автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Совершенствование вычислительной технологии оценки безопасности зданий и сооружений, несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций

оозобэь4^

„раоал руКОПИСИ

Поварницын Дмитрий Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ, НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007

003069642

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет»

Научный руководитель. доктор технических наук, доцент

Кашеварова Галина Геннадьевна

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор, лауреат государственной премии СССР, заслуженный деятель науки РФ Победря Борис Ефимович,

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Масленников Александр Матвеевич

Ведущая организация ГОУ ВПО «Нижегородский государственный

архитектурно-строительный университет»

Защита диссертации состоится «31» мая 2007 г в _ {5_часов на заседании

диссертационного совета К 212 223 01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу 190005, Санкт-Петербург, ул 2-я Красноармейская, 4 Ауд 505-А Факс (812)316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан «20» апреля 2007 г

Ученный секретарь диссертационного совета

к ф -м н , доцент /^fé^p^1^ Фролькис В А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Методы математического моделирования с применением численных методов современных ЭВМ и вычислительных комплексов в настоящее время являются наиболее целесообразным, а во многих случаях -единственно возможным научным инструментом при проектировании новых и ре-

гтлтптт irtwa rrt?a/vpmfrAiTTTrv ^ттош»! и 1W1 ivхиi J iuv ii wvv/^ Miviuxi

На современном этапе в строительном проектировании происходит переход от основополагающего критерия несущей способности конструкций к критерию безопасности строительных объектов для людей и окружающей среды на протяжении ¡всего срока службы Обеспечение безаварийной эксплуатации существующих зданий и сооружений предполагает умение прогнозировать их поведение при изменении условий эксплуатации и в аварийных ситуациях при частичной потере несущей способности, а для этого требуются высокопроизводительные вычислительные комплексы

В проектных организациях строительного профиля, как правило, используются сертифицированные Госстроем РФ программные комплексы (ПК). LIRA, SCAD, MicroFe и др , которые, в основном, предназначены для проектирования новых зданий и сооружений, а не для анализа поведения существующих объектов с дефектами и трещинами при изменении условий их эксплуатации

Сложность моделирования строительных объектов для выполнения качественного расчета и анализа с целью определения резервов несущей способности при наличии дефектов, или для выявления участков конструкции, в которых возможно появление и развитие трещин, требует работы с так называемыми «тяжёлыми» расчётными системами, примером которых является программный комплекс ANSYS - один из самых мощных современных программных продуктов, позволяющих выполнять полноценный анализ проектных разработок новых и реконструируемых зданий ANSYS позволяет проводить сложные нелинейные расчеты, учитывать все особенности строительных конструкций, в том числе, наличие и развитие системы трещин или ухудшение свойств материалов, взаимодействие здания с грунтовым массивом, влияние времени и поэтапное изменение внешних нагрузок Это дает возможность специалисту получать наиболее достоверные результаты расчета при проведении вычислительных экспериментов, существенно сокращая сроки и финансовые потери на производство работ

Процесс моделирования здания или сооружения в интерактивном режиме в расчетных системах, в том числе и в ANSYS является достаточно трудоёмким и сложным, ввиду отсутствия специализированных инструментов и ограниченного набора примитивов и операций, с помощью которых можно формировать модели зданий Кроме того, требуются большие затраты времени и ресурсы для подготовки специалиста, умеющего работать в ПК ANSYS

Поэтому для моделирования геометрии трехмерных строительных объектов часто используют современные системы автоматизированного проектирование (САПР) AutoCAD, ArchiCAD, КОМПАС и др Эти системы позволяют быстро]

3 >

формировать несущие и ограждающие конструкции, проемы в стенах, перекрытия, каркас и сложные формы отдельных частей здания, но не позволяют создавать расчётные схемы и корректно импортировать созданные модели в расчетные системы В итоге, способ импорта готовой модели в расчетную систему не получил широкого распространения и на некоторых стадиях такой способ оказывается сложней, чем создание расчетной модели средствами самой расчетной системы

Проблема снижения трудоемкости работ при проведении вычислительных экспериментов становится весьма актуальной при расчетах сложных строительных объектов Это побуждает совершенствовать вычислительную технологию и искать новые алгоритмы расчета зданий и сооружений Определению путей решения этой проблемы посвящена данная диссертационная работа

Целью диссертационной работы является создание новой вычислительной технологии для реализации численных методов и эффективных алгоритмов исследования несущей способности и процессов разрушения зданий, сооружений и строительных конструкций с учетом нелинейного поведения и разброса свойств материалов, в виде проблемно ориентированных программ для проведения вычислительных экспериментов ,

Задачи исследования

1 провести анализ существующих подходов к исследованию проблемы безопасности строительных объектов, к моделированию геометрии и свойств материалов для исследования несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций и обосновать метод и средство для решения этих задач,

2 разработать эффективный алгоритм формирования геометрической и расчетной моделей пространственных строительных объектов в ПК АИБУБ,

3 провести анализ формирования программных кодов на языке АРБЬ, встроенном в ПК АИБУБ для моделирования строительных объектов различного назначения, с применением разных видов строительных материалов и всевозможных яодходов к формированию модели;

4 разработать новый вычислительный алгоритм от формирования геометрической и расчетной моделей строительных объектов, автоматизированного создания программного кода (программы) на языке АРБЬ до передачи программы в ПК АКБУБ, проведения расчета и анализа результатов,

5 разработать алгоритм учета разброса механических свойств строительных материалов и реализовать его в программном интерфейсе

, б провести сравнительный анализ численных и натурных экспериментов для определения достоверности результатов, ролученных с использованием новой вычислительной технологии в ПК

7, применить разработанную вычислительную технологию к расчетам реальных строительных объектов, в том числе, с трещинами и дефектами

Научная новизна работы состоит

- в развитии методологии создания математического и программного обеспечения, а именно в создании новой вычислительной технологии для исследования процессов деформирования и разрушения зданий и сооружений, с

целью определения резервов их несущей способности при накоплении структурных повреждений,

- в создании проблемно-ориентированной программы для проведения вычислительных экспериментов, способной в автоматизированном режиме формировать программный код (на языке АРБЬ) создания геометрической и расчетной модели специализированными инструментами для исследования деформирования и разрушения пространственных сооружений в ПК АЫБУБ на заданные внешние воздействия;

- в разработке алгоритма учета разброса механических свойств строительных материалов, реализации его в созданной программе Ап8узВшШт§В1оск (АБВВ) и определении области применения данного алгоритма

Практическая значимость работы. Разработанная в диссертации проблемно-ориентированная программа автоматизации формирования программного кода (на языке АРБЬ) позволяет существенно уменьшить трудозатраты и временные ресурсы на выполнение инженерных расчётов оценки несущей способности и исследование процессов разрушения строительных конструкций и сократить сроки подготовки специалистов к работе с ПК АЫБУБ

Работа поддержана грантом РФФИ-Урал №04-01-96067, в котором проект «Принципы и методы экспертных оценок безопасности повреждённых строительных конструкций на основе прогнозирования аварийных ситуаций и анализа деформационных ресурсов структурно-неоднородных материалов» направлен на решение фундаментальной задачи «Развитие научных основ уточненного прочностного анализа, включающего оценку безопасности, ответственных конструкций на основе комплексного анализа факторов, влияющих на характер процессов развития дефектов и определяющих живучесть систем, создание аналитической информационной системы экспертных оценок аварийности поврежденных строительных конструкций»

Методы исследования, достоверность полученных результатов. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования Решения задач базируются на известных теоретических положениях механики деформированного твердого тела и вытекающих из них формулировках математических моделей и подтверждаются сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов Методика теоретического исследования несущей способности реального строительного о&ьекга с использованием разработанной в диссертационной работе программы передана в строительную отрасль для практического использования, что подтверждено актом внедрения, приложенным к диссертации Достоверность новизны разработанной проблемно-ориентированной программы подтверждена свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007610746 Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях XXX юбилейной научной конференции, (г Пермь, 2003 г), студенческой научно-технической кон-

ференции «Компьютерная механика материалов и конструкций» (ПГТУ, г Пермь, 2003 г), 6-й Всероссийской (с международным участием) конференции «Информация, инновации, инвестиции» (г Пермь, 2005 г), 14-ой и 15-ой международных зимних школах по механике сплошных сред (УрО РАН, г Пермь, 2005, 2007 гг), международной научно-технической конференции «Вычислительная механика деформируемого твердого тела» (МИИТ, г Москва, 2006 г), 7-й Всероссийской конференция «Информация, инновация, инвегпшии» (г Пермь. 2006 г) научной сессии «Взаимосвязь проектирования пространственных конструкций с вопросами безопасности, эксплуатационной надежности и долговечности» (г Москва, 2007 г) В 2006 году в конкурсе на лучший научный доклад аспиранта по техническим наукам автор занял I и III место в первом и во втором турах конкурса соответственно {г Пермь, 2006 г)

Публикации Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе 2 в журнале, рекомендованном ВАК

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе, основных заключений, списка литературы (94 наименования), 2 приложений, 101 рисунка и 11 таблиц Общий объем диссертации -166 страниц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, указана цель и основные задачи исследований, их научная и практическая значимость, приведено краткое содержание диссертации по главам

В первой главе обсуждаются актуальность проблемы безопасности строительных объектов и существующих подходов к исследованию несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций

В настоящее время многие исследователи обращаются к проблеме безопасности зданий и сооружений и предлагают разные подходы к ее решению1 с помощью конструктивных решений здания, способов воздействия на основание сооружения, позволяющих осуществлять регулирование текущего состояния здания и основания и более гибко приспосабливать их к изменяющимся условиям внешних воздействий с учетом реального физического состояния конструкций Однако в этих работах основное внимание уделяется качественной стороне проблемы, чаще всего - без детального количественного анализа, что подразумевает под собой более точное моделирование геометрии зданий и сооружений и свойств их материалов Строительные нормы и правила при выборе расчетной схемы сооружения рекомендуют учитывать наиболее существенные факторы, определяющие напряженное состояние и деформации основания и конструкций сооружения, пространственную работу конструкций, геометрическую и физическую нелинейность, анизотропию, пластические и реологические свойства материалов и грунтов, но не содержат практических предложений по решению данной проблемы

При разных воздействиях на строительные объекты, не предусмотренных первоначальным проектом, или в аварийных ситуациях при наличии в конструк-

циях трещин и дефектов, требуется наиболее точное моделирование геометрии и свойств материалов с учетом накопления повреждений и структурного разрушения, способности поврежденных материалов воспринимать внешнюю нагрузку Проведение таких исследований становится возможным при использовании методов математического моделирования с использованием численных методов и высокопроизводительных программных комплексов, реализующих их на ЭВМ Анализ механических свойств строительных материалов (бетона/железобетона, кирпичной кладки, грунта) показал, что эти материалы могут обладать свойствами упругости, хрупкости, пластичности и ползучести, которые по-разному проявляются на разных этапах работы конструкций при разных внешних воздействиях В работе рассмотрены предлагаемые разными авторами модели механического поведения и разрушения строительных материалов, которые не могут считаться законченными, и продолжают развиваться в новейших исследованиях.

При обзоре методов расчета несущей способности строительных конструкций и объектов в целом в качестве основного метода исследования в данной работе выбран метод конечных элементов (МКЭ), который снабжен всеми атрибутами «серьезной теории», основанной на применении абстрактной математики и теории сплошных сред, а в качестве основного инструмента исследований — программный комплекс А^УБ, с помощью которого можно создавать компьютерные модели большой размерности и исследовать отклики воздействий различной физической природы

Геометрию модели строительного объекта в ПК АЫБУБ можно создавать 3-мя различными способами, но ни один из них не является простым в своем решении Это послужило толчком к совершенствованию вычислительной технологии и к разработке нового алгоритма формирования геометрической и расчётной модели, который был бы наиболее простым, эффективным по сравнению с существующими способами и подходами и созданию проблемно ориентированной программы прочностного анализа зданий и сооружений

Во второй главе описываются разработанные алгоритм и проблемно-ориентированная программа Ап8у$В1и1(Н1щВ1оск (АБВВ) для эффективного проведения вычислительных экспериментов по исследованию несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций Дается описание и принцип работы программы, предназначенной для эффективной автоматизации процесса создания программного кода на языке параметрического моделирования АРБЬ, встроенного в ПК АЫБУБ

Процесс работы с программой АБВВ состоит из 3 этапов 1 этап. Формирование геометрической модели здания или сооружения. На данном этапе в поэтажном порядке создается геометрическая и расчетная модели строительного объекта

Вначале пользователь должен ввести все необходимые данные для формирования модели количество этажей и параметры каждого этажа, названия и физические свойства материалов, ввести общие настройки модели Далее созда-

ются вспомогательные объекты - координационные оси и характерные точки. К ним в дальнейшем привязывают иновь создаваемые строительные объекты (степы, проёмы, колонны, балки, перекрытия, произвольные блоки) (рис, 1). И в завершение к созданным объектам прикладываются внешние воздействия и условия закрепления.

2 этап. Автоматическая генерация программною кода по созданной

гмсдсл». На этом этапе участи? пОЛЬЗО^ятрпя ™егтенгп к минимуму. Программа полностью автоматически создаёт программный код на языке АРРЬ для ПК АК8У8, Созданный код можно сохранить или дополнительно отредактировать (рис. 2).

Рис 1. Геоиетрлческал модель здания

■ ШМ

Рис. 2. Программный код геометрической и расчетной моделей с гронтецьного о оьекта

3 этап. Выполнение расчёта и анализ результатов. На этом этапе используется ПК АМ5У5. В программный комплекс А^УБ импортируется полученный в Д8ВВ программный код. После этого в А^УБ автоматически создаётся трёхмерная расчётная модель здания или сооружения, генерируется сетка конечных элементов, учитываются граничные условия и задаются нагрузки. Согласно командам программного кода, выполняется расчёт модели. По результатам расчёта можно проводить тщательный анализ.

Далее в главе описана область применения программы. Подробно описан алгоритм создания программного кода модели строительного объекта.

Разброс свойств материалов конструкций, реализующийся даже при абсолютно точном выполнении всех технических требований, является основным источником возможных отклонений расчётных параметров конструкций строительны.! объектов, и обычно учитывается в СНиПах системой нормируемых коэффициентов надёжности. В отличие от других программных комплексов и прикладных систем для расчёта строительных конструкций, программа А$ВВ имеет встроенную функцию учёта разброса механических свойств материалов. Описан алгоритм учёта разброса свойств (модуля упругости, коэффициента Пуассона,

плотности), который позволяет пользователю, используя генератор случайных чисел и коэффициент вариации, генерировать новые материалы по всему объёму строительной конструкции, имитируя разброс механических свойств материала.

Проблема качественного экспорта геометрических моделей из расчётных комплексов и чертежио-графи1ческие системы, побудила автора создать в программе ASBB дополнительную функцию качественного экспорта в универсальную чертёжногра-фическую систему КОМПАС, А используя возможности САПР КОМПАС по интеграции с разными форматами данных (CDW, FRW, KSF, IG ES, DWG, DXF, eDrawing, векторные и растровые рисунки многих форматов), экспортированные графические данные можно передавать и в другие наиболее удобные для работы САПР.

Применение программы ASBB при прочностных расчётах как нового способа или новой вычислительной технологии расчёта строительных объектов с помощью ПК ANSYS требует разработки алгоритма действий пользователя программы ASBB. Этот алгоритм подробно описан в данной главе, и своим принципом он напоминает процесс возведения здания на строительной площадке. На конкретном примере показана реализация алгоритма создания геометрической модели здания в программе ASBB.

В конце главы проведён анализ эффективности использования программы ASBB по сравнению с другими способами: 1, - интерактивным вводом данных непосредственно к ПК ANSYS; 2, - импортом геометрической модели из графических систем, поддерживающих твёрдотельное моделирование (AutoCAD, ArchiCAD, 3D Studio Мах, КОМПАС-30 и др.) с последующим интерактивным вводом данных для расчётной модели: граничных условий, нагрузок и воздействий, физико-механических свойств материалов, формированием сетки .конечных элементов; 3, - использованием языка параметрического проектирования APDL для написания программы пол ьзо в шел ем, по результатам которых, можно отметить существенные преимущества новой вычислительной технологии по затратам времени: на выполнение расчёта (рис. 3) И на подготовку пользователя (рис. 4).

poj |

и * цшцкинч TOMIJMVKtf«

□fhttw

□ АМАН • '

Рис. 3. Диаграмма отаоситканых затрат времени пользователя при использовании разных способов расчета

HJ i

(M i

г ! !

I Л; — • ' v.■ i щ .f .,*, ATOL с J ''. -

Рис. t Диаграмма ошосигепьиик затрат времени на подготовку полыоаагеля

Кроме того, преимущество использования программы ASBB имеет следующие положительные моменты:

• избавление пользователя от проблем стыковки конструкций и конечных элементов между собой, выбора типов КЭ, процесса создания конечно-элементной сетки, сложности задания граничных условий и приложения внешних нагрузок,

• реализация стандартного принципа формирования модели зданий или сооружений, как специализированное приложение для строительной области,

• возможность проведения нелинейного анализа, для разных моделей механического поведения строительных материалов

• возможность моделирования трещин и изучение процесса их возникновения и развития в расчетной модели для оценки живучести (безопасности) строительных объектов,

• возможность учета разброса физико-механических свойств материалов конструкций,

• исследование сложных математических моделей зданий совместно с фундаментом и грунтовым основанием за счет прогрессивных функций, реализованных в ПК ANSYS

Третья глава посвящена численному моделированию процессов деформирования и разрушения конструктивных элементов строительных объектов и проверке адекватности математических моделей объектов на основе данных натурных экспериментов

В начале главы приводится анализ причин появления макроразрушений в строительных конструкциях зданий и сооружений, которыми чаще всего являются деформации грунтового основания сооружения и низкое качество монтажных работ

Для конструкций, рассматриваемых в данной работе, определяющее значение при разрушении материалов имеет трещинообразование и поэтому при исследовании механического поведения бетона в данной работе используется математическая модель, ориентированная на описание упруго-хрупкого разрушения, разработанная KJ WillamviED Warnke и реализованная в конечно-элементном пакете ANS YS, а для кирпичной кладки - нелинейная математическая модель, разработанная в работе Г Г Кашеваровой, учитывающая процессы накопления упруго-хрупких повреждений и закритического деформирования в условиях сложного напряженного состояния Данная математическая модель встроена в разработанную программу ASBB

Для того чтобы использовать эти математические модели в расчетах, нужны полные диаграммы деформирования материалов Поэтому были проведены натурные эксперименты по разрушению образцов представительного объема кирпичной кладки Одна из полученных диаграмм показана на рис 5

Ниспадающая ветвь соответствует процессу, когда деформирование осуществляется преимущественно за счёт формирования и развития систем трещин и разрывов, которые начинают появляться при нагрузке, составляющей 60 - 70 % от максимальной, но кладка сохраняет несущую способность еще довольно длительное время

<г,Мпа

Рис 5 Полная диаграмма деформирования образца при сжатии

Для оценки адекватности используемой математической модели выполнены численные эксперименты по разрушению образца представительного объема кирпичной кладки такого же, как в натурном эксперименте (рис 6)

Математическая модель пространственной краевой задачи представлена системой дифференциальных уравнений равновесия

Коти + ¿¿у,

0) (2) хеГ( 3)

Рис 6 Образец кирпичной кладки

определяющих соотношений ст. (х) = С,_и(х)гы

и краевых условий по направлению оси г прикладывалось кинематическое воздействие в виде перемещения и0, а противоположная плоскость элемента закреплялась по этой же координате

Здесь' х - радиус-вектор пространственного положения частицы, р — плотность материала, р^ - компоненты вектора внешних массовых сил, и, -компоненты вектора перемещения, сцк! - компоненты тензора модулей упругости, которые зависят от уровня деформации, направления, характера и наличия трещины (трещина открыта или закрыта) и определяются в соответствии с полной диаграммой деформирования

Здесь и далее по умолчанию запятая означает частную производную по соответствующей координате х1, индексы при компонентах тензоров, набранные малыми латинскими буквами, принимают значения от 1 до 3 По повторяющемуся индексу (называемому немым индексом) предполагается суммирование также от 1 доЗ

Задача решалась методом конечных элементов с использованием пошаговой процедуры При проведении численного эксперимента на каждом щаге нагружения определялся процент разрушенных элементов в образце Полученная расчетная диаграмма деформирования образца достаточно хорошо согласуется с диаграммой, полученной в натурном эксперименте (рис 5) Некоторое отличие значений максимального напряжения и длины ниспадающей ветви в вычислительном эксперименте от значений, полученных в натурном эксперименте можно объяснить разбросом свойств кирпича и раствора и отсутствием трения на поверхностях в численном эксперименте

Далее представлены результаты натурного и вычислительного экспериментов деформирования и разрушения фрагмента кирпичной стены, подвергнутой

11

изгибу, те такому воздействию, которое испытывают стены зданий при осадке части грунта Расчеты выполнялись для трёх сеток конечных элементов с числом степеней свободы 240, 684 и 2442 соответственно В процессе кинематического нагружения (осадки части стены) при достижении определенного уровня напряженно-деформированного состояния (НДС) в стене появлялась трещина, в результате чего картина НДС существенно изменялась, максимальные напряжения уменьшались примерно в 2 раза, и за счет локальной диссипации упругой энергии в зоне трещины происходила разгрузка и перераспределение напряжений При дальнейшем повышении нагрузки напряжения увеличивались, и росла длина трещины (рис 7)

Рис 7 Трещины, появившиеся в процессе нагружения а) на 14-м подшаге, б) на 25-м подшаге, в) на 50-м подшаге

Результаты численного эксперимента, моделирующего изгиб фрагмента кирпичной стены и учитывающего накопление структурных повреждений и закритической стадии, соответствующей ниспадающей ветви полной диаграммы деформирования, подтверждены результатами натурного эксперимента

Кроме того, исследовалось влияние разного вида кладки и разных свойств материалов на НДС и процесс разрушения того же фрагмента стены

Оценка безопасности несущей конструкции предполагает определение резерва несущей способности в условиях развития системы магистральных трещин Полученные новые численные решения краевых задач для тел с зонами разупрочнения наглядно иллюстрируют, что учет стадии закритического деформирования в уточненных расчётах позволяет обнаружить резерв несущей способности за счет локальной диссипации упругой энергии, оценить живучесть при частичной потере несущей способности Использование резервов несущей способности стругаурно-неоднородных материалов и обеспечение безопасной эксплуатации элементов строительных конструкций может осуществляться путем создания специальных условий равновесного накопления повреждений и разупрочнения материала в наиболее опасных зонах, что обеспечивает устойчивое, контролируемое протекание процесса трещинообразования даже в аварийных ситуациях В этом случае есть время для проведения защитных и спасательных мероприятий В соответствии с ГОСТ 27 002-89 «При проектировании строительных сооружений и конструкций в явной или неявной форме должен учитываться статистический разброс механических свойств материалов, элементов и соединений, а также изменчивость (во времени и в пространстве) параметров, характеризующих внешние нагрузки и воздействия» Для исследования влияния

разброса механических свойств материала на процесс разрушения кирпичной диафрагмы был проведён вычислительный эксперимент, в котором рассматривался фрагмент кирпичной стены (диафрагма), испытывающий двухосное напряжённое состояние (рис. 8). При этом использовался разработанный алгоритм учёта разброса механических свойств материала в конструкциях, встроенный в программу АЗВЩ,

Put. 8. Фрагмент кирпичной CTClfLl. испытывающий двухосное напряженное состояние

Рис. 9. Картина распределения напряжений по oat X и развития системы трещин: с гфюгенешгем 'и разброса свойств - три .варианта результатов

Как показали результаты расчёта при учёте разброса механических свойств раствора кирпичной кладки (в частности, модуля упругости) в пределах = 30% картина напряжений (рис. 9) и значения напряжений и деформаций заметно изменяются, что в свою очередь влияет на развитие системы трещин в конструкции при одних и тех же критических напряжениях: трещины могут более активно распространяться по конструкции, либо вообще могут не появляться.

Расчётная модель (рис. 8) и результаты расчёта соответствуют и адекватны одной из моделей натурного эксперимента, проведённого австралийскими исследованиями.

В конце главы приведён сравнительный анализ результатов расчёта, полученных в разных программных комплексах SCAD, Lira и ANSYS. Сравнение проводилось на нескольких задачах, как плоских, так и пространственных и показало, что результаты, полученные в ПК SCAD и Лира, практически совпадают -разница по перемещениям а ПК SCAD/Lira и ANSYS не превышает 10%, а по напряжениям в некоторых случаях может достигать до 20-25% .

В четвертой главе рассмагривается численная реализация разработанной программы для исследования НДС, повреждённое™ и резервов несущей способности реальных строительных объектов.

На примере типового пятиэтажного кирпичного здания проведено множество численных экспериментов но исследованию влияния разных видов кинематических воздействий (осадок) на НДС кирпичного здания и определён наиболее опасный вид таких воздействий, когда проседает только торцевая часть здания по линейному или нелинейному закону.

С помощью программы AStiB была смоделирована пространственная система «здание-фундамснт-основаиис» (рис. 10), исследовалась практическая

сходимость численного решения на трёх вариантах сетки конечных элементов и данная модель использовалась для ретроспективного анализа разрушения реального кирпичного здания, которое получило серьёзные повреждения в виде системы трещин на несущих и торцевых стенах здания в результате неправильной эксплуатации - протечке воды в локальной зоне и соответствующем изменении свойств грунта.

за

во

70

а л 60

а 41

£ 3 40

ь* о X

20

10

о

Рис. 10. Конечно-элементна!! модель системы "здание-фундамент-ссиование"

Длкид здания (я)

Рис. 11, Сравнение расчётных и фактических осадок здания к - фактические осадки; ■ - теоретические осадки (гр. усл. 1); А - теоретические осадку (Гр. усл. 2)

При описании свойств грунта с учётом локального замачивания сделано предположение, что каждая зона по глубине имеет форму гиперболического параболоида г = х2/а2-у2/ь2, и основание было смоделировано с учётом этой закономерности. При этом рассматривались 2 варианта граничных условий: I) жёстко закреплена только нижняя поверхность грунта; 2) закреплены нижняя поверхность грунта и боковые поверхности массива от возможных перемещений по ортогональным направлениям.

Анализ показал достаточно близкие результаты расчётных и фактических осадок (рис. 11) и схем распространения трещин в несущих стенах здания, качественно повторяющих фактические, что свидетельствует о достоверности результатов численных исследований при использовании программы А5ВВ и ПК

Далее проводились исследования влияния уже существующих трещин, способов их моделирования, размеров и расположения на напряжённо-деформированное состояние отдельною кирпича и здания в целом.

Рассмотрены разные способы моделирования трещин в строительных конструкциях. В этом исследовании было определено, что поперечная трещина в кирпиче является наиболее опасной и приводит к снижению несущей способности на 25-40% в зависимости от длины трещины.

Следующий объект - реальное 2-х этажное административное кирпичное здание (здание школы РОСТО), которое планировалось реконструировать, нац-

строив ещё один этаж. Результаты обследования показали наличие трещин на одном из фасадов здания (рис. 12). С помощью программы А8ВВ было смоделировано здание и проведены вычислительные эксперименты: а) по выявлению причин возникновения трещин; б) возможности надстройки одного этажа.

Рис. 12. Фасад здания. Дефекты и повреждения- ? . трещины выявленные при обследовании, X - трещины определенные при расчёте модели.

Причинами появления трещин могли быть ошибки при проектировании (заниженные значения действующих нагрузок) или при эксплуатации (превышение эксплуатационных нагрузок над расчётными), в результате чего произошёл изгиб перегруженных колонн (рис. 13) с соответствующей концентрацией напряжений в месте стыка плит перекрытий с несущей стеной (рис. 14), вызвавшее появление системы трещин на фасаде здания (рис. 12),

Рис. 13. Деформация колонн (масштаб деформации увеличен в 50 раз)

Рис. 14. Концентрация напряжений на фасаде гу1аняя (напряжения по Мизесу)

Исследуя возможности реконструирования здания, выполнены численные эксперименты для здания без трешины и с трещиной с учётом дополнительной нагрузки, которые показали, что в здании с трещиной максимальные напряжения примерно в 2 раза меньше чем в здании без трещины, за счёт перераспределения напряжений. Но для удовлетворения эксплуатационных требований эти трещины

15

должны быть ликвидированы, а несущие колонны усилены с учётом действующих нагрузок

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Для исследования несущей способности, деформирования и разрушения пространственных сооружений ня заданные пнетпние воздействия с помошью программного комплекса ANSYS, автором создана проблемно-ориентированная программа AnSysBuiIdingBlock (сокращенно ASBB), которая автоматизирует процесс создания программного кода на языке APDL, встроенном в ANSYS. Эта программа представляет собой новую вычислительную технологию автоматизации расчета объектов строительства, алгоритм которой включает в себя три основных этапа формирование геометрической модели здания или сооружения, автоматическую генерацию программного кода на языке параметрического проектирования APDL и выполнение расчёта непосредственно в ПК ANSYS

2 Разработан алгоритм учёта разброса механических свойств материалов строительных конструкций, встроенный в программу ASBB, как дополнительная опция данной программы

3 Решена проблема интеграции расчетных и чертежно-графических систем, а именно, корректная передача графической части из расчетной системы в любую САПР с помощью встроенной в ASBB функции экспорта в САПР КОМПАС

4 В программу ASBB встроена математическая модель механического поведения материала, учитывающая накопление повреждений и структурное разрушение кирпичной кладки, которая в дальнейшем использовалась для исследования несущей способности конструкций, а именно, процесса деформирования и разрушения кирпичной стены при изгибе, процесса разрушения кирпичной диафрагмы, испытывающей двухосное напряженное состояние с учётом разброса механических свойств материала Для оценки адекватности используемой математической модели выполнены численные и натурные эксперименты по разрушению образца представительного объема кирпичной кладки.

5 На основе разработанной программы и ПК ANSYS проведены вычислительные эксперименты с использованием нового способа формирования модели и соответствующие им натурные эксперименты, выполнена верификация разработанных алгоритмов и программ

6 Проведён сравнительный анализ результатов расчёта, полученных в разных программных комплексах SCAD, Lira и ANSYS для плоских и пространственных задач, показавший несущественную разницу результатов по перемещениям и'значительную разницу (до 25%) по напряжениям

7 На примерах моделирования реальных строительных объектов установлена возможность решения пространственных задач, позволяя выявить причины появления трещин и дефектов в несущих конструкциях зданий и сооружений при различных внешних воздействиях

' 8 Разработанная автором новая вычислительная технология была использована при реализации реального проекта реконструкции здания школы РОСТО в организации ЗАО «ЭРОН», что подтверждено имеющимся в диссертации актом внедрения Применение разработанной программы позволило существенно сократить временные и финансовые затраты на производство работ

9 На программу AnSysBuilbmgBlock получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2007610746 из Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам

ПУБЛИКАЦИИ

1 Кашеварова ГГ, Маковецкий О А , Поварницын ДА > Математическое и компьютерное моделирование поведения системы «здание-фундамент-основание» на деформирующемся грунтовом основании [статья] // Сборник трудов «Основания и фундаменты в инженерно-геологических условиях Урала» - Пермь ПГТУ, 2003-с 103-106

2 Кашеварова Г Г, Поварницын ДА Исследование напряженно-деформированного состояния несущих стен кирпичного здания с использованием программного комплекса ANS YS» [тезис] // «Проектирование, строительство, реконструкция» XXX юбилейная научно-техническая конференция Тезисы докладов -Пермь ПГТУ, 2003-с 58-59

3 Поварницын Д А , Кашеварова Г Г Исследование НДС несущих стен кирпичного здания с помощью программного комплекса ANSYS» [тезис] // Тезисы доклада студенческой научно-технической конференции «Компьютерная механика материалов и конструкций» - Пермь ПГТУ, 2003 - с 48-49

4 Труфанов НА Кашеварова ГГ, Поварницын ДА Исследование влияния размеров упругого слоя грунтового основания на НДС здания в системе «здание-фундамент-основние» [статья] // Сборник научных трудов «строительство и образование» №11(41), Вып 7 - Вестник УГТУ-УПИ, - Екатеринбург, 2004 -с 89-91

5 Кашеварова Г Г, Поварницын ДА Зубов Д А , Петров А А Исследование напряженно-деформированного состояния кирпича с дефектами [статья] // Сборник научных трудов «Проектирование строительство реконструкция», -Пермь ПГТУ, 2004 - с 105-108

6 Вильдеман Б D, Кашеварова ГГ, Поварницын Д А Вопросы оценки безопасности поврежденных строительных конструкций и анализ влияния нагружающих систем [статья] // Материалы 6-й Всероссийской (с международным участием) конференции «Информация, инновации, инвестиции», Том 1 -Пермь, 2005-с 103-109

7 Кашеварова ГГ, Поварницын ДА Анализ процесса разрушения и деформационных ресурсов структурно-неоднородных строительных материалов [тезис] // Тезисы доклада на Международной зимней школе по механике сплошных сред, - Пермь, 2005 - с 123-125

8 Вилъдеман В Э, Кашеварова ГГ, Повариицын Д А Вопросы оценки безопасности строительных конструкций на основе моделирования процессов неупругого деформирования и разрушения материалов в системе «здание фундамент-основание» [тезис] // Сборник научных трудов международной научно-технической конференции «Вычислительная механика деформируемого твердого тела»,-Москва МИИТ,2006-с 102-105

9 Кашеварова ГГ Поварнииын ДА Сравнительный анализ применения разных программных комплексов для расчета строительных конструкций [статья] // Сборник трудов Вестник УГТУ-УПИ Строительство и образование №12(83), - Екатеринбург, 2006 - с 112-114

10 ПоварницынДА Реализация вычислительной технологии создания программного кода для расчета несущей способности пространственных сооружений в программном комплексе ANSYS [статья] // Зимняя школа по механике сплошных сред (пятнадцатая) Сборник статей Часть 3, - Пермь, 2007 - с. 93-96.

И ПоварницынДА, Кашеварова Г Г Совершенствование вычислительной технологии исследования деформирования и разрушения пространственных строительных объектов [статья] // Материалы 7-ой всероссийской конференции, -Пермь, 2006 - с 91-97

12 Поварницын ДА, Кашеварова Г Г Новая вычислительная технология создания программного кода для расчета несущей способности пространственных сооружений в программном комплексе ANSYS [тезис] // Тезисы докладов научной сессии Взаимосвязь проектирования пространственных конструкций с вопросами безопасности, эксплуатационной надёжности и долговечности,—Москва, 2007-с 37-38

Подписано к печати 16 04 07 Формат 60x84 1/16 Бум офсетная Уел печ л 1,5 Тираж 100 экз Заказ ,

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строителышй университет

190005, Санкт-Петербург, ул 2-я Красноармейская, 4

Отпечатано на ризографе 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская, 5

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ И СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ИССЛЕДОВАНИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

1.1. Анализ проблемы безопасности строительных объектов.

1.2. Анализ существующих подходов к моделированию зданий и сооружений для исследования несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций.

1.2.1. Моделирование геометрической формы объектов строительства

1.2.2. Моделирование механических свойств строительных материалов

1.3. Обзор методов расчёта несущей способности строительных конструкций.

1.3.1. Роль численных методов в расчетах зданий и сооружений.

1.3.2. Основные математические соотношения метода конечных элементов.

1.4. Обзор ochobi 1ых программных комплексов для проектирования и анализа строительных объектов.

1.4.1. Специализированные и универсальные программные комтексы для расчета строительных объектов.

1.4.2. Обоснование выбора программного комплекса ANSYS для исследования деформирования и разрушения строительных объектов. .5. Обоснование состава и структуры частных задач исследования.49 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

2.1. Описание вычислителы 1ых алгоритмов и принципа работы программы ASBB.

2.1.1. Термины и определения, принятые в программе ASBB.

2.1.2. Интерфейс пользователя.

2.1.3. Область применения и ограничения программы.

2.1.4. Этапы работы с программой ASBB.

2.1.5. Алгоритм создания программного кода модели здания или сооружения.

2.1.6. Описание алгоритма учёта разброса механических свойств материалов строительных конструкций.

2.1.7. Экспорт графических данных.

2.2. Алгоритм действий пользователя при работе с программой ASBB на примере расчёта строительного объекта посредством ПК ANSYS.

2.2.1. Основные инструменты и настройки.

2.2.2. Реализация алгоритма создания геометрической модели здания.

2.2.3. Создание и редактирование программного кода на языке параметрического проектирования APDL.

2.2.4. Анализ эффективности использования программы ASBB.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЧИСЛЕННЫХ И НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

3.1. Анализ причин появления макроразрушений в строительных конструкциях зданий.

3.2. Математические модели механического поведения упруго-хрупких материалов, учитывающие структурное разрушение.

3.3. Проведение натурных и численных экспериментов для построй шя полной диаграммы деформирования кирпичной кладки.

3.4. Натурный и вычислительный эксперимент деформирования и разрушения кирпичной стены при изгибе.

3.4.1. Результаты натурного эксперимента изгиба кирпичной стены.

3.4.2. Вычислительные эксперименты и анализ процесса деформирования и разрушения кирпичной стены при изгибе.

3.4.3. Определение резерва несущей способности конструкции.

3.4.4. Сравнение результатов численного решения с результатами натурных экспериментов.

3.4.5. Исследование влияния вида кладки на процесс деформирования и разрушения кирпичной стены.

3.5. Исследование влияния разброса свойств раствора на процесс разрушения кирпичной диафрагмы.

3.6. Сравнительный анализ применения разных программных комплексов для расчета строительных конструкций и сооружений. 120 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, ПОВРЕЖДЕННОСТИ И РЕЗЕРВОВ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РЕАЛЬНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ.

4.1. Моделирование пятиэтажного здания и внешнего воздействия в виде осадок грунта.

4.2. Моделирование пространственной системы «здание-фундамент-основание» с помощью программы ASBB и исследование практической сходимости численного решения.

4.3. Исследование процесса деформирования и разруше! шя жилого пятиэтажного кирпичного здания.

4.4. Моделирование сооружений с трещинами.

4.4.1. Моделирование трещин в отдельном кирпиче.

4.4.2. Моделирование здания с трещинами с целью прогнозирования его дальнейшего поведения при реконструкции.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

На современном этапе в строительном проектировании происходит переход от основополагающего критерия несущей способности конструкций к критерию безопасности строительных объектов для людей и окружающей среды на протяжении всего срока службы. Обеспечение безаварийной эксплуатации существующих зданий и сооружений предполагает умение прогнозировать их поведение при изменении условий эксплуатации и в аварийных ситуациях при частичной потере несущей способности, а для этого требуются высокопроизводительные вычислительные комплексы.

В проектных организациях строительного профиля, как правило, используются сертифицированные Госстроем РФ программные комплексы (ПК): LIRA, SCAD, MicroFe и др., которые, в основном, предназначены для проектирования новых зданий и сооружений, а не для анализа поведения существующих объектов с дефектами и трещинами при изменении условий их эксплуатации.

Сложность моделирования строительных объектов для выполнения качественного расчёта и анализа с целью определения резервов несущей способности при наличии дефектов, или для выявления участков конструкции, в которых возможно появление и развитие трещин, требует работы с так называемыми «тяжёлыми» расчётными системами, примером которых является программный комплекс ANSYS - один из самых мощных современных программных продуктов, позволяющих выполнять полноценный анализ проектных разработок новых и реконструируемых зданий. ANSYS позволяет проводить сложные нелинейные расчёты, учитывать все особенности строительных конструкций, в том числе, наличие и развитие системы трещин или ухудшение свойств материалов, взаимодействие здания с грунтовым массивом, влияние времени и поэтапное изменение внешних нагрузок. Это даёт возможность специалисту получать наиболее достоверные результаты расчёта при проведении вычислительных экспериментов, существенно сокращая сроки и финансовые потери на производство работ.

Процесс моделирования здания или сооружения в интерактивном режиме в расчётных системах, в том числе и в ANSYS является достаточно трудоёмким и сложным, ввиду отсутствия специализированных инструментов и ограниченного набора примитивов и операций, с помощью которых можно формировать модели зданий. Кроме того, требуются большие затраты времени и ресурсы для подготовки специалиста, умеющего работать в ПК ANSYS.

Проблема снижения трудоёмкости работ при проведении вычислительных экспериментов становится весьма актуальной при расчётах сложных строительных объектов. Это побуждает совершенствовать вычислительную технологию и искать новые алгоритмы расчёта зданий и сооружений. Определению путей решения этой проблемы посвящена данная диссертационная работа.

Актуальность темы настоящего диссертационного исследования определяется тем, что проблема безопасности сооружений и углубление наших знаний в области определения несущей способности конструкций здания, прогнозирования их поведения в аварийных и предаварийных ситуациях (закритичные нагружепия, нагрузки, не предусмотренные проектом, развитие системы трещин) являются весьма важными в строительном проектировании, а методы математического моделирования с применением современной вычислительной техники, современных программных пакетов и численных методов во многих случаях являются единственно возможным инструментом для проведения таких исследований.

Следует отметить, что следующие исследования: Г.Г. Кашеварова, Е.И. Новопашина, А.Н. Акулова «Модель каменной кладки стены для исследования схем и механизмов разрушения» [30], Г.Г. Кашеварова, Д.А. Поварницын «Анализ процесса разрушения и деформационных ресурсов структурно-неоднородных строительных материалов» [26] посвящены данной проблеме. Это определило необходимость в совершенствовании вычислительной технологии оценки безопасности строительных объектов (зданий и сооружений), несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций, а также развитии методологии создания математического и программного обеспечения для исследования процессов деформирования и разрушения строительных объектов с целью определения резервов их несущей способности при накоплении структурных повреждений.

Это определяет цель исследования:

Цслыо работы является разработка эффективного алгоритма проведения исследования зданий, сооружений и строительных конструкций с учётом появления и развития трещин в кирпичной кладке или бетоне (железобетоне), неоднородности, нелинейного поведения и изменчивости свойств грунтового основания; реализация данного алгоритма в существующую методику проведения исследования несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций, внедрение которых имеет существенное значение для решения проблемы безопасности зданий и сооружений.

Основная идея исследования заключается в развитии методологии создания математического и программного обеспечения для исследования процессов деформирования и разрушения зданий и сооружений с целью определения резервов их несущей способности при накоплении структурных повреждений.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработка проблемно-ориентированной программы, способной формировать программный код (на языке APDL) геометрической и расчётной модели специализированными инструментами, удобными проектировщику, для исследования деформирования и разрушения пространственных сооружений в ПК ANSYS на заданные нагрузки;

- совершенствование методики применения ПК ANSYS в инженерных расчётах несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций за счёт разработки нового способа создания расчётной и геометрической моделей строительных объектов;

- разработка алгоритма создания расчётной модели с учётом разброса механических свойств материала в строительных конструкциях и определение области применения данного алгоритма.

Практическая значимость работы: создание проблемно-ориентированной программы позволяет сократить сроки подготовки специалистов к работе с ПК ANSYS и заметно уменьшить трудозатраты и временные ресурсы специалистов для выполнения инженерных расчётов несущей способности и процессов разрушения строительных конструкций при внедрении на предприятиях.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается эффективной работой со сложными математическими моделями зданий и сооружений, таких как учёт развития системы трещин в конструкциях, учёт известных трещин, прогнозирование поведения конструкции при больших нагрузках и/или с использованием временных параметров, за счёт прогрессивных функций, реализованных исключительно в ПК ANSYS.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: XXX юбилейной научной конференции, (г. Пермь, 2003 г.), студенческой научно-технической конференции «Компьютерная механика материалов и конструкций» (ПГТУ, г. Пермь, 2003 г.), 6-й Всероссийской (с международным участием) конференции «Информация, инновации, инвестиции» (г. Пермь, 2005 г.), 14-ой и 15-ой международных зимних школах по механике сплошных сред (УрО РАН, г. Пермь, 2005, 2007 гг.), международной научно-технической конференции «Вычислительная механика деформируемого твёрдого тела» (МИИТ, г. Москва, 2006 г.), 7-й Всероссийской конференции «Информация, инновация, инвестиции» (г.

Пермь, 2006 г.), научной сессии «Взаимосвязь проектирования пространственных конструкций с вопросами безопасности, эксплуатационной надёжности и долговечности» (г. Москва, 2007 г.). В 2006 году в конкурсе на лучший научный доклад аспиранта по техническим наукам автор занял I и III место в первом и во втором турах конкурса соответственно (г. Пермь, 2006 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 11 печатных работах, две из которых относятся к рекомендованным ВАК сборникам.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, заключения и списка литературы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для исследования несущей способности, деформирования и разрушения пространственных сооружений на заданные внешние воздействия с помощью программного комплекса ANSYS, автором создана проблемно-ориентированная программа AnSysBuildingBlock (сокращённо ASBB), которая автоматизирует процесс создания программного кода на языке APDL, встроенном в ANSYS. Эта программа представляет собой новую вычислительную технологию автоматизации расчёта объектов строительства, алгоритм которой включает в себя три основных этапа: формирование геометрической модели здания или сооружения, автоматическую генерацию программного кода на языке параметрического проектирования APDL и выполнение расчёта непосредственно в ПК ANSYS

2. Разработан алгоритм учёта разброса механических свойств материалов строительных конструкций, встроенный в программу ASBB, как дополнительная опция данной программы.

3. Решена проблема интеграции расчётных и чертёжно-графических систем, а именно, корректная передача графической части из расчётной системы в любую САПР с помощью встроенной в ASBB функции экспорта в САПР КОМПАС.

4. В программу ASBB встроена математическая модель механического поведения материала, учитывающая накопление повреждений и структурное разрушение кирпичной кладки, которая в дальнейшем использовалась для исследования несущей способности конструкций, а именно: процесса деформирования и разрушения кирпичной стены при изгибе, процесса разрушения кирпичной диафрагмы, испытывающей двухосное напряжённое состояние с учётом разброса механических свойств материала. Для оценки адекватности используемой математической модели выполнены численные и натурные эксперименты по разрушению образца представительного объема кирпичной кладки.

5. На основе разработанной программы и ПК ANSYS проведены вычислительные эксперименты с использованием нового способа формирования модели и соответствующие им натурные эксперименты, выполнена верификация разработанных алгоритмов и программ.

6. Проведён сравнительный анализ результатов расчёта, полученных в разных программных комплексах SCAD, Lira и ANSYS для плоских и пространственных задач, показавший несущественную разницу результатов по перемещениям и значительную разницу (до 25%) по напряжениям.

7. На примерах моделирования реальных строительных объектов установлена возможность решения пространственных задач, позволяя выявить причины появления трещин и дефектов в несущих конструкциях зданий и сооружений при различных внешних воздействиях.

8. Разработанная автором новая вычислительная технология была использована при реализации реального проекта реконструкции здания школы РОСТО в организации ЗАО «ЭРОН», что подтверждено имеющимся в диссертации актом внедрения. Применение разработанной программы позволило существенно сократить временные и финансовые затраты на производство работ.

9. На программу AnSysBuilbingBlock получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2007610746 из Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

1. Алейников. СМ. Метод граничных элементов в контактных задачах для упругих пространственно неоднородных оснований. М.: Изд-во АСВ, 2000. 754с.

2. Балдин В.А., Гольденблат И.И., Коченов В.И., Пильдиш М.Я., Таль К.Э. Расчет строительных конструкций по предельным состояниям. М.: Стройиздат, 1951.272с.

3. Барвашов В.А., Федоровский В.Г. Трехпараметрическая модель грунтового основания и свайного поля, учитывающая необратимые структурные деформации грунта // Основания, фундаменты и механика грунтов, 1978. №4. с. 17-20.

4. Басов К.А. ANSYS: Справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005. 640с.

5. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. М.: Компьютер Пресс, 2002. 224с.

6. Басов К.А. Графический интерфейс комплекса ANSYS. М.: LVR Пресс, 2006. 248с.

7. Бачипский В.Я., Бамбура А.Н., Ватагин С. С. Связь между напряжениями и деформациями бетона при кратковременном неоднородном сжатии // Бетон железобетон, 1984. №10. с. 18-19.

8. Белоцерковский ОМ. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984 г. 520 с.

9. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986.560с.

10. Брусенцов Г.Н. О развитии методов расчета каменных конструкций с применением МКЭ // Исследования по теории и методам расчета строительных конструкций.-М.: ЦНИИСК, 1984. с.74-86.

11. Бугров А.К, Голубев А.И. Анизотропные грунты и основания сооружений. СПб.: Недра, 1993. 245с.

12. Вшьдемаи В.Э., Kauieeapoea Г.Г. Вопросы оценки безопасности поврежденных строительных конструкций // Вестник УГТУ-УПИ. Строительство и образование. / Екатеринбург, 2005, №12(42), Вып.8. с.63-68.

13. Вильдемап В.Э., Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов. М.: Наука. Физматгиз, 1997. 288с.

14. Гарагаш Б.А. Аварии и повреждения системы "здание-основание" и регулирование надежности ее элементов. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2000. 384с.

15. Гениев Г.А. О критерии прочности каменной кладки при плоском напряженном состоянии // Строительная механика и расчет сооружений, 1979. №2. с.25-30.

16. Горбунов-Пассадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. -М.: Стройиздат, 1984, 679с.

17. Городецкий А. С., Евзеров И.Д. Компьютерные модели конструкций. К.: издательство «Факт», 2005 г. 344с.

18. ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Постановлением Государственного комитета СССР, 1990.36с.

19. ГОСТ 27.410-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1990. 37с.

20. ГОСТ 27751-88 (СТ СЭВ 384-97). Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету. М.: Изд-во стандартов, 1988. Юс.

21. Гучнин КС. Диагностика повреждений и восстановление эксплуатационных качеств конструкций. М.: Издательство АСВ, 2001 г.-315с.

22. ЕСЕ/НРБ/81. Компендиум ЕЭК, включающий образцы положений для строительных правил. Жилые здания. Издание ООН. Нью-Йорк, 1992. 105с.

23. Зайцев Ю.В. Механика разрушения для строителей: учебное пособие. -М.: Высшая школа., 1991 г. 288 с.

24. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 541с.

25. Зимняя школа по механике сплошных сред (четырнадцатая). Тезисы докладов. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. 317с.

26. Зубчанинов В.Г. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высш.шк., 1990.368с.

27. Иваненко С.А., Прокопов Г.П. Методы построения адаптивно-гармонических сеток // Журнал вычисл.мат и матем.физики, 1997. Т.37. №6. с.643-662.

28. Ильюшин А.А. Пластичность. М.: Гостехиздат, 1948. 480с.

29. Информация, инновации инвестиции: Материалы конференции 27-28 ноября 2002 года, г. Пермь / Пермский ЦНТИ. Пермь, 2002. 148с.

30. Исследования по каменным конструкциям. Сб.ст./ Под ред. Л.И. Онищика.-М.: Госстройиздат, 1957.

31. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2004. 272с.

32. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. 420с.

33. Кашеварова Г.Г. Математические модели деформирования и разрушения системы «здание-фундамент-основание» и вычислительные технологии оценки безопасных проектных решений. Диссертация/ПГТУ. Пермь, 2006.

34. Кашеварова Г.Г. Оценка безопасности строительных объектов с помощью численного моделирования. // Журнал «Современная миссия технических университетов в развитии инновационных территорий». Варна 2004 г. с.88-93.

35. Кашеварова Г.Г., Пермякова Т.Е. Численные методы решения задач строительства на ЭВМ: Учебное пособие. Пермь, 2003. 352с.

36. Кашеварова Г.Г., Повартщын Д.А. Зубов Д.А., Петров. А.А. Исследование напряженно-деформированного состояния кирпича с дефектами. // Проектирование строительство реконструкция: Сб. науч. тр. / Пермь, 2004. с. 105-108.

37. Корнеев В.Г. Схемы методов конечных элементов высоких порядков точности. JL: Изд-во ЛГУ, 1977. 270с.

38. Кравчук А. С., Майборода В.П., Уржулщев Ю. С. Механика полимерных и композиционных материалов. -М.: Наука, 1985. 304с.

39. Куишер С.Г. Расчет осадок оснований зданий и сооружений. К.: Будивельник, 1990.144с.

40. Метод конечных элементов в статике сооружений // Шмельтер Я., Дацко М., Доброчинский С., Вечочек; перевод с польского Предтеченского М.В., под редакцией Сидорова В.Н., М.: Стройиздат, 1986 г. 220 с.

41. Механика грунтов, основания и фундаменты / С.Б.Ухов, В.В.Семенов, В.В.Знаменский и др. М.: Изд-во АСВ, 1994. 527 с.

42. Новое о прочности железобетона.// Под ред. К.В.Михайлова. М.: Стройиздат, 1977. 272с.

43. Норри Д. Ж де Фриз. Введение в метод конечных элементов. Под ред. Воронова Ю.Б.-М.: Мир, 1981.304с.

44. Опищик JJ.K Теория прочности каменной кладки на экспериментальной основе // Экспериментальные исследования каменных конструкций.1. М.: Стройиздат, 1939.

45. Пастернак ИЛ. Основы нового метода расчета фундаментов на упругом основании при помощи двух коэффициентов постели. М.; JI.: Госстройиздат, 1954. 56с.

46. Перельмутер А.В. Избранные проблемы надежности и безопасности строительных конструкций. К.: Изд-во УкрНИИпроектстальконструкция, 2000. 216с.

47. Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Расчётные модели сооружений и возможность их анализа. К.: Издательство «Сталь», 2002 г. 600с.

48. Пииежанинов Ф. Осреднение свойств в конечном элементе // Научно-практический журнал "Exponenta Pro. Математика в приложениях". № 1,- 2004. http://pinega.da.ru/

49. Плевако В.П. Напряженное состояние неоднородного слоя, покоящегося на упругом полупространстве // Прикл. механика, 1972. Т.8. №4. с.69-76.

50. Победря Б.Е. Численные методы в теории упругости и пластичности: Учеб. пособие. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995. 366с.

51. Поварницын Д.А. Построение расчётной модели и анализ НДС несущих стен кирпичного здания с помощью программного комплекса ANSYS. Научная работа/ПГТУ. Пермь, 2003 г. 45с.

52. Погосов Р.С. Исследование усиления напряженными поясами поврежденных каменных зданий. Дис. канд.тех.наук. М., 1967.

53. Пособие по проектированию жилых зданий. Часть 1. Конструкции жилых зданий (к СНИП 2.08.01-85). ЦНИИЭП, 1986.

54. Пособие по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01-83) /НИИОСП им. Н.М.Герсеванова. М.: Стройиздат, 1986. 415с.

55. Предупреждение аварий: Учебное пособие; Леденев В.В., Скрылев В.И.- М.: издательство АСВ, 2002 г. 240с.

56. Проктор Г.Э. Об изгибе балок, лежащих на сплошном упругом основании без гипотезы Винклера-Циммермана. Дипломная работа/ Петроградский технологический ин-т, 1922.

57. Резников Б.А. Системный анализ и методы системотехники. 4.1: Методология системных исследований. Моделирование сложных систем. М.: МО СССР, 1990. 640с.

58. Розин Л.А. Метод конечных элементов в приложении к упругим системам. М.: Стройиздат, 1977. 424с.

59. Розин JI.A. Метод конечных элементов. Статья в соровском образовательном журнале, том 6, №4, 2000 г. с. 120-127.

60. Сегерлинд Я. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392с.

61. Синнцын А.П. Метод конечных элементов в динамике сооружений, М., Стройиздат, 1978. 231с.

62. Смирнов Н.В., Гамаюнов Е.И. К расчету централыю-сжатых железобетонных элементов // Бетон и железобетон, 1973. №11.

63. СНиП 2.01.03-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования.

64. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1985.41с.

65. СНиП П-22-81. Каменные и армокаменные конструкции. М.: Стройиздат, 1995.

66. СНиП П-25-80*. Деревянные конструкции. М.: Стройиздат, 1989.

67. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции. М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1989.

68. Стрелецкий Н.Н. Предложения по структуре и направлениям развития теории предельных состояний стальных конструкций. Металлические конструкции: Сборник трудов МИСИ им. Куйбышева. М.: МИСИ, 1992, с.171-179.

69. Стренг Г., Фикс ДЖ. Теория метода конечных элементов. М.: Мир, 1977. 349с.

70. Сьярле Ф. Метод конечных элементов для эллиптических задач. М.: Мир, 1980.512с.

71. Тюпин Г.А. Деформационная теория пластичности каменной кладки // Строительная механика и расчет сооружений, 1980. № 6.

72. Филоненко-Бородич М.М. Простейшая модель упругого основания, способная распределять нагрузку: Тр.МЭМИИТ, 1945. Вып.53.

73. Флорин В.А. Основы механики грунтов. Т.1. М.: Госстройиздат, 1959.

74. Цытович Н.А. Механика грунтов. Изд. 4-е. М.: Стройиздат, 1963. 486с.

75. Чайка В.П. Проблема нормирования конструкционной диаграммы сжатия бетона. // Исследование прочности и деформаций бетона и железобетонных конструкций для транспортного строительства. М.: ЦНИИС, 1990. с.57-78.

76. Visual Basic 6.0: пер. с англ. СПб.; БХВ - Санкт-Петрербург, 1998. 992с.

77. ANSYS Basic Analysis Procedures Guide. ANSYS Release 5.6. ANSYS Inc., 1998.

78. Brown S.B., Kim K.H., Anand L. An internal variable constitutive model for hot working of metals // International Journal of Plasticity, 1989. Vol. 5. p.95-130.

79. ENV 1991-1. Eurocode 1: Basic of Design and Actions of Structures. Part 1: Basic of Design. CEN, 1994.

80. Ganju Т.Н. Non-linear finite element computer model for structural clay brickwork. Struct.Eng., 1981, Vol. 59B. №3. P.4.

81. ISO 6897: 1984. Guidelines for the evaluation of the response of occupants of fixed structures, especially buildings and off-shore structures, to low-frequency horizontal motion (0,063 to 1 Hz), International Organization of Standardizing, Geneva, Swi.

82. Page A. W. A non-linear analysis of the composite action of masonry walls on beams. Proc. Inst. Civ. Eng., 1979. Vol. 67. March. P. 93-110.

83. Page A. IV Finite element model for masonry. Proceedings of ASCE, 1978, Vol. 104.NST8.P. 1267-1268.

84. Samarasinghe W., Page A. IV, Hendry A. W. A finite element model for the in-plane behaviour of brickwork. Proc. Inst. Civ. Eng., 1982. Vol. 73. P. 171178.

85. Saw C. Linear elastic finite element analysis of masonry walls on beams. Building Science, 1974. Vol. 9. № 4. P. 299-307.

86. Schnobrich, W. С., Suidan, M. Finite Element Analysis of Reinforced Concrete // ASCE Journal of the Structural Division, ST 10. P. 2109-2122 (October, 1973).

87. Strain J. ANSYS customization with APDL. Lavoisier. 2005.

88. Правообладателе ли): it.^ „г т. ,п?.гучреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет* (RU)с.:, : :•:"

89. Автор(ы): Поварницын Дмитрий Анатольевич, Савин Сергей Анатольевич, Кашеварова Галина Геннадьевна (RV)•-" ; »■ r •• - . '• . .' - ivt. ri' * f.yi; i .> '„:;:. . . ' '

90. Заявка № 2006614438 Дата поступления 20 декабря 2006 т. 'Зарегистрировано р Реестре прйфамм для ЭВМ т /5 февраля 2007 г.1. Т.' .Гblt^-" :" " "ч". "'^v. ----- '.'-.■*.• •

91. Руководитель Федеральной сКужбш по интеллектуальной тбетитности,- патентам и товарным знакам1. Б.П. Симонов