CC BY
59
УДК 624.042.3:621.87
Т.В. Золина, П.Н. Садчиков
ГАОУ АО ВПО «АИСИ»
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ
КОНСТРУКЦИЙ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Построена трехмерная модель одноэтажного промышленного здания, оборудованного мостовым краном, на основе которой разработан программный комплекс, позволяющий автоматизировать расчет надежности, прочности и устойчивости строительного объекта на основе вероятностных методик и проводить анализ работы здания под действием нагрузок, в т.ч. и по прошествии конкретного срока его эксплуатации.
Ключевые слова: промышленное здание, мостовой кран, матрица жесткости, вероятностный расчет, остаточный ресурс, программно-расчетный комплекс.
В последние годы резко возросло число аварий на строительных объектах. Технический анализ причин аварий, зарегистрированных на территории Российской Федерации, показывает, что аварии в большинстве своем происходят на эксплуатируемых зданиях и сооружениях из-за потери устойчивости отдельных конструктивных элементов и значительного снижения несущей способности конструкций [1]. При этом отсутствует должная методика обработки и анализа полученных результатов осмотра их технического состояния и оценки остаточного эксплуатационного ресурса, даже в случае использования современных средств диагностики. В данной ситуации особую актуальность приобретают методы анализа риска аварий зданий и сооружений.
Известно, что количественную оценку риска зданий и сооружений для всех этапов их существования (проектирование, возведение и эксплуатация) можно
T.V. Zolina, P.N. Sadchikov
MODELING OF STRUCTURAL BEHAVIOUR OF AN INDUSTRIAL BUILDING WITH ACCOUNT FOR THE VARIATION OF RIGIDITY IN THE COURSE OF ITS OPERATION
The number of accidents at construction facilities has increased dramatically over the recent years. The engineering analysis of the reasons of accidents in the Russian Federation has revealed that the majority of accidents are caused by the loss of stability of specific structural elements, and a substantial reduction of the bearing capacity of structures. At the same time, no proper methodologies of processing and analyzing the results of inspections of structures, or methodologies of assessing the residual service life of structures are available, although advanced diagnostic tools are at hand. Therefore, advanced methods of accident risk analysis assume importance.
A quantitative assessment of the risk exposure of buildings and structures at any stage (design, construction and operation) can only be made through the employment of probabilistic calculations, especially if extreme loads are in the focus. Probabilistic methods are more robust as they evaluate the safety as the possibility of failure. Parameters are treated as stochastic variables.
Based on the research completed by the authors, a 3D computational model of a single-storey industrial building has been developed. The software programme developed by the authors is designated for the resolution of a wide range of problems of reliability, durability, stability and accident risk analysis in respect of buildings exposed to various internal and external loads.
The software may be used to resolve both direct and inverse problems. This feature is highly relevant in assessing structural behaviour. Their structures may constitute defects that affect their rigidity, strength and stability. The behaviour pattern of a loaded structure may be identified by means of an experiment, and thereafter, its rigidity may be identified by resolving the inverse problem in order to assess the life span of the structure.
Key words: industrial building, probability calculation, residual service life, software programme.
In recent years, amount of accidents at construction object increased dramatically. Technical analysis of the reasons of accidents in the Russian Federation reveals that most of the accidents occur due to a loss of stability of specific structural elements and a
дать только при проведении вероятностных расчетов, особенно когда идет речь об экстремальных воздействиях на конструкции сооружений. Вероятностные методы являются более прогрессивными, в них безопасность сооружения оценивается в терминах возможности разрушения Р£ например, 1:2000, 1:10000 и т.д. При этом принимается допущение о потенциальных отклонениях величины различных параметров. Параметры рассматриваются как стохастические переменные [2].
При оценке риска аварий эксплуатируемых зданий и сооружений важную роль играет определение остаточного ресурса. Корректно оценить ресурс конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений можно только методами теории надежности.
При оценке остаточного ресурса конструкций наиболее сложным является выявление всех произошедших в конструкции изменений. Еще одним усложняющим оценку ресурса конструкций фактором является то, что существующие в настоящее время методики [3, 4] и разработанные на их основе программно-расчетные комплексы не учитывают все возможные составляющие внешних воздействий, не всегда позволяют учесть пространственную работу конструкций зданий и сооружений, а также не позволяют проводить расчеты в вероятностной постановке.
В различные годы авторами проводились теоретические и экспериментальные исследования работы каркаса одноэтажного промышленного здания, оборудованного мостовым краном. Результаты этих исследований, представленные в [5, 6], доказывают необходимость учета такой составляющей крановой нагрузки, как боковые силы, как правило, не учитываемой в расчетах, а также необходимость учета пространственной работы каркаса.
В [7, 8] обосновывается необходимость проведения и излагаются основные положения вероятностных расчетов зданий и сооружений на крановые нагрузки [7], на экстремальные воздействия и при оценке надежности [8].
Учитывая все вышеизложенное, была разработана расчетная трехмерная
significant drop of the carrying capacity of the constructions [1]. At the same time, no proper methods of processing and analysis of the results the constructions inspection and assessment of the residual operation span are available, even if contemporary diagnostics tools are under hand. In this view, latest methods of accident risks analysis gain a great importance.
It is known that a quantitative risk assessment of buildings and facilities at any atage (design, construction and operation) can be made only through the probabilistic calculations, especially if extreme loads are at the focus. Probabilistic methods are more robust as they evaluate security in terms of the possibility of failure Pf, for example, 1:2000, 1:10,000, etc., with additional assumptions regarding potential deviations of various parameters being made. The parameters are treated as stochastic variables [2].
Determination of the residual resource is of great importance when the accident risk needs to be evaluated. A correct evaluation of this risk is possible to be made only by means of the reliability theory.
When the residual resource is to be estimated, it is especially difficult to reveal all changes which happened within the construction. As a factor of additional difficulty in this problem, available methods [3, 4] and corresponding software complexes are able neither to allow for all possible external loads and spatial operation modes, nor to run probabilistic computations.
Over decades, the authors have been doing theoretic and experimental research of operation of the construction of a one-story building with a bridge crane. The results of this research which were presented in earlier works [5, 6] proved that the lateral crane loads on and spatial mode needed to be taken into account.
In [7, 8] it was shown that probabilistic computations of the construction operation with crane loads [7] and extreme loads were a must. They were also asserted necessary for the reliability evaluation [8]. The computations procedure was formulated.
модель одноэтажного промышленного здания, оборудованного мостовым краном (рис. 1). Расчетные точки расположены в узлах пересечения колонн и тормозных конструкций, рам и продольной оси покрытия. Кран в данной системе рассматривается как шарнирная или проскальзывающая вставка, соединяющая соответствующие узлы перекрестного набора в уровне тормозных конструкций [6].
Based on these works, the 3D computational model of the one-story industrial building with a bridge crane has been developed. Computational points are located at the nodes of the intersection of column and brake designs, frames and the longitudinal axis of the coating. The crane in this system is regarded as a hinge, or slip, insert, connecting the corresponding nodes of crossing set at the level of brake constructions [6].
Рис. 1. Расчетная схема одноэтажного промышленного здания, оборудованного мостовым краном: а — расчетная схема в аксонометрии; б — расположение расчетных точек в уровне подкрановых балок; в — расположение расчетной точки на покрытии — в центре масс
Fig. 1. Design model of single-storey industrial buildings with a bridge crane: a) the design model in perspective, and b) the location of calculation points in the level of under-crane girders, and c) the location of the calculated point on the cover — in the center of mass
Для решения широкого спектра задач, связанных с оценкой надежности, прочности и устойчивости, а также с анализом риска аварий промышленных зданий, подверженных различным внутренним и внешним воздействиям, авторами был разработан программно-расчетный комплекс DINCIB-NEW (рис. 2), в основе которого лежит описанная выше пространственная расчетная модель одно -этажного промышленного здания, оборудованного мостовым краном.
For a broad range of problems related to the reliability, durability, stability and accident risk analysis for buildings with various internal and external loads the authors have developed a computational complex DIN-CIB-NEW (Fig. 2) based on the 3D computational model of industrial buildings with a bridge crane.
Рис. 2. Программно-расчетный комплекс DINCIB-NEW: а — главное окно; б — окно ввода исходных данных по крану; в — окно ввода исходных данных по зданию
Fig. 2. Program-calculation complex DINCIB-NEW: a) the main window, and b) the input box to tap the source data, and c) the initial data input window of the building
Представленный программный комплекс позволяет решать как прямые, так и обратные задачи, что является весьма актуальным при оценке ресурса конструкций, особенно для промышленных зданий, находившихся в эксплуатации длительное время. В конструкциях зданий и сооружений, находившихся в длительной эксплуатации, могут развиваться скрытые дефекты, снижающие их жесткость и, как следствие, прочность и устойчивость. Для оценки ресурса таких конструкций целесообразно экспериментальным путем определить результирующее поведение конструкции, затем решением обратной задачи найти реальные жесткостные характеристики.
Для определения средних величин и показателей вариации расчетных параметров устойчивости и надежности строительной конструкции требуется многократное проведение алгоритма, вызванное отклонениями значений входных параметров моде-
The computational complex allows one solving both direct and inverse problems. This opportunity is highly relevant in assessing the operation resource of the construction, especially when industrial buildings operating for very long times are investigated. Constructions within such buildings can hide developing defects which reduce their rigidity and, thus, the strength and stability. To evaluate the resource time for such constructions, it is appropriate to experimentally determine how the loaded construction behaves, and then to find rigidities of the construction via solving inverse problem.
To determine the mean values and variations of design parameters of stability and reliability of the construction, the computations need running repeatedly many times with different input model
ли относительно соответствующих математических ожиданий. При задействовании генератора случайных чисел в известном диапазоне, формируется выборочная совокупность значений искомого параметра, что позволяет найти его статистические характеристики при заданном уровне значимости.
Преимуществом использования аппаратных средств ЭВМ является возможность учета для каждой расчетной ситуации большого числа неблагоприятных сочетаний нагрузок, которые устанавливаются на основе результатов анализа разнообразных вариантов одновременного действия различных нагрузок с учетом возможности реализации различных схем приложения временных нагрузок. Основным критерием надежности строительных объектов является состояние невозможности превышения ими предельных состояний при действии наиболее неблагоприятных сочетаний расчетных нагрузок в течение заданного срока службы [9].
Авторами разработан алгоритм аналитического решения обратной задачи по составлению матрицы жесткости пространственного каркаса одноэтажного промышленного здания, оборудованного мостовым краном, на основании которого был создан модуль программно-расчетного комплекса DINCIB-NEW (рис. 3).
parameters varying near their mathematical expectations. Using random numbers generator, the input parameters set is generated with known stochastic characteristics at an imposed significance level.
The advantage of the computational approach is the opportunity to take into account for situation of a large number of adverse combination of loads, which are based on an analysis of various options for the simultaneous action of different loads, taking into account the feasibility of various schemes of the time the application loads. The main criterion for the reliability of construction projects is the state can not exceed their limit states under the action of the most adverse combination of loads of even distribution over a given period of service [9].
The authors have developed an algorithm for the analytical solution of the inverse problem of co-representations of the rigidity matrix of the spatial frame one-story industrial buildings with a bridge crane, according to which the module was created by the design-software complex «DINCIB-NEW» (Fig. 3). ^JHlxJ
Рис. 3. Окно модуля «Обратная задача» программно-расчетного комплекса DINCIB-NEW
Fig. 3. The window module «inverse problem» of software and the design of the complex «DINCIB-NEW»
В соответствии с разработанным алгоритмом составления скорректирован-
In accordance with an algorithm for adjusted rigidity matrix, the direct problem
ной матрицы жесткости, первоначально решается прямая задача по поиску перемещений системы в каждой отдельной точке каркаса, при известных глобальных матрицах жесткости, инерционных характеристик здания и проектных значениях нагрузок. Затем при обращении к модулю «Обратная задача» программно-расчетного комплекса, осуществляется выбор загружения, указывается количество, и номера расчетных точек каркаса, в которых произошли изменения перемещений, вызванные действием одного из видов за-гружения, а также вводятся перемещения, полученные в ходе экспериментального исследования. В качестве результата работы алгоритма выступает скорректированная матрица жесткости, учитывающая введенные перемещения. Полученная таким образом откорректированная матрица жесткости может быть использована в дальнейших исследованиях при решении задач работоспособности конструкций под влиянием иных внешних воздействий.
Имея экспериментальные данные о смещениях в узловых точках каркаса, за-фиксированны в различных интервалах времени, при помощи описанного выше модуля «Обратная задача» появляется возможность:
отследить динамику изменения жест-костных характеристик каркаса промышленных зданий;
спрогнозировать изменение устойчивости здания к внешним и внутренним воздействиям по истечении конкретного срока эксплуатации объекта на основе выведенных регрессионных зависимостей;
построить функцию фиктивной нагрузки, учитывающую динамику изменения напряжений в элементах каркаса здания, возникающих под совместным воздействием на систему сразу нескольких факторов;
оценить остаточный ресурс конструкций эксплуатируемых промышленных зданий.
Полученная таким образом откорректированная матрица жесткости может быть использована в дальнейших исследованиях при решении задач работоспособ-
of finding the displacement of each point in the frame is solved, with the global rigidity matrix, inertial characteristics of the building and design values of loads being known. Then, when referring to the module "inverse problem" of software and the design of the complex, carries out the choice of loading, the number of states, and the number of calculation points skeleton, which has changed the displacement caused by the action of one type of loading, and also introduced displacement obtained during the experimental study. As a result of the algorithm performs skorrek-rigidity matrix of oriented, taking into account the imposed displacement. Thus obtained is corrected stiffness matrix can be used in further studies to solve problems of efficiency of structures under the influence of other external influences.
With experimental data on the displacements at the nodal points of the frame in different time intervals, with the help of the above module "inverse problem" it is possible to:
track the dynamics of change frame rigidity characteristics of industrial buildings;
predict the change in the stability of the building to internal and external influences after a certain period of operation of the facility based on the derived regression;
build a dummy load function that takes into account the dynamics of change of the stresses in the elements of the building shell, arising under the combined influence of a system of several factors;
assess the residual life of structures operated industrial buildings-represented.
Thus obtained is corrected stiffness matrix can be used in further studies to solve problems of efficiency of structures under the influence of other external influences.
This work is part of a comprehensive work on the reliability of the estimate-ke designed and operated industrial buildings, equipment, bathroom with overhead cranes to various influences, performed within the activities of the school of "Safety and durability of buildings and structures in complex engineering-geological conditions and extreme natural and tech-nogennyh effects".
ности конструкций под влиянием иных внешних воздействий.
Представленная работа является составной частью комплексной работы по оценке надежности проектируемых и эксплуатируемых промышленных зданий, оборудованных мостовыми кранами на различные воздействия, выполняемой в рамках деятельности научной школы «Безопасность и долговечность зданий и сооружений в сложных инженерно-геологических условиях и при экстремальных природных и техногенных воздействиях».
Библиографический список
1. Аварии зданий и сооружений на территории Российской Федерации в 2003 году // Общероссийский общественный фонд «Центр качества строительства». М., 2004. Режим доступа: http://www.stroyplan.ru. Дата обращения: 04.08.12.
2. Улицкий В.М., Лисюк М.Б. Оценка риска и обеспечение безопасности в строительстве // Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2002. № 5. Режим доступа: http://www.georec.spb.ru/journals. Дата обращения: 04.08.12.
3. Дыховичный А.А., Вишневецкий А.И. Экспериментальные исследования упругих систем и математическое моделирование // Сопротивление материалов и теория сооружений. Киев : Будивельник, 1980. Вып. 36. С. 107—110.
4. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М. : Бином. Лаборатория знаний, 2003. 600 с.
5. Золина Т.В. Расчет одноэтажных промышленных зданий, оборудованных мостовыми кранами, на горизонтальное крановое воздействие с учетом пространственной работы : дисс. канд. техн. наук. М. : МИСИ, 1989. 242 с.
6. Золина Т.В. Расчет промышленных зданий на крановые нагрузки. Астрахань : АИСИ, 2004. 156 с.
7. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения / В.Н. Гордеев, А.И. Лантух-Лященко, В.А. Пашинский и др. ; под общ. ред. А.В. Перельмутера. М. : Изд-во АСВ, 2007. 482 с.
8. Надежность зданий как пространственных составных систем при сейсмических воздействиях / В.А. Пшеничкина, А.С. Белоусов, А.Н. Кулешова, А.А. Чураков. Волгоград : ВолгГАСУ, 2010. 224 с.
9. СТО 36554501-014—2008 «Надежность строительных конструкций и оснований». Утвержден 23 сентября 2008 г. ФГУП «НИЦ «Строительство»».
Поступила в редакцию в августе 2012 г.
References
1. Avarii zdaniy i sooruzheniy na territorii Rossiyskoy Federatsii v 2003 godu [Accidents of Buildings and Structures in the territory of the Russian Federation in 2003]. All-Russian Public Fund "Centre of the Construction Quality". Moscow. 2004. Available at: http://www.stroyplan.ru. Date of access: 04.08.12.
2. Ulitskiy V.M., Lisyuk M.B. Otsenka riska i obespechenie bezopasnosti v stroitel'stve [Risk Assessment and Construction Safety]. Rekon-struktsiya gorodovi geotekhnicheskoe stroitel'stvo [Urban Restructuring and Geotechnical Engineering] Internet Journal. 2002, no. 5. Available at: http://www.georec.spb.ru/journals. Date of access: 04.08.12.
3. Dykhovichnyy A.A., Vishnevetskiy A.I. Eksperimental'nye issledovaniya uprugikh sistem i matematicheskoe modelirovanie [Experimental Research of Elastic Systems and Mathematical Modeling]. Soprotivlenie materialov i teoriya sooruzheniy [Strength of Materials and Theory of Structures]. Kiev, Budivel'nik Publ., 1980, no. 36, pp. 107—110.
4. Bakhvalov N.S., Zhidkov N.P., Kobel'kov G.M. Chislennye metody [Numerical Methods]. Binom. Laboratoriya znaniy. [Binom. Laboratory of Knowledge]. Moscow, 2003, 600 p.
5. Zolina T.V. Raschet odnoetazhnykh pro-myshlennykh zdaniy, oborudovannykh mostovymi kranami, na gorizontal'noe kranovoe vozdeystvie s uchetom prostranstvennoy raboty [Analysis of Single-storey Industrial Buildings Equipped with Overhead Cranes with Account for Horizontal Effects of Crane Operations]. Moscow, MISI Publ., 1989, 242 p.
6. Zolina T.V. Raschet promyishlennyih zdaniy na kranovyie nagruzki [Analysis of Exposure of Industrial Buildings to Crane Loads]. Astrakhan, AISI Publ., 2004, 156 p.
7. Gordeev V.N., Lantukh-Lyashchenko A.I., Pashinskiy V.A., Perel'muter A.V., editor. Nagruzki i vozdeystviya na zdaniya i sooruzheniya [Loads and Actions on Buildings and Structures]. Moscow, ASV Publ., 2007, 482 p.
8. Pshenichkina V.A., Belousov, A.S., Kule-shova A.N., Churakov A.A. Nadezhnost' zdaniy kak prostranstvennykh sostavnykh sistem pri seysmi-cheskikh vozdeystviyakh [Reliability of Buildings as Spatial Composite Systems Exposed to Seismic Impacts]. Volgograd, VolgGASU Publ., 2010, 224 p.
9. STO 36554501-014—2008 «Nadezhnost stroitel'nykh konstruktsiy i osnovaniy». [Standards of Organizations 36554501-014—2008 "Reliability of Structures and Beddings". Approved by Federal State Unitary Enterprise "Construction" Research Centre on September 23, 2008.
About the authors: Zolina Tat'yana Vladimirovna — Candidate of Technical Sciences,
Об авторах: Золина Татьяна Владимировна — кандидат технических наук, доцент, первый проректор, ГАОУ «Астраханский инженерно-строительный институт» (ГАОУ АО ВПО «АИСИ»), 414056,
г. Астрахань, ул. Татищева, д. 18, 7о1та^@ yandex.ru;
Садчиков Павел Николаевич — кандидат технических наук, доцент кафедры высшей математики и информационных технологий, ГАОУ ВПО «Астраханский инженерно-строительный институт» (ГАОУ АО ВПО «АИСИ»), 414056, г. Астрахань, ул. Татищева,
д. 18, pn_sadchikov@mai1.ru.
Для цитирования: Золина Т.В., Садчиков П.Н. Моделирование работы конструкций промышленного здания с учетом изменения жесткости в процессе эксплуатации // Вестник МГСУ. 2012. № 10. С. 69—76.
Associate Professor, First Vice-Rector, Astrakhan Institute of Civil Engineering (AISI), 18 Tatish-chev St., Astrakhan, 414056, Russian Federation; zolinatv@yandex.ru;
Sadchikov Pavel Nikolaevich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Higher Mathematics and Information Technologies, Astrakhan Institute of Civil Engineering (AISI), 18 Tatishchev St., Astrakhan, 414056, Russian Federation; pn_sadchikov@mail.ru.
For citation: Zolina T.V., Sadchikov P.N. Modelirovanie raboty konstruktsiy promyshlen-nogo zdaniya s uchetom izmeneniya zhestkosti v protsesse ekspluatatsii [Modeling of Structural Behaviour of an Industrial Building with Account for the Variation of Rigidity in the Course of Its Operation]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 69—76.
