СТАТЬИ АРБИР
 

  2016

  Декабрь   
  Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
28 29 30 1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11
12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 25
26 27 28 29 30 31 1
   

  
Логин:
Пароль:
Регистрация
Забыли свой пароль?


Стохастическии анализ живучести высотных сооружении


СТОХАСТИЧЕСКИИ АНАЛИЗ ЖИВУЧЕСТИ ВЫСОТНЫХ СООРУЖЕНИИ

Дружинин П.С.

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия ФГБУН НИЦ «Научно-инженерный центр «Надежность и ресурс больших систем и машин» УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия sec[AT]wekt.ru

Тимашев С.А.

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия ФГБУН НИЦ «Научно-инженерный центр «Надежность и ресурс больших систем и машин» УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия sec[AT]wekt.ru Одной из важнейших тенденций современного градостроительства является бурный рост числа возводимых высотных зданий и сооружений (ВЗиС). Поэтому оценка их живучести и безопасности становится первоочередной задачей, особенно если учесть их повышенную уязвимость в современной общемировой обстановке. В научном плане эта ситуация настоятельно требует переоценку результатов анализа инженерной безопасности высотных элементов гражданской инфраструктуры мегаполисов. Такие исследования позволят оценить живучесть ВЗиС при действии проектных и запроектных воздействий, а в экстренных случаях - иметь четкий план действий, направленный на сведение к нулю людских и экономических потерь вследствие катастрофы небоскреба. Ввиду разнообразия стохастических сценариев развития событий, влияющих на степень получаемого объектом повреждения, а также естественного разброса механических свойств материалов и геометрии элементов конструкции, жесткостных характеристик соединений его элементов, качества возведения и монтажа и т. п., такие широкомасштабные исследования необходимо проводить в вероятностной постановке. Наиболее эффективен при этом метод Монте-Карло, особенно при сочетании с методами специального выбора расчетных точек (сэмплирование).

Реализации исследуемого случайного процесса развития аварии для него могут быть получены различными способами: аналитическими методами - там, где это возможно, и с помощью метода конечных элементов в случае более сложных задач.

В данной работе живучесть высотных зданий исследована путем проведения численных расчетов, которые реализованы в пакете LS-DYNA - одном из наиболее эффективных конечно-элементных пакетов, позволяющих решать задачи динамики (в том числе и задачи о взрывных воздействиях). В работе представлены результаты предварительных пилотных исследований данной проблемы. Авторский подход к решению сформулированной выше проблеме продемонстрирован на примере конечно-элементной модели реального сооружения - железобетонной башни «Исеть» в г. Екатеринбурге, нагруженной взрывным воздействием. Эта модель была любезно предоставлена авторам кафедрой САПРОС строительного института УрФУ.

С появлением новых возможностей и ростом производительности вычислительных программных комплексов повышается и интерес ученых и инженеров к подробному исследованию влияния взрывов на целостность высотных железобетонных конструкций. Современные версии программ конечно-элементного моделирования обладают полным набором инструментов для всестороннего анализа статических и динамических воздействий на строительные конструкции. Зачастую для моделирования высокоскоростных кратковременных воздействий (удары, взрывы, землетрясения), сопровождающихся большими перемещениями, деформациями и разрушениями, используется пакет LS-DYNA. Назначение в нем метода решения, выбор типов конечных элементов, степени детализации задачи и моделей материалов зависит от множества факторов, среди которых одними из наиболее существенных являются локализация области интересов (целая конструкция или ее элемент), и свойства материалов. Таким образом, можно выделить несколько обобщенных подходов к решению задачи о живучести ВЗиС при взрывных воздействиях.

Рассмотрение отдельных наиболее важных элементов строительной конструкции, таких как колонны. При этом создается подробная модель из объемных конечных элементов, имитирующих бетон, с «погруженными» в них балками, представляющими собой армирующие бетон элементы. Такая постановка позволяет учитывать воздействие ударной волны непосредственно на конечные элементы.

Моделирование полноразмерной конструкции также с помощью совместно работающих объемных и балочных элементов. Этот подход используется редко, так как время счета, как правило, оказывается неприемлемым и требует наличия существенных вычислительных ресурсов.

Метод, тоже рассматривающий полноразмерную конструкцию, однако, в более упрощенной постановке. В этом методе трудоемкость вычислений снижается за счет использования соответственно, балочных и оболочечных элементов для моделирования колонн, перекрытий и стен. Структура армирования здесь учитывается опосредованно с помощью «размазывания» свойств армирующих элементов в объеме бетона. Затруднение вызывает отсутствие влияния ударной волны на балочные элементы колонн, ввиду отсутствия у них физической поверхности. В этом случае в момент взрыва напрямую удаляют из модели соответствующие элементы.

Метод, объединяющий первый и третий подходы. Целостность несущих элементов, находящихся в зоне поражения, анализируется первым методом. После чего используют третий метод, где элементы колонн удаляют согласно результатам первого расчета [1].

Расчетная модель. Выбор расчетной методики для данного исследования обусловлен возможностями в плане моделирования той или иной реальной строительной конструкции. Решение использовать именно реальную модель вызвано необходимостью получить адекватные результаты, которые в дальнейшем можно непосредственно применять на практике. Таким образом, в качестве основы для создания расчетного полигона в пакете LS-DYNA взята конечно-элементная модель башни «Исеть» (г. Екатеринбург), предоставленная Строительным институтом Уральского Федерального Университета [2].

Сеточная модель здания создана с применением балочных и оболочечных элементов с заданными соответственно сечениями колонн и толщинами перекрытий и стен. Таким образом, в соответствии со спецификой применяемых типов конечных элементов для анализа взрывного воздействия выбрана четвертая расчетная методика.

Выбор модели материала. В пакет LS-DYNA заложено большое количество математических моделей, описывающих поведение бетона и предназначенных для разных случаев нагружения. Среди них есть модели, позволяющие на уровне механических свойств учитывать армирование бетона. Практически все модели позволяют учитывать предельные состояния материалов, и тем самым, имитировать разрушение конструкции. Однако, большинство этих моделей предназначено лишь для использования с объемными конечными элементами. Для балочных и оболочечных элементов в пакете LS-DYNA имеется специализированный тип материала, в котором опосредованным образом возможен учет армирующих элементов с учетом их разрушения. В терминах LS-DYNA эта модель называется *MAT_CONCRETE_EC2. «EC2» здесь означает, что ее математическая формулировка и эмпирические зависимости соответствует Европейскому Стандарту «Eurocode 2: Design of concrete structures» на строительство конструкций из бетона. Согласно руководству к пакету LS-DYNA, для адекватной оценки прочности с помощью данной модели достаточно задать семь параметров: механические свойства бетона и материала армирующих элементов, а также доля арматуры в единице объема основного материала.

Тестовый расчет. Как в тестовом, так и в рабочем случаях расчет должен выполняться как минимум в два шага. На первом шаге проводится статический анализ, из которого получается напряженное и деформированное состояние здания от действия собственного веса. Оно затем в качестве начального состояния автоматически передается в динамический анализ для расчета здания на взрывное воздействие.

В тестовом режиме отработано проведение расчета осадки здания под собственным весом и переход к динамическому решению. Для моделирования динамического воздействия были удалены три колонны на нижнем уровне башни. Также в ходе обоих шагов расчета проверена правильность работы соединений балочных и оболочечных элементов.

Просчитано было 0,23 секунды реального времени аварии, за которые поврежденные колонны разгрузились, и башня начала крениться в их сторону. Адекватность результатов тестового расчета говорит о возможности использования подготовленной модели в дальнейшем исследовании.

Дальнейшая работа по данному направлению проводится в два последовательных этапа. Первый заключается в создании в LS-DYNA универсального расчетного полигона на базе существующей конечно-элементной модели, который позволяет с минимальными затратами времени получать результаты максимально адекватные реальности не только при расчете взрывных, но и других техногенных и природных воздействий, таких как пожар или землетрясение. Для этого перестроена сетка конечных элементов в соответствии со спецификой явных методов решения, и в получившейся модели использована описанная выше математическая модель железобетона с реальными механическими свойствами.

На втором этапе работы планируется проведение стохастического анализа по методу Монте-Карло с целью оценки причиненного ущерба от того или иного сценария развития аварии. Для него потребуются серии детерминированных расчетов с различными комбинациями значений случайных параметров (с известными функциями плотности вероятности) на базе подготовленного на предыдущем шаге расчетного полигона. Наборы значений для варьируемых параметров планируется получать с помощью методов сэмплирования.

Библиографический список

Elsanadedy H.M., Almusallam T.H., Alharbi Y.R., Al-Salloum Y.A., Abbas H. Progressive collapse potential of a typical steel building due to blast attacks. Journal of Constructional Steel Research, 2014, 101, 143-157.

Алехин, В.Н. Метод расчета зданий и сооружений при многокомпонентном сейсмическом воздействии / В.Н. Алехин, О.Ю. Ушаков, А.В. Колесников // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2014. - № 5. - С. 31-36.








МОЙ АРБИТР. ПОДАЧА ДОКУМЕНТОВ В АРБИТРАЖНЫЕ СУДЫ
КАРТОТЕКА АРБИТРАЖНЫХ ДЕЛ
БАНК РЕШЕНИЙ АРБИТРАЖНЫХ СУДОВ
КАЛЕНДАРЬ СУДЕБНЫХ ЗАСЕДАНИЙ

ПОИСК ПО САЙТУ