающих допустимые величины нормируемые СНиП [103], а также принятия мер по устранению вибродинамических резонансов в системе «объект-основание» и в несущих конструкциях здания, способных привести к развитию аварийной ситуации на объекте, для снижения скорости развития осадок фундаментов с последующим постоянным мониторингом технического состояния строительных конструкций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В рамках выполнения настоящей диссертационной работы внесен вклад в исследование малоизученных до настоящего времени сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции в виде деформационных проявлений малоамплитудных мегацикловых микровибродинамических воздействий на систему «объект — основание» и их роли в изменении статического НДС надземной части здания. Эти нагрузки связаны со скрытым процессом накопления и развития микродефектов в указанной системе, имеющим трудно прогнозируемый срок перехода в предаварийное состояние без наличия контрастных внешних проявлений износа.

Область применения разработанных в рамках данной диссертационной работы расчетных моделей, алгоритмов и методик расчета сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции заключается в их использовании для учета вклада многоцикловых микровибродинамических напряжений и деформаций в общее напряженно-деформированное состояние, определяемое статическими напряжениями и деформациями, полученными по стандартным методикам расчета несущих конструкций зданий и сооружений на нормируемые виды нагрузок.

Разработанные в рамках настоящей работы модели, алгоритмы и методики расчета сверхпроектных нагрузок на строительные конструкции в виде деформационных проявлений в основаниях строительных объектов позволяют оценить величины дополнительных осадок фундаментов зданий и сооружений, вызываемых действием на них малоизученных до настоящего времени малоамплитудных долговременных микровибродинамических нагрузок, на стадии проектирования и внести своевременные корректировки в расчетные схемы несущих элементов как подземных, так и надземных частей строительных объектов.

Методику применения разработанных моделей, алгоритмов и методов расчета сверхпроектных деформационных проявлений малоамплитудных дол.

138 лированы следующие выводы и получены следующие основные результаты решения задачи исследования процессов формирования малоизученных сверхпроектных деформационных нагрузок на строительные конструкции вибродинамического происхождения.

1. Результаты диссертационного обзорно-аналитического исследования в области плавных отказов в системах типа «объект-основание» позволяют сделать вывод, что к числу основных причин ускоренного износа и снижения устойчивости зданий и сооружений следует отнести явление механического гистерезиса и аккумулятивные эффекты «латентного» накопления остаточных деформаций в результате воздействия долговременных многоцикловых микро-вибродинамических нагрузок.

2. Разработаны модели, алгоритмы и методы моделирования полей распределения интенсивности остаточных деформационных вибродинамических проявлений в упругих средах со слабым проявлением пластичности, в частности в основаниях строительных объектов, при многоцикловых микровиброди-намических нагрузках, соответствующие поставленным целям работы.

3. Анализ теоретических основ, областей и ограничений по применению V большинства существующих методов проектного моделирования напряженно- -деформированного состояния неоднородных упругопластических или жестко-пластических сред конструкционных материалов и грунтов оснований при неравномерных нагрузках позволил установить возможность применения для решения поставленных в диссертационном исследовании задач метода точечных источников динамических напряжений и деформаций прикладной динамической теории упругости, снимающего ограничения в части формирования условий динамического равновесия и законов сохранения в пространстве моделируемой упругой среды со слабым проявлением пластичности при микровибро-динамических нагрузках.

4. Анализ спектрального диапазона применения метода точечных источников динамических напряжений и деформаций прикладной динамической теории упругости позволяет сделать вывод о возможности расчетного моделирования и раздельного модального анализа одновременно действующих нескольких видов динамических нагрузок, что позволяет повысить точность моделирования полей интенсивности этих нагрузок и соответствующих им остаточных деформаций методом малого параметра, учитывающего слабое затухание мик-ровибродинамических процессов и потери на механический гистерезис в твердых телах со слабым проявлением пластичности при микровибродинамических нагрузках.

5. В результате выполнения диссертационной работы были разработаны численные модели для расчета параметров накопления остаточных деформаций под действием долговременных микровибродинамических нагрузок в диапазоне частот более 0,1 Гц, позволяющие на этапе проектного моделирования своевременно выявлять и давать корректную оценку возможных, например, остаточных деформационных последствий развития предаварийных и аварийных процессов, связанных с формированием плавных отказов в системе типа «объект — основание».

6. Разработаны и отработаны способы выявления зон реализации аварийно опасных остаточных деформационных проявлений многоцикловых мик.

•! ' '¡-.'¡-У /1 ровибродинамических воздействий на моделях неравномерного распределения интенсивности полей динамических напряжений в основаниях строительных объектов.

7. Выполнена натурная верификация разработанных моделей, алгоритмов и методик на основе расчета неравномерных осадок в результате остаточных деформационных проявлений долговременных микровибродинамических нагрузок в основаниях реальных строительных объектов, в том числе машинного зала АЭС и секции большепролетного здания торгового центра.

8. Результаты диссертационной работы подтвердили перспективность продолжения исследований в данном направлении, в том числе в части разработки алгоритмов и численных моделей полей распределения интенсивности широкополосных микровибродинамических нагрузок и их остаточных деформационных проявлений, вызванных вибродинамическим возбуждением поперечных, отраженных и преломленных волн, а также трансформацией мод волновых процессов как на границах пластов неоднородных упругих оснований со слабым проявлением пластичности, так и в узлах строительных конструкций.