Инженерное моделирование строительных конструкций как инструмент исследования напряженно-деформированного состояния

Министерство  образования Российской Федерации

Пермский  Государственный Технический Университет

Кафедра строительных конструкций

                                                                                                      

Реферат на тему:

«Инженерное моделирование строительных конструкций  как инструмент исследования напряженно-деформированного состояния. Математическое моделирование  с учетом дефектов и повреждений  в строительных конструкциях, осадок системы основание-фундамент здания. Понятие. Характеристика программно-расчетных комплексов. Примеры практической реализации. Условия распространения результатов моделирования на реальные конструкции. Оценка адекватности модели.»

 
 

     Работу выполнила:

     студентка группы

     Работу проверил:

     Патраков А.Н. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пермь, 2010г. 

Оглавление

1. Введение……………………………………………………………………….3
2. Математическое моделирование……………………………………………..4
3. Характеристика программно-расчетных комплексов………………………6
4. Примеры практической реализации…………………………………………11
5. Учет дефектов в расчетах строительных конструкций….…………………14
6. Оценка адекватности модели………………………………………………...15
7. Используемая литература…………………………………………………….16

 

Введение

   В последнее десятилетие экономически и методически целесообразно проведение исследований сложных сооружений с применением расчетных моделей.

   Моделирование - построение и изучение моделей реально существующих предметов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.

   Существует  два основных метода моделирования – физическое (инженерное) и математическое.

   Физическое  моделирование, основанное на теории простого или расширенного подобия, по мере усложнения задач исследований все менее целесообразно, так как не решает задач снижения трудоемкости и стоимости изготовления моделей, соблюдения планируемых сроков эксперимента.

   Поэтому в последнее время более целесообразно применять математические модели строительных конструкций, используя множество различных программных-комплексов.

   Сочетание при исследовании сложных строительных конструкций методов физического и математического моделирования обусловливает целесообразность применения принципа декомпозиции (членения) объекта исследований на более простые элементы, раздельные испытания которых потребуют гораздо меньше ресурсов по сравнению с испытаниями всей системы. Особенно этот принцип эффективен при исследовании сооружений, состоящих из большого количества однотипных элементов и узлов.

   Рассматривая  процесс исследования строительных конструкций как некоторую систему, необходимо выделить в ней три основные подсистемы:

   - экспериментальные исследования  на физических моделях;

   - расчетные исследования на математических  моделях;

   -связь  между экспериментом и расчетом, включающая идентификацию некоторых параметров расчетной модели, проверку ее адекватности и корректировку.

 

   

  Математическое  моделирование

  Любое математическое моделирование строится на формировании расчетной схемы  сооружения. Формирование расчетной схемы сооружения – это переход от реального объекта или конструкции к расчетной модели путем отбора наиболее существенных (значимых для конкретной ситуации) особенностей, их идеализация и схематизация, допускающая последующую алгоритмизацию и математическую обработку.

  При  изучении поведения сложной системы её расчленяют на более простые подсистемы: плоские или пространственные рамы, несущие стены и их фрагмен-ты, плиты перекрытий, фундаменты.

  

Рис.1. Декомпозиция каркаса многоэтажного здания

а - подсистема "ригель"; б - подсистема "плита"; в - подсистема "швы"

    Однако  при выборе расчетной схемы следует  придерживаться следующих правил:

  1. Аппроксимирующая модель работы  проектируемого объекта должна  правильно и полно отражать  работу реального объекта, т.е.  соответствовать механизмам его  деформирования и разрушения.

  Например: при расчетах на прочность изгибаемая балка должна противостоять моменту и поперечной силе, а при оценке жесткости для балки определяется прогиб; подпорная стенка рассчитывается на устойчивость против опрокидывания и на прочность основания по сжимающим напряжениям; сваи рассчитываются на вдавливание/ выдергивание по грунту и на прочность по материалу (при внецентренном сжатии/расстяжении), кроме того, для изгибаемой сваи проверяется заделка в основание, а при расчете по перемещениям для фундамента определяется осадка.

  2. Принимаемая расчетная гипотеза  должна ставить рассчитываемую  конструкцию в менее благоприятные  условия, чем те в которых  находится действительная конструкция.

  3. Расчетная  модель работы сооружения должна  быть достаточно простой. Целесообразно иметь не одну модель, а систему аппроксимирующих моделей, каждая из которых имеет свои границы применения.

  Инженерная  схематизация строительного объекта  связана с использованием допущений (гипотез), позволяющих математически  описать учитываемые реальные свойства конструкций и материалов. Приемы схематизации – общепринятые постулаты: закон Гука, закон Кулона, гипотеза плоских сечений, расчет по недеформированной схеме, замена реальной конструкции стержнем (колонн, балок перекрытий), пластинкой или оболочкой (плит покрытий, перекрытий, несущих стен).

  Формирование  расчетной схемы в строительном проектировании включает три группы допущений:

  1. схематизация  геометрической формы проектируемого  объекта, назначение граничных  условий.

  2. схематизация свойств материалов.

  3. схематизация  нагрузок.

  Реальный  объект заменяется идеализированным деформируемым  телом с изученными топологическими свойствами: стержень (балка), стержневой набор (рама, ферма), арка, плоская стенка, деформируемая в своей плоскости, изгибаемая пластинка, пространственное массивное тело и определенностью предполагаемого вида напряженно-деформированного состояния: плоское напряженное состояние, плоское деформированное состояние, трехмерное

напряженное состояние. 

   Характеристика программно-расчетных комплексов

   В настоящее время существует множество  программно-расчетных комплексов, позволяющих  моделировать строительные объекты  различной сложности. Ниже представлена краткая характеристика некоторых таких программных комплексов.

ПК "SCAD Office"

   Вычислительный  комплекс SCAD – универсальная вычислительная система, предназначенная для прочностного анализа строительных конструкций различного назначения на статические и динамические воздействия, а также ряда функций проектирования элементов конструкций. В основе программы лежит метод конечных элементов.

   SCAD включает развитую библиотеку конечных элементов для моделирования стержневых, пластинчатых, твердотелых и комбинированных конструкций, модули анализа устойчивости, формирования расчетных сочетаний усилий, проверки напряженного состояния элементов конструкций по различным теориям прочности, определения усилий взаимодействия фрагмента с остальной конструкцией, вычисления усилий и перемещений от комбинации загружений.

   SCAD office содержит несколько компонентов, при помощи которых является возможным конструировать различные типы сечений конструкций:

   Конструктор сечений – формирование произвольных составных сечений из стальных прокатных профилей и листов, а также расчет их геометрических характеристик, необходимых для выполнения расчета конструкций;

   Вест  – определение нагрузок и воздействий на строительные конструкции;

   Кросс – определение коэффициентов постели при расчете фундаментных конструкций на упругом основании на основе моделирования работы многослойного грунтового массива по данным инженерно-геологических изысканий;

   Арбат – для проверки несущей способности или подбора арматуры в элементах железобетонных конструкций;

   Монолит – проектирование железобетонных монолитных ребристых перекрытий, образованных системой плит и балок, опирающихся на колонны и стены;

   Камин – для проверки несущей способности конструктивных элементов каменных и армокаменных конструкций и т.д.

   Возможности ПК "SCAD Office" позволяют решать проектные  задачи не только в традиционной для настоящего времени прямой постановке: архитектурная идея —> пространственное моделирование —> расчет —> проект —> строительство объекта; но и в обратной: объект —> идея реконструкции —> обследование —> пространственное моделирование —> итерационный расчет —> оценка физического износа —> проект реконструкции —> реконструкция объекта.

   В рассматриваемой цепочке неопределенным звеном является оценка физического  износа несущих конструкций.

  Решение вопроса о физическом износе несущих  строительных конструкций зданий можно представить в виде следующей последовательности:

1. Проведение  технического обследования несущих  конструкций здания с выявлением  его реальных технических характеристик:  типа конструктивной схемы, жесткостных  характеристик материалов, характеристик узлов закрепления и т.д. (использование данных обследования здания с внесением надлежащих корректив и дополнений к техническому отчету и при необходимости - проведение дополнительного обследования).

2. Проведение  анализа конструктивной схемы здания и создание эталонных (без учета дефектов, деформаций, повреждений) пространственных моделей: архитектурной модели с помощью программных комплексов архитектурно-строительного проектирования (ArchiCAD, AutoCAD) и расчетной модели с помощью ПК;

3. Комплексный  расчет эталонной модели здания  в ПК с учетом свойств существующего  грунтового основания. Выявление  зон повышенных деформаций конструкций,  напряжений, просадок грунтов, несоответствий  данным проекта (при его наличии)  и сопоставление результатов первичного расчета с натурными исследованиями.

4. Внесение  корректировок в расчетную модель  здания: дополнительные зафиксированные  осадки, деформации, отклонения конструкций  от вертикали, моделирование трещин, уточнение свойств грунтового  основания на локальных участках и др.

5. Итерационный  комплексный расчет модели здания  в ПК с учетом внесенных  корректив в расчетную схему  и сопоставление результатов  расчета с натурными исследованиями.

6. Выявление  наиболее опасных зон перенапряжений  и сверхнормативных деформаций; зон, требующих дополнительного обследования, уточнения технических параметров пространственной модели, усиления или замены несущих строительных конструкций.

7. Оценка  степени физического износа несущих  строительных конструкций. 

   ПК "LIRA"

    ПК «ЛИРА-WINDOWS» - многофункциональный программный конечно-элементный комплекс для расчета, исследования и проектирования строительных конструкций различного назначения: высотных зданий, покрытий и перекрытий больших пролетов, подпорных стен, фундаментных массивов, каркасных конструкций промышленных цехов, отдельных элементов (колонн, ригелей, ферм, панелей) и других.