автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Управление качеством исследовательских работ реконструкции сооружений в условиях сложного гидрогеологического рельефа и ландшафтного состояния

На правах рукописи

УДК 539.3+622.83+519.682.6

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ РЕКОНСТРУКЦИИ СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОГО ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО РЕЛЬЕФА И ЛАНДШАФТНОГО СОСТОЯНИЯ

Специальность:

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК ¿013

Ижевск - 2013

005544003

005544003

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

Научный руководитель: - Лялин Вадим Евгеньевич,

заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: - Ефимов Игорь Николаевич,

доктор технических наук, профессор, Чайковский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова», директор

- Альес Михаил Юрьевич,

доктор физико-математических наук, Институт механики УрО РАН, главный научный сотрудник

Ведущая организация: - ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный

технический университет» (г. Волгоград)

Защита состоится 30 декабря 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.06 в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. С авторефератом можно ознакомиться по адресу http://vak.ed.gov.ni/rii/dissertation.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 30 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

В.Н. Сяктерев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время проектные организации активно применяют вычислительные программные комплексы для расчета несущих строительных конструкций. Идет интенсивное развитие компьютерных технологий и программного обеспечения для строительно-архитектурного проектирования. В связи с повышением требований заказчиков строительства к надежности, экономичности и технологичности принимаемых решений растет и востребованность программных комплексов у проектных организаций.

В градостроительстве всегда существовала такая проблема, как реконструкция зданий и городских территорий, которая не менее актуальна, чем новое строительство.

В городе с исторически сложившейся застройкой любой новый объект можно назвать «точечной застройкой». Это естественное развитие городов, в этом нет ничего плохого, разумеется, при соблюдении санитарного и природоохранного законодательства, закона о культурном наследии.

Без расчётов и анализа уплотнение и точечная застройка в существующей среде приведут к градостроительному хаосу, превращению города в переполненную «коммунальную квартиру», социальному недовольству, ухудшению условий жизни в существующей и новой уплотнительной застройке, перегрузке транспортных и инженерных сетей.

В законодательстве внятного термина, что считать точечной застройкой нет до сих пор. Разрешение данного вопроса дополнительно осложняет отсутствие какой-либо внятной нормативно-правовой базы, которая бы регламентировала размещение новых объектов на уже застроенной территории. В законодательстве, в частности, в различных СНиПах и ГОСТах существуют определенные нормы, согласно которых определено предельно допустимое расстояние от красных линий и от уже стоящих жилых домов, но на деле это не решает проблем точечного строительства.

При проектировании уникальных объектов, при изысканиях в сложных инженерно-геологических условиях - в районах развития геологических и инженерно-геологических процессов (карст, склоновые процессы, сейсмичность, подтопление и др.), на территориях распространения специфических грунтов (многолетнемерзлые, просадочные, набухающие и др.), и в районах с особыми условиями (шельфовая зона морей, горные выработки, предназначенные для размещения объектов народного хозяйства и др.), а также при строительстве в стесненных условиях застройки - следует выполнять математическое и физическое моделирование, в том числе напряженно-деформированного состояния строительных конструкций, массива и геофильтрации. Моделирование и другие специальные работы и исследования следует выполнять с привлечением научных и специализированных организаций.

В связи с вышеизложенным тема диссертационной работы является актуальной.

Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с пунктами «5. Разработка специального математического и алгоритмиче-

ского обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», «11. Методы и алгоритмы прогнозирования и оценки эффективности, качества и надежности сложных систем», «12. Визуализация, трансформация и анализ информации на основе компьютерных методов обработки информации» паспорта специальности 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике)».

Объектом исследования являются исследования напряженно-деформированного состояния фундаментных плит строений со сложным гидрогеологическим и территориальным ландшафтным состоянием.

Предметом исследования являются методики расчета и системного анализа напряженно-деформированного состояния фундаментных плит строений, возводимых на площадях со сложным территориальным ландшафтным состоянием, и возведении многоэтажных зданий на территориях плотной застройки.

Цель работы состоит в проведении системного анализа напряженно-деформированного состояния фундаментных плит сооружений вновь возводимых строений на территориях со сложным гидрогеологическим и территориальным ландшафтным состоянием, а также существующих зданий при встраивании многоэтажных зданий с высоким удельным давлением на основание в подошве здания.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- осуществить конечно-элементную дискретизацию конструктивных модулей нулевого цикла и надземной части строения;

- установить физические модели нелинейной упругости и пластического течения материалов конструкций строений;

- провести численное моделирование нелинейных процессов упругости и пластичности в строительных конструкциях строения;

- разработать программно-инструментальные средства для имитационного моделирования проектов безопасной реконструкции существующих строений, в том числе, расположенных на территориях развития карста;

- предложить методику численного анализа проекта укрепления конструкций фундамента существующего строения;

- обосновать определение дополнительных осадок грунта основания и изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения в целом от возводимых пристроек.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.

Применялись методы строительной механики, динамики и расчетов прочности структурно однородных и неоднородных строительных конструкций, теории упругости и упруго-вязкого течения строительных материалов, а также теории твердого деформированного тела.

В работе учитывались методы и технические средства гидрогеологического исследования грунтов под строящиеся здания, а также результаты картографирования застраиваемой территории.

Математическое и имитационное моделирование напряженно-деформированного состояния фундаментных плит и встраиваемых объектов осуществлялось с помощью метода конечных элементов, реализуемого посред-

ством программы АКБУБ.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается многолетней практикой и опытом строительства, эксплуатации технического состояния промышленных корпусов и зданий жилищного фонда, построенных в сложных географических, гидрогеологических и климатических условиях.

Мониторинг технических и эксплуатационных характеристик зданий показал, что при проектировании и строительстве их весьма корректно выбирались краевые и начальные условия при построении моделей строений и расчете напряженно-деформированного состояния их конструкций.

На защиту выносится:

- верификация математической модели сооружения на основе проведения натурного эксперимента деформации и разрушений существующего строения с учетом изменения литологического состояния грунта;

- прогноз изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения, дислоцированных на закарстовых территориях на основе вычислительного эксперимента;

- математическое моделирование и вычислительный эксперимент пространственной структуры сооружения как объективный критерий проектов реконструкции фундаментов и строений, построенных на местности со сложным рельефом;

- имитационное моделирование деформационно-прочностных изменений свойств проектируемых фундаментных плит при возможных естественных и техногенных воздействиях;

- численное моделирование изменения осадок грунта и интенсивности механических напряжений фундаментов существующих строений в результате встраивания нового сооружения;

- методика оценки эффективности проектов укрепления фундаментов соседних строений.

Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученных лично автором, заключается в следующем:

- определены граничные и краевые условия для компьютерного моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния наиболее ответственных конструктивных элементов сооружения - фундаментных плит, подвергающихся внешним нагрузкам, как собственного веса здания, так и нестационарным кинематическим возмущениям со стороны различных пластов упруго-вязкого грунта;

- уточнена модель динамического взаимодействия трех основных составляющих частей здания: строения, фундамента и грунта; выявлены превалирующие факторы, которые влияют на процесс сохранения целостности и разрушения каждой из частей; определены предельные динамические и кинематические возмущения приводящие к образованию трещин, разрывов и разрушения фундаментов;

- методом вычислительного эксперимента сделан прогноз изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения, дислоцированных на закарстовых территориях, при стационарных и экстремальных динамических и кинематических возмущениях;

- предложена методика математического моделирования и вычислитель-

ного эксперимента пространственной структуры сооружения как объективный критерий проектов реконструкции фундаментов и строений, построенных на местности со сложным рельефом;

- разработаны математические модели и вычислительные технологии системного анализа, основанные на принципах когнитивного проектирования сложных систем, каковой являются здания и сооружения с их наземной и подземными частями, для достижения оптимальных параметров, обеспечивающих длительный жизненный цикл строения;

- дан системный анализ результатов и последствий точечного встраивания многоэтажных зданий на земельных участках, расположенных между близко расположенными зданиями старой застройки, в конструкциях которых заложены низкие пределы прочности фундаментов; предложен алгоритм численного расчета влияния встраиваемых зданий с высоким удельным напряжением на грунт на возникновение трещин и разрывов в стенах и фундаменте старых зданий.

Практическая полезность работы. Главным достоинством работы является то, что реально созданы численные модели целостного строения, диакоптиче-ски расчлененного на наземную часть сооружения, фундамент и основание. Построенные математические модели и разработанные программно-инструментальные средства для объективного компьютерного моделирования напряженного состояния всех частей и конструктивных элементов сооружения. Такой мощный аппарат имитационного моделирования динамического состояния всей конструкции здания при воздействии различных внешний возмущений позволяет с достаточной точностью прогнозировать жизнеспособность строения и обеспечить безопасность жителей здания.

Кроме того, автоматизированный программный комплекс компьютерного моделирования позволяет работникам архитектурно-строительных учреждений проводить техническую экспертизу надежности строящегося здания, а также определять возможные последствия от влияния встраиваемого здания на фундаменты и стеновые конструкции ветхих кирпичных домой старой застройки.

Разработка сервисных программ для использования программного продукта АЫБУЗ обеспечивает доступность использования полученных в диссертации работ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Ш-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2011); Междунар. заоч. науч. конф. «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, 2011); XII Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2012); Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика» (Воронеж, 2013); XIII Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2013).

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 9 научных работах общим объемом 4,5 п.л., авторский вклад - 3,7 п.л. Автор имеет 3 научных труда в издании, выпускаемом в РФ и рекомендуемом ВАКом для публикации основных результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 167 стр. машинописного текста. В работу включены 125 рис., 20 табл., список литературы из 153 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку цели и задач работы, основные положения, выносимые на защиту, и определяет содержание и методы выполнения работы.

В первой главе проанализированы строительные нормы и правила при строительстве сооружений, рассмотрена обобщенная математическая модель пространственных сооружений, проведен анализ численных методов решения краевых задач строительной механики, рассмотрены программно-инструментальные средства для имитационного моделирования виртуальных картин напряженно-деформированного состояния сооружений, проанализировано влияние сложного гидрогеологического и территориального ландшафтного состояния, а также проблемы точечной застройки в урбанизированных территориях.

Во второй главе построена математическая модель упруго-деформированного состояния системы строения, фундамента и грунта.

В работе использован метод конечных .

элементов, который формирует математическую модель системы, поведение которой нужно исследовать. Разработан эффективный алгоритм построения конечно-элементной модели системы строения, фундамента и грунта. Многочисленные расчеты и исследования, выполненные с использованием раз- Рис.1. Геометрическая модель зда-ных приемов построения геометрической мо- ния> созданная средствами ansys дели позволили выявить наиболее рациональный метод построения конечно-элементной модели системы строения, фундамента и грунта - это твердотельное моделирование способом экструзии (выдавливания), который используется для превращения областей двумерной сетки в трехмерные объекты, состоящие из параллелепипедов и/или клиновидных элементов. Процесс экструзии осуществляется, в общем случае, за счет сочетания поступательного и вращательного перемещения элементов. При использовании этого способа время расчета может быть сокращено в 5-6 раз по сравнению с другими, а учитывая, что моделируется достаточно сложный объект, этот фактор является немаловажным.

На рис.1 показана конечно-элементная модель здания, созданная в программном комплексе ANSYS.

Для имитационного моделирования системы строения, фундамента и фунта и расчета НДС элементов системы разработан алгоритм конечно-элементной дискретизации здания. Данная программа может быть использована, как для проектирования и анализа новых сооружений, так и при реконструкции или модернизации уже существующих объектов. Используя ее можно выполнить численный анализ по существу любой системы строения, фундамента и грунта, изменяя начальные условия краевой задачи.

1.2. Не двумерные области

1.3. При разбиении указыегнстся свойства материалов верхнего строения модели (фундамента и здания)

Разработан процедурный алгоритм построения конечно-элементной модели системы строения, фундамента и грунта (рис. 2).

Чаще всего основание представляет собой неоднородную среду, состоящую из чередующихся слоев различной мощности (толщины), отличающихся в плане и по глубине. Поверхности раздела слоев описываются (аппроксимируются) математическими функциями, а затем в цикле определяются координаты центров масс конечных элементов, определяется их принадлежность слою грунта, и этим элементам присваиваются соответствующие свойства материалов. Таким образом, можно построить любое грунтовое основание, точность и сложность ко-

Рис. 2. Алгоритм построения конечно-элементной модели системы строения, фундамента и грунта

торого ограничивается лишь той математической моделью, которую приняли для его описания.

Рис. 3. Построение плоской конечно-элементной модели (на условной нулевой отметке)

ззза

шш

Рис. 4. Второй этап построения модели

При построении конечно-элементной модели системы строения, фундамента и грунта методом «выдавливания» достигается сокращение машинного времени обработки информации и упрощается процедура формирования сетки. Разбивать необходимо лишь двумерные объекты, при выдавливании на трехмерных объектах сетка сгенерируется сама с шагом по высоте, который легко можно изменять. Таким образом, сетка получается более регулярной, и отдельные конечные элементы практически не имеют острых углов, которые могут приводить к значительным погрешностям в расчетах.

В итоге получается конечно-элементная модель всей системы строения, фундамента и грунта (рис. 5).

Рассмотрение поведения элементов системы строения, фундамента и грунта в рамках линейной теории упругости возможно лишь при определенных

Рис. 5. Конечно-элементная модель системы строения, фундамента и грунта

ограничениях на уровень внешних нагрузок. Изменение условий эксплуатации сооружения, не предусмотренные первоначальным проектом (надстройка, реконструкция, встраивание в существующую застройку) или изменение свойств материалов (при замачивании грунта, появлении трещин, дефектов в материале кирпичной кладки или железобетонных конструкциях и т.п.), могут вызвать нелинейные эффекты в поведении материалов.

В работе определены критерии открытия - закрытия трещины, которые определяются в точке материала в месте расположения устья трещины.

Рассмотрим трещину в плоскости, перпендикулярной оси тогда: • еСЛИ есть еще две трещины в ПЛОСКОСТЯХ перпендикулярных ОСЯМ XI и .тз, то

напряжения по нормали к трещине равны а„ =£,еп, (1)

а соответственно при:

бм > 0 - трещина открыта, (2)

еп < 0 - трещина закрыта, (3)

где Е, - модуль упругости в направлении оси х,;

а и - интенсивность напряжений, характеризующая деформацию в направлении ху при нагрузке в направлении оси

£,у - интенсивность деформаций, характеризующая деформацию в направлении Xj при нагрузке в направлении оси х;.

• если есть еще одна трещина в плоскости перпендикулярной оси х2, тогда

СТМ СТ33 °11 °33 ,

е„ = -м--vЗI—!± = 833 (так как в двух других направлениях

Е, Ез ' Ег

есть трещины, следовательно у13 = V,. =0), напряжения по нормали к трещине равны а,, =£■,(£„+У31е33), (3) а соответственно при: еп +У31£33 > 0 -трещина открыта, (4)

е„ +Уз1Е.. <0 - трещина закрыта (5)

где - коэффициент поперечной деформации, характеризующий деформацию в направлении ду при нагрузке в направлении оси х

• если в плоскостях перпендикулярных осям хг и трещин нет , тогда напряжения по нормали к трещине равны

£

= — [е„ (1 - V23^32 ) + еи (у21 + у3,у23) + е33 (У31 + у32у21)] , (7)

г

где X =1 — ^12^21 -^З! -^32 >

и соответственно, при

[8„ (1 -У23У32 ) + Е^ (у21 + V,,у2,) + Б33 (У3, + У,2У21)] > 0 - (8)

трещина открыта,

[е„0-у23у32) + е22(У21 +у„у2з) + езз(уз, +у32у2,)]<0 - (9)

трещина закрыта.

Аналогично получаются критерии открытия-закрытия трещины в других направлениях.

В главе предложен алгоритм циклического моделирования численной за-

дачи для упруго-хрупких конструкционных материалов:

1. Решается упругая задача, в результате которой на первом временном шаге в каждом элементе определяются перемещения, напряжения и деформации.

2. Дается приращение нагрузки, и в каждом конечном элементе устанавливается вид напряженного состояния (соотношения между главными напряжениями).

3. В зависимости от вида напряженного состояния вычисляются функции состояния /(о,) и S по формулам (для каждого вида напряженного состояния функции /(а,) и S обозначим соответственно F\, F2, F3, и F4, и 5], £3, и St, и выразим их в терминах главных напряжений, (оь 02, и а3), где а, > а, > а,):

- в режиме «сжатие - сжатие - сжатие»:

F, =^=[(а,-а2)2+(а2-аз)2+(а3-а1)2]5, (10)

s _ 2г2 (/у - г2) cos n + г, (2r, - r2 )[4(r22 - г,2) cos21\ + 5г2 - 4rtr2 4(r2 -г2)cos2 л + (r2 -2r,)2 2a, -а2 -a,

где cosri =-1-г---r, (12)

V2[(a,-a2)2+(a2-(j3)2 + (cr3-a,)2]5

г, = а0+яД + а2^2, (13)

г2=Ь,+Ь£ + Ь£\ (14)

5 = — , (15)

где угол г] — угол вида напряженного состояния; с - гидростатическое напряжение определяется уравнением

о = (16)

Функция г\ определяется таким подбором коэффициентов а0, а\, и аг, чтобы значения напряжений находились на поверхности разрушения.

- в режиме «растяжение-сжатие-сжатие»:

F2 =-^[(а2-ст3)2+а2+а2]5, (17)

л/15

s g, 12р2(р2 -р2)cosn + Р;(2р, -рг)[4(р,2 -р2)cos2 л + -4р,Р J2 д 18) 2 I с J 4(р2 - р2) cos2 л + (р2 - 2/>, )2 где cos г| определяется уравнением (12);

Р, =а0+а,х + а2х2, (19)

p2=b0+bix + b2x2. (20)

X = i(CT2+a3). (21)

- в режиме «растяжение-растяжение—сжатие»:

F, =ст.; 1=1,2, (22)

и

|1 + — ; ¿ = 1,2. (23)

а 1 о I

сж \ с.ж /

- в режиме «растяжение-растяжение-растяжение»:

г = 1,2,3, (24)

5,= — . (25)

Далее определяется эквивалентное напряжение по формуле

с = (26)

где: /(о,) - функция состояния, зависящая от главных напряжений (сь 02, аз); 5 - функция, зависящая от прочностных характеристик материала и описывающая 3-х мерную поверхность разрушения в пространстве главных напряжений, аь - предел прочности для одноосного растяжения, асж - предел прочности для одноосного сжатия.

5. Если аэп < асх разрушений в материале нет, и дается следующее приращение нагрузки.

6. Если > асж происходит локальное разрушение элемента, соответствующее виду напряженного состояния.

7. Вычисляются компоненты деформаций при данном значении нагрузки, и определяется статус трещины (трещина открыта или закрыта) по формулам (1-9).

8. В матрице жесткости пересчитываются коэффициенты тензоров модулей упругости в соответствии с таблицей скорректированных коэффициентов жесткости в определяющих соотношениях материала с трещинами.

9. Для получения сходимости на каждом шаге решения выполняются равновесные итерации.

В главе также предложен алгоритм методики итерационного моделирования для упруго-пластичных конструкционных материалов:

1. Для рассматриваемого временного шага определяется предел текучести материала от-

2. Вычисляются перемещения, деформации и напряжения, соответствующие этим деформациям. При этом считаем, что полученные значения деформаций равны полным деформациям минус пластические деформации, полученные для предыдущей «временной» точки: {ЕГ}= {БЛ_ {е»-1}-

3. Вычисляется эквивалентное напряжение по формулам, в зависимости от принятой теории пластичности Мизеса или Друкера-Прагера. Если а а <аг, материал упругий и приращение пластической деформации не вычисляется.

4. Если ажв > стг, вычисляется пластический множитель X.' или X, при этом применяется локальная итерационная процедура Ньютона-Рафсона.

5. Вычисляется приращение пластической деформации {Де'' }.

6. Модифицируется пластическая деформация {е^}= }+ {Де''}, и вычисляются напряжения {ст} = [о]{е'}.

Упругая деформация при этом равна {е'}= {бш}-{Де''}

7. ат не должно превышать предела текучести материала ог, поэтому в случае такой ситуации, процедура возвращается на 4-й шаг.

В третьей главе рассмотрено использование математической модели сооружения при реконструкции строений, расположенных на застроенной территории со сложным гидрогеологическим и территориальным ландшафтным состоянием. Проведена верификация математической модели сооружения на основе проведения натурного эксперимента деформации и разрушений существующего строения с учетом изменения литологического состояния грунта. Для обеспечения безаварийной эксплуатации уже существующих зданий и конструкций расчетная схема должна выбираться адекватной реальному строению, а это возможно лишь при использовании достаточно точных и сложных расчетных моделей с учетом процессов их структурного разрушения и выявления резервов их несущей способности.

В работе рассмотрено жилое пятиэтажное кирпичное здание. По результатам геологических изысканий на период строительства грунтовое основание являлось однородным до глубины 12м. Здание является реализацией типового проекта серии 1-447С. Через несколько лет на восточном фасаде появилась сквозная трещина осадочного происхождения по всей высоте здания. В результате визуальных и инструментальных наблюдений за домом в течение года, было обнаружено, что стены здания дали относительную неравномерную осадку от 2 до 4 мм. Результаты наблюдений показали, что осадки дома за следующий год продолжались и происходили неравномерно (перемещения составляли 4-8мм), но видимых разрушений на стенах здания не было. Через десятилетие в стенах по периметру здания обнаружились трещины различной ширины (особенно вблизи лестничных клеток), места дислокации которых показаны на рис. 6.

Значения осадок г/" вдоль стен дома показаны на рис. 7. Максимальные осадки фундамента при этом составили 72 мм. При дальнейшем их возрастании существует опасность разрушения несущих стен, и требуется применить регламентированные меры для консервации их дальнейшего разрушения.

Рис. 6. Тргшнны на фасаде по оси А-А Рис. Т. Фактические осадки

фундамента (в мм)

Проведённые геологические изыскания показали изменение свойств грунта под зданием и вблизи здания (замеры проводились в плоскости подошвы фундамента). Образовалось три зоны с разными свойствами.

Теоретические исследования проводились в два этапа: 1 этап - моделирование системы строения, фундамента и грунта и расчет напряженно-деформированного состояния системы с учетом изменившихся свойств основания (неоднородности грунта); 2 этап - расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) пятиэтажного кирпичного строения и фундамента на действие собственного веса и кинематическое воздействие в виде неравномерной осадки здания в нелинейной постановке.

В модели учтены все несущие конструкции и перекрытия с фактическими

Рис. 8. Расчетные п фактические

осадки по длше здания: а) - по оси А-А, б) - по оси В-В; - фактические осадки; А-теоретические осадки с граничнымн условиями

размерами, все проёмы окон и перемычки.

Дверные проёмы и лестничные марши в модель не включены в силу их незначительного веса по сравнению с весом несущих конструкций и перекрытий (вес перекрытий содержат в себе вес перегородок). Не включены в данную модель двухскатная кровля здания (для ее учета был введен дополнительный слой покрытия) и балконные плиты. Ленточный фундамент модели имеет истинные размеры. 6 В результате численной реализации получены расчетные значения осадок фундамента здания при разных вариантах закрепления массива грунта, которые показаны на рис. 8. Здесь же нанесены значения фактических осадок, полученные в результате наблюдений.

На втором этапе рассчитываются фактические осадки фундамента (рис. 7) с помощью рассмотренных ранее моделей возможного состояния упруго-хрупких конструкционных материалов.

Граничные условия в этой задаче имеют вид: <т„ (Ф; (х) = 0, хе(Г2иГ4иГ5иГ6и Г7);

при г =-1,8 (на подошве фундамента) и.{х) = и, их(х) = иу(х) = О

где х - радиус-вектор пространственного положения конечного элемента, грани Г2иГ4иГ5иГ6иГ7 определяют стены здания и крышу.

Численное решение нелинейной задачи строилось на основе метода конечных элементов с использованием пошаговой процедуры, описанной в главе 2. На каждом шаге решения для получения сходимости выполнялись равновесные итерации с помощью метода Ньютона - Рафсо-

äjir«

ЯВ

ИВ

Рис. 9. Перемещения и-, м

Рис. 10. Напряжения ах, Па

Ш

Рис. 11. Напряжения ау, Па

Рис. 12. Напряжения а:, Па

_ _

на. В результате решения определено напряженно-деформированное состояние несущей конструкции здания с дислоцированными трещинами (рис. 9-12) и получена схема локализации трещин в стенах здания, идентичная реальной картине разрушения (рис. 13).

Анализ результатов позволяет сделать вывод, что появление трещин на фасаде здания действительно было вызвано неравномерной осадкой фундамента, которая, в свою очередь, возникла в результате локального ухудшения свойств грунтового массива. Можно считать, что построенная пространственная модель системы строения, фундамента и грунта адекватна реальной системе и ее можно использовать для анализа НДС аналогичных строений. Нормы проектирования зданий и сооружений не исключают возможности появления в несущих и ограждающих конструкциях деформаций и трещин, допускаемых по условиям эксплуатации и устранимых при проведении ремонта. Для предупреждения возникновения новых трещин и развития имеющихся использовали укрепление твердости грунта путем цементации на большой глубине.

Проведено имитационное моделирование проектов безопасной реконструкции существующих строений, расположенных на территориях развития карста. Проект реконструкции двухэтажного кирпичного здания, которое предполагал надстройку мансарды, пристройку лестничной клетки с одной стороны здания, пристройку нового здания с другой стороны. При этом необходимо учесть возможность выхода на поверхность карстовых воронок, т.е. обеспечить безопасность реконструкции на закарстованной территории.

При решении данной проблемы было решено 3 задачи: 1. Определены дополнительные осадки в результате пристраивания конструкций и проведен анализ напряженно-деформированного состояния здания и фундамента; 2. Проанализировано напряженно-деформированное состояние системы строения с учетом возникновения карстовых воронок; 3. Проведен численный анализ напряжения и деформаций усиленного фундамента базового строения.

Было смоделировано появление двух карстовых воронок, наиболее неблагоприятное расположение которых изображено на схеме рис.14. Одна в наиболее опасном месте - угол здания (в месте примыкания к пристрою), вторая - в центре под фундаментом существующего здания.

Как показал расчет, запас прочности фундамента достаточен, чтобы выдержать появление карстовой воронки в центральной части здания, но карст под утлом в месте примыкания пристроя крайне опасен. Дополнительные осадки после появления воронок невелики и не превышают значения 4см, что меньше предельного значения 10см. Но растягивающие напряжения в бетоне фундамента составляют 3,54 МПа по оси х и 4,97 МПа по оси у (мансарда, при-

Рис. 13. Картина распространения трещин в несущих стенах здания

Рис. 14. Схема образования карстовых воронок пол фундаментом

строй) (рис. 15), что превышает предельные значения (0,9МПа). Напряжения в кирпичной кладке стены по осям х и у не превысят предельных значений, при условии отсутствия трещин в бетоне.

Учитывая полученные результаты, а также то, что невозможно точно предсказать место выхода карстовой воронки на поверхность, необходимо усиливать существующий фундамент. В результате проведенных численных экспериментов определен вариант усиления железобетонным каркасом с шагом 3 м и шириной ребра 1м (рис. 16).

Выбор такого варианта уси-

» г--

ei

б)

JBf

-

Рис.16 Железобетонный каркас усиления фундамента

Рис. 15. Максимальные значения напряжений (Па) в фундаменте после образования карстовых

воронок (с учетом мансарды и пристроев) а) по направлению оси х, б) по направлению оси у ления по сравнению с традиционной сплошной плитой усиления обусловлен тем, что даже в наихудшей ситуации плита будет работать лишь на 10% ее площади. Каркас же будет задействован ~ на 30% и позволит перераспределить напряжения с торцевой части здания. Кроме того, сооружение каркаса потребует меньших затрат рабочего времени и меньшего расхода материалов

Результаты численных расчетов показали, что возникающие растягивающие напряжения полностью воспринимаются арматурой. Максимальные напряжения в арматуре каркаса усиления значительно ниже предельных (рис. 17). Перераспределение напряжений позволит снизить усилия в торцевых стенах более чем в два раза. Трещины в бетоне, после первоначального раскрытия и перераспределения напряжений на арматуру, полностью закрываются.

В главе также рассмотрены математическое моделирование и вычислительный эксперимент пространственной структуры сооружения как объективный критерий проектов реконструкции фундаментов и строений, построенных на местности со сложным рельефом. По наружным стенам двухэтажного здания должны быть предусмотрены железобетонные пояса в двух уровнях. Существующие фундаменты - ленточные (ступенчатая схема заложения по высоте со снижением отметок подошвы в направлении уклона грунта), из фундаментных блоков (бетон В15), уло-

а)

б)

Рис. 17. Максимальные значения напряжений (Па) в каркасе усиления фундамента (с учетом карстовых воронок, мансарды и пристроев): а) по направлению оси х, б) по направлению оспу

женных по монолитным бетонным подушкам на естественном основании. Основание под фундаментом состоит из текучепластичных и мягкопластичных глин. Построена численная модель стандартного инженерного решения усиления части основания существующего фундамента в северном углу здания буро-набивными сваями.

В данном направлении решались две задачи: 1. Расчет осадок и несущей способности фундамента и здания с учетом усиления грунта буронабивными сваями (характеристики усиленного грунта взяты из отчета по обследованию); 2. То же, но в случае не усиленного грунта.

В работе рассматривался четырехслойный грунт разной толщины с ос-редненными свойствами, общей толщиной 15 метров, лежащих под нижней поверхностью железобетонного фундамента. Свойства грунтового основания приняты по материалам инженерно-геологических изысканий.

В расчете учитывались следующие нагрузки: нагрузки от собственного веса здания, вес конструкций крыши - в виде поверхностной нагрузки 100,78кг/м2; временные нагрузки: ветровая, снеговая и полезная на перекрытия.

Задача определения напряженно-деформированного состояния системы строения, фундамента и грунта решалась методом конечных элементов с использованием нелинейной модели Друкера-Прагера. Для дискретизации трехмерных областей (фундамент, основание, конструктивные элементы зданий) применялись объемные восьмиузловые конечные элементы первого порядка шестигранной конфигурации и шестиузловые - пятигранной конфигурации. Оконные проемы не моделировались. Составлена программа построения и расчета системы строения, фундамента и грунта на языке АРОЬ и получены результаты решения - компоненты тензоров напряжений и деформаций. На рис. 19 и 20 показаны вертикальные перемещения системы в метрах, полученные при решении первой задачи (с усиленным грунтом).

Максимальная осадка фундамента получилась равной 7,5 см, а разность осадок частей фундамента составила ~ 6,5 см. Таким образом, максимальная осадка фундамента зшах =7,5 не превышает значения предельной средней осадки СНиП 15 см, значение относительной разности осадок Л?/Ь = 6,5/2860=0,00227 не превышает предельной относительной разности осадок 0,0024

I

Рис. 19. Схема осадок здания с учетом усиления фундамента, м

Рис 20. Осадки здания, м (укрупнено фундамент)

При решении второй задачи (неусиленного грунта) результаты получились практически такими же. На рис. 21, показаны вертикальные перемещения системы строения, фундамента и грунта второго случая.

Осадка фундамента в данном случае изменяется от 0,5 см в самом благополучном месте, до 7 см в месте ослабленного грунта. Разность осадок частей фундамента при этом по-прежнему составляет 6,5 см, но характер осадок уже совершенно иной.

Таким образом, как показали результаты вычислительных экспериментов, предложенное усиление только одной части здания не достигает нужного результата: значения осадок не меняются, а изменяется только их вид. Это объясняется ступенчатой конструкцией фундамента, которая не обладает достаточной жесткостью, что приводит к смещению оси строения относительно горизонтали. Укрепление здания в нижнем углу приводит к осадке расположенной выше части строительной конструкции, т.к. строение стремится к более устойчивому положению. Пространственная численная модель системы строения, фундамента и грунта, учитывающая все виды нагрузок и грунтовых особенностей позволяет прогнозировать действительный характер осадок и дает возможность предсказывать необходимость применения усиления фундамента.

М И яЯйнв

ШВЯшт ¡5 - В М1

Рис. 22. Напряжен™ (Па), возникающие в кон- Рис-23- Напряжения (Па), возникающие в струкции фундамента и основания по оси* конструкции фундамента и основания по оси у Анализ напряженного состояния конструкций сооружения показал, что в несущих стенах и фундаменте исследуемого здания напряжения не превышают допустимых значений и стены находятся в относительной безопасности. Бетонные пояса усиления практически полностью разгружают стены здания.

Но в грунте (слабосжимаемая текучепластичная глина) в отдельных наиболее опасных местах возникают большие растягивающие напряжения (рис. 23), превышающие несущую способность грунта, и может произойти выпучивание грунта, что в свою очередь может привести к разрушению бетонной

Рис. 21. Значения и характер осадки в случае не усиленного грунта, м

подготовки пола цокольного этажа. Для восприятия этих напряжений предложено вводить арматурную сетку.

В четвертой главе исследовано влияние точечно застраиваемого строения на фундаменты окружающих зданий и их инженерную инфраструктуру.

В главе исследовано влияние точечного встраивания здания повышенной этажности в рекреационную территорию квартала на близлежащие дома.

Для решения данной проблемы была разработана вы-Рис. 24. Вычислительная технология численного ис- числительная технология (рис. следования встраивания зданий 24).

В главе осуществлено имитационное моделирование деформационно-прочностных свойств проектируемых фундаментных плит при возможных естественных и техногенных воздействиях. Схема нагрузок, действующих на железобетонную фундаментную плиту, показана на рис. 25.

В расчете НДС плиты учитывались следующие нагрузки:

- вес наземной части, переносимый на фундамент посредством несущих стен. Нагрузки прикладывались к линиям, конфигурация которых повторяет планировку подвального помещения жилого дома;

-вес грунтового слоя толщиной 2 м, расположенного над фундаментной плитой вне периметра строения - прикладывается, как равномерно распределенная поверхностная нагрузка; - собственный вес фундаментных плит.

При решении задачи принимались во внимание граничные напряжения и перемещения, т.е. в области массива грунта, длина и ширина которого приблизительно на 20 метров превышают ширину и высоту фундаментной плиты заданы симметричные граничные условия.

Задача определения напряженно-деформированного состояния системы «фундаментная плита-основание» под действием нагрузки от нового дома решалась в линейно-упругой постановке методом конечных элементов.

Для дискретизации трехмерных областей (фундамент, основание) приме-

Рис. 25. Схема нагружения фундаментной плиты

Рис. 26. Расчетная схема фундаментной плиты на упругом основании

нялись ооъемные восьмиузловые конечные элементы первого порядка шестигранной конфигурации и шестиузловые - пятигранной конфигурации. Расчетная схема задачи изображена на рис. 26. Рассматривался четырехслойный грунт с разной толщиной слоев и осредненными свойствами, которые были получены в результате изучения литологических свойств грунта. Общая толщина слоя грунта определялась в соответствии с рекомендациями СНиП.

Рис. 27. Направления укладки арматуры в

фундаментной плите Рис' 28. Распределение напряжения а, по тол-

щине плиты (Па)

В работе была выбрана схема армирования бетонной плиты, показанная на рис. 27. Для расчета плита по толщине разделена на три слоя с разными свойствами, которые разбивались на объемные конечные элементы первого порядка. Толщина внешних (армированных) слоев равна удвоенной глубине укладки арматуры (по 60 мм каждый). Средний слой - без арматуры. Это позволяет учитывать направление, объемное содержание и механические свойства арматуры.

Характерные в згя —

размеры плиты и рас- § В

пределение внешних / ° § ^^

нагрузок обуславли- [ [

вают ее поведение, ( I I

как оболочки на уп- • * _____ I I \ '"' 1

ругом основании. " ~ —---.—

Следовательно, наи- ^

большие (изгибные) т

напряжения будут □ Н :||£Ж

располагаться на на- Я /— \ В л™^ / ч**4^

а "гтсгат / И .амгят / \

ружных поверхностях д ™ у 1 > н I

ПЛИТЫ. С ПОМОЩЬЮ [ I

численной модели —' » Г^" .„„у

рассчитаны распре- \ \ \

деления напряжений \ 1 ^ —

в арматуре и собственно в плите. На рис. 28 в качестве примера приведено распределение напряжений ау в бетоне

б)

Рис. 29. Напряжения ох (а) на верхней поверхности плиты (Па) (б) нижней поверхности плиты (Па)

б)

Рис. 30. Напряжения сту (а) на верхней поверхности плиты (Па) (б) нижней поверхности плиты (Па)

Рис. 31. Напряжения (а) в верхнем и (б) нижнем слое арматуры в направлении оси х (Па)

по толщине плиты в левом верхнем углу здания (наиболее опасная зона).

На рис. 29-30 изображены ком-0 поненты тензора

и напряжений на на-

ружных поверхностях фундамента. Направления осей координат показаны на рис. 26, 27.

Как видно из приведенных рисунков, наибольшие значения растягивающих напряжений зафиксированы на нижней

б) Рис. 32. Напряжения (а) в ЧаС™ ФУВДаменТ-

верхнем и (б) нижнем слое ар- ной плиты и дости-матуры в направлении оси у гают 9,5МПа, что (Па) больше норматив-

ного сопротивления бетона растяжению (Л 4,,„ = 1,15МПа), и может привести к образованию трещин.

Напряжения в арматуре получены при линейно-упругом расчете и показаны на рис. 31-32. Максимальные напряжения равны 60 МПа и не превышают расчетного сопротивления арматуры.

" ''~ "" " Вертикальные переме-

щения грунта на уровне нижней поверхности фундамента, под ним и вокруг фундаментной плиты показаны на рис. 33-34. Как видно из рисунков осадка грунта уменьшается в области 1,5-2,5 м от края фундаментной плиты.

Наибольшие растягивающие напряжения возникают на нижней поверхности фундаментной плиты и достигают 9,5МПа. Это больше нормативного сопротивления бетона растяжению (К.Ы,п,=1,15МПа) и может привести к образованию трещин. Поэтому был выполнен нелинейный расчет, учитывающий упруго-хрупкое разрушение бетона в соответствии с алгоритмом, приведенным в главе 2, который показал возникновение трещин в зонах наибольшей опасности.

Появление трещин в фундаментах допускается, однако ширина их раскрытия асгс регламентируется. Результаты расчета ширины раскрытия трещин на верхней и нижней поверхностях плиты представлены на рис. 35-36.

Рис. 33. Осадка основания в левом верхнем углу здания (в метрах)

Рис. 34 Осадка основания в правой части здания (в метрах)

Рис. 35. Величина раскрытия трещин в направлении х на (а) верхней и на (б) нижней поверхности плиты (мм)

Рис. 36. Величина раскрытия трещин в направлении у на (а) верхней и на (б) нижней поверхности плиты (мм)

Максимальная величина ширины раскрытия трещины составляет 0.05 мм, что приблизительно в 8 раз меньше предельного значения 0.4 мм.

Таким образом, проведенные исследования напряженно-

деформированного состояния фундаментной плиты совместно с грунтовым основанием дали основание выбрать в качестве фундамента нового здания монолитную железобетонную плиту (толщина 300 мм) из бетона класса В15, армированного сетками с шагом стержней 300 мм в верхней и нижней зонах и с защитным слоем 30 мм (арматура - диаметром 14 мм класса А-400).

В главе также проведено численное моделирование изменения осадок грунта и интенсивности механических напряжений фундаментов существующих строений в результате встраивания нового сооружения.

На основе результатов расчета очевидно, что осадка основания влияет на соседние дома (рис. 37, 38) и не оказывает практически никакого влияния на дома, находящиеся через дорогу.

Максимальное значение осадки примыкающей стены трехэтажного здания равно ~3 см, но практически полностью затухает на расстоянии 3-5 метров от края здания.

Максимальная осадка ближнего угла пятиэтажного здания достигает 2см, и практически сразу затухает до нуля (рис. 39). Полностью влияние осадки проектируемого здания затухает на расстоянии порядка 30 м от края проектируемой плиты, но

влияние это незначительно и его можно не учитывать, начиная с расстояния 5м от края плиты.

В работе предложена методика оценки эффективности проектов укрепления фундаментов соседних строений. Проведенные расчеты показали, что мак-

Рнс.

„Ж

йЙР л

*£1 I

'. Влияние нового дома на трехэтажное здание

шш

- / " . .

Рис. 38. Влияние нового дома на пятиэтажное здание

а) б)

Рис. 39. Осадки (а) и интенсивность напряжений (б) на уровне фундаментной плиты пятиэтажного здания

симальные растягивающие напряжения в фундаменте существующего трехэтажного здания достигают величины ~ЗМПа. _

В '""" l^f^SMBSBW " ШШЯЩШШШВ^ Нормативная

§ ¡¡¡¡¡¡Щ^ШЯ^^швШ^^ШЙВ !!!;:: ВИН! ^ШМШщ^. прочность бетона на в ;;'i;i Ято1в8иШ(ВяиВИ1 ^ ^ П-УДИ 1 .^Ту^зРй растяжение класса

В7.5 при этом составляет 0,7 МПа. Кроме того, в результате обследования в наружных не________сущих стенах здания

были обнаружены значительные трещины. Поэтому было принято решение об усилении фундамента трехэтажного здания плитой.

Был смоделирован фундамент существую-«йч^Р'^К. щего трехэтажного здания и железобетонная плита усиления толщиной 300мм из бетона класса .iijSÄ'®"' В15 с арматурой класса А400 с1=12мм, заделанная в существующий фундамент. Расчетная схема плиты усиления показана на рис. 40.

Результаты расчета здания с плитой усиления фундамента показали перераспределение и снижение напряжений в фундаменте ~ в 3 раза (рис. 41 б ) по сравнению с существующим, а также выравнивание и уменьшение осадок в 3,75 раза (до 8 мм) (см. рис. 41 а). Расчет производился без учета

здания.

Результаты расчета пятиэтажного здания показали, что наибольшую опасность с точки зрения прочности представляет угол здания (см. рис 39 б), который необходимо усилить. Предложено усиление железобетонной обоймой из бетона класса В15 с арматурой класса А-400 диаметром 12мм, что и было выполнено в соответствии с рекомендациями.

Рис. 40. Плита усиления фундамента трехэтажного здания

а) 6)

Рис. 41. Осадки (а) и интенсивность напряжений (б) в фундаментной плите усиления трехэтажного здания

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Определены граничные и краевые условия для компьютерного моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния наиболее ответственных конструктивных элементов сооружения - фундаментных плит, подвергающихся внешним нагрузкам, как собственного веса здания, так и нестационарным кинема-

тическим возмущениям со стороны различных пластов упруго-вязкого грунта.

2. Уточнена модель динамического взаимодействия трех основных составляющих частей здания: строения, фундамента и грунта; выявлены превалирующие факторы, которые влияют на процесс сохранения целостности и разрушения каждой из частей; определены предельные динамические и кинематические возмущения приводящие к образованию трещин, разрывов и разрушения фундаментов.

3. Методом вычислительного эксперимента сделан прогноз изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения, дислоцированных на закарстовых территориях, при стационарных и экстремальных динамических и кинематических возмущениях.

4. Предложена методика математического моделирования и вычислительного эксперимента пространственной структуры сооружения как объективный критерий проектов реконструкции фундаментов и строений, построенных на местности со сложным рельефом.

5. Разработаны математические модели и вычислительные технологии системного анализа, основанные на принципах когнитивного проектирования сложных систем, каковой является сооружения с его наземной и поземными частями, для достижения оптимальных параметров, обеспечивающих длительный жизненный цикл строения.

6. Дан системный анализ результатов и последствий точечного встраивания многоэтажных зданий на земельных участках, расположенных меледу близко расположенными зданиями старой застройки, в конструкциях которых заложены низкие пределы прочности фундаментов; предложен алгоритм численного расчета влияния встраиваемых зданий с высоким удельным напряжением на грунт на возникновение трещин и разрывов в стенах и фундаменте старых зданий.

7. Созданы численные модели целостного строения, диакоптически расчлененного на наземную часть сооружения, фундамент и основание. Построенные математические модели и разработанные программно-инструментальные средства для объективного компьютерного моделирования напряженного состояния всех частей и конструктивных элементов сооружения. Такой мощный аппарат имитационного моделирования динамического состояния всей конструкции здания при воздействии различных внешний возмущений позволяет с достаточной точностью прогнозировать жизнеспособность строения и обеспечить безопасность жителей здания.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 .Данилов В.И., Лялин В.Е. Моделирование проектов безопасной реконструкции существующих строений, расположенных на территориях развития карста, при условии пристраивания конструкции // Вестник Ижевского государственного технического университета имени М.Т.Калашникова, Ижевск, 2013. - № 4 (60). - С. 188-192.

2. Данилов В.И., Лялин В.Е. Верификация математической модели сооружения на основе проведения натурного эксперимента деформации и разрушений существующего строения с учетом измененм литологического состояния грунта // Научно-практический журнал «Интеллектуальные системы в производстве» № 2,2013. - С. 142-154.

3. Данилов В.И. Математическое моделирование сооружения при реконструкции строений, расположенных на территории со сложным гидрогеологическим и территориальным ландшафтным состоянием // Вестник Ижевского государственного технического университета имени М.Т.Калашникова, Ижевск, 2013. -№ 4 (60). - С. 179-188.

4. Данилов В.И. Численное моделирование нелинейных процессов упругости и пластичности в строительных конструкциях сооружения // Сборник докладов Ш-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» - Часть 2, Липецк, 2011. С. 56-66.

5. Данилов В.И. Выбор физических моделей нелинейной упругости и пластического течения материалов конструкций сооружения // Материалы ме-ждунар. заоч. науч. конф. «Технические науки: проблемы и перспективы». — Санкт-Петербург, 2011. - С. 48-52.

6. Данилов В.И. Численный анализ конструкции укрепления фундамента существующего строения // Материалы XII Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий». - Новосибирск, 2012. - С. 49-53.

7. Данилов В.И., Кашеварова Г.Г. Имитационное моделирование проектов безопасной реконструкции существующих строений, расположенных на территориях развития карста // Материалы международной заочной научно-практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика». - Воронеж, 2013. - С. 113-115.

8. Данилов В.И., Кашеварова Г.Г. Определение дополнительных осадок грунта и изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения от возводимых пристроек // Материалы XIII Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий». - Новосибирск, 2013. - С. 59-63.

9. Данилов В.И. Имитационное моделирование деформационно-прочностных свойств проектируемых фундаментных плит при возможных естественных и техногенных воздействиях // Приволжский научный вестник. -2013.-№ 11 (27).-С. 13-17.

10. Данилов В.И. Алгоритм построения конечно-элементной модели системы строения, фундамента и грунта // Материалы IX Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты». - Новосибирск, 2013. - С. 44-47.

11. Данилов В.И. Определение критериев открытия - закрытия трещины в несущей конструкции строения // Материалы XIII Международная научно-практическая конференция «Современное состояние естественных и технических наук» - М: Изд-во «Спутник+», 2013. - С. 53-58.

В авторской редакции Подписано в печать 29.11.13. Усл. печ. л. 1,0. Заказ № 1100531. Тираж 100 экз. ООО «ПервопечатникЪ», г. Ижевск, проезд Дзержинского, д. 3



ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

На правах рукописи

ДАНИЛОВ Владимир Иванович

04201456002

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ РЕКОНСТРУКЦИИ СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОГО ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО РЕЛЬЕФА И ЛАНДШАФТНОГО СОСТОЯНИЯ

Специальность:

05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор Лялин В.Е.

Ижевск 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение............................................................................................................

Глава 1. Обзор методов и средств повышения надежности, безопасности и видов внешних воздействий на строительные сооружения.................................................................................12

1.1. Причины возникновения дефектов и трещин в строительных конструкциях сооружений............................................................ 16

1.2. Примеры технических решений для устранения причин образования трещин в стеновых конструкциях

и фундаментных плитах................................................................ 21

1.3. Математические основы напряженно-деформированного состояния элементов строительных конструкций..................... 34

1.4. Выбор методов и алгоритмов структурно-параметрического синтеза строительных конструкции на основе метода конечных элементов...................................................................... 55

1.5. Полученные результаты и выводы.............................................. 59

Глава 2. Разработка методики и алгоритмов решения задач системного анализа характерной структуры сооружения, состоящего из надземной и подземной частей........................... 62

2.1. Разработка критериев и моделей описания и оценки эффективности решения задач структурной устойчивости сооружения..................................................................................... 62

2.2. Применение парадигмы проекционные методов для дискретизации сооружений как системы с распределенными параметрами................................................................................... 67

2.3 Методика идентификации функциональных зависимостей упругости и пластичности строительных материалов

на основе ретроспективной информации.................................... 76

2.4 Методика идентификации функциональных зависимостей упруго-хрупких строительных материалов с учетом накопления повреждений...........„............................................................... 88

2.5 Разработка алгоритмов решения задач системного анализа напряженно-деформированного состояния строительных конструкций................................................................................... 97

2.6 Полученные результаты и выводы.............................................. 102

Глава 3. Использование математической модели сооружения при реконструкции строений, расположенных на застроенной территории со сложным гидрогеологическим и территориальным ландшафтным состоянием.................................... 104

3.1. Верификация математической модели сооружения на основе проведения натурного эксперимента деформации и разрушений существующего строения с учетом изменения литологи-ческого состояния грунта............................................................. 104

3.2. Имитационное моделирование проектов безопасной реконструкции существующих строений, расположенных на территориях развития карста................................................................. 113

3.3 Математическое моделирование и вычислительный экспери-

мент пространственной структуры сооружения как объективный критерий проектов реконструкции фундаментов и строений, построенных на местности со сложным рельефом.. 118

3.4. Полученные результаты и выводы.............................................. 126

Глава 4. Исследование влияния точечно застраиваемого строения на фундаменты окружающих зданий и их инженерную инфраструктуру............................................................................. 127

4.1. Определение дополнительных осадок грунта и изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения от возводимых пристроек...................................................... 127

4.2. Имитационное моделирование деформационно-прочностных свойств проектируемых фундаментных плит при возможных естественных и техногенных воздействиях................................ 132

4.3. Численное моделирование изменения осадок грунта

и интенсивности механических напряжений фундаментов

существующих строений в результате встраивания

нового сооружения.................................................................................................... 145

4.4. Методика оценки эффективности проектов укрепления фундаментов соседних строений.................................................................... 149

4.5. Полученные результаты и выводы................................................ 150

Заключение....................................................................................................... 152

Литература........................................................................................................ 154

Приложение...................................................................................................... 165

Акт об использовании результатов диссертационной работы....... 166

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время проектные организации активно применяют вычислительные программные комплексы для расчета несущих строительных конструкций. Идет интенсивное развитие компьютерных технологий и программного обеспечения для строительно-архитектурного проектирования. В связи с повышением требований заказчиков строительства к надежности, экономичности и технологичности принимаемых решений растет и востребованность программных комплексов у проектных организаций.

В градостроительстве всегда существовала такая проблема, как реконструкция зданий и городских территорий, которая не менее актуальна, чем новое строительство.

В городе с исторически сложившейся застройкой любой новый объект можно назвать «точечной застройкой». Это естественное развитие городов, в этом нет ничего плохого, разумеется, при соблюдении санитарного и природоохранного законодательства, закона о культурном наследии.

Без расчётов и анализа уплотнение и точечная застройка в существующей среде приведут к градостроительному хаосу, превращению города в переполненную «коммунальную квартиру», социальному недовольству, ухудшению условий жизни в существующей и новой уплотнительной застройке, перегрузке транспортных и инженерных сетей.

В законодательстве внятного термина, что считать точечной застройкой нет до сих пор. Разрешение данного вопроса дополнительно осложняет отсутствие какой-либо внятной нормативно-правовой базы, которая бы регламентировала размещение новых объектов на уже застроенной территории. В законодательстве, в частности, в различных СНиПах и ГОСТах существуют определенные нормы, согласно которых определено предельно допустимое расстояние от красных линий и от уже стоящих жилых домов, но на деле это не решает проблем точечного строительства.

При проектировании уникальных объектов, при изысканиях в сложных инженерно-геологических условиях - в районах развития геологических и инженерно-геологических процессов (карст, склоновые процессы, сейсмичность, подтопление и др.), на территориях распространения специфических грунтов (многолетнемерзлые, просадочные, набухающие и др.), и в районах с особыми условиями (шельфовая зона морей, горные выработки, предназначенные для размещения объектов народного хозяйства и др.), а также при строительстве в стесненных условиях застройки - следует выполнять математическое и физическое моделирование, в том числе напряженно-деформированного состояния строительных конструкций, массива и геофильтрации. Моделирование и другие специальные работы и исследования следует выполнять с привлечением научных и специализированных организаций.

В связи с вышеизложенным тема диссертационной работы является актуальной.

Область исследования. Диссертационная работа выполнена в соответствии с пунктами «5. Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации», «11. Методы и алгоритмы прогнозирования и оценки эффективности, качества и надежности сложных систем», «12. Визуализация, трансформация и анализ информации на основе компьютерных методов обработки информации» паспорта специальности 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике)».

Объектом исследования являются исследования напряженно-деформированного состояния фундаментных плит строений со сложным гидрогеологическим и территориальным ландшафтным состоянием.

Предметом исследования являются методики расчета и системного анализа напряженно-деформированного состояния фундаментных плит строений, возводимых на площадях со сложным территориальным ландшафтным состоянием, и возведении многоэтажных зданий на территориях плотной застройки.

Цель работы состоит в проведении системного анализа напряженно-деформированного состояния фундаментных плит сооружений вновь возводимых строений на территориях со сложным гидрогеологическим и территориальным ландшафтным состоянием, а также существующих зданий при встраивании многоэтажных зданий с высоким удельным давлением на основание в подошве здания.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- осуществить конечно-элементную дискретизацию конструктивных модулей нулевого цикла и надземной части строения;

- установить физические модели нелинейной упругости и пластического течения материалов конструкций строений;

- провести численное моделирование нелинейных процессов упругости и пластичности в строительных конструкциях строения;

- разработать программно-инструментальные средства для имитационного моделирования проектов безопасной реконструкции существующих строений, в том числе, расположенных на территориях развития карста;

- предложить методику численного анализа проекта укрепления конструкций фундамента существующего строения;

- обосновать определение дополнительных осадок грунта основания и изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения в целом от возводимых пристроек.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.

Применялись методы строительной механики, динамики и расчетов прочности структурно однородных и неоднородных строительных конструкций, теории упругости и упруго-вязкого течения строительных материалов, а также теории твердого деформированного тела.

В работе учитывались методы и технические средства гидрогеологического исследования грунтов под строящиеся здания, а также результаты картографирования застраиваемой территории.

Математическое и имитационное моделирование напряженно-деформированного состояния фундаментных плит и встраиваемых объектов осуществлялось с помощью метода конечных элементов, реализуемого посредством программы ANS YS.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается многолетней практикой и опытом строительства, эксплуатации технического состояния промышленных корпусов и зданий жилищного фонда, построенных в сложных географических, гидрогеологических и климатических условиях.

Мониторинг технических и эксплуатационных характеристик зданий показал, что при проектировании и строительстве их весьма корректно выбирались краевые и начальные условия при построении моделей строений и расчете напряженно-деформированного состояния их конструкций.

На защиту выносится:

- верификация математической модели сооружения на основе проведения натурного эксперимента деформации и разрушений существующего строения с учетом изменения литологического состояния грунта;

- прогноз изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения, дислоцированных на закарстовых территориях на основе вычислительного эксперимента;

- математическое моделирование и вычислительный эксперимент пространственной структуры сооружения как объективный критерий проектов реконструкции фундаментов и строений, построенных на местности со сложным рельефом;

- имитационное моделирование деформационно-прочностных изменений свойств проектируемых фундаментных плит при возможных естественных и техногенных воздействиях;

- численное моделирование изменения осадок грунта и интенсивности механических напряжений фундаментов существующих строений в результате встраивания нового сооружения;

- методика оценки эффективности проектов укрепления фундаментов соседних строений.

Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученных лично автором, заключается в следующем:

- определены граничные и краевые условия для компьютерного моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния наиболее ответственных конструктивных элементов сооружения - фундаментных плит, подвергающихся внешним нагрузкам, как собственного веса здания, так и нестационарным кинематическим возмущениям со стороны различных пластов упруго-вязкого грунта;

- уточнена модель динамического взаимодействия трех основных составляющих частей здания: строения, фундамента и грунта; выявлены превалирующие факторы, которые влияют на процесс сохранения целостности и разрушения каждой из частей; определены предельные динамические и кинематические возмущения приводящие к образованию трещин, разрывов и разрушения фундаментов;

- методом вычислительного эксперимента сделан прогноз изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения, дислоцированных на закарстовых территориях, при стационарных и экстремальных динамических и кинематических возмущениях;

- предложена методика математического моделирования и вычислительного эксперимента пространственной структуры сооружения как объективный критерий проектов реконструкции фундаментов и строений, построенных на местности со сложным рельефом;

- разработаны математические модели и вычислительные технологии системного анализа, основанные на принципах когнитивного проектирования сложных систем, каковой являются здания и сооружения с их наземной и подземными частями, для достижения оптимальных параметров, обеспечивающих длительный жизненный цикл строения;

- дан системный анализ результатов и последствий точечного встраивания многоэтажных зданий на земельных участках, расположенных между близко рас-

положенными зданиями старой застройки, в конструкциях которых заложены низкие пределы прочности фундаментов; предложен алгоритм численного расчета влияния встраиваемых зданий с высоким удельным напряжением на грунт на возникновение трещин и разрывов в стенах и фундаменте старых зданий.

Практическая полезность работы. Главным достоинством работы является то, что реально созданы численные модели целостного строения, диакоптиче-ски расчлененного на наземную часть сооружения, фундамент и основание. Построенные математические модели и разработанные программно-инструментальные средства для объективного компьютерного моделирования напряженного состояния всех частей и конструктивных элементов сооружения. Такой мощный аппарат имитационного моделирования динамического состояния всей конструкции здания при воздействии различных внешний возмущений позволяет с достаточной точностью прогнозировать жизнеспособность строения и обеспечить безопасность жителей здания.

Кроме того, автоматизированный программный комплекс компьютерного моделирования позволяет работникам архитектурно-строительных учреждений проводить техническую экспертизу надежности строящегося здания, а также определять возможные последствия от влияния встраиваемого здания на фундаменты и стеновые конструкции ветхих кирпичных домой старой застройки.

Разработка сервисных программ для использования программного продукта ANS YS обеспечивает доступность использования полученных в диссертации работ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: III-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2011); Междунар. заоч. науч. конф. «Технические науки: проблемы и перспективы» (Санкт-Петербург, 2011); XII Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2012); Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика» (Воронеж, 2013); XIII Международной научно-

практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2013).

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 11 научных работах общим объемом 4,5 п.л., авторский вклад - 3,7 п.л. Автор имеет 3 научных труда в издании, выпускаемом в РФ и рекомендуемом ВАКом для публикации основных результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и з