Совершенствование методов оценки и прогнозирование технического состояния, разработка методов моделирования зданий и сооружений с учетом дефектов и повреждений

Объектами исследования являются: несущие конструкции, основания и фундаменты зданий и сооружений, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях; организационно-технологические процессы на этапах жизненного цикла при эксплуатации, восстановлении, капитальном ремонте, реконструкции и демонтаже жилых, гражданских и промышленных зданий, и инженерных сооружений из железобетонных, каменных и металлических конструкций; жилые здания с несущими стенами; здания и сооружения, имеющие дефекты и повреждения вследствие физического износа и повреждения, приобретенные в результате боевых действий; стальные конструкции покрытия центрального блока (стадиона) спортивного крытого комплекса «Ильичёвец» в г. Мариуполь; большепролетные пространственные покрытия и вертикальные цилиндрические резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов; транспортные сооружения – мосты и путепроводы на автодорогах Донбасса, пешеходные переходы; высотные сооружения с металлическим каркасом: решетчатые башни, дымовые трубы, вытяжные башни, мачты на оттяжках, водонапорные башни и градирни; отдельно стоящие каркасно-обшивные башенные металлические градирни площадью орошения до 1600м2 ; трубобетонные рамные узлы со стойками круглого сечения (многоэтажных зданий и сооружений, мостов, и пр.). Цели работы: - разработка методик повышения надежности и долговечности зданий и сооружений, возводимых в сложных инженерно-геологических и горно-геологических условиях с учетом снижения стоимости их технического обслуживания; - формирование и определение общих подходов к проектированию организационнотехнологических процессов при эксплуатации, восстановлении, капитальном ремонте, реконструкции и демонтаже зданий и сооружений из каменных, железобетонных и металлических конструкций с учетом действительного технического состояния объектов; - разработка новых и совершенствование существующих решений усиления или замены строительных конструкций и их систем, а также уточнение оценки состояния и эксплуатационной пригодности поврежденных зданий и сооружений для их восстановления на территориях, пострадавших от боевых действий; - поверочные прочностные расчеты с учетом сейсмических воздействий для определения соответствия несущих конструкций пространственного покрытия спортивного крытого комплекса «Ильичевец» требованиям действующих нормативных документов; - установление общих зависимостей между оптимальными показателями надежности проектируемых конструкций высокого уровня ответственности (на примере большепролетных пространственных покрытий и вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов); - определение фактических грузопотоков и уточнение действующих вертикальных нагрузок от транспортных средств на пролетные строения в условиях Донбасса. Статические и динамические расчеты конструкций пролетных строений с повреждениями и без них; - разработка рекомендаций по технической эксплуатации высотных сооружений на основании комплексного учета особенностей повреждаемости конструкций, процессов износа и методов повышения несущей способности и долговечности; - разработка уточненной методики нормирования ветровой нагрузки на сооружение башенных металлических градирен с учетом особенностей конструктивной формы и процесса возведения на основании детальных исследований моделей объекта в аэродинамической трубе и сравнительного численного анализа; - исследование работы жёстких узлов трубобетонных конструкций. В процессе работы второго этапа НИР получены следующие результаты: 1. В работе выполнены теоретические исследования предельных состояний грунтовых оснований фундаментов и фрагментов бетонных, железобетонных и каменных конструкций зданий в сложных условиях строительства. При этом особое внимание уделено применению деформационных критериев предельных состояний для оценки первой группы предельных состояний строительных конструкций. Основными конструктивными и технико-эксплуатационными показателями является сокращение материальных затрат на обеспечение нормальной эксплуатации строительных конструкций, оснований и фундаментов зданий и сооружений, эксплуатируемых при воздействиях неравномерных осадок основания и сдвижений земной поверхности; продление сроков надежной эксплуатации зданий и сооружений, возведенных на площадках со сложными инженерно-геологическими и горно-геологическими условиями. 8 2. Разработаны основные организационно-технологические решения по восстановлению, реконструкции и капитальному ремонту строительных объектов (зданий и инженерных сооружений), в том числе пострадавших в результате боевых действий в регионах России. 3. Приняты технические решения по усилению и восстановлению эксплуатационной пригодности жилых зданий с несущими стенами из кирпича, шлакоблоков или бетонных блоков с применением стальных тяжей. Предложены методика оценки действительного состояния строительных конструкций и уточненная методика конструктивных решений по усилению оснований и фундаментов. Разработаны и усовершенствованы методы усиления и замены конструкций, в том числе с учетом повреждений строительных конструкций в результате боевых действий. Систематизированы и усовершенствованы принципы построения нелинейных методов расчета новых или усиливаемых конструкций, в том числе при помощи нелинейных деформационных моделей, учитывающих неодноосный характер деформирования материала и его неоднородность, а также сложный характер нагружения материала. 4. Выполнен уточненный поверочный расчет пространственной стержневой модели покрытия спортивного крытого комплекса «Ильичёвец» с учетом сейсмических воздействий и полученных повреждений. По результатам расчета определены несущие конструкции покрытия, находящиеся в аварийном состоянии. 5. С помощью предложенной в рамках 1-го этапа работы методики, базирующейся на конструктивно и геометрически нелинейном расчетах напряженно-деформируемого состояния конструкции, выполнены исследования конструкций сетчатых усеченных куполов. Для рассмотренных расчетных ситуаций установлены схемы возможных разрушений, уровни проектной надежности системы bmin, оценка склонности к лавинообразному разрушению bmax, значения резерва живучести системы Δβ. Выполнен критический анализ конструктивных решений и методов расчета структурных покрытий с применением гнуто-сварных профилей. Для установления особенностей их напряженно-деформированного состояния и несущей способности из условия устойчивости, обусловленных влиянием узловых соединений рассматриваемых элементов, разработан детальный план проведения численных и экспериментальных исследований. Для резервуаров с открытым верхом в виде отдельно стоящей конструкции и расположения в группе из четырёх резервуаров: установлены уточненные значения эпюры ветровой нагрузки для верхних поясов стенки и в зонах установки технологических лестниц; разработана методика рационального размещения усиливающих колец жесткости, повышающая устойчивость стенок по сравнению с действующими нормами, в пределах 8…14%; установлены общие закономерности влияния наличия винтовых лестниц на устойчивость стенок резервуаров. Для конструктивной формы вертикального цилиндрического резервуара с мембранным покрытием, стабилизированным системой оттяжек, выполнен предварительный подбор оптимальных параметров мембранного покрытия с варьированием параметров снеговой нагрузки и объема резервуара. 6. Выполнен статистический анализ интенсивности дорожного движения на примере моста через реку Кальмиус по пр. Ильича в г. Донецке. Рассмотрена история загружения мостового сооружения реальной подвижной нагрузкой с 1951-2019г. Определена интенсивность движения по мосту в виде количества транспортных средств за 1 час в течение всего периода эксплуатации моста. Полученная информация позволит рассчитать блоки загружения подвижной нагрузкой в разные временные периоды, и, далее усталостный ресурс пролетного строения. Выполнен статический расчет пролетного строения моста на реально действующие подвижные нагрузки. 7. Разработаны принципы моделирования технического обслуживания высотных сооружений на основе комплексного учета процессов износа – восстановления в процессе срока службы. Разработаны математические модели стратегий технического обслуживания, включая выполнение ремонтов и повышения несущей способности. Разработана стратегия технического обслуживания по критериям несущей способности и материалоемкости на основе анализа изменения напряженного состояния конструкций во времени. Выполнено исследование влияния повреждений лацменного узла на несущую способность дымовых труб с оттяжками 8. В результате исследований получены зависимости для выражения уточненных аэродинамических коэффициентов влияющие на башенные каркасно-обшивные металлические градирни с учетом особенностей конструктивной формы и процесса возведения. Практические результаты внедрены в виде рекомендаций по определению эпюр распределения давления ветрового потока на каркасно-обшивные башенные металлические градирни с учетом особенностей конструктивной формы и процесса возведения. 9. Выполнен анализ существующих высотных и многоэтажных зданий с жестким трубобетонным каркасом. Проведены теоретические и экспериментальные исследования поворота трубобетонного узла под нагрузкой. Результаты представленных исследований позволяют уточнить инженерную методику определения концентрации напряжений в узлах и поведение каркаса здания в целом. Исследовано влияние прогрессирующего обрушения на металлоёмкость стального каркаса при квазистатическом и динамическом методе расчета. Представлены экономические обоснования при сравнении двух методов.