Инженерное моделирование строительных конструкций как инструмент исследования напряженно-деформированного состояния

    «Лира-windows» - модульная система, состоящая из следующих модулей:

ЛИР-ВИЗОР  – формирование конечно-элементной моделей рассчитываемых объектов, описание физико-механических свойств материалов, налагаемых связей, нагрузок и воздействий, а также взаимосвязей между нагрузками с целью определения их наиболее опасных сочетаний; расчет напряженно-деформированного состояния.

ЛИР-АРМ – подсистема конструирования ж/б конструкций (подбор площадей сечений арматуры элементов колонн, балок, плит и оболочек по первому и второму предельным состояниям).

ЛИР-СТК – подбор сечений элементов стальных конструкций (фермы, колонны и балки).

УСТОЙЧИВОСТЬ  – модуль проверки общей устойчивости рассчитываемого сооружения с определением коэффициента запаса и формы потери устойчивости.

ЛИТЕРА  – модуль, реализующий вычисление главных и эквивалентных напряжений по различным теориям прочности.

СЕЧЕНИЕ – модуль, позволяющий сформировать сечения произвольной конфигурации, вычислить их осевые, изгибные, крутильные и сдвиговые характеристики. 

    ANSYS

    Сложность моделирования строительных объектов для выполнения качественного расчёта  и анализа с целью определения  резервов несущей способности при наличии дефектов, или для выявления участков конструкции, в которых возможно появление и развитие трещин, требует работы с так называемыми «тяжёлыми» расчётными системами, примером которых является программный комплекс ANSYS – один из самых мощных современных программных продуктов, позволяющих выполнять полноценный анализ проектных разработок новых и реконструируемых зданий. ANSYS позволяет проводить сложные нелинейные расчёты, учитывать все особенности строительных конструкций, в том числе, наличие и развитие системы трещин или ухудшение свойств материалов, взаимодействие здания с грунтовым массивом, влияние времени и поэтапное изменение внешних нагрузок. Это даёт возможность специалисту получать наиболее достоверные результаты расчёта при проведении вычислительных экспериментов, существенно сокращая сроки и финансовые потери на производство работ. 

    Задачи, решаемые с помощью  программного комплекса ANSYS.

    Mодули: ANSYS Multiphysics, ANSYS Mechanical, ANSYS Structural, ANSYS Professional, ANSYS DesignSpace.

    - статический и динамический анализ конструкций с учетом нелинейного поведения материалов, включая ползучесть, большие пластические деформации, значительный изгиб, сверхэластичность, накопление остаточной деформации при циклическом нагружении, изменяющиеся условия контакта.

    - определение собственных мод и резонансных спектров вынужденных колебаний, а также смещений и напряжений по известным вибрационным спектрам.

    - динамический анализ переходных процессов и точный динамический анализ, моделирующий большие деформации в тех случаях, когда значимыми становятся силы инерции – ударное нагружение, дробление, быстрая формовка и т.п.

    - контактные задачи (поверхность-поверхность, узел-поверхность, узел-узел, cтержень-стержень).

    - задачи потери устойчивости конструкций.  

 

    

    Примеры практической реализации. 

Упруго-пластический расчет плитного фундамента на неоднородном основании.

    В настоящее время при расчете  гибких фундаментов по схеме «основание-фундамент» используются два метода определения деформаций. Это метод местных упругих деформаций и метод общих упругих деформаций. Метод местных упругих деформаций, предложенный Фуссом-Винклером нашел практическую реализацию в ряде программ «LIRA, CSAD, ADAPT, MAT3D, ELPLA, STAAD/Pro и др. Расчет гибких фундаментов при упругом и неупругом поведении грунта и материала фундаментов можно выполнить с использованием программ ANSYS, ABAQUS, CIVILFem и др.

    Во  вновь вышедшем своде правил СП 50-0101-2004 /1/ раздел 12.5 «Расчет плитных фундаментов», п. 12.5.4 рекомендуется «…Расчет внутренних усилий в системе «основание-фундамент-сооружение» допускается выполнять с использованием программ расчета сооружения на основании, характеризуемом переменным в плане коэффициентом жесткости (постели) ….», т.е. фактически предлагается использовать при проектировании гибких фундаментов первую группу программ расчета, отмеченные ранее.

    Однако  в рекомендациях /2/ предлагается при  расчете фундаментных плит использовать и другие расчетные схемы:

    - линейно-деформируемый слой с  приведенным модулем деформации и осредненным коэффициентом Пуассона;

    - линейно-деформируемое полупространство  с приведенным модулем де-формации  и осредненным коэффициентом  Пуассона;

    - основание, подчиняющееся гипотезе  коэффициента постели с постоянным  или переменным коэффициентом постели.

    В данной работе представлены результаты проектирования плитного фундамента 10-ти этажного жилого дома на неоднородном грунтовом основании. С целью сравнения, статические расчеты выполнены с использованием двух моделей основания:

- постоянным  и переменным коэффициентом постели;

    - нелинейно-дефомируемого полупространства.

    В обоих случаях применена расчетная  схема «основание – фундамент». Фундамент реализован в виде двух конструкций. Конструкция в виде плиты толщиной 75 см и конструкция в виде плиты той же толщины, но с введением стен цокольной части здания.

    Статический расчет плиты совместно с основанием выполнен с использованием программы ANSYS.

    Процесс деформации бетона можно представить  в виде нескольких стадий: упругое деформирование без трещин, упруго-пластическое деформирование, ста-дию образование и развития трещин. Причем микротрещины могут возникать и на стадии упругого деформирования, а развитие макротрещин сопровождаться упруго-пластическим деформированием вблизи кончика трещины. Существую-щие определяющие уравнения, заложенные в самой программе для расчета, учитывают зависимость деформации бетона от всестороннего давления, зависимость поведения от траектории нагружения, деградацию жесткости и циклическое нагружение. Последняя модель поведения бетона включена в ANSYS в виде конечного элемента SOLID65.

     В данной работе используется упруго-пластическая модель материала Друкера-Прагера, которая предполагает упругое идеально-пластическое поведение бетона и имеет меньшее количество определямых из опытов параметров,что упрощает ее использование.

    Модель  материала Друкера-Прагера включена

в программу ANSYS для описания упруго-пласти-

ческого поведения без упрочнения и может быть

применена при  описании напряженно-деформиро-

ванного состояния как конструкций из бетона, так

и массивов грунта.

        Рис. 2. Модель, включающая     

плоскую плиту и основание.  Вертикальная деформация 
 
 
 

   

Рис. 3. Пластические деформации в    Рис. 4. Вертикальная деформация плиты и массиве грунта      массива грунта 

            Рис. 5. Модель фундамента, включающая  Рис. 6. Пластические деформации в  
плиту, стены подвала и массив грунта.    массиве грунта. 
Вертикальная деформация. 

    Согласно  приведенным выше диаграммам, результаты расчетов – пластические деформации – зависят от применяемой расчетной семы.

    Значит, для оценки правильности расчетов необходимо учитывать не только свойства материалов и грунтов, но и их работу в комплексе; т. е. влияние расчетной схемы на результаты расчета.

    Вывод: учет осадок системы «основание-фундамент» подразумевает применение специальных конечных элементов для описания конструкций фундамента, применение различных моделей основания, используемых при расчетах соответственно в разных программных комплексах.

    Учет  дефектов в расчетах строительных конструкций.

    Сейчас  всё больше и больше людей пытаются наиболее адекватно смоделировать  различные конструкции сооружений, деталей, с учетом их дефектов и повреждений, трещин, коррозии.

    Однако  в настоящее время методика учета  дефектов в МКЭ модели находится только в разработке. Пытаются систематизировать и оптимизировать ввод конкретных дефектов строительных конструкций в идеализированную МКЭ модель. Основная сложность состоит в точном геометрическом описании трещин в конструкциях в зависимости от причины их появления.

    В настоящее время при анализе  конструкций и их элементов помимо традиционной задачи определения напряженно-деформированного состояния все чаще рассматриваются задачи определения ресурса конструкций. Одним из вопросов, которые необходимо изучить в данном случае является вопрос условий разрушения конструкций. На сегодняшний день в численных методах решения задач механики деформируемого твердого тела развиваются два основных подхода к решению указанной задачи. Первый подход – моделирование развития дефектов (поры, трещины и т.п.) с учетом изменения граничных условий в рассматриваемом элементе конструкции и перестроение сетки при изменении размеров дефекта. Второй подход – оценка степени поврежденности материала в элементах конструкции при условии, что дефекты и их рост в явном виде не рассматриваются.

    Согласно  публикациям, посвященным применению первого подхода, указанный подход является индивидуальным для каждой конкретной задачи и приводит к написанию собственного программного обеспечения или макросов в существующих системах конечно-элементного анализа (ANSYS, NASTRAN и т.п.). Его применение требует от пользователя уровня знаний научного сотрудника, имеющего опыт численного моделирования задач роста трещин.

    Второй  подход не позволяет в явном виде оценить момент разрушения конструкции, но позволяет получить наглядную картину степени поврежденности конструкции на основе, используемых моделей накопления повреждений. Указанная картина может применяться при оценке ресурса конструкции. Данный подход соответствует требованиям, предъявляемым к методам исследования процессов разрушения в массовых системах конечно-элементного анализа, используемых при решении инженерных задач. К недостаткам данного подхода можно отнести то, что не учитывается влияние деградации свойств материала вследствие накопления повреждений при анализе напряженно деформированного состояния рассматриваемых элементов конструкций.

    В настоящее время при изучении процессов разрушения выделяют ряд  основных явлений, характеризующих особенности протекания указанных процессов. На основе введенного положения механизмы разрушения разделяют на следующие основные типы: динамическое (импульсное), например: ударное; длительное, например: ползучесть, релаксация; периодическое (циклическое), например: квазистатическое, малоцикловая усталость, многоцикловая усталость. Среди перечисленных выше процессов разрушения одной из наиболее типичных и часто встречающихся причин отказов элементов инженерных конструкций является процесс многоцикловой усталости.  

    Оценка адекватности модели

    В общем случае под адекватностью  понимают степень соответствия модели тому реальному явлению или объекту, для описания которого она строится. Вместе с тем, создаваемая модель ориентирована, как правило, на исследование определенного подмножества свойств этого объекта.

    Поэтому можно считать, что адекватность модели определяется степенью ее соответствия не столько реальному объекту, сколько  целям исследования. 

 

    

    Используемая  литература

• Интернет-ресурсы
• СП 50-0101-2004
• «Основы автоматизации проектирования в строительстве» Г.Г.Кашеварова
• «Методические рекомендации по исследованию строительных конструкций с применением математического и физического моделирования» В.И. Кретов, Ф.В. Ярмульник
• «Ansys в примерах и задачах» К.А. Басов
• «Упруго-пластический расчет плитного фундамента на неоднородном основании» Г.Г. Болдырев, А.Ю. Трегуб
• «Сравнительная оценка результатов расчета фундаментной плиты различными методами» Г.Г. Болдырев, А.В. Гордеев