Научная статья на тему 'Трудности проектирования и строительства пространственных тонкостенных оболочек'

Трудности проектирования и строительства пространственных тонкостенных оболочек Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
388
91
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Academy
Ключевые слова
ТОНКОСТЕННЫЕ ОБОЛОЧКИ / КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ / КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Наширалиев Жанкелди Туртемирович, Каргаева Акбиби Тобышкызы

Современные тенденции развития строительной механики и практика проектирования тонкостенных оболочечных конструкций побуждают разрабатывать уточненные численные методы исследования нелинейного деформирования и устойчивости оболочек различного типа.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Наширалиев Жанкелди Туртемирович, Каргаева Акбиби Тобышкызы

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Трудности проектирования и строительства пространственных тонкостенных оболочек»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

ТРУДНОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК Наширалиев Ж.Т.1, Каргаева А.Т.2

1Наширалиев Жанкелди Туртемирович - ассоциированный профессор;

2Каргаева Акбиби Тобышкызы - магистрант, кафедра строительства и строительных материалов, Казахский национальный исследовательский технический университет им. К.И. Сатпаева,

г. Алматы, Республика Казахстан

Аннотация: современные тенденции развития строительной механики и практика проектирования тонкостенных оболочечных конструкций побуждают разрабатывать уточненные численные методы исследования нелинейного деформирования и устойчивости оболочек различного типа.

Ключевые слова: тонкостенные оболочки, конструкций зданий и сооружений, компьютерное моделирование.

В настоящее время основополагающими принципами строительства являются эффективность применяемых конструкций, экономия строительных материалов и архитектурная выразительность зданий и сооружений. Применение тонкостенных пространственных конструкций в качестве покрытий и перекрытий строительных сооружений в полной мере удовлетворяет всем перечисленным требованиям.

Тонкостенные пространственные конструкции представляют собой системы, состоящие из тонких оболочек или пластин, подкрепленных опорными элементами. Оболочечные системы обладают множеством достоинств и широко применяются в различных отраслях техники: авиастроении, судостроении, машиностроении. В строительстве тонкостенные пространственные конструкции в основном используются в качестве большепролётных покрытий сооружений: спортивных объектов, ангаров, выставочных залов, рынков, промышленных зданий. Такие покрытия особенно целесообразны при перекрытии больших пролетов без промежуточных опор, когда применение плоских конструкций затруднительно. Если плоские конструкции покрытий способны перекрыть пролет максимум 24 м, то тонкостенные пространственные покрытия - до 100 м и более. Это происходит благодаря особенностям работы пространственной конструкции покрытия под нагрузкой (безмоментность и работа оболочки в плане в двух направлениях). Используя тонкостенные пространственные конструкции, достигают лучшего использования материалов, их существенную экономию. Меньшая материалоемкость влечет за собой меньшую массу покрытия и, как следствие, меньшую нагрузку на низлежащие конструкции. Практика показала, что пространственные покрытия экономичнее плоских на 25-40%.

Проектирование и строительство пространственных конструкций типа оболочек покрытий связано с определенными трудностями и проблемами. Одной из проблем является компьютерное моделирование и создание совершенных методов расчета, учитывающие конструктивные особенности таких систем. В зависимости от типа оболочек используют различные модели и подходы. Существует безмоментная, моментная и полумоментная теории их расчета, которые используются в зависимости от типа оболочек. Оболочечные конструкции по основному типу их работы делятся на следующие:

1. конструкции с преобладающими изгибными усилиями;

2. конструкции, работающие в основном на сжатие;

3. конструкции, работающие в основном на растяжение;

4. безизгибные системы, работающие на растяжение/сжатие, и отдельно выделяется группа трансформируемых покрытий.

Эти 4 группы сооружений идентичны четырем группам строительных конструкций и объектов (конструктивным формам):

1. плиты, настилы, длинные цилиндрические оболочки;

2. крестовые своды, купола;

3. подвесные конструкции, висячие оболочки, мембранные покрытия, сетки из тросов, вант, пневматические и тентовые сооружения;

4. структурные стержневые плиты, сетчатые оболочки;

5. трансформируемые жесткие покрытия.

Кроме того, существует классификация по их виду:

1. покрытия (жесткие и мембранные оболочки),

2. используемому материалу (железобетонные, стальные, композитные и др.),

3. конструктивным признакам (составные тонкостенные оболочки, складки и оболочки, очерченные по единой поверхности),

4. форме перекрываемой площади и принятой форме поверхности.

Встречаются и другие классификации тонкостенных пространственных форм и

оболочек. Существуют три критерии их классификации:

1. Конструкции, здания покрытия оболочечного типа, срединные поверхности которых очерчены по аналитическим поверхностям;

2. Конструкции, здания покрытия оболочечного типа, срединные поверхности которых не очерчиваются аналитическими уравнениями;

3. Складки, многогранные конструкции, здания и покрытия.

Для моделирования различных сложных физических процессов широко используются численные методы. Сегодня они активно вытесняют натурные эксперименты, в силу в силу их высокой стоимости и малой гибкости. Особенно это относится к тем научным направлениям, где эксперименты занимают длительное время (1000 и более часов) при сложных условиях нагружения. Одним из таких научных направлений является исследование поведения оболочечных конструкций с использованием компьютерного эксперимента. Для расчета пространственных тонкостенных конструкций используют программные комплексы, основанные на методе конечных элементов. Суть метода конечных элементов (МКЭ) в форме метода перемещений состоит в следующем [1, 2, 3].

1. Инженерные конструкции рассматриваются как некоторая совокупность конструктивных элементов, соединенных в конечном числе узловых точек. Реальная конструкция с бесконечным числом степеней свободы заменяется конечно-элементной моделью - совокупностью конечного числа элементов, каждый из которых имеет конечное число степеней свободы. Взаимодействие элементов друг с другом и с внешней средой происходит посредством узловых перемещений.

2. Для каждого конечного элемента на основе зависимостей теории упругости, определяются соотношения между силами и перемещениями и получаются матрицы жесткости элементов Ке, соответствующие общим степеням свободы конструкции.

3. Строится общая матрица жесткости конструкции К из матриц жесткости отдельных элементов непосредственным суммированием по всем элементам.

4. С использованием средств линейной алгебры получаются в матричном виде разрешающие уравнения в векторной форме для статического расчета:

Ки = Р, (1)

где и - вектор узловых перемещений в глобальной системе координат, Р - вектор внешних, действующих в направлении глобальных перемещений конструкции;

или уравнения движения для динамического расчета:

М - и> + С - и> + К - и = Р (0, (2)

где М, С, К соответственно матрицы масс, демпфирования и жесткости, Р(Ч) -вектор внешней узловой нагрузки, и- векторы узловых перемещений, и 1_ скоростей, и 1_ ускорений конечно-элементной модели;

18

5. Задаются граничные условия. Решение полученной системы уравнений дает смещения узловых точек элементов (вектор U);

6. Внутренние усилия и напряжения в элементах получаются умножением матриц жесткости Ke на вектор перемещений.

Совершенствование метода конечных элементов включает более точный учет различных видов нелинейности, температурные условия, различного рода включения, условия сопряжений в узловых соединениях, геотехнические вопросы и др. Существующие программные комплексы не могут одновременно удовлетворить всем требованиям, поэтому необходимо выявить приоритеты и преимущества той или иной программы и их блочная комбинация. Выводы

1. Для создания эффективных конструкций зданий и сооружений необходимо совершенствовать математическое, физическое и компьютерное моделирование их жизненного цикла и использовать в расчетных схемах новые технологии и новые композитные материалы, соответствующие последним научным достижениям в области строительства и вычислительной техники.

2. Для надежности и безопасности эксплуатации зданий и сооружений необходимы постоянный мониторинг состояния конструкции, своевременное усиление ее жесткости и устойчивости с помощью компьютерных экспериментов, разработки новых алгоритмов, подходов и методов расчета конструкции.

3. Совершенствовать программные комплексы для расчета конструкций с учетом новых требований к прочности, устойчивости и динамики зданий и сооружений.

Список литературы

1. Поливанов АА. Расчет оптимальных геометрических характеристик оболочечных конструкций при статическом нагружении // Современные проблемы науки и образования, 2009. № 6-3. С. 111-115. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sdence-education.ru/ru/artide/view?id=1442/ (дата обращения: 11.04.2016).

2. Моссаковский В.И., Гудрамович В.С., Макеев Е.М. Контактные взаимодействия элементов оболочечных конструкций: [монография]. Ин-т техн. механики АН УССР. К.: Наукова думка, 1988. 288 с.

3. Бруяка В.А., Фокин В.Г., Солдусова Е.А., Глазунова Н.А., Адеянов И.Е. Инженерный анализ в ANSYS Workbench: учеб. пособ. Самара: Самар. Гос. техн. ун-т, 2010. 295 с.

4. Григорьев И.В., Прокопьев В.И., Твердый Ю.В. Деформирование, устойчивость и колебания оболочечных конструкций. М. Изд. АСВ, 2007. 208 с.

5. Огородникова О.М. Расчет конструкций в ANSYS. Сборник учебных пособий. Издательство: Техноцентр компьютерного инжиниринга, 2009. 52 с.

6. Семенов А.А. Геометрически нелинейная математическая модель расчета прочности и устойчивости ортотропных оболочечных конструкций. Автореферат диссерт. Санкт-Петербург, 2015.

7. Солдатов А.Ю. Разработка алгоритмов исследования устойчивости пространственных конструкций с учетом физической нелинейности. Автореферат диссерт. Москва, 2014.

8. Теплых А.В. Применение оболочечных и объемных элементов при расчетах строительных стальных конструкций в программах SCAD и Nastran c учетом геометрической и физической нелинейности // Инженерно-строительный журнал, 2011. № 3 (21). С. 4-20.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.