Оценка полноты конечно-элементных моделей инженерных сооружений по экспериментальным данным метода стоячих волн Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 69.058.8

ОЦЕНКА ПОЛНОТЫ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ МЕТОДА СТОЯЧИХ ВОЛН

Артем Александрович Красников

Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник, тел. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]

Александр Федорович Еманов

Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор технических наук, директор, тел. (383)330-12-61, e-mail: [email protected]

Александр Александрович Бах

Алтае-Саянский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, старший научный сотрудник, тел. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]

В работе приведены результаты оценки полноты конечно-элементных моделей инженерных сооружений, выполненной на основе сопоставления теоретических характеристик собственных колебаний и экспериментальных данных, полученных методом стоячих волн.

Ключевые слова: стоячие волны, конечно-элементное моделирование, обследование.

FINITE ELEMENT MODEL OF ENGINEERING STRUCTURES COMPLETENESS ASSESSMENT BY STANDING WAVES METHOD EXPERIMENTAL DATA

Artem A. Krasnikov

Altay-Sayan branch of Federal Research Center «Geophysical Survey Russian Academy of Science», 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Research Scientist, tel. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]

Alexandr F. Emanov

Altay-Sayan branch of Federal Research Center «Geophysical Survey Russian Academy of Science», 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, D. Sc., director, tel. (383)330-12-61, e-mail: [email protected]

Alexandr A. Bakh

Altay-Sayan branch of Federal Research Center «Geophysical Survey Russian Academy of Science», 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Senior Research Scientist, tel. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]

In the paper the results of completeness evaluation of finite element models of engineering structures, formed on the basis of a comparison between the theoretical characteristics of the natural oscillation and the experimental data obtained by the method of standing waves, are presented.

Key words: standing waves, finite element modeling, inspection.

В настоящее время расчеты собственных колебаний зданий и инженерных сооружений, как правило, выполняют в специализированных программах конечно-элементного моделирования (ANSYS, NASTRAN, SCAD, SALOME-MECA), позволяющих учитывать геометрические особенности объектов, физические свойства строительных материалов. При этом конечно-элементные модели, являясь приближением реальных сооружений, требуют обоснования, которому не уделяют должного внимания, что приводит к ошибкам в расчетах их сейсмической устойчивости.

Наиболее оптимальными параметрами для верификации конечно -элементных моделей являются характеристики собственных колебаний инженерных сооружений. Для их экспериментального определения по плотной сети наблюдений используют метод восстановления когерентных составляющих волновых полей [1], или метод стоячих волн, который включает современные алгоритмы цифровой обработки записей микросейсмических колебаний и прошел апробацию на большом числе объектов.

Для оценки полноты конечно-элементной модели покрытия арьерсцены Большого театра России (г. Москва) (рис. 1) регистрация микросейсмических колебаний выполнена по нижним поясам ферм в 91 точке. Такая плотность сети точек измерений позволяет выделять моды колебаний в широком диапазоне частот (как низкочастотные, так и высокочастотные), а также строить детальные

карты амплитуд колебаний.

а) б)

Рис. 1. Конечно-элементная модель покрытия арьерсцены Большого театра России: общий вид (а) и схема ферм (б)

В результате сопоставления расчетов и экспериментальных данных установлено, что собственные вертикальные моды конечно-элементной модели и реальной конструкции имеют схожие формы колебаний (табл. 1, рис. 2, 3). Наблюдаемые отличия в расположении пучностей и форме изолиний амплитуд колебаний указывают на неравномерное распределение жесткости реальной конструкций, в отличии от модели.

Для определения характеристик резонансных колебаний главного корпуса Адлерской ТЭС регистрация микросейсм выполнена по кровле сооружения в 289 точках. Расчеты собственных колебаний главного корпуса Адлерской ТЭС выполнены по трем конечно-элементным моделям (рис. 4) в программе SALOME-MECA [2].

Собственные частоты колебаний покрытия арьерсцены Большого театра России по данным метода стоячих волн и расчетам

Значение частот, Гц

Метод стоячих Метод конечных Описание мод

волн элементов

1 4.74 4.53 Вертикальная мода (1,1)

2 6.93 5.74 Вертикальная мода (1,2)

3 10.11 7.92 Вертикальная мода (1,3)

4 10.50 11.34 Вертикальная мода (2,1)

5 13.38 11.43 Вертикальная мода (1,4)

Рис. 2. Карты амплитуд колебаний вертикальной моды (1,1) покрытия арьерсцены по данным метода стоячих волн (а) и расчетам (б)

Рис. 3. Карты амплитуд колебаний вертикальной моды (1,4) покрытия арьерсцены по данным метода стоячих волн (а) и расчетам (б)

Рис. 4. Конечно-элементные модели главного корпуса Адлерской ТЭС

Создание конечно-элементных сеток для расчета выполнялось на основе геометрической модели, предоставленной специалистами ЗАО «Инжиниринговый центр ГОЧС «БАЗИС». Совместный анализ результатов расчетов модели, не учитывающей кровлю и торцевые конструкции (рис. 4, а), и экспериментальных данных показывает несоответствие теоретических и экспериментальных мод колебаний по частотам и формам (рис. 5), а также отсутствие в расчетах ряда мод, выделенных экспериментально (табл. 2). По результатам сопоставления расчетов собственных колебаний и результатов измерения микросейсмических колебаний исходная геометрическая модель (рис. 4, а) доработана путем добавления кровли (рис. 4, б) и боковых металлических конструкций (рис. 4, в), в результате чего достигнуто качественное соответствие расчетов и экспериментальных данных (рис. 6, 7).

Рис. 5. Карты амплитуд колебаний продольной моды (1,1) главного корпуса Адлерской ТЭС по данным метода стоячих волн (а) и расчетам (б)

Собственные частоты колебаний Адлерской ТЭС по данным метода стоячих волн и расчетам

Значение частот, Гц

Метод Метод конечных элементов Описание

стоячих волн Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3

1 1.81 1.82 1.48 1.74 Поперечная мода (1,1)

2 2.44 2.32 2.30 2.58 Поперечная мода (2,1)

3 2.73 3.17 2.75 2.80 Продольная мода (1,1)

4 3.08 - 3.02 3.14 Вертикальная мода (1,1)

5 3.42 - 3.26 3.47 Вертикальная мода (2,1)

Рис. 6. Карты амплитуд колебаний продольной моды (1,1) главного корпуса Адлерской ТЭС по данным метода стоячих волн (а) и расчетам (б)

Рис. 7. Карты амплитуд колебаний вертикальной моды (1,1) главного корпуса Адлерской ТЭС по данным метода стоячих волн (а) и расчетам (б)

Очевидно, что даже после сделанных корректировок колебания конечно-элементной модели не полностью соответствуют колебаниям реального здания. Однако показано, как путем уточнения модели можно добиться большей сходимости теоретических собственных колебаний и экспериментальных данных по стоячим волнам. При этом большое значение в сопоставлении теоретических и реальных колебаний играет сравнительный анализ форм колебаний, тогда как анализ только частот является малоинформативным.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пересчет стоячих волн при детальных инженерно-сейсмологических исследованиях / А.Ф. Еманов, В.С. Селезнев, А.А. Бах и др. // Геология и геофизика. - 2002. - Т. 43, № 2. - С. 192-207.

2. Structures and Thermomechanics Analysis for Studies and Research [Электронный ресурс]. URL: http://www.code-aster.org

© А. А. Красников, А. Ф. Еманов, А. А. Бах, 2017