Аналіз можливості виникнення прогресуючого обвалення металевих оболонок спеціального виду

Abstract

UA: Дисертація присвячена розробці принципів якісної і кількісної оцінки можливості настання прогресуючого обвалення металевих оболонок спеціального виду. Розроблено принципи моделювання стиків аркових конструктивних елементів оболонок спеціального виду, що відображають дійсну роботу досліджуваних конструкцій. На основі проведеного аналізу запропоновано спосіб модернізації стикування, задля попередження прогресуючого обвалення. На базі розроблених принципів, побудовано скінченно-елементні моделі напружено-дефо- рмованого стану та стійкості аркових покриттів спеціального типу. Досліджено скінченно-елементні моделей аркових покриттів спеціального типу, які допускають проведення коректного аналізу напружено-деформованого стану та стійкості, з урахуванням можливості прогресуючого обвалення. Доведено позитивний вплив наявності торцевих та проміжних діафрагм на напружено-деформований стан та стійкість аркових систем. Наявність діафрагм призводить до падіння головних стискальних та розтягувальних напружень, в середньому на 50-70%, в залежності від довжини оболонки, також відмічається зменшення вертикальних переміщень , в середньому на 63%, та підвищення коефіцієнту запасу стійкості. Проведено верифікацію запропонованої моделі натурним експериментом, яка доводить коректність запропонованого підходу. Експериментально встановлено ефективність проведеної конструктивної модернізації аркових з'єднань- значення вертикальних переміщень модернізованої конструкції зменшилися, в середньому, на 71%, відносно оригінальної. Результати дослідження впроваджено в проектний і виробничий цикл підприємства ТОВ «СТРОЙ ІНЖИНІРИНГ ДЕВЕЛОПМЕНТ» при розробці станда- ртних фізкультурно-оздоровчих комплексів. RU: Диссертация посвящена разработке принципов качественной и количественной оценки возможности наступления прогрессирующего обрушения металлических оболочек специального вида. В первом разделе выполнен анализ существующих конструктивных решний металлических оболочек специального вида, методов их расчета и имеющейся нормативной базы. Рассмотрены работы авторов, занимающихся теоретическими и экспериментальными исследованиями металлических оболочек специального вида. Проведен анализ аномалий и коллапсов, происходящих при эксплуатации исследуемых конструкций. Обозначены главные достоинства конструктивов, их недостатки, а также нерешенные вопросы, в частности проблема прогрессирующего обрушения, в связи с чем, были сформулированы цели и задачи настоящей диссертационной работы. Во втором разделе описано лабораторное испытание (на натурном образце) по определению изгибной жесткости (относительно горизонтальной оси) фрагмента арочного профиля, с последующей верификации геометрических характеристик, полученных с помощью современных расчетных комплексов. Были исследованы три типа расчетных моделей рассматриваемых конструкций: модель в виде плоской арки (согласно рекомендациям нормативной документации), модель пространственной гладкой оболочки (отражавшей конструктивную ортотропии), модель в виде пространственной ребристой оболочки (отражавшей геометрическую нелинейность). Алгоритм (рекомендуемый нормативно-технич ской документацией) исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций специального типа дополнен анализом устойчивости, при этом, учитывая не только устойчивость плоской формы изгиба, но и изгибнокрутильную форму потери устойчивости. По результатам анализа НДС, на базе пространственных оболочечных моделей, доказано положительное влияние наличия торцевых и промежуточных диафрагм на НДС и устойчивость оболочек специального типа, и как следствие сделан вывод о их конструкционной необходимости. Наличие диафрагм жесткости приводит к падению главных сжимающих и растягивающих напряжений, в среднем на 50-70%, в зависимости от длины оболочки, а также к уменьшению вертикальных перемещений, в среднем на 63% и повышению коэффициента запаса устойчивости. В третьем разделе разработаны принципы формирования конечно-элементных моделей исследуемых конструкций с учетом фактической жесткости соединения профилей и отражающие виртуальные несовершенства. Предложен энергетический подход, и на базе его, разработан алгоритм качественной и количественной оценки возможности наступления прогрессирующего обрушения. Также, предложены меры конструктивной модернизации узлов соединения исследуемых конструкций, позволяющие избежать прогрессирующего обрушения. Четвертый раздел посвящен верификации (в ходе проведения полноразмерного натурного эксперимента) расчетных моделей оболочек специального вида, с учетом последовательности возведения (при работе конструкции до и после проведения конструктивной модернизации). Проведено сопоставление данных перемещений исследуемых точек конструкции от действия, приложенной сосредоточенной нагрузки, до и после проведения конструктивной модернизации. Наблюдается значительное снижение перемещений в среднем на 71.21%, наглядно свидетельствующее об улучшении характеристик жесткости исследуемой системы. Разница между теоретическими и экспериментальными значениями перемещений составила, в среднем, 10,74%. Пятый раздел представляет результаты внедрения научного исследования в ООО «СТРОЙ ИНЖИНИРИНГ ДЕВЕЛОПМЕНТ», при проектировании и строительстве стандартных физкультурно-оздоровительных комплексов. EN: The dissertation is devoted to the development of principles of a qualitative and quantitative assessment of the possibility of the onset of progressive collapse of metal shells of a special kind. The first section analyzes the existing structural solutions of metal shells of a special type, methods for their calculation and the existing regulatory framework. The works of authors involved in theoretical and experimental studies of metal shells of a special kind are considered. The analysis of anomalies and collapses occurring during the operation of the investigated structures. The main advantages of constructs, their shortcomings, as well as unresolved issues, in particular the problem of progressive collapse, are identified, in connection with which, the goals and objectives of this dis- sertation were formulated. The second section describes a laboratory test (on a full-scale specimen) to de- termine the bending stiffness (relative to the horizontal axis) of a fragment of an arched profile, followed by verification of geometric characteristics obtained using modern calculation systems. Three types of design models of the structures under consideration were investigated: a model in the form of a flat arch (according to the documentation), a model of a spatial smooth shell (reflecting constructive orthotropy), a model in the form of a spatial ribbed shell (reflecting geometric nonlinearity). The algorithm (rec- ommended by the documentation) for studying the stress-strain state (SSS) of special- type structures is supplemented by a stability analysis while taking into account not only the stability of the flat form of bending but also the bending-torsional form of buckling. According to the results of the SSS analysis, based on spatial shell models, the positive effect of the presence of end and intermediate diaphragms on the SSS and the stability of the shells of a special type is proved, and as a result, a conclusion about their constructive necessity is made. The presence of diaphragms leads to decrease the main compressive and tensile stresses (average) by 50-70%, depending on the length of the shell, as well as to decrease vertical displacements (average) by 63% and an increase in the safety factor. In the third section, the principles of the formation of finite element models of the structures under study are developed taking into account the actual stiffness of the connection profiles and reflecting virtual imperfections. An energy approach is pro- posed, and based on it, an algorithm for the qualitative and quantitative assessment of the possibility of progressive collapse is developed. Also, measures have been pro- posed for constructive modernization of the connection nodes of the structures under the study, to avoid progressive collapse. The fourth section is devoted to verification (during a full-scale experiment) of design models of shells of a special type, before and after constructive modernization. A comparison of the data of the displacements of the studied structural points from the action of the applied concentrated load, before and after the structural modernization was carried out. A significant decrease in displacements by an average of 71.21% is observed, which clearly indicates an improvement in the stiffness characteristics of the system under study. The difference between the theoretical and experimental values of the displacements was, on average, 10.74%. The fifth section presents the results of the implementation of scientific research in LLC STROY ENGINEERING DEVELOPMENT, during the design and construc- tion of standard sports and fitness complexes.