РАЗВИТИЕ СТАТИКО-ДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність обраної теми, наведена загальна характеристика роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, надані відомості про наукову новизну та практичне значення результатів, показаний особистий внесок здобувача, надана інформація про апробацію, структуру та обсяг дисертаційної роботи.

У першому розділі окреслені проблеми надійної та безаварійної експлуатації будівель і споруд, у тому числі й на територіях зі складними інженерно-геологічними умовами. Проаналізовані фактори, які впливають на міцність і ком­фортність будівель, систематизовані навантаження та впливи на будівлі і споруди та способи їхнього врахування, описані особливості розрахункових моделей будівель при статичних та динамічних навантаженнях і впливах, наведений аналіз спеціальної науково-технічної літератури, нормативних і довідкових джерел, присвячених моделюванню та розрахункам будівель і споруд, які експлуатуються в складних інженерно-геологічних умовах, з метою забезпечення нормативних вимог.

Показано, що нині відсутні загальноприйняті єдині підходи і методики розрахунків будівельних об'єктів при різних видах статичних і динамічних навантаженнях і впливах, в різних умовах і на різних стадіях життєвого циклу будівель і споруд. Основи статики і динаміки будівельних конструкцій, будівель і споруд були розроблені в класичних працях Р. Гука, Л. Ейлера, І. Ньютона, Ж. Л. Лагранжа, Ж. Л. Д'Алам­бера, Дж. П. Ден-Гартога, Д. І. Журавського, С. П. Тимошенко, О. М. Кри­лова та ін. Сучасний етап розвитку теорії розрахунку конструкцій будівель і споруд базується на роботах М. Ф. Барштейна, Б. Г. Коренєва, А. Б. Мор­гаєвського, Г. С. Пісаренка, І. М. Рабіновича, А. Р. Ржаніцина, А. П. Сініцина, А. Ф. Смірнова, В. І. Феодосьєва та ін. Методам проведення випробувань конструкцій, а також їх приладовому забезпеченню і метрології присвячені роботи М. М. Аістова, А. Б. Злочевського, Ю. І. Йориша, І. Л. Корчинського, Л. С. Максимова, М. С. Стрілецького та ін., питанням технічної діагностики, у тому числі й вібродіагностики, обстеження і ремонту будівель і споруд, моніторингу їхнього стану – роботи М. Д. Бойка, А. С. Золоткова, М. І. Казакевича, В. В. Кулябка, Л. С. Максимова, О. В. Лужина та ін.

Теорії та практиці створення, моделювання, розрахунку, конструювання, дослідження та оптимізації будівельних конструкцій, присвячені роботи Є. М. Бабіча, В. М. Байкова, А. М. Бамбури, А. Я. Барашикова, О. І. Голоднова, Є. В. Горохова, О. І. Давиденка, П. Ф. Дроздова, О. О. Диховічного, В. І. Єфіменка, М. І. Карпенка, С. М. Карпенка, Р. І. Кінаша, В. І. Корсуна, Н. П. Мельникова, Б. В. Остроумова, В. А. Пермякова, А. В. Перельмутера, С. Ф. Пічугіна, Ю. М. Почт­мана, І. Є. Прокопо­­вича, М. В. Савицького, О. В. Семка, А. В. Сильвестрова, В. І. Слівкера, С. О. Сло­­­­­­бодянюка, Л. І. Стороженка, В. В. Трофимовича, В. М. Шимановського.

Питання динамічних розрахунків будівель і споруд розглянуті в роботах Я. М. Айзенберга, А. Н. Бірбраєра, В. С. Дорофєєва, М. І. Казакевича, Р. Клаф, В. В. Кулябка, Я. Г. Пановка, Дж. Пензієн, Н. Н. Попова та ін., у тому числі на       вітрові динамічні навантаження – М. І. Казакевича, В. М. Острєцова, Е. Сіміу, Р. Сканлана, Г. М. Фоміна, W. H. Melbou e та ін., на сейсмічні навантаження – Дж. Ф. Борджеса, В. К. Єгупова, К. В. Єгупова, І. Є. Іцкова, Д. В. Кісельова, Л. Ш. Килимника, Ю. І. Немчинова, С. В. Полякова, С. Ю. Фіалко, T. Paulay, M. J. N. Priestley та ін., по нелінійних коливаннях механічних систем – В. А. Баженова, В. І. Гуляєва, Є. С. Дехтярюка, Е. М. Кваші, В. М. Кущенка, А. І. Маневича, Ю. В. Міхліна та ін., по стійкості, віброзахисту та динамічному гасінню коливань – Д. Вейнера, А. А. Зєвіна, В. А. Івовича, Л. М. Резнікова та ін.

Також проаналізовані роботи вчених, присвячені питанням динаміки будівельних конструкцій, ґрунтових основ і моделюванню їх спільної роботи, а саме – О. С. Городецького, Б. Г. Демчини, А. С. Дехтяря, М. Ф. Друкованого, О. О. Диховічного, В. К. Єгупова, К. В. Єгупова, М. І. Колякова, В. С. Кукунаєва, А. І. Лантух-Лященка, М. Г. Марьєнкова, Б. М. Островерха, Є. Ф. Панюкова, В. Г. Піскунова, А. А. Рассказова, А. М. Рижова, В. Л. Сивіна, В. М. Сеймова, В. Л. Сєдіна, О. М. Трофимчука, Г. І. Чорного, В. Г. Шаповала, В. Б. Кравця, А. В. Шимановського, В. С. Шокарева та ін.

Питаннями моделювання роботи будівельних конструкцій, особливо­стями формування розрахункових моделей, можливості їх аналізу і контролю адекватності реальним об'єктам систем, що розраховуються, займалися В. П. Агапов, Л. Г. Батрак, О. С. Городецький, Є. В. Горохов, О. О. Диховічний, І. Д. Євзеров, С. Ф. Клованіч, В. Комков, Е. З. Криксунов, В. В. Кулябко, А. В. Перельмутер, В. І. Слівкер, Є. Б. Стрелец-Стрелецький, Е. Хог, К. Чой, R. L. Taylor, O. C. Zienkiewicz та ін.

Проблеми забезпечення комфортності перебування людини в будівлях і спорудах при зведенні, експлуатації та реконструкції, питання виброекології, моніторингу та вібродіагностики розглядалися в роботах Ф. М. Діментберга, Л. К. Ісаєва, Ю. І. Калюха, Ю. П. Назарова, Н. А. Ніколаєнка, П. Ф. Овчиннікова, Я. Г. Пановка, О. М. Пшинька, К. В. Фролова.

Особливостям роботи ґрунтових основ, фундаментів та їхньої взаємодії з верхніми будовами при статичних та динамічних навантаження, у тому числі у складних інженерно-геологічних умовах, присвячені дослідження і роботи Ю. М. Абе­лєва, М. Ю. Абелєва, К. С. Абдурашидова, Я. М. Айзенберга, Ю. К. Ам­бріашвілі, М. У. Ашимбаєва, І. М. Балкарея, В. А. Баранова, Д. Д. Баркана, І. П. Бойка, С. І. Го­ловка, М. І. Горбунова-Посадова, О. О. Диховічного, Т. Ж. Жунусова, В. А. Ільїчова, Б. К. Карапетяна, С. М. Клепікова, В. І. Крутова, В. М. Ломбардо, І. В. Матвеєва, А. А. Мусаеляна, А. Г. Назарова, Ю. П. Назарова, М. А. Ніколаєнка, О. О. Петракова, С. В. Полякова, В. Т. Рассказовського, О. А. Савінова, В. Д. Тихомірова, А. С. Тре­губа, О. М. Уздіна, Е. Є. Хачіяна, О. В. Школи та ін.

Аналіз приведених досліджень показав, що основними факторами, що впливають на будівельні конструкції, будівлі і споруди з боку ґрунтових основ є деформації, викликані як силовим навантаженням, так і процесами, що відбуваються в ґрунтах із специфічними властивостями. За наявності на майданчику будівництва ґрунтових основ, що відносяться до категорії складних інженерно-геологічних умов, такі деформаційні дії на конструкції фундаментів і верхніх будов будівельних об'єктів є переважаючим видом дій, що нерідко призводить до істотних проблем при проектуванні, зведенні та експлуатації цих об'єктів. Необхідність урахування спільної роботи конструкцій будівель і споруд з ґрунтовими основами в розрахункових моделях очевидна, особливо для складних інженерно-геологічних умов.

Проблеми коректного теоретичного моделювання процесів статики і динаміки, проведення розрахунків і натурних випробувань будівельних конструкцій будівель і споруд виникають при проектуванні, будівництві, реконструкції, обстеженні і діагностиці стану будівельних об'єктів. Основною проблемою моделювання будівельних конструкцій є надзвичайна складність їх адекватного опису, який дозволив би розрахувати параметри НДС на будь-якій стадії роботи від виготовлення до руйнування або вичерпання терміну експлуатації.

Підкреслено, що існуючі нормативні документи та довідкова література для інженерів-проектувальників не дають чітких і повних рекомендацій зі складання розрахункових моделей будівель і споруд, що експлуатуються в складних інженерно-геологічних умовах, та врахування факторів, які суттєво впливають на роботу будівельних об’єктів. На основі цього сформульовані мета та основні задачі досліджень даної роботи.

У другому розділі наведене теоретичне обґрунтування необхідності врахування попередніх деформацій при розрахунках параметрів НДС конструкцій будівель і споруд у складних інженерно-геологічних умовах.

Для складних інженерно-геологічних умов потрібне врахування факторів, що чинять істотний (а іноді і визначний) вплив на параметри НДС конструкцій фундаментів та надфундаментної будови. Таким фактором є попередні деформації. Термін «попередні деформації» запропонований для позначення деформацій, накопичених будівельним об'єктом на момент визначення поточної розрахункової ситуації, у вигляді крену і перекосів несучої системи будівель і споруд, зміни висотного положення несучих конструкцій, локальних зміщень частин конструкцій та їхніх вузлів, а також дефектів, що викликають зміщення центрів ваги перерізів конструкцій.

Попередні деформації можуть бути двох типів:

– фактичні, визначені в ході інструментального обстеження технічного стану будівельного об'єкту або прямих вимірів при технічному огляді;

– прогнозовані, визначені при проектуванні на підставі розрахунку взаємодії будівлі (споруди) з ґрунтовою основою за результатами інженерно-геологічних досліджень та вірогідних розрахункових ситуацій.

Урахування попередніх деформацій в розрахункових моделях за типом близьке до так званої «генетичної» нелінійності. Початкова деформована схема об'єкту, що включає попередні деформації і застосовується як розрахункова модель, використовується для врахування можливих (при проектуванні, зведенні) або фактичних (при експлуатації, реконструкції, моніторингу) деформацій, викликаних нерівномірними осіданнями основ.

Для отримання деформованої моделі в роботі передбачено три можливості:

– коригування геометричної схеми розрахункової моделі за даними натурного обстеження (для експлуатованих будівель і споруд) або за результатами розрахунку прогнозованих перекосів та кренів (для проектованих будівель і споруд);

– збереження деформованої схеми розрахункової моделі МКЕ (чи інших методів, які дозволяють враховувати в статиці та динаміці значні деформації), отриманої в результаті статичного розрахунку системи «будівля (споруда) – основа», як вихідних даних для наступного етапу розрахунку за спеціальним алгоритмом;

– перетворення переміщень вузлів моделі, отриманих при розрахунку системи «будівля (споруда) – основа» МКЕ, в еквівалентні навантаження, реалізоване в деяких, у тому числі й кінцевоелементних, програмних комплексах (ПК) (наприклад, LIRA-Windows, SCAD Office), і виконання подальших розрахунків з використанням завантаження, що враховує передісторію силового та деформаційного навантаження системи.

Показано, що з приведених способів завдання попередніх деформацій перші два враховують тільки переміщення вузлів моделі, що дозволяє отримати тільки додаткові зусилля і напруження, але не враховує накопичені за час експлуатації. І тільки третій спосіб дає повну картину НДС конструкцій будівлі (споруди), враховуючи передісторію її навантаження, коли поточна реакція конструкцій будівлі (споруди) на зовнішні дії накладається на її напружений стан, що виникає в результаті дії нерівномірних деформацій ґрунтової основи. Це обґрунтовано може трактуватися як урахування генетичної нелінійності як у статиці, так – при наявності відповідного інструментарію – і в динаміці.

Врахування попередніх деформацій в розрахункових моделях будівель і споруд полягає в їхньому включенні до процедури розрахунку як початкових умов. Фактично попередні деформації уводяться до рівнянь рівноваги, і подальша процедура розрахунку припускає обчислення значень зусиль і напружень від сумарних деформацій на кожному кроці.