ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

Целью диссертационной работы является развитие и обоснование эффективной методики расчета узлов металлических каркасов многоэтажных зданий, возводимых в сейсмических районах, учитывающей специфику воздействий на них, особенности конструктивных решений методами цифрового моделирования для создания наиболее совершенных и надежных вариантов конструкций. Задачи исследования: 1) Анализ и обобщение существующих экспериментальных и теоретических исследований по заданной теме. 2) Разработка эффективного способа моделирования конструкций узлов металлических каркасов многоэтажных зданий с болтовыми фланцевыми соединениями для проведения модального и гармонического анализа. 3) Исследование особенностей поведения элементов и узлов металлических каркасов многоэтажных зданий под действием эксплуатационной и сейсмической нагрузок в нелинейной постановке. 4) Экспериментальное подтверждение полученных результатов цифрового моделирования узлов металлических каркасов при сейсмических воздействиях. 5) Анализ НДС узлов металлических конструкций, определение возможных мест концентрации напряжений в местах ослаблений. Степень разработанности избранной темы. Результаты исследований стальных каркасов многоэтажных зданий и их элементов рассмотрены в работах С.И. Билыка, А.И. Голоднова, Ю.А. Дыховичного, В.В. Зверева, И.Л. Корчинского, Е.Е. Кочерговой, И.Н. Лебедича, И.В. Молева, К.Д. Морозова, А.А. Нилова, А.Б. Павлова, С.Ф. Пичугина, А.Е. Святошенко, А.В. Семко, Н.С. Стрелецкого, Г.А. Шапиро, Г.Б. Вержбовского и др. Аналитическое решение задач сейсмостойкости зданий предлагалось в работах Болотина В.В. Исследованием работы узлов стальных каркасов зданий и сооружений, эксплуатируемых в сейсмических районах, занимались Я.М. Айзенберг, Д.К.-С. Батаев, К.С. Завриев, Л.Ш. Килимник, Г.В. Мамаева, Х.Н. Мажиев, И.Т. Мирсаяпов, В.Л. Мондрус, Г.М. Остриков, С.В. Поляков, В.А. Пшеничкина, Т.А. Белаш, Л.Р. Маилян, С. Х. Байрамуков, Л.Н. Панасюк, и др. Научная новизна работы: 1. Выполнена оценка напряженно-деформированного состояния узлов стальных каркасов многоэтажных зданий на основе разработанной и реализованной методики экспериментально-теоретического исследования, позволяющей учесть эксплуатационные и сейсмические воздействия. 2. Изучено влияние концентраторов напряжений на напряженно-деформированное состояние фланцевых соединений стальных каркасов на основе созданных цифровых моделей, которые в отличие от известных решений учитывают особенности поведения элементов и узлов стальных каркасов под действием эксплуатационной и сейсмической нагрузок в нелинейной постановке. 3. Получены новые сведения о поведении фланцевых соединений стальных каркасов под действием эксплуатационной и сейсмической нагрузок в результате проведения натурных испытаний по исследованию процессов деформирования и разрушения материала узлов стальных каркасов, что позволило более точно моделировать сейсмическую нагрузку, действующую на образцы, обеспечить простоту загружений в процессе численных экспериментов. 4. Разработаны рекомендации по созданию цифровых моделей, направленные на повышение конструкционной безопасности каркасов многоэтажных зданий, возводимых в сейсмических районах. Практическая значимость. Разработанные в диссертационной работе методические подходы и предложения могут использоваться для оценки напряженного состояния узлов металлических конструкций при расчете и конструировании стальных каркасов многоэтажных зданий. На основании анализа результатов натурных испытаний и численных экспериментов, выполненных на цифровой модели, доказана возможность применения машинного расчета для поверочных динамических расчетов рамных узлов стальных конструкций на всех этапах загружения, в том числе при запроектных нагрузках и раскрытии стыка фланцевого соединения. Полученные результаты научной работы позволяют более точно оценить напряженное состояния узлов металлических конструкций, на стадии проектирования выявить возможные места концентрации напряжений, принять меры по предотвращению возможных повреждений при экстремальных ситуациях. На основе полученной модели возможна оценка эксплуатационной надежности фланцевых соединений стальных каркасов, что позволяет специалистам при проектировании, а также при проведении технического освидетельствования эксплуатируемых металлоконструкций производственных, жилых и общественных зданий давать рекомендации по возможности их дальнейшей эксплуатации. Методы диссертационного исследования. Исследование базируется на численных методах строительной механики и теории упругости. Использован для расчетов метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в современных программных комплексах. Экспериментальные исследования выполнены на сертифицированном оборудовании в лаборатории ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. Внедрение результатов работы. Рекомендации к оценке напряженного состояния узлов металлических конструкций фланцевых соединений применены ООО «ПК №1» и ООО «ЮСЛ» на объектах промышленного и гражданского строительства. Методики цифрового моделирования узлов стальных строительных конструкций зданий и сооружений с учетом статических и динамических нагрузок, разработанные в диссертационной работе, используются в учебном процессе кафедры «Градостроительство, проектирование зданий и сооружений» строительного факультета Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова (г. Новочеркасск) для проведения практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Вероятностные методы строительной механики и теория надежности строительных конструкций», «Теория сооружений», «Сейсмостойкость сооружений» при подготовке инженеров по специальности 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений. Основные положения, выносимые на защиту:  методика построения цифровых моделей узлов металлических каркасов, возводимых в сейсмических районах, в различных CAE-пакетах. Для проведения динамических расчётов (модального и гармонического анализов) фланцевого соединения предложено моделировать профили оболочечными (shell) элементами, болты моделировать жёсткими элементами по пятнам контакта шайб;  результаты исследований элементов рамных узлов стальных каркасов, выполненных экспериментальным методом и методом конечных элементов с применением средств компьютерного моделирования;  рекомендации по созданию цифровых моделей, направленные на повышение конструкционной безопасности каркасов многоэтажных зданий, возводимых в сейсмических районах. Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность приведенных результатов подтверждена данными теоретических и экспериментальных исследований, применением нескольких цифровых моделей, методов математической статистики для обработки экспериментальных данных, сопоставлением полученных результатов с известными решениями других авторов, сопоставлением теоретических решений с данными натурных испытаний.