ОСОБЛИВОСТI НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ВЕЛИКОПРОГОНОВИХ КОНСТРУКЦІЙ З ВРАХУВАННЯМ НЕЛІНІЙНОЇ РОБОТИ Автореферат

У вступі обґрунтовано актуальність теми, розкрито суть і стан наукової проблеми. Надана загальна характеристика роботи, надані відомості про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, вказаний особистий внесок здобувача, відомості щодо апробації та впровадження результатів дисертаційної роботи.

Наведена характеристика публікацій, структура та обсяг дисертації.

У першому розділі розглянуто ретроспективу та існуючі методи розрахунку великопрогонових конструкцій, проведено аналіз експериментальних та теоретичних досліджень стосовно особливостей напружено-деформованого стану великопрогонових конструкцій з врахуванням нелінійної роботи. Приведені їх достоїнства, недоліки, сучасний стан досліджень. Сформульовані задачі подальших досліджень

Дослідженню напружено-деформованого стану великопрогонових конструкцій будівель і споруд та їх нелінійної роботи присвячені труди провідних українських та російських вчених, в тому числі Баженова В.А., Білика С.І., Верюжського Ю. В. , Голоднова О.І., Гордеєва В.Н., Горохова Є. В., Лебедича І.Н., Лисиціна Б.М., Мущанова В.Ф., Оглоблі О.І., Цихановського В.К., Шимановського В.М., Шимановського О.В. та інших.

Аналіз їх праць виявив значну складність вирішення задач при розрахунку та проектуванні великопрогонових конструкцій Це зумовлено необхідністю врахування нелінійних параметрів в розв’язанні таких задач.

Комп’ютерному моделюванню конструкцій різного ступеню складності, дослідженню сумісної роботи конструкцій при різних навантаженнях, врахуванню сумісної роботи конструкцій присвячені роботи – Барабаш М.С. , Городецького О.С. , Деркачова А.А., Кісіль А.І. , Кліменка В. З., Колчунова В.І. , Кравченко В.І. , Манжоса А.І. , Матвєєва І.В. Немчинова Ю.І., Савицького М.В., Слівкера В.І., Перельмутера А.В.

Накопиченим досвідом визначена класифікація великопрогонових конструкцій за типами конструктивних схем та за їх статичною роботою.

За типами конструктивних схем великопрогонові споруди мають наступну класифікацію:

a) площинні великопрогонові конструкції покриттів: балки, ферми, рамні конструкції, арки;

b) просторові великопрогонові конструкції покриттів: складки, склепіння, оболонки, куполи;

c) висячі (вантові) конструкції: висячі покриття, підвісні вантові конструкції, покриття з жорсткими вантами, мембрани, комбіновані системи

d) Трансформовані та пневматичні покриття: трансформовані покриття; тентові та пневматичні конструкції.

За статичною роботою великопрогонові конструкції покриттів розподіляються на дві основні групи систем великопрогонових покриттів:

1) Площинні (балки, ферми, рами, арки);

2) Просторові (оболонки, складки, висячі системи, перехресно-стрижневі системи тощо)

В роботі розглянуто найбільш поширені представники великопрогонових конструкцій такі як металеві мембрани влаштовані по вантовій мережі, залізо бетонні оболонки на розпірному контурі, та великопрогонові ферми.

Розрахунком конструкцій в геометрично нелінійній постановці займалися Крилов А. Н., Тимошенко С. П., Лур'є А. І., Гольденблат І. І., Новожилова В. В., Ржаніцин А. Р., Светлицький В. А. Аналітичні підходи отримали розвиток в роботах Бондаря Н. Г., Попова Є. П. Загальна теорія розрахунку і аналізу гнучких ниток запропонована Качуриним H. М. в своїх роботах. Теорія розрахунку висячих комбінованих систем на основі матричних алгоритмів змішаного методу представлена в роботах Петропавлівського А. А.

Аналіз та узагальнення результатів виконаних досліджень, інформаційних джерел, наукової літератури та нормативних документів дозволивши дійти

висновку, що відсутня нормативна документація та відсутні методики проектування та чисельного моделювання великопрогонових конструкцій.

У другому розділі викладено результати теоретичних досліджень особливостей напружено-деформованого стану конструкцій великопрогонових споруд. Наведено етапи побудови моделей і алгоритмів розрахунку конструкцій великопрогонових споруд. Запропоновано алгоритм проектування і методики розрахунку моделей конструкцій великопрогонових споруд.

Досліджено особливості роботи вантових систем. Дослідження виконані у вигляді чисельного експерименту. Розглянутий у дисертаційній роботі об'єкт льодова арена ковзанярського центру Московської області "Коломна" є яскравим представником цілого класу об'єктів з вантовими системами. Тому виявлені особливості можна представити як закономірності роботи такого класу конструкцій:

⋅ елемент вантових покриттів - пружна гнучка нитка сприймати лише напруги розтягнення, являє собою геометрично змінювану кінематичну ланцюг.

⋅ вантові системи, утворені сімействами гнучких ниток, у випадку є системами багаторазово геометрично змінюваними. Однак, при деякому підборі геометричних параметрів, такі системи набуває властивостей, що відрізняли їх від змінюваних систем. Зокрема, вони можуть сприймати зусилля попереднього напруження, внаслідок чого їх кінематична рухливість обмежується нескінченно малими переміщеннями.

⋅ Залежність між зовнішніми впливами і внутрішніми зусиллями і переміщеннями нелінійна, що обумовлює розгляд системи, геометрія якої зазнає істотні зміни в процесі деформації.

Ці особливості не дають можливості користуватися звичними інженеру законами та теоремами класичної будівельної механіки (закон незалежності дії сил, принцип можливих переміщень, взаємність робіт і таке інше.) і призводять до необхідності розробки спеціальних методів розрахунку вантових покриттів як нелінійно-деформованих систем. З іншого боку, для вантових покриттів особливої важливості набуває питання дослідження структурних особливостей і визначення геометричних параметрів, при яких вантова мережа буде здатна сприймати попереднє напруження і перетворитися на систему, яка не допускає або обмежує кінематичні переміщення, тобто пошук рівноважної геометрії схеми. Виявлення властивостей вантових мереж, встановлення певних законів і правил формоутворення їх дозволяє проектувати раціональні (в сенсі схеми) покриття і, певною мірою, зумовлюють розробку методів розрахунку, спільних для різних вантових систем.

Проведено аналіз сучасних підходів до вирішення геометрично нелінійних задач. Практично всі сучасні підходи до вирішення геометрично нелінійних задач засновані на варіаційної постановці з подальшим використанням методу скінченних елементів. Так навіть при розрахунку однієї окремо взятої нитки (ванти) розглядається не ванта в цілому, що було характерно до докомпьютерную періоду, а виконується розчленування ванти на окремі кінцеві елементи. Такі підходи засновані на безпосередній дискредитації розрахункової моделі дозволяють створити універсальні методи і враховувати численні ефекти роботи розглянутого класу конструкцій:

- врахування податливості контуру;

- Розрахунок складових вантових мереж (рис.1);

- Розрахунок вантових систем і мембран на поздовжньому контурі;

- врахування наявності отворів в мембранах і оболонках;

- врахування попереднього натягу;

- одночасне врахування фізичної та геометричної нелінійної роботи конструкцій та ін.

У третьому розділі приведено обґрунтування методів моделювання, розрахунку та зведення великопрогонових конструкцій. Першим розглядається метод розрахунку нелінійних систем. Залежність між компонентами напружень і деформацій задається пружно-лінійним законом Гука. Така ідеалізація властивостей матеріалу є найбільш простий і дає можливість застосування принципу незалежності дії сил, за рахунок чого можливі різні спрощення при розрахунку конструкцій.

На основі лінійної теорії створено велику кількість обґрунтованих теоретичних методів розрахунку, зокрема розроблено методику розрахунку по допустимим напруженням, що забезпечує безпеку споруд.

В даний час синтез методів граничної рівноваги та розрахунку по робочому станом дозволив сформулювати основну задачу, що стоїть перед проектувальниками, в більш широкому плані розрахунок конструкції повинен дати вичерпну відповідь про роботу на всіх етапах навантаження (включаючи і етап руйнування). Очевидно, що це завдання не може бути вирішена традиційними лінійними методами, так як покладені в основу принципи (разом із законом Гука) обмежують її можливості. Насправді форма і розміри конструкції при певних навантаженнях істотно змінюються, і принцип затвердіння стає непридатними. Крім того, слід відмовитися від передумови розрахунку за недеформованим станом.

Важливою особливістю реальних матеріалів є нелінійний характер залежності між напругою і деформацією. Таким чином, реальна поведінка матеріалу під навантаженням істотно відрізняється від схематизованих уявлень закону Гука. І хоча в багатьох випадках така схематизація дає прийнятні для практики розрахунків результати, є цілий ряд прикладів, коли ігнорування зазначеної особливості в розрахунках призводило до значних розбіжностей з натурними випробуваннями. Врахування особливостей деформування матеріалів конструкцій дозволяє наблизити теоретичні дослідження до реального їх поведінці.

Приведено класифікації та формулювання видів нелінійності в теорії розрахунку конструкцій.

При розрахунку конструкцій потрібно враховувати фізичну, геометричну і конструктивну нелінійності.

Фізична нелінійність обумовлена урахуванням у розрахунку нелінійної залежності між компонентами узагальнених напружень і деформацій і характеризує роботу матеріалу конструкції в пружно-пластичної області.

Геометрична нелінійність має місце, коли переміщення конструкції викликають значну зміну її геометрії, так що рівняння рівноваги доводиться складати з урахуванням зміни форми і розмірів конструкції, тобто за деформованою схемою.