автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Определение напряженно-деформированного состояния бескаркасных зданий при неравномерных деформациях основания

РОСТОВСКАЯ-НА-ДОНИ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА

Г

На правах рукописи

НЕСТЕРОВ ИГОРЬ ВЛАДИМИРОВИЧ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЙПРЯЯЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БЕСКАРКАСНЫХ ЗДАНИИ ПРИ НЕРАВНОМЕРНЫХ ДЕФОРМАЦИЯХ ОСНОВАНИЯ

05.23.17. - Строительная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону

1994

Работа выполнена на кафедре сопротивления материалов и в проблемной научно-исследовательской лаборатории оснований и Фундаментов.

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Зуыейко В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Хечумов P.A.

кандидат технических наук Яеина С.Г.

Ведущая организация: Ростовский ПромстройНИИпроект

Защита состоится " " 1994 г. в 10.00 на заседании

специализированного диссертационного Совета Д 0S3.G4.01 Ростовской-на-Дону государственной академии строительства (344022, Ростов-на-Дону, ул.Социалистическая,162 ) в зале заседаний Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " " 1394

ЗЧЕНЯЯ СЕКРЕТАРЬ

специализированного диссертационного «

Совета, кандидат технических наук В.А.Веселев

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших задач современной строительной науки является разработка новых методик расчета, возведения и восстановления искусственных сооружений на деформируемых основаниях. Массовое строительство жилых зданий из крупнопанельных элементов ставит перед проектировщиками задачу постоянного повышения эффективности и качества крупнопанельного домостроения бескаркасных зданий. Особенно вашное значение имеет углубление знаний о фактической работе несущих конструкций, определяющих прочность и долговечность здания.

Имея эту информацию, возможно построить более полноценные инженерные методы расчета крупнопанельных зданий, что особенно необходимо для зданий, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях (подрабатываемые территории, просадочные грунты, территории с карстовыми явлениями и т.п.), где воздействие деформируемого основания вызывает частичную или полную потери эксплуатационных качеств здания.

Важная проблема современной теории расчета бескаркасных зданий на деформируемом основании-повышение достоверности прогноза деформирования здания при проведении защитных мероприятий для повышения его эксплуатационной надежности. Из защитных способов наиболее распространен метод выравнивания с помощью различных корректирующих устройств (песочницы,механические и гидравлические домкратч и т.п.). Корректирующие устройства задают кинематические воздействия на выравниваемое здание, вызывая перераспределение усилий в конструкциях и стыковых соединениях. Решение задачи по оптимизации величины и последовательности задания таких кинематических воздействий невозможно без определения напряженно-деформированного состояния здания до начала выравнивания и в либой момент времени при устранении кренов. В этой связи остается важным вопрос получения картины возможных разрушений строительных конструкций.

Правильность прогноза напряженного и деформированного состояния здания во многом зависит от достоверности используемых исходных данных, которые в большинстве случаев получают или уточняют по результатам эксперимента. В связи с этим, необходимо совершенствовать методики экспериментального исследования зданий в деформируемой системе совместно с основаниями, а также обобщать и анализировать результаты эксперимента.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР Ростовской-на-Дону государственной академии строительства и отражает одно из основных направлений научной деятельности академии: исследование и разработка методов расчета и конструктивных решений зданий и соорунений, возводимых в слонных инаенерно-геоло-гических условиях.

Целью работы является создание иняенерного метода прогноза напряженного и деформированного состояния здания при искусственном задании деформаций основания на базе экспериментальных данных, полученных по усовершенствованным методикам экспериментального исследования здания в деформируемой системе, состоящей из здания и основания и анализа получаемых результатов.

Для реализации этой цели поставлены и решены следующие задачи:

- выполнены экспериментальные исследования напряженного и деформированного состояния типового крупнопанельного натурного здания на вынужденные дефомации основания;

- разработана методика расчета строительных конструкций с учетом разрушения материала;

- выполнены численные расчеты бескаркасных крупнопанельных зданий по различным расчетным схемам;

- выполнено обобщение и анализ полученных результатов по разработанным методикам;

- разработаны практические рекомендации по результатам исследований.

Методика исследований. Для решения задач, поставленных в работе, применены следующие методы исследования:

- натурное испытание здания на деформируемом основании с использованием корректирующих устройств в виде гидродоыкратов;

- конечно-элементное решение физически нелинейных задач теории упругости и пластичности;

- использование способа стереофотограмметрии в виде съемки

с жестких базисов для определения пространственного деформированного состояния здания на различных этапах деформирования основания.

Научную новизну работы составляют:

- методика определения пространственных перемещений здания с помощью фототеодолитной съемки;

- графики перемещений контрольных точек экспериментального здания на этапах его деформирования, схема трещинообразова-ния и графики раскрытия стыковых соединений;

- о -

- методика и алгоритм расчета строительных конструкций с учетом разрушения материала;

- метод прогноза деформаций зданий с учетом нелинейности де-5ормирсзания конструкций;

- алгоритм расчета стеновых панелей на различные кинематические зоздейстзия и программная реализация на ПЭВМ PC/AT з зиде отдельного сегмента з составе программного комплекса "Полис".

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том,

чт" вставленные расчетная модель, злгррити и вычислительное "странны могут быть использованы для определения напряенно-децтрми-рованного состояния бескаркасных зданий при неравномерных деформациях основания, а программу расчета можно применять з учебно-исследовательской работе студентов строительных специальностей.

Апробация результатов. Данные экспериментальных и теоретических исследований докладывались на заседаниях Научно-технических конференций Ростовской-на-Дону государственной академии строительства (1990,1991.1992.1993 гг.).

Структура работы.Диссертация состоит из ззедения. четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 161 наименование. Полный объем диссертации 182 стр.. зкличая 33 рисунка и 4 таблицы. Основной текст (без оглавления, списка литературы, рисунков и таблиц) излагается на 33 машинописных страницах.

*1а ззыиту заносятся р ^ : tû т ".! л рупномасит a ô H С Г I натурного эксперимента, расчетная модэль л летодлка расчзта строительных конструкций с учетом разрушения материала.

Публикации. Основной научный результат диссертации опубликован з грех печатных работах il-51.

Автор зыразает благодарность своим научным консультантам д-ру техн.наук.прэа. Г.З.Засилькову. канд. тзхк. наук Ч.К.'ада-сову, советы которых использованы э процессе исследований и при написании диссертации.

ОСНОВНОЕ С ОДЕРЗАНИЕ РЙБОТН

2о ззедзшш приведена ;эцая характеристика рас--;г::. -е .-;озл-зна. основные положения, полученное результаты, а такне краткий обзор экспериментальных и теоретических исследований, и выводы о возмояности решения поставленных задач с использованием

численных методов решения и их реализации на персональных ЭВМ.

В первой главе описаны методы расчета и экспериметальные исследования бескаркасных зданий на деформируемом основании.

В методах расчета зданий на воздействие неравномерных деформаций основания мояно выделить эмпирический и аналитический подход.

Эмпирические методы прогноза напряленного и деформированного состояния (НДС) зданий построены на эмпирических зависимостях, обобщающих результаты наблюдений и экспериментальных исследований. Этому направлению посвящены работы Р.А.Муллера, В.М. Варлашкина, В.В.Маркова, Е.К.Беляева, Г.А.Решетова и других.

При аналитическом методе расчета реальная система представляется расчетной моделью,которая рассчитывается методами строительной механики на воздействие деформируемого основания.

Для расчетной схемы здания,как абсолютно яесткой балки,решения получены Р.А.Муллером, Д.Д.Сергеевым, В.Б.Шевелевым и др. Расчетные схемы здания в виде балок конечной несткости рассмотрены в работах Д.Д.Сергеева, В.И.Лишака, Б.А.Косицина, С.Н. Клепикова, П.П.Шагина, А.В.Захарова, В.Н.Зурнадаи, И.А.Розенфельда, А.С.Вайнберга, Е.М.Барышпольского и др.

Расчетные схемы здания, представленные системой перекрестных балок, призматическими оболочками рассмотрены Б.А.Косицыным, С.Н. Клепиковым, Б.С.Васильковым, В.М.Лишаком и др.

Расчетные схемы здания в виде составных систем, учитывающие конструктивные особенности здания, рассмотрены И.Е.Милейковским, П.Ф.Дроздовым, В.И.Рыбасовым, В.И.Заборовым, Л.Г.Дмитриевым, A.C. Городецким, Е.К.Лаяечниковой, А.И.Пекарским и др.

С.Н.Клепиков разработал методику расчета конструкций на деформируемом основании с учетом физической и конструктивной нелинейности элементов системы "здание-основание", а такае модель переменного коэффициента жесткости, позволяющую интегрально оценивать взаимодействие здания и основания.

Особо следует отметить работы, в которых отраяены исследования по нелинейному характеру работы материала.

Выдающийся вклад в развитие нелинейной теории упругости и пластичности внесли фундаментальные исследования отечественных и зарубенных ученых, среди них: В.В.Болотин. А.А.Гвоздев, Г.Генки, Д.Друккер, А.А.Ильюшин, А.Ю.Ишшнский, В.Г.Койтер, А.И.Лурье, Р. Мизес, Н.Н.Малинин, В.В.Москвитин, В.В.Новоаилов, А.Прандтль, В.

Прагер, Л.И.Седов. Б.З.Соколовский. О.Рабстнов, В.И.Феодосьев. ¡¡.Хода и др.

Среди работ, посвященных нелинейной теории упругости и пластичности з применении к решению инженерных задач,следует отметить труды Н.П.Абозского, а.3.Александрова, Н.И.Безухоза. М.С.Берен-штейна, И.А.Биргера, Н.Н.Боголюбова, Г.З.Засилькова. Б.Г.Корнеева, 0.3.Лунина. А.М.Синицина, А.П.Филина и других автороз. В последние годы заметно повысился интерес к вариационным методам решения соответствующих начально-краевых задач. Особенно эффективны они в тех задачах, где искомыми функциями являются функционалы от решения. Оказалось, что уже при сравнительно невысоких приближениях Функционалы получаются с большой точностью. Наиболее полное теоретическое обоснование этих методов дано в исследованиях С.Г.Михлина. который установил необходимое и достаточное условие устойчивости и сходимости вариационных методов. Успехи вычислительной техники позволили разработать новые и уточнить существующие математические модели упругопластического деформирования сплошных сред. Благодаря использованию быстродействующих ЗВМ эти методы превратились в универсальные средства приближенного анализа НДС среды. Одним из эффективных прямых методов является метод конечных элементов (МКЗ). УКЗ в сочетании с методом последовательных нагруяений. шаговым методом, самокорректирующимся шаговым методом, методом Ильюшина, методом Биргера. обобщенным методом упругих решений Василькова, стал универсальным спэдствсн приближенного зе'лэния нестационарным зад?'-* строительной механики. К преимуществам :<КЗ следует отнести: простоту исследования неоднородных тел. учет злияния произвольных граничных условий, возможность произвольной структуры дискретизации расчетной области. Развитию МКЗ посвящены работы А.В. Александрова. Г.нргириса. К.Бате. Е.Зильсона, Г.З.Засилькова, А.С.Городецкого. Л.Н.идена. Л.А.Розина. 5.2. Сахароза. Н.НЛапошннкоэа и др.

Слданн и г:-':ллчатпр';~:оя лоог:гммнпе :-:о:?пл: лсгтольооз-о-нием МКЗ "Лира", "Спринт", "Супер", "Минор", "Базис , "Полюс". Существенным при этом для задач строительной механики является то. что связи меяду напряжениями и деформациями нелинейны и устанавливаются в точке меяду инвариантами тензоров напряжений и деформаций.

Рассматриваются различные расчетные схемы, методы решения и испытания бескаркасных зданий и их отдельных элементов на воздействия, имитирующие неравномерные деформации земной поверхности.

а также представлены состояние и перспективы развития методов расчета и испытания бескаркасных зданий. Рассматривается применение для расчета одно-, двцх- и трехмерных расчетных моделей, при составлении которых используются различные гипотезы и допущения. Приведен анализ отечественного и зарубежного опыта практического изучения работы бескаркасных зданий на воздействия от деформаций основания, развивавшийся в двух направлениях: на моделях, подробно или частично подобных натуральной конструкции, изготовленных из реального материала или материалов, достаточно полно моделирующих реальные; в натурных условиях с применением различных способов имитации деформирования земной поверхности.

Во второй главе изложена методика и результаты проведения натурного эксперимента по испытанию бескаркасного крупнопанельного здания серии 1-121-043/1,2 на неравномерные деформации земной поверхности в виде уступов различной величины. Испытания проводились в городе Стаханове Луганской области в ноябре-декабре 1991 г. НИИСКоы (г.Киев) при участии Запороаского филиала НИИСКа и Ростов-ской-на-Дону государственной академии строительства. Автор принимал непосредственное участие в подготовке, проведении и обработке результатов измерений.

Целью экспериментального исследования является определение деформаций и перемещений несущих элементов и конструкций 9-этажного бескаркасного крупнопанельного здания при его натурных испытаниях на воздействия, моделирующие неравномерные деформации земной поверхности.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Определение отклонения здания от проектного положения до начала испытаний.

2. Наблюдение за осадками экспериментальной блок-секции в период её возведения.

3. Осуществление поэтапного деформирования земной поверхности основания.

4. Определение осадок фундаментно-подвальной части здания на каждом этапе деформирования основания.

5. Определение перемещений исследуемых точек стеновых панелей на каждом этапе деформирования.

6. Определение формы перемещений исследуемых точек, распо-лоненных по контуру нарунных стеновых панелей.

?. Определение величины раскрытия вертикальных и горизон-

с. ипределение картины разрушения конструкции здания.

9. Определение величин углов перекоса наружных стеновых панелей.

10. Оценка точности определения перемещений применительно к типовой серии 121-043/1,2.

Экспериментальное здание запроектировано с продольно-попе-речныни несущими стенами как для застройки подрабатываемых терри-тооий с пологим и сплошным падением угольных пластов, ~ак и для строительства на плоцадках с образованием уступов земной поверхности и имеет размеры в плане 12,52* 22,4 м.

Здание усилено дополнительными вертикальными связями (3) (рис.1) 25 мм, закреплёнными в уровне перекрытий фундаментно-лодзальной части здания и покрытия 9 этажа.

Фундаменты запроектированы для подрабатываемых территорий с модулем деформации основания Е= 15 Síla и условным расчётным давлением 0,2 МПа.

Рамно-пространственный вариант фундаментно-подвальной части (2) (рис.1) представляет собой многосекционную пространственную систему с размерами.в плане 12 .520 x 22400, высотой 2400 мм.

Надземная часть здания выполнена из трёхслойных панелей из тяжелого керамзитобетона марки 315 с жёсткими связями, зыпускаемых Коммунарским ДСК и унифицированных для строительства в обычных и подрабатываемых условиях строительства. Внутренние стеновые панели толщиной 160 мм. Панели перекрытий и покрытий размером на комнату толщиной ¿20 мм изготовлены из тяжёлого бетона 325.

На экспериментальной блок-секции в осях "5"-"6" исследо-залась работа конструкций при восприятии усилий, возникающих вследствие образования ступенчатых деформаций основания. Зое работ:!, связанные с решением поставленной задачи, проводились на фундаментно-подвальной части в осях "6"-"2с" экспериментальной Злок-секции (рис.1). Были заданы два поперечных уступа длиной Lx,= 3.2 м и Lx¡,-4.6 м.

Имитация неравномерных деформаций основания производилась с помощью домкратной системы конструкции Украинского филиала ЗНИМИ с поршневыми гидродомкратами грузоподъемностью 1000 кН (рис.2).

В результате заданных деформаций з конструкциях надземной части здания были зафиксированы существенные деформации: образова-

-5ЛЕ-03

-¿.а Е-С2

-8.3Е-03 I -2.9Е-02 -4.6Ш .6.2£-02

-7/.Е-01

-&5Е-02

1 ггоа I—¡геа I_ива Г_оо I_?а»1_.ух'® ® Ф ® ©© :

НТЖ^НГЖГЗГЖ

5 'ф ©

Рис.I.Схема имитирования десгормаиий зешой поверхности и :;золиьии вертикальных перемещений V,, на в?орсы этапе деформирования (м)

ние треаин до ¿.5-3 мм з наружных и внутренних :тенозых панелях, а так не з стыках внутренних стэнозчх панелей ' рпс.З

После соответствующей выдержки и необходимых исследований было осуцестзлено выравнивание здания при помоци системы, состоящей из 43 поршневых гидравлических домкратов. Зазоры между опорными блоками и фундаментным поясом заполнили аелезобетонными плитами и металлическими пластинами.

Определение деформаций экспериментального гилого дома серии 121-041/1,2 в целом и его отдельных конструктивных элементов выполнено двумя способами.

Первый способ основан на использовании стересаотограмметри-ческой съемки объекта исследований и позволяет одновременно фиксировать деформации большого количества точек в один физический момент времени, что дает возмозность оценить взаимную деформация зо зремени по всем осям координат.

Для повышения точности измерений деформаций экспериментальное здание фотографировалось с постоянных жесткозакрепленных фототеодолитных станций базисов фотографирования, расположенных параллельно фасаду здания по оси "й" и торцу с рис.4).

Фотографирование на зсех циклах съемки выполнялось после стабилизации осадок здания под действием собственного зеса.

3 качестве исследуемых точек, по которым выполнялось определение деформированного состояния здания при искусственном задании дефомаций основания, ззяты углы наружных стеновых панелей и оконных проемов фотографируемых стен здания. Для определения перзмеаений фундаментно-подвальной части здания и определения зеличпны раскрытия горизонтальных швов з уровне низа панелей первого этажа на пространственно-рамный фундамент и стенозые панели нанесены геодезические марки з вице крестов размером 100*100 мм. Для изучения перемещений контура стеноЕых панелей выполнена Фототеодолитная сгэмка четырех стеновых панелей по засаду ряда *Д" »'рис.5 •.

Проанализировав координаты исследуемых точек на нулевом цикле съемки, установили, что экспериментальное здание до начала испытаний имело отклонение от проектного положения.

Наблюдения за осадками бл^к—секции велись по специально закрепленным осадочным маркам. Из графиков осадок видно, что кон-солиоование торца злск-сэкшп! по осп '5" привело к отрыву подошеы Фундамента от основания на противоволожном торце. Зеличина отрыва по оси "5" достигла 5 мм. Это воздействие послужило причиной раз-

Рис.3.Разрушение стыка внутренних стеновых панелей

Рис.5.<5отогеодолитн£»й снимок исследуемшх стеновых панелей

рушений в стеновых панелях в осях "8с"-"5".

По данным фотограмметрической съемки^ определили пространственные координаты исследуемых точек и их приращениядХ,;.?Д!ЦД2^в процессе деформирования здания, что позволило получить изолинии равных перемещений по осям X, Я, Z для фасадной стены по ряду "Д" (см.рис.1) и фрагмента наруаной стены по ряду "ft". Вычислив разницу в значениях координат контрольных точек соседних стеновых панелей, определим величину раскрытия вертикальных и горизонтальных стыков. Таким образом,на основании изложенных выше данных сформирована картина пространственной деформации экспериментального здания.

Второй способ определения деформаций наруаних стеновых панелей и стыковых соединений предусматривал использование механических, тензометрических датчиков и системы визуального наблюдения за разрушениями конструкций и образованием трещин.

С этой целью здание было оснащено системой приборов. Перекос стеновых панелей определялся с помощью струнных деформометров. '

Сравнение данных стереосъемки с величиной углов перекоса стеновых панелей подтвердило высокую точность определения перемещений и пространственных координат здания/ На основании визуальных исследований зафиксирована поэтапная картина разрушения в наруаных стеновых панелях, включающая в себя расположение и величину раскрытия трещин(рис.б).

В третьей главе излагается механико-математическая модель упругопластического деформирования сплошных сред.подчиняющихся условию текучести Губера-Низеса.

Для расчетов слоаных инженерных сооружений широко применяется метод конечных элементов (МКЭ) в сочетании с методом последовательного нагружения, шаговым методом, самокорректирующим методом, методом ft.fi.Ильюшина,И.Й.Биргера, обобщенного метода упругих решений. При решении последовательности линейных задач МКЭ в форме метода Ритца приближенное вариационное уравнение (1) используют для построения матричного соотношения между узловыми силами и перемещениями на (п+1)-м шаге приближения.

= ST1, - £-£.тНГЛ£)^- fedv - (Vity^O. (1)

J(V) . j<y) J(S)

Для систем конечных элементов разрешающие уравнения МКЭ имеют еле-

0.01

© ®

© ©

Рис.6. Схема образования трещин в фасадной стене после второго этапа задания деформаций-основания*.

0.05 - ширина раскрытия трещин (мм)

дующий вид:

КкЛ^Р-КсзД

(2)

Из уравнения с 2. ) частными случаями вытекают уравнения метода упругих решений

КкЧ'+4=Р*(кк°- кГ) яГ"

самокорректирующегося метода

к Аф = Р - Кс «V

метода последовательных нагруаений метода переменных параметров упругости

ксчп+" - Р

(3)

(4)

(5)

(о)

В главе рассматриваются твердые Сне пористые) среды, у которых при всестороннем растяжении или сжатии материал деформируется упруго, причем зависимость относительного изменения объема от давления очень близка к линейной что можно записать так:

6-« = ЗКо£с

(7)

Ко =

- объемный модуль упругости;

ъ (л-гр0)

£о - (£*-+ £а) ; сЛз =

Тогда можно принять, что условие пластичности зазисит лишь от второго и третьего инвариантов девиатора напряжений. Примером такого условия пластичности может быть уравнение пластичности Губера-Мизеса

* 6~т

где Сь - интенсивность напряжений; <3"т - предел текучести.

(8)

>

При сдвиге предполагается, что материал подчиняется диаграмме Прандля ,т.е.

- 17 -

6!=Ъ&с£с > (Э)

где ^ - секущий модуль сдвига.

С учетом вышеизложенного физические зависимости, соответствующие деформационной теории пластичности имеют вид:

й. £

(Г* {<?■.,(?„ • , (10)

До

4&с(ЗК„ + Се) ЗКо + 4 6-с ЗК„ + 4 0

ЪК, + к (гс 4<Гс 6ч) 3 К« + 4 5с 0

0 0

Физические зависимости в приращениях

симметг ично 2 н и"

(11)

При решении конкретных задач использован метод конечных элементов и программный комплекс "Полюс". В качестве конечного элемента принят типовой треугольный КЗ с шестью степенями свободы. Решение проводится шаговым методом, записываемым матричным уравнением.

Кк АС^ = Д Р

При определении предельных нагрузок принимается следующая совокупность гипотез:

1. Материал пластинки подчиняется для объемной деформации закону Гука. зля сдвиговой - диаграмме Прандтля:

2. Зоны пластичности при квазистатическом нагружении последовательно зозникают з объеме каждого конечного элемента, интенсивность напряжений которого достигла предела текучести;

3. Внешние сила в пределах шага по нагрузке изменяются пропорционально одному параметру;

4. Предельное состояние пластинки наступает при таком внешнем нагружении, которое превращает систему конечных элементов в механизм:

5. До исчерпания несущей способности система не теряет устойчивости. На ш-м шаге нагружения алгоритм определения предельной нагрузки записывается следующим образом:

* (г- е);

_ ГП т+4 — т-М П1+Л КХ- - I"

<*Л ^ Л^А = «V *

Д 5с, г

т+Л

„ т-Ч . г 1

= пим ^ •

„ „ УЛ в тчл - п+Л

а ^"Г * РЧ М }

с тМ _ с т . » . г. ,

- Сп^» рк^ ДС-ч^

— т-м «л _ —

<3^, - + ¿>0^ (51^ .

Расчет производится до тех пор. пока система на каком-либо этапе не превратится в механизм, т.е. в конце каждого шага по нагрузке необходимо проверить выполнение условия положительной определенности квадратичной формы К^ . 3 соответствии с известной теоремой Дирихле полная потенциальная энергия консервативной системы имеет строгий минимум, если она находится з состоянии устойчивого равновесия. Так как на каждом шаге по нагрузке решается линейно-упругая задача, то появляется возможность использовать этот результат для упругопластических задач. Б состоянии

устойчивого равновесия вторая вариация полной потенциальной энергии линеаризованной задачи долзна 5ыть лолозитэльна ■

Приведенный эыие алгоритм реализован в виде рабочей программы "Панель" (рис.7), написанной на языке высокого уровня Турбо Паскаль и включенной в виде отдельного сегмента в программный комплекс "Полюс".

"Полюс"

Полюс х

Ввод

исходных данных

"Полюс 2"

"По^юо 3"

Обработка результатов

Программа "Панель" 1?аочэтпая г1аоть___,

Рис.7. Блок-схема программы "Панель" В качестве иллюстративных примеров рассмотрены расчеты балки (рис.8) и балки-стенки с вырезом (рис.9). Результаты решения контрольных примеров показали удовлетворительные совпадения точного резения по балочной тзории и расчета по ЖЭ (рис. 8).

ТЕСТ С ЯВТОМ. интмс. 5V.

ПООЙМЕТО: а.292Е-ОПО! Координаты обл&отм: КвС О.ОО,

ИТЕРЛЦИЯ: 251 ю.ооа; УаС

-

^ОС-О^^Г

'«--Юг 2.

иу

зеА гА?

Рис.8

В качестве балки-стенки использована наружная стеновая панель экспериментального здания. Расчет балки-стенки выполнен на саеаекиз эе гранзЛ, приводящее к перекосу.

Приведенные во второй главе данные по пространственным перемещениям стеновых панелей фасадной стены по ряду^"позволяют подтвердить предполоаение о том, что стеновые панели крупнопанельных зданий не подвергаются изгибу, работая только в своей плоскости и находясь в условиях плоского напрявенного состояния.

На 1 и 2 этапах расчета в угловых точках задавались перемещения. которые панель получила на соответствующих этапах деформирования основания здания (рис.10). На третьем этапе расчета определены перемещения точек 1-4, при которых разрушается более 50Х конечных элементов панели, т.е. происходит ее полное разрушение. Значения этих перемещений получены путем постепенного приращения перемещений точек 1-4 после 2 этапа расчета (рис.11).

В четвертой главе рассматриваются численные расчзты бескаркасных крупнопанельных зданий на сочетания кинематических и статических воздействий.

Целью настоящего численного исследования является выбор наиболее оптимальной расчетной схемы для применения методики расчета бескаркасных крупнопанельных зданий с учетом разрушения материала на вынувдбкные перемещения основания. Для этого проведены численные исследования двух бескаркасных крупнопанельных зданий:

тестовый setka

Bato млм т! 1

К •««« ИЯАТМ *(л«о rw I Нш С* О. ОО •

0.Í93I v-t Э.бв, O.OOJ;

Рис.10

Т«СТО«ЫЙ Варидит: 1

Keor>AM*i«TM о 6 плотм : Н*С О.ОО. Э . 1 : V= С 2 - G9 - О . ОО 1 ;

Рие.П

- 3-этажного серии 1-464-Д-84 в Саратове;

- 3-этазного серии 1-121-043/1,2 з Г.Стаханове Луганской области.

Экспериментальные исследования 9-этажного жилого дома серии 1-464-Д-84 з Саратове проводились в течение 1989-1990 г г. Здание получило значительные деформации в результате замачивания грунто-зого основания. По методике, аналогичной приведенной во второй главе, определены пространственные координаты углов стеновых панелей после стабилизации осадки здания. Численный расчет здания зыполнзн з "eux зариантах. С помочь?] п^пго^ммного комп"зк'-~ Ллпз", реализующего метод конечных элементов, по первому варианту проведен расчет фасадной стены с учетом фундаменто-подвальной части: по второму - с использованием пространственной пластинчато-стержневой расчетной схемы с дискретными сзязями.

Численный расчет выполнен на кинематические воздействия, от неравномерных деформаций грунтового основания. Деформации основания задавались по данным эпюры перемещений подошвы фундамента.

По данным расчетов построены графики перемещений угловых (контрольных) точек стеновых панелей по вертикальным швам, анализируя эти графики, установили, что отклонения значений перемещений от результатов эксперимента составляют 30-70 '/.. Однако качественная оценка графиков перемещений показывает, что значения, полученные

ПО ПЭ~39<1 M 379~91"! ЗаСЧ97г!!М СлЗЧбМ '13Л'ИОТСЛ 3Л!!3?Г,!МИ К ЭКСПЭР

ментальным. Существенное влияние на получение таких результатов оказало зключение в расчетную схему элементоз. моделирущих фунда-менто-поцвальную часть здания. 3 данном случае это оказалось наиболее заяным. так как деформации основания носили протяженный зо времени и несимметричный характер и здание испытало изгиб с кручением .

странственная расчетные схемы дают качественно и количественно близкие результаты. Это связано с рядом факторов, которые не были учтены в расчетных схемах: в плоской расчетной схеме отсутствует учет проемов з стенозых панелях: з прэстранстзеннои - не учтено реальное топологическое расположение продольных и поперечных внутренних стен.

Следовательно, расчет бескаркасных зданий по плоской расчетной схеме дает удовлетворительные результаты. Чтобы оценить досто-

верность этого предположения, выполнен расчет жилого дома серии 1-121-043/1,2 по плоской расчетной схеме с более высокой степенью детализации несущих элементов для фасадной стены. При составлении схемы сделано допущение, что стена по ряду"Д"расположена в одной плоскости и не имеет выступов в осях"б-"1с", "8с-5. Расчетная схема стены принята в виде ансамбля треугольных конечных элементов, находящихся в условиях плоского напряженного состояния (рис.12).

Численный расчет выполнен по расчетным схемам двух видов в связи с тем, что деформации основания задавались с помощью гидродомкратов, и до размыкания просвета между опорными блоками ОП-1 и низом пространственно-рамного фундамента здание консолировало. Расчетные схемы по типам 1 и 2 представлены на рис.7. Расчетные схемы различаются вариантами расположения опорных стержней, моделирующих грунтовое основание:

- тип 1 - опорные стержни 1-4 из расчетной схемы удалены для образования консоли, которую здание получило на втором этапе задания деформаций основания (рис.126);

- тип 2 - опорные стержни 1-17 расположены в местах установки опорных блоков ОП-1.

Численное исследование по расчетной схеме типа 2 выполнено в трех вариантах:

- вариант 2 - без учета армирования стеновых панелей;

- вариант 2а - в стеновых панелях учтено армирование. Арматура моделирована стержневыми КЗ - (1) (рис.12а);

- вариант 26 - сетка конечных элементов сгущена в два раза по сравнению с расчетной схемой варианта 2а.

Расчет по обоим типам расчетных схем выполнен на программном комплексе "Полюс" с помощью расчетного сегмента "Панель", содержащего в себе методику расчета строительных конструкций с учетом разрушения материала.

Расчеты проведены по теории прочности максимальных касательных напряжений с разрушением при растяжении. Ччтена нагрузка от собственного веса строительных конструкций. В узлах конечных элементов, расположенных в уровне междуэтажных перекрытий, приложены сосредоточенные силы, моделирующие нагрузки от внутренних стен и междуэтажных перекрытий. Расчет выполнен на кинематические воздействия, моделирующие поэтапные уступообразные деформации основания, соответствующие 1-му и 2-му этапам деформирования экспери-метального здания. Сопоставление результатов численного расчета с

Рис.12.Расчетное схемы стены: а-схема 2, б-схема I,

I - стержневые КЭ, моделируюпие -»рыатуру панелеГ:

б

Рис. 13.Результггь. численных расчетов по типу 2а (а) и типу I (б) расчетных схем

экспериментальными данными осуществлялось по двум направлениям: сравнивалось качественное и количественное соответствие перемещений контрольных точек ( углов оконных проемов и стеновых панелей ) и картина разрушений стеновых панелей. Результаты по всем видам и вариантам расчетных схем показаны в виде изолиний вертикальных иа и горизонтальных и* перемещений (рис. 13). Разрушенные конечные элементы, моделирующие стеновые панели, заштрихованы. Схема разрушений, полученная в результате расчета сопоставлялась со схемой образования трещин (см.рис.5). Из сравнительного анализа результатов расчета и эксперимента можно сделать вывод, что наиболее точная картина разрушений и перемещени получена в результате расчета по расчетной схеме второго типа(вариант 2а). Наибольшие различия в значениях вертикальных перемещений возникают в зонах отрыва фундамента от поверхности основания в осях"8с-5"и незначительно в центральной части здания в зоне, ограниченной лестничной клеткой. В целом можно сказать, что расчет по расчетной схеме 2а дает достаточно точные результаты (15-2(Ш в количественном и качественном отношениях, по сравнению с экспериментальными данными.

Расчетная схема 26 предусматривала сгущение сетки в два раза. Существенных различий по перемещениям и разрушениям по сравнению со схемой 2а не обнаружено, однако порядок решаемой системы уравнений составил - 5920 при ширине ленты - 90, что увеличило время расчета до 90 минут. Таким образом,применение расчетной схемы по варианту 26 нерационально с точки зрения продолжительности расчета' и затрат машинного времени.

В заключении приведены результаты и выводы, полученные на

основании исследований: •

1. Проведен крупномасштабный натурный эксперимент по исследованию напряженно-деформированного состояния бескаркасного крупнопанельного жилого дома серии 121-043/1,2 на воздействия, имитирующие неравномерные уступообразные деформации основания.

2. Предложена методика определения пространственных перемещений точек здания способом стереофотограмметрии с неподвижных жестких базисов 'фотографирования. Получены графики пространственных перемещений контрольных точек здания и схема разрушения стеновых панелей. Определена предельная величина уступа для зданий данной конструктивной схемы.

3. Сравнение перемещений контрольных точек здания, полученных различными способами,позволяет судить о высокой точности.

удобстве и экономичности предложенной методики определения деформированного состояния здания.

4. На основании анализа изолиний перемещений фрагмента фасадной стены подтверждено предположение о работе стеновых панелей только в своей плоскости. Разрушение панелей происходит от их перекоса в области подпроеыных и надпроемных перемычек.

5. Изложена методика, алгоритм и расчетные формулы для определения предельных нагрузок и перемещений строительных конструкций с учетом разрушения материала. Учтен нелинейных характер работы материала конструкций.

6. Разработанная расчетная программа для ПЭВМ IBM PC/AT позволяет решать задачи плоского напряженного состояния на различные сочетания статических и кинематических воздействий. Достоверность методики расчета и алгоритма подтверждается решением ряда тестовых примеров и данными эксперимента.

7. Применение методики расчета конструкций с учетом разрушения материала показало удовлетворительную сходимость результатов расчета с реальной картиной разрушения стеновых панелей.

8. Выполнены численные расчеты двух бескаркасных крупнопанельных зданий на воздействия от неравномерных деформаций основания. Исследования проведены с использованием различных расчетных схем. Получены изолинии перемещений и напряжений.

9. Сопоставление результатов численного расчета с экспериментальными данными позволило определить расчетную схему, наиболее адекватно описывающую поведение здания при деформациях основания.

10. Плоская расчетная схема в виде ансамбля из треугольных и стержневых конечных элементов дает наиболее хорошие результаты при численном расчете.

И. Программный комплекс "Полюс" с сегментом "Панель" позволяет прогнозировать перемещения и разрушения конструкций здания при кинематических воздейтвиях как от деформируемого основания, так и от различных корректирующих устройств при его выравнивании.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Григорьев Г.М., Балакшин И.Н., Москалина И.Н., Лысков Г.А., Нестеров И.В. Определение деформаций крупнопанельного жилого дома серии 121 способом стереофотограмметрии при искусственном моделировании деформаций земной поверхности. Деп. в ВИНИТИ 27.05.93. N1402—В93.

2. Нестеров И.В. Экспериментально-численные исследования деформа-

ционного состояния крупнопанельного здания//.Численные и аналитические методы решения задач строительной механики и теории упругости.-Ростов-на-Дону:РИСИ,1991,-С.171-176.

3. Шумейко В.И.. Хадисов М.К., Нестеров И.В. Моделирование работы стеновых панелей в условиях плоского напряженного состояния.-Деп.в ВИНИТИ 27.0"

Подписано в печать 05.01.94. Формат 60 84 Бумага газетная

Печать офсетная. Уч.-изд.л.1,5. Тираж ЗОэкз.С 24.

Редакнионно-издательский центр Ростовской-на-Дону государственной академии строительства 344022, Ростов н/Д, ул. Социалистическая, 162.