Верификация расчетных моделей железобетонных зданий, проектируемых для сейсмических районов

Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0
Андреев Михаил Иванович
Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………….6

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЕТУ ЗДАНИЙ И
СООРУЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ …………..15

1.1. Подходы к расчету на интенсивные сейсмические воздействия …………………….. 15

1.1.1. Линейно-спектральный метод в нормах проектирования ………………… 15

1.1.2. Прямой динамический метод расчета на сейсмические воздействия .. 18

1.2. Учет нелинейного характера деформирования конструкций ………………………….. 24

1.2.1. Диаграммы работы бетона ……………………………………………………………… 24

1.2.2. Учет нелинейной работы арматуры ………………………………………………… 25

1.2.3. Нелинейная модель бетона с непрерывной поверхностью повреждений
(гладким колпаком (CSCM)) ……………………………………………………………………………….. 27

1.2.4. Модель материала для структурных железобетонных элементов
(Concrete EC2)…………………………………………………………………………………………………….. 34

1.3. Применение параллельных вычислений в расчетах на динамические
воздействия ………………………………………………………………………………………………………………. 38

Выводы по главе 1 ……………………………………………………………………………………………41

Глава 2. ВЕРИФИКАЦИЯ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ НЕСУЩИХ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНОГО
ХАРАКТЕРА ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПРИ НЕПОСРЕДСТВЕННОМ
АРМИРОВАНИИ ……………………………………………………………………………………………………….42

2.1. Типы конечных элементов (КЭ) для моделирования несущих конструкций …… 42

2.2. Верификация прочностных параметров бетонных образцов ………………………….. 44

2.2.1. Сравнительный анализ результатов экспериментальных и численных
исследований прочности бетона при испытании кубов и призм …………………………… 44

2.2.2. Численные исследования прочности бетонных цилиндров на сжатие 50

2.3. Верификация основных несущих элементов железобетонных зданий ……………. 55
2.3.1. Верификация расчетной модели внецентренно сжатой колонны на
основании результатов натурного экспериментального исследования …………………. 55

2.3.2. Верификация модели железобетонной балки на основании результатов
натурного экспериментального исследования ……………………………………………………… 59

2.3.3. Верификация стержневой модели железобетонной колонны по
результатам численных испытаний……………………………………………………………………… 64

2.3.4. Численные исследования работы железобетонных элементов при
моделировании с помощью объемных и структурных конечных элементов …………. 69

2.4. Верификация конструкций железобетонных зданий по результатам
экспериментальных исследований на примере расчетных моделей фрагментов
железобетонных модульных блоков ………………………………………………………………………….. 73

Выводы по главе 2 ……………………………………………………………………………………………84

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЗДАНИЙ ПРИ ИНТЕНСИВНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ
ВОЗДЕЙСТВИЯХ НЕЛИНЕЙНЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ ………………………………………..86

3.1. Методика оценки сейсмостойкости зданий и сооружений, запроектированных по
действующим нормам с использованием детерминированных подходов ……………………. 86

3.2. Особенности учета совместной работы сооружения с основанием…………………. 87

3.3. Применение параллельных вычислений ………………………………………………………… 92

Выводы по главе 3 ……………………………………………………………………………………………94

Глава 4. ОЦЕНКА СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЗДАНИЙ
РАМНО-СВЯЗЕВОЙ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ НЕЛИНЕЙНО-
ДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕРИФИЦИРОВАННЫХ
МОДЕЛЕЙ …………………………………………………………………………………………………………………95

4.1. Моделирование и расчет конструкций зданий с применением объемных
конечных элементов (КЭ) …………………………………………………………………………………………. 95

4.1.1. Оценка сейсмостойкости железобетонного здания рамно-связевой
конструктивной схемы ……………………………………………………………………………………….. 95
4.1.2. Оценка сейсмостойкости железобетонного здания рамно-связевой
конструктивной схемы на нелинейно-деформируемом грунтовом основании …….. 101

4.2. Моделирование и расчет конструкций зданий с применением структурных
конечных элементов (КЭ) ……………………………………………………………………………………….. 104

4.2.1. Оценка сейсмостойкости железобетонного здания рамно-связевой
конструктивной схемы со структурными КЭ …………………………………………………….. 104

4.2.2. Оценка сейсмостойкости железобетонного здания рамно-связевой
конструктивной схемы со структурными КЭ на линейно-деформируемом грунтовом
основании ……………………………………………………………………………………………………. 107

4.2.3. Оценка сейсмостойкости железобетонного здания рамно-связевой
конструктивной схемы со структурными КЭ на линейно-деформируемом грунтовом
основании при изменении этажности и спектрального состава сейсмического
воздействия ……………………………………………………………………………………………………. 112

4.3. Применение параллельных вычислений при оценке сейсмостойкости зданий
рамно-связевой конструктивной схемы …………………………………………………………………… 114

Выводы по главе 4 ………………………………………………………………………………………….121

Глава 5. ОЦЕНКА СЕЙСМОСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЗДАНИЙ
ПЕРЕКРЕСТНО-СТЕНОВОЙ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ НЕЛИНЕЙНО-
ДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ………………………………………………………………………………123

5.1. Моделирование и расчет конструкций зданий с применением объемных
конечных элементов (КЭ) ……………………………………………………………………………………….. 123

5.1.1. Оценка сейсмостойкости 5-этажного железобетонного здания
перекрестно-стеновой конструктивной схемы …………………………………………………… 123

5.1.2. Оценка сейсмостойкости железобетонного здания перекрестно-
стеновой конструктивной схемы с увеличенными проемами ……………………………… 129

5.2. Моделирование и расчет конструкций зданий с применением структурных
конечных элементов (КЭ) ……………………………………………………………………………………….. 133
5.2.1. Оценка сейсмостойкости железобетонного здания перекрестно-
стеновой конструктивной схемы со структурными КЭ и с увеличенными
проемами ……………………………………………………………………………………………………. 133

5.2.2. Оценка сейсмостойкости железобетонного здания перекрестно-
стеновой конструктивной схемы со структурными КЭ и с увеличенными проемами
при изменении этажности, спектрального состава сейсмического воздействия и
жескостных параметров грунтового основания ………………………………………………….. 136

Выводы по главе 5 ………………………………………………………………………………………….139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………140

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………….144

Во введении обоснована актуальность темы исследований, приведена общая
характеристика работы.
В первой главе рассмотрены основные положения нормативных документов по
расчету зданий и сооружений при проектировании в сейсмических районах. Проведен
обзор литературы по теме исследований. Рассмотрена линейно-спектральная теория
расчета зданий на землетрясения, реализованная в действующих нормативных
документах. Приведены основы нелинейных методов расчета, которые применяются в
исследованиях.
Для расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия высокой
интенсивности предлагается использовать прямой динамический метод, в основе
реализации которого лежит дифференциальное уравнение движения системы. Данное
уравнение в матричной форме для системы с конечным числом степеней свободы имеет
следующий вид:

Mu  Cu  Ku  Fa(1)
где u является вектором узловых перемещений, u  v – вектором узловых скоростей,
u  a – вектором узловых ускорений, M является матрицей масс системы,C –

матрицей демпфирования, K – матрицей жесткости, аF a – это вектор действующих на
систему нагрузок.
Применение этого метода допускает учесть все виды нелинейностей и иметь
решение задачи в нелинейной постановке, поэтому составляющие матрицы жесткости
зависимы как от свойств материала, так и от напряженно-деформированного состояния
конструкции. В таком случае, некоторый вектор перемещений ut оказывает влияние на

матрицуK . Это существенно затрудняет задачу из-за того, что решение
дифференциального уравнения (1) сводится к решению нелинейных алгебраических
уравнений на каждом шаге интегрирования по времени. Существует два общепринятых
подхода для решения системы подобных уравнений, это интегрирование уравнения
движения по явной и по неявной схемам.
В случае применения к решению явных схем интегрирования, значения
перемещений, скоростей и ускорений на неизвестном временном слое n  1 могут быть
получены на более ранних временных слоях, в частности на слоеn . При этом решение
будет сводиться к системе уже линейных уравнений, для которых составляется
диагональная матрица. Элементы этой матрицы содержат величины, определяемые на
новом n  1 слое, и данная матрица явно может быть разрешена. Перемещения, скорости
и ускорения на рассматриваемом шаге можно определить через их значения на
предыдущих шагах с помощью метода центральных разностей.
Ускорения, которые вычисляются на n-ом слое, определяются по выражению


an  M 1 Fnext  Fnint ,(2)

где Fnext – вектор приложенных внешних и объемных сил; Fnint – вектор внутренних
сил.
Векторы перемещений и скоростей будут определять в соответствии с:

v t t / 2  v t t / 2  at tt(3)

tt  tt t
u t t  u t  v t t / 2(4)
Простота решения получаемой системы алгебраических уравнений является
главным достоинством, а быстрое накопление погрешности при вычислениях является
существенным недостатком при применении явных схем.
Приведеныосновныеположенияпорасчетуспомощьюметодов
параллельных/распределенных вычислений.
Произведен анализ нормативных документов в рамках учета нелинейной работы
бетонаиарматуры.Выполненобзорнелинейныхмоделейматериаловдля
моделирования работы бетона в конечно-элементном программном комплексе LS-
DYNA, по результатам которого подобраны модели материалов для использования в
дальнейших исследованиях. Это модель материала с непрерывной поверхностью
повреждений(гладким колпаком (CSCM)) и модель материала для структурных
железобетонныхэлементов(ConcreteEC2),вкоторыхможноучитывать
непосредственное армирование бетона арматурой.
Описаны основные особенности модели бетона CSCM. Его математическая
модель представлена замкнутой поверхностью с наличием так называемого «колпака»
(рис. 1). Прочностные характеристики материала зависят от скорости нагружения. При
этом используются соответствующие функции накопления повреждений для сжатых и
растянутых зон.

Рисунок 1 – Модель поверхности повреждений с «колпаком» (CSCM): а) в
пространстве; б) вид сбоку

Разупрочнение бетона при растяжении и сжатии происходит при накоплении
повреждений и описывается выражением (5). При разупрочнении также учитывается
снижение жесткости материала.
σijd  1  d  σijνp ,(5)

здесь d – скалярный параметр повреждения, который преобразует тензор
напряжений без повреждения, обозначенный σνp, в тензор напряжений с повреждением,
обозначенный σd. Параметр повреждений d определяется отдельно для растяжения и
сжатия и варьируется от нуля (без повреждений) до 1 (при полной потере прочности).
Используемая модель материала Concrete EC2 основана на положениях Еврокода-
2. Данная модель позволяет учитывать образование трещин бетона при растяжении, его
разрушение при сжатии, а также появление текучести в арматуре. При применении
данной модели и структурных КЭ напряженно-деформированное состояние в сечении
элемента контролируется через точки интегрирования. Диаграмма работы данного
материала представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Диаграмма деформирования бетона
Гдевводятсяследующиеобозначения:ε cu предельныеотносительные
деформации бетона при сжатии; ε c1  относительные деформации бетона при сжатии
при максимальном напряжении FC ; FT  средняя цилиндрическая прочность бетона на
растяжение; FC  средняя цилиндрическая прочность бетона на сжатие.
Во второй главе рассмотрены основные подходы и общие принципы
моделирования несущих конструкций, в том числе с применением нелинейных
материалов. Представлены два подхода к моделированию железобетонных конструкций
с учетом непосредственного армирования.
В связи с тем, что модели материалов, приведенные в главе 1, основаны на
параметрах цилиндрической прочности, их использование в соответствии с нашими
нормативными документами предполагает верификацию с идентификацией расчетных
параметров на основе результатов испытаний соответствующих конструкций.
Выполнена верификация модели бетона CSCM на основе испытания бетонных
образцов.
Сравнение результатов численных исследований и результатов испытаний
бетонных образцов свидетельствует о хорошем совпадении. Характер разрушения
бетонныхобразцов(призм,кубов,цилиндров)врасчетахсоответствует
экспериментальным данным (рис. 3). Полученные данные по вычисленной и
фактической прочности хорошо согласуются между собой.

а)б)в)
Рисунок 3 – Картина разрушения бетонных образцов а – куб, б – призма, в – цилиндр.
Численный эксперимент (слева), экспериментальные данные (справа)
В работе выполнена верификация численных моделей отдельных несущих
железобетонных элементов: балок и колонн.
Значение предельной разрушающей нагрузки и картина разрушения балок и
колонн, полученная по результатам моделирования с использованием различных
моделей материалов в ПК LS-DYNA, достаточно хорошо совпадает с картиной
разрушения, полученной по результатам экспериментальных исследований.
На рисунке 4 показана сравнительная картина разрушения колонны по
результатам натурных испытаний и результатам расчета в ПК LS-DYNA.

a)б)
Рисунок 4 – Характер разрушения колонны: а) натурный эксперимент;б) численный
эксперимент (объемные КЭ)

Выполнена верификация численной и экспериментальной модели фрагмента
модульного блока. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных значений
перемещений характерных точек и соответствие картины повреждений по характеру и
местам трещинообразования фрагментов модульных блоков позволяет сделать вывод об
адекватности используемых численных моделей.
Таким образом, модели бетона CSCM и Concrete EC2 реализованные в ПК LS-
DYNA можно применять при проведении расчетов железобетонных конструкций с
приемлемой точностью для основных классов бетона, используемых в строительстве при
нагрузках близких к разрушающим, с учетом нелинейного характера работы материалов.
При переходе от объемных КЭ к структурным КЭ также необходима обязательная
верификация используемых расчетных моделей. По полученным результатам видно, что
ПК LS-DYNA дает возможность корректно производить моделирование зданий и
сооружений с использованием как объемных, так и структурных КЭ при интенсивных
сейсмических воздействиях. Верификация должна выполняться конкретно для каждой
ситуации и типа задач. Широкое обобщение результатов верификации может приводить
к существенным погрешностям при расчете. Стоит отметить, что применение модели
бетона Concrete EC2 существенно, до нескольких десятков раз, сокращает время расчета
при сохранении приемлемой точности результатов.
Втретьейглаверассмотренадетерминированнаяметодикаоценки
сейсмостойкости многоэтажных зданий по критерию необрушения с помощью прямых
динамических методов. Для более точной оценки сейсмостойкости расчет здания
выполняетсянанаиболеенеблагоприятнуюакселерограмму,полученнуюпо
соответствующим методикам. Если доминантная частота акселерограммы совпадает или
близко расположена к частоте собственных колебаний здания, то предполагается что это
наиболее неблагоприятная акселерограмма с соответствующим спектральным составом.
Приведенаметодикамоделированиясовместнойработысооруженияс
основанием, описаны подходы к моделированию демпфирующих слоев, а также
подобрана методика задания демпфирующего PML-слоя.
Показаны особенности применения MPI в параллельных вычислениях.
В четвертой главе был произведен расчет многоэтажных железобетонных зданий
рамно-связевойконструктивнойсхемыпоразработаннойметодикеоценки
сейсмостойкости по критерию необрушения, в том числе при изменении этажности и
спектрального состава сейсмического воздействия. Предложены подходы к расчету
железобетонных зданий и сооружений на землетрясение с учетом непосредственного
армирования с применением объемных и структурных КЭ. Проведены расчеты по
анализу эффективности применения параллельных вычислений для явных решателей при
оценке сейсмостойкости.
Произведен расчет железобетонного здания рамно-связевой конструктивной
схемы с объемными КЭ на нелинейно-деформируемом грунтовом основании по
разработанной методике (рис. 5а). В исследовании использовалась методика SSI. Для
моделирования неотражающих границ грунтового основания применялся PML-слой. Для
задания грунтового основания использовалась модель Мора-Кулона.

а)б)
Рисунок 5 – а) Расчетная схема пятиэтажного здания рамно-связевой конструктивной
схемы на нелинейно-деформируемом грунтовом основании; б) Картина обрушения и
изополя уровня накопления повреждений в бетоне в момент времени t=10,7 с при
Кзап=0,5
Проведенноеисследованиепоказало,чторассматриваемоездание,
запроектированное по нормам сейсмостойкого строительства с учетом коэффициента
К1=0,3, имеет значительный дефицит сейсмостойкости (рис. 5б). Коэффициент запаса
несущей способности Кзап = 0,4.
Расчет железобетонного здания рамно-связевой конструктивной схемы со
структурными КЭ на линейно-деформируемом грунтовом основании показал, что для
рассматриваемого здания, запроектированного по нормам сейсмостойкого строительства
с учетом коэффициента К1 = 0,3, коэффициент запаса несущей способности Кзап = 0,4.
Полученные результаты расчета с использованием структурных КЭ хорошо
согласуются с результатами полученными с использованием объемных КЭ. Таким
образом, получена оценка коэффициента допускаемых повреждений для данного здания
К1* = 0,75.
Верификация по результатам расчета рассматриваемых моделей железобетонных
зданийрамно-связевой конструктивной схемы с учетом взаимодействия с грунтами
основания и без учета податливости (на жестком основании) показывает хорошую
сходимость значений коэффициентов запаса и уровня сейсмостойкости.
Следует отметить, что уровень сейсмостойкости при повышении этажности с пяти
до девяти этажей снижается в 2 раза.
Изменение спектрального состава сейсмического воздействия незначительно
влияет на сейсмостойкость девятиэтажного железобетонного здания рамно-связевой
конструктивной схемы со структурными КЭ. Установлено, что при снижении
доминантной частоты сейсмического воздействия увеличивается скорость накопления
повреждений, и разрушения наступают раньше по времени.
Выполнена оценка эффективности использования параллельных вычислений в LS-
DYNA для явных решателей. Проведены два исследования: на кластере, состоящем из 2
узлов, работающих на ОС Microsoft Windows, и на кластере, состоящем из 24 узлов,
работающих на ОС Red Hat Enterprise Linux 5. Задача решалась на примере пятиэтажного
железобетонного здания рамно-связевой конструктивной схемы с объемными КЭ.
Анализ полученных результатов показывает значительный прирост производительности
по отношению к эталонному расчету: до 4,8 раз – кластер на ОС Linux, до 1,3 раз –
кластер на ОС Windows. Ускорить время расчета в несколько десятков раз может помочь
использование профессиональной высокоскоростной коммутируемой компьютерной
сетии/иликоммутаторовсподдержкойдо40-гигабитEthernetимощных
вычислительных узлов на современных высокопроизводительных процессорах.
В пятой главе был произведен расчет железобетонных многоэтажных зданий
перекрестно-стеновой конструктивной схемы по разработанной методике оценки
сейсмостойкости по критерию необрушения, в том числе при изменении этажности,
спектрального состава сейсмического воздействия и жесткостных параметров грунтового
основания. Предложены подходы к расчету железобетонных зданий и сооружений на
землетрясение с учетом непосредственного армирования с применением объемных и
структурныхКЭ,чтопозволяетадекватноучитыватьнелинейныйхарактер
деформирования конструкций при интенсивном землетрясении.
Расчет железобетонного здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы с
объемнымиконечнымиэлементамипоказал,чторассматриваемоездание,
запроектированное по нормам сейсмостойкого строительства с учетом коэффициента
К1=0,25, также имеет дефицит сейсмостойкости. Коэффициент запаса несущей
способности Кзап = 0,9. Оцененное значение коэффициента допускаемых повреждений
данного здания К1=0,28.
Расчетпятиэтажногожелезобетонногозданияперекрестно-стеновой
конструктивной схемы с объемными конечными элементами и с увеличенными
проемами показал, что рассматриваемое здание, запроектированное по нормам
сейсмостойкого строительства с учетом коэффициента К1 = 0,25, является сейсмостойким
(рис. 6). Коэффициент запаса несущей способности Кзап = 1,0.

Рисунок 6 – Изополя уровня накопления повреждений в бетоне в момент времени
t=30,0 с (слева), график накопления повреждений бетона в характерном элементе стены
(справа)
Выполняется условие, согласно которому в конструкциях зданий и сооружений
могут быть допущены остаточные деформации и повреждения, затрудняющие
нормальную эксплуатацию, при обеспечении безопасности людей и сохранности
оборудования.
а)б)
Рисунок 7 – а) Картина обрушения здания с увеличенными проемами и со
структурными КЭ в момент времени t=16,0 с при Кзап=1,0; б) Количество трещин (0, 1
или 2) в элементах в момент времени t=30,0 с при Кзап=0,9

Рисунок 8 – График изменения напряжений σ в арматуре в основании стены (пилона) при
Кзап=0,9

Анализ результатов расчета железобетонных зданий перекрестно-стеновой
конструктивной схемы со структурными КЭ (рис. 7, 8) и с увеличенными проемами
показал, что рассматриваемые здания, запроектированные по нормам сейсмостойкого
строительства с учетом коэффициента К1 = 0,25, имеют дефицит сейсмостойкости
Коэффициент запаса несущей способности Кзап = 0,9 – для пятиэтажного, Кзап = 0,2 – для
десятиэтажного, Кзап = 0,3 – для двадцатиэтажного здания.
Длярассматриваемыхжелезобетонныхзданийперекрестно-стеновой
конструктивной схемы с увеличенными проемами наблюдается снижение уровня
сейсмостойкости зданий при уменьшении доминантной частоты сейсмического
воздействия, а длительность сейсмического воздействия не оказывает существенного
влияния на сейсмостойкость.
При изменении жесткостных параметров грунтового основания железобетонного
здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы с увеличенными проемами, в
зависимости от спектра сейсмического воздействия и спектра собственных частот
здания, наблюдается изменение скорости накопления повреждений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках диссертационной работы была произведена оценка сейсмостойкости
многоэтажныхжелезобетонныхзданийрамно-связевойиперекрестно-стеновой
конструктивных схем. Для этого была применена методика оценки сейсмостойкости
многоэтажных зданий по критерию необрушения с помощью прямых динамических
методов. При этом производилась верификация нелинейных моделей материалов и
элементовнесущихконструкций,иприменялисьрасчетныесхемыс
верифицированными нелинейными моделями материалов. Для арматуры использовалась
модель с учетом ограничения пластических деформаций. Для бетона – нелинейная
модель, учитывающая упрочнение, деградацию прочности и жесткости, и накопление
повреждений при циклических нагрузках. Для обеспечения совместной работы бетона и
арматуры при моделировании железобетонных конструкций с учетом непосредственного
армирования использовался механизм Лагранжево-Эйлеровых связей. Выполнялись
расчеты как с учетом взаимодействия с грунтами основания, так и без учета.
Применялосьлинейно-деформируемоеинелинейно-деформируемоеоснование.
Произведена оценка эффективности использования параллельных вычислений в LS-
DYNA с использованием нескольких узлов объединенных в кластер. Все проведенные
численные исследования выполнялись при помощи нелинейных прямых динамических
методов расчета по явной схеме интегрирования уравнений движения.
По результатам проведенной работы можно сделать следующие основные выводы:
1. При определении сейсмических сил в расчете линейно-спектральным методом
нелинейная работа конструкций учитывается интегрально путем введения коэффициента
К1 .Теоретическоеобоснованиеданногокоэффициентаимеетсятолькодля
ограниченного класса простых конструкций. При этом он применяется для всех
проектируемых в сейсмических районах зданий и сооружений. Данный упрощенный
подход при проектировании зданий и сооружений определенных конструктивных схем
может приводить к дефициту их сейсмостойкости. Следовательно, необходима
разработка новых методик расчета, учитывающих нелинейный характер деформирования
зданий и сооружений при сейсмических воздействиях.
2. Для обоснования применения модели бетона CSCM представлены основные
подходы по верификации прочностных параметров бетонных образцов в соответствии с
отечественными нормативными документами. Были предложены подходы к переходу от
значений характеристик классов бетона, приведенных в Еврокодах, к значениям
характеристик, соответствующих отечественным нормативным документам. Сравнение
результатов численных исследований и результатов испытаний бетонных образцов
свидетельствует о хорошем совпадении. Характер разрушения в расчетах соответствует
экспериментальным данным по характеру разрушения бетонных образцов (призм, кубов,
цилиндров). Полученные данные по вычисленной и фактической прочности хорошо
согласуются между собой.
3. Выполнены численные исследования по верификации расчетных моделей
отдельных несущих железобетонных элементов балок и колонн с применением
объемных и структурных КЭ. Картина разрушения балок и колонн, полученная по
результатам моделирования с использованием различных моделей материалов в
программном комплексе LS-DYNA, в целом совпадает с картиной разрушения,
полученной по результатам экспериментальных исследований. Значение предельной
разрушающейнагрузкидостаточнохорошосовпадаетсрезультатами
экспериментальных исследований.
4. Выполнен расчет объемных фрагментов железобетонных модульных блоков
прямым нелинейным динамическим методом. Сравнительный анализ расчетных и
экспериментальных значений перемещений характерных точек фрагментов модульных
блоков позволяет сделать вывод об адекватности используемых численных моделей.
Картины повреждений по характеру и местам трещинообразования в численных и в
экспериментальных исследованиях хорошо согласуются.
5. Произведен расчет железобетонного здания рамно-связевой конструктивной
схемы с объемными КЭ на нелинейно-деформируемом грунтовом основании по
разработанной методике оценки сейсмостойкости по критерию необрушения. В
исследовании использовалась методика SSI. Для моделирования неотражающих границ
грунтового основания применялся PML-слой. Для задания грунтового основания
использовалась модель Мора-Кулона. Проведенное исследование показало, что
рассматриваемое здание, запроектированное по нормам сейсмостойкого строительства с
учетомкоэффициентаК1=0,3,имеетзначительныйдефицитсейсмостойкости.
Коэффициент запаса несущей способности Кзап = 0,4.
6. Расчет железобетонного пятиэтажного здания рамно-связевой конструктивной
схемы со структурными КЭ на линейно-деформируемом грунтовом основании показал,
что для рассматриваемого здания, запроектированного по нормам сейсмостойкого
строительства с учетом коэффициента К1 = 0,3, коэффициент запаса несущей
способности Кзап = 0,4. Полученные результаты расчета с использованием структурных
КЭ хорошо согласуются с результатами, полученными с использованием объемных КЭ.
Таким образом, получена оценка коэффициента допускаемых повреждений для данного
здания К1* = 0,75.
7. Изменение спектрального состава сейсмического воздействия незначительно
влияет на сейсмостойкость девятиэтажного железобетонного здания рамно-связевой
конструктивной схемы со структурными КЭ. Установлено, что при снижении
доминантной частоты сейсмического воздействия увеличивается скорость накопления
повреждений, и разрушения наступают раньше по времени. Следует отметить, что
уровень сейсмостойкости при повышении этажности с пяти до девяти этажей снижается
в 2 раза.
8. Расчетпятиэтажногожелезобетонногозданияперекрестно-стеновой
конструктивнойсхемысобъемнымиконечнымиэлементамипоказал,что
рассматриваемое здание, запроектированное по нормам сейсмостойкого строительства с
учетом коэффициента К1 = 0,25, также имеет дефицит сейсмостойкости. Коэффициент
запаса несущей способности Кзап = 0,9. Оцененное значение коэффициента допускаемых
повреждений данного здания К1=0,28.
9. Расчетпятиэтажногожелезобетонногозданияперекрестно-стеновой
конструктивной схемы с объемными конечными элементами и с увеличенными
проемами показал, что рассматриваемое здание, запроектированное по нормам
сейсмостойкогостроительствасучетомкоэффициентаК1=0,25,является
сейсмостойким. Коэффициент запаса несущей способности Кзап = 1,0. Выполняется
условие, согласно которому в конструкциях зданий и сооружений могут быть допущены
остаточные деформации и повреждения, затрудняющие нормальную эксплуатацию, при
обеспечении безопасности людей и сохранности оборудования.
10. Анализ результатов расчета железобетонных зданий перекрестно-стеновой
конструктивной схемы со структурными КЭ и с увеличенными проемами показал, что
рассматриваемые здания, запроектированные по нормам сейсмостойкого строительства с
учетом коэффициента К1 = 0,25, имеют дефицит сейсмостойкости. По результатам
расчета коэффициент запаса несущей способности Кзап = 0,9 – для пятиэтажного, Кзап =
0,2 – для десятиэтажного, Кзап = 0,3 – для двадцатиэтажного здания.
11. Длярассматриваемыхжелезобетонныхзданийперекрестно-стеновой
конструктивной схемы с увеличенными проемами наблюдается снижение уровня
сейсмостойкости зданий при уменьшении доминантной частоты сейсмического
воздействия, а длительность сейсмического воздействия не оказывает существенного
влияния на сейсмостойкость. При изменении жесткостных параметров грунтового
основания железобетонного здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы с
увеличенными проемами, в зависимости от спектра сейсмического воздействия и спектра
собственных частот здания, наблюдается изменение скорости накопления повреждений.
12. Выполнена оценка эффективности использования параллельных вычислений в
LS-DYNAдляявныхрешателей.Анализполученныхрезультатовпоказывает
значительный прирост производительности по отношению к эталонному расчету: до 4,8
раз – кластер на ОС Linux, до 1,3 раз – кластер на ОС Windows.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы: проведение
численных исследований на основе предложенных подходов и методик по оценке
сейсмостойкости железобетонных зданий и сооружений рамно-связевой и перекрестно-
стеновой конструктивных схем различной этажности и размеров в плане в вероятностной
постановке с применением параллельных вычислений.

Актуальность темы исследования
Землетрясение входит в группу самых опасных природных явлений, таких как
цунами, его последствия часто являются катастрофичными. За последние десятилетия
произошло несколько сильнейших землетрясений с человеческими жертвами и
многомиллионными материальными потерями [78]. Анализ карт общего сейсмического
районирования территории России показывает, что около 25% территории являются
сейсмически опасными [4, 28]. Для зданий и сооружений, проектируемых в
сейсмических районах, необходимым условием является обеспечение механической
безопасности [2, 3, 15].
Обеспечение требуемого уровня сейсмостойкости зданий и сооружений и
предупреждение разрушительных последствий землетрясений возможно при принятии
соответствующих мер, например, таких как: использование адекватных норм
сейсмостойкого строительства; актуализация карт сейсмического районирования;
разработка новых методик расчета, учитывающих нелинейный характер
деформирования конструкций при сейсмических воздействиях и совместную работу
сооружения с грунтовым основанием, и др. [8, 14, 23, 24, 26, 33, 50, 52, 57, 93-95].
Основным методом расчета на землетрясение, в соответствии с отечественными
нормативными документами по сейсмостойкому строительству, является линейно-
спектральный метод, который предполагает решение задачи в линейно-упругой
постановке [83]. При интенсивных сейсмических воздействиях в большинстве случаев
действующие нормы проектирования допускают появление повреждений в несущих
элементах строительных конструкций. В полной мере адекватный анализ работы зданий
и сооружений при этом возможен только с учетом их нелинейного характера
деформирования, то есть с применением прямых нелинейных методов расчета [45, 46,
56, 137]. При определении сейсмических сил в расчете линейно-спектральным методом
нелинейная работа конструкций интегрально учитывается путем введения
коэффициента учета допускаемых повреждений К1. Данный коэффициент применяют
для всех проектируемых в сейсмических районах зданий и сооружений, хотя
теоретическое подтверждение имеется только для определенного класса более простых
конструкций. Такой упрощенный подход при проектировании зданий и сооружений
определенных конструктивных схем может приводить к дефициту их сейсмостойкости
[15, 32, 33, 48, 50, 79].
Линейно-спектральный метод имеет ряд недостатков. Основными из них
являются принципиальная невозможность получения точного решения при сложении
форм колебаний и недостаточная обоснованность подхода к учету нелинейного
деформирования, а также принимаемых значений К1, обоснованно определенных только
для простых систем [81].
О том, что для зданий и сооружений некоторых конструктивных схем,
запроектированных по соответствующим нормам, имеется дефицит несущей
способности, показывает и анализ последствий Спитакского землетрясения 1988 года
[78]. Специалистами в области сейсмостойкого строительства предлагаются различные
способы уточнения решений на основе линейно-спектрального подхода. В частности,
предлагается использование дифференцированного назначения K1 для железобетонных
каркасных зданий с диафрагмами [34, 80, 82].
При выполнении расчетных исследований необходим анализ сходимости
решений. Здесь следует отметить, что при проектировании, как правило, используются
расчетные модели, включающие структурные конечные элементы: стержневые и
пространственные конечные элементы оболочки. Для получения достоверных
результатов расчеты железобетонных конструкций необходимо выполнять в более
общих и строгих постановках, например, с применением нелинейных динамических
методов и использованием объемных конечных элементов, что позволяет напрямую
учесть совместную работу бетона и арматуры [43, 106, 107, 135, 136, 138]. Необходимо
применять нелинейные модели материалов, учитывающие деградацию прочности и
жесткости, упрочнение и накопление повреждений при циклических нагрузках [17, 47,
108, 124, 139, 148]. Стоит отметить, что есть ряд исследований с применением
перечисленных методов и материалов для простых конструкций [15]. При этом для
зданий и сооружений рамно-связевых и перекрестно-стеновых конструктивных схем, в
должном объеме исследования с учетом перечисленных особенностей не проводились.
Также, если расчет требует значительных вычислительных мощностей и затрат
большого количества машинного времени, в некоторых случаях целесообразно
выполнение параллельных вычислений с подключением большого числа компьютерных
процессоров [16, 69, 128, 133, 134, 145, 147].
Степень разработанности темы диссертации. Различными проблемами в
области сейсмостойкого строительства занималось большое количество ученых: Я.М.
Айзенберг, Ф.Ф. Аптикаев, М.А. Био, А.Н. Бирбраер, В.В. Болотин, А.В. Грановский,
Т.К. Датта, В.Б. Заалишвили, К.С. Завриев, Р. Клаф, И.Л. Корчинский, С.В. Кузнецов,
Е.Н. Курбацкий, А.М. Курзанов, Ю.П. Назаров, Н.М. Ньюмарк, Дж. Пензиен, Ю.И.
Романов, А.Е. Саргсян, А.П. Синицын, А.М. Уздин, Г. Хаузнер, Э.И. Хачиян, Ю.Т.
Чернов, Г.Э. Шаблинский и многие другие [1-7, 9-13, 19-21, 27-31, 35-42, 66-68, 70-73,
96-99, 102-104, 109, 110, 119, 121, 125-127, 143].
Вопросы применения и развития нелинейных подходов к обеспечению
сейсмостойкости, в том числе уточнения значения коэффициента допускаемых
повреждений, отражены в работах А.М. Белостоцкого, Г.А. Джинчвелашвили, О.В.
Кабанцева, Х. Кравинклера, О.В. Мкртычева, В.Л. Мондруса, В.А. Пшеничкиной, В.И.
Смирнова, А. В. Соснина, А.Г. Тамразяна, А.Г. Тяпина, А.К. Чопры и других [8, 22-25,
32-34, 44, 49, 51-53, 55-57, 61, 64, 65, 75-77, 79-82,86-88, 90-95, 100, 101, 130-132].
Для зданий и сооружений, строящихся в сейсмических районах, задачи
обеспечения механической безопасности при интенсивном сейсмическом воздействии
требуют дальнейшего развития. Для получения адекватного результата при нелинейных
расчетах необходима всесторонняя верификация используемых методов, в том числе
нелинейных моделей материалов, несущих элементов и многоэлементных систем с
идентификацией значений расчетных параметров по результатам экспериментов [58].
Целью диссертационной работы является верификация расчетных моделей
многоэтажных железобетонных зданий рамно-связевой и перекрестно-стеновой
конструктивных схем с учетом нелинейной работы, оценка их сейсмостойкости с
использованием нелинейных динамических методов и оптимизация расчетных методик
с применением параллельных вычислений.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
 анализ имеющихся в настоящее время методов и методик расчета зданий и
сооружений на сейсмические воздействия;
 анализ нелинейных моделей материалов для моделирования бетона
(железобетона);
 анализ материалов по испытаниям отдельных несущих элементов
железобетонных конструкций на сжатие и изгиб;
 разработка подходов по переходу от объемных конечных элементов (КЭ) к
структурным КЭ;
 обзор методов учета податливости основания;
 анализ эффективности применения параллельных вычислений;
 верификация расчетных моделей несущих конструкций, зданий и
сооружений;
 разработка методики оценки сейсмостойкости многоэтажных зданий с
использованием детерминированных подходов и с учетом нелинейного характера
деформирования несущих конструкций при использовании расчетных динамических
моделей со структурными и объемными КЭ;
 решение комплекса задач по определению сейсмостойкости многоэтажных
зданий рамно-связевой и перекрестно-стеновой конструктивных схем на основе
нелинейного динамического расчета, в том числе и с учетом взаимодействия с грунтами
основания при интенсивных сейсмических воздействиях;
 применение параллельных вычислений при оценке сейсмостойкости зданий с
учетом нелинейного характера деформирования и накопления повреждений несущих
конструкций;
 анализ полученных результатов.
Объектом исследования являются учитывающие нелинейную работу модели
материалов бетона; несущие конструкции; железобетонные здания рамно-связевой и
перекрестно-стеновой конструктивных схем при интенсивных сейсмических
воздействиях.
Предметом исследования являются: верификация нелинейных моделей
материалов для моделирования бетона в программном комплексе LS-DYNA,
сейсмостойкость железобетонных зданий рамно-связевой и перекрестно-стеновой
конструктивных схем, параллельные вычисления.
Научная новизна работы: разработаны и верифицированы соответствующие
нелинейные динамические расчетные модели и методики, на основе которых
произведена оценка сейсмостойкости многоэтажных железобетонных зданий рамно-
связевой и перекрестно-стеновой конструктивных схем с применением объемных и
структурных КЭ и параллельных вычислений (в том числе в кластерном режиме), а
именно:
 разработана методика оценки сейсмостойкости многоэтажных зданий с
применением детерминированных подходов и расчетных динамических моделей со
структурными и объемными конечными элементами с учетом нелинейной работы и
накопления повреждений несущих конструкций;
 представлены различные варианты учета непосредственного (дискретного)
армирования в нелинейной постановке с верификацией расчетных моделей несущих
конструкций, зданий и сооружений;
 определены значения коэффициента запаса несущей способности и получены
оценки значений нормативного коэффициента К1, учитывающего допускаемые
повреждения для многоэтажных зданий рамно-связевой и перекрестно-стеновой
конструктивных схем, в том числе с учетом совместной работы грунта основания,
фундаментных и надфундаментных железобетонных конструкций при интенсивных
сейсмических воздействиях.
Теоретическая значимость работы состоит в развитии нелинейных моделей
материалов, методов теории сейсмостойкости и методов расчета. Разработанные
методики дают возможность для зданий и сооружений различных конструктивных схем
выполнить оценку значений коэффициента К1 , учитывающего допускаемые
повреждения зданий и сооружений, при использовании различных типов материалов.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
 результаты выполненных исследований могут быть применены
исследовательскими и проектными организациями при проектировании зданий и
сооружений в сейсмических районах;
 предложенные методики могут быть использованы при уточнении значений
нормативного коэффициента, учитывающего допускаемые повреждения К1;
 разработанные методики могут применяться при проведении численных
экспериментов для верификации моделей зданий и сооружений по результатам
натурных исследований отдельных несущих элементов;
 применение рекомендуемых способов позволит актуализировать нормативные
документы в области сейсмобезопасности, сейсмостойкого проектирования и
строительства;
 при проектировании и выполнении расчетов, в том числе поверочных, можно
учитывать непосредственное армирование железобетонных конструкций;
 предложенные методики дают возможность применять параллельные
вычисления для явных разностных схем.
Методология и методы исследования. Методологической основой
диссертационной работы являлись исследования зарубежных и отечественных авторов в
области сейсмостойкого строительства и численных методов расчета. В
диссертационной работе применялись следующие методы.
 Моделирование. Проводилось численное моделирование бетонных образцов,
отдельных несущих элементов, многоэтажных железобетонных зданий рамно-связевой
и перекрестно-стеновой конструктивных схем с применением расчетных динамических
моделей со структурными и объемными конечными элементами с учетом нелинейной
работы несущих конструкций. Применялись параллельные вычисления для явных
разностных схем.
 Сравнение. По результатам исследования была произведена верификация
моделей нелинейных материалов. Сравнение эффективности применения параллельных
вычислений и уровня сейсмостойкости полученных и нормативных значений
коэффициента К1 железобетонных зданий рамно-связевой и перекрестно-стеновой
конструктивных схем.
 Анализ. Для верификации и оценки сейсмостойкости железобетонных зданий
рамно-связевой и перекрестно-стеновой конструктивных схем проведен подробный
анализ полученных в процессе численных исследований результатов.
Личный вклад автора диссертации заключается в следующем:
 разработана методика оценки сейсмостойкости многоэтажных зданий с
применением расчетных динамических моделей со структурными и объемными
конечными элементами с учетом нелинейной работы и накопления повреждений
несущих конструкций;
 предложены методики верификации расчетных моделей несущих
конструкций, зданий и сооружений с учетом разработанных методов по переходу от
объемных КЭ к структурным КЭ;
 проведены расчеты отдельных несущих конструкций с последующей
верификацией по отношению к экспериментальным исследованиям;
 определен уровень сейсмостойкости (запаса несущей способности) для
железобетонных зданий рамно-связевой и перекрестно-стеновой конструктивных схем,
в том числе с применением параллельных вычислений для явных разностных схем;
 для железобетонных зданий рамно-связевой и перекрестно-стеновой
конструктивных схем выполнена оценка значений нормативного коэффициента К1,
учитывающего допускаемые повреждения зданий и сооружений;
 выполнен комплекс задач по оценке сейсмостойкости многоэтажных зданий
рамно-связевой и перекрестно-стеновой конструктивных схем на основе нелинейного
динамического расчета с учетом взаимодействия с грунтами основания.
Представленные в диссертационной работе исследования, включающие
численное моделирование конструкций, грунтов основания, проведение расчетов,
сравнение и анализ полученных результатов, выполнялись лично автором.
Степень достоверности результатов исследования достигается:
 применением при постановке задач гипотез, принятых в строительной
механике, механике деформируемого твердого тела, теории сейсмостойкости, теории
сооружений;
 сравнением полученных результатов с экспериментальными данными и
данными, полученными другими авторами по ряду исследуемых в работе вопросов;
 использованием при расчете современных апробированных численных
методов расчета строительных конструкций, верифицированных моделей материалов и
сертифицированных расчетных программных комплексов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были
доложены на следующих научно-практических конференциях и семинарах:
 XIX Международная межвузовская научно-практическая конференция
студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство –
формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 2016 г.);
 XX Международная межвузовская научно-практическая конференция
студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Строительство –
формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 2017 г.);
 VI International scientific conference «Integration, Partnership and Innovation in
Construction Science and Education» (г. Москва, 2018 г.);
 XXVII R-S-P Seminar «Theoretical foundation of civil engineering» (г. Ростов-на-
Дону, 2018);
 XXVIII R-S-P Seminar «Theoretical foundation of civil engineering» (г. Жилина,
2019);
 XXX R-S-P Seminar «Theoretical foundation of civil engineering» (г. Москва, г.
Самара, 2021).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на заседании кафедры
«Сопротивление материалов» ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет» (г. Москва, 2021 г.).
Публикации. Научные результаты достаточно полно изложены в 12 научных
публикациях, из которых 5 работ опубликованы в журналах, включенных в Перечень
рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные
научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на
соискание ученой степени доктора наук, и 5 работ опубликованы в журналах,
индексируемых в международных реферативных базах Scopus, Web of Science.
На защиту выносятся:
 методика оценки сейсмостойкости многоэтажных зданий с применением
детерминированных подходов и расчетных динамических моделей со структурными и
объемными конечными элементами с учетом нелинейной работы несущих конструкций;
 результаты верификации расчетных моделей материалов, несущих
конструкций, зданий и сооружений с учетом разработанных подходов по переходу от
объемных КЭ к структурным КЭ;
 результаты оценки уровня сейсмостойкости (запаса несущей способности)
для железобетонных зданий рамно-связевой и перекрестно-стеновой конструктивных
схем;
 результаты оценки значений нормативного коэффициента К1, учитывающего
допускаемые повреждения зданий и сооружений, для железобетонных зданий рамно-
связевой и перекрестно-стеновой конструктивных схем;
 результаты оценки сейсмостойкости многоэтажных зданий рамно-связевой и
перекрестно-стеновой конструктивных схем на основе нелинейного динамического
расчета, с учетом взаимодействия с грунтами основания;
 результаты комплекса исследований, где показано эффективное применение
параллельных вычислений для явных разностных схем при оценке сейсмостойкости
железобетонных зданий и сооружений с учетом нелинейного характера деформирования
и накопления повреждений несущих конструкций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения,
пяти глав, заключения, списка литературы (148 наименований). Общий объем
диссертации составляет 157 страниц, включая 12 таблиц, 125 рисунков.

В рамках диссертационной работы была произведена оценка сейсмостойкости
многоэтажных железобетонных зданий рамно-связевой и перекрестно-стеновой
конструктивных схем. Для этого была применена методика оценки сейсмостойкости
многоэтажных зданий по критерию необрушения с помощью прямых динамических
методов. При этом производилась верификация нелинейных моделей материалов и
элементов несущих конструкций, и применялись расчетные схемы с
верифицированными нелинейными моделями материалов. Для арматуры
использовалась модель с учетом ограничения пластических деформаций. Для бетона –
нелинейная модель, учитывающая упрочнение, деградацию прочности и жесткости, и
накопление повреждений при циклических нагрузках. Для обеспечения совместной
работы бетона и арматуры при моделировании железобетонных конструкций с учетом
непосредственного армирования использовался механизм Лагранжево-Эйлеровых
связей. Выполнялись расчеты как с учетом взаимодействия с грунтами основания, так и
без учета. Применялось линейно-деформируемое и нелинейно-деформируемое
основание. Произведена оценка эффективности использования параллельных
вычислений в LS-DYNA с использованием нескольких узлов объединенных в кластер.
Все проведенные численные исследования выполнялись при помощи нелинейных
прямых динамических методов расчета по явной схеме интегрирования уравнений
движения.
По результатам проведенной работы можно сделать следующие основные
выводы:
1. При определении сейсмических сил в расчете линейно-спектральным
методом нелинейная работа конструкций учитывается интегрально путем введения
коэффициента К1. Теоретическое обоснование данного коэффициента имеется только
для ограниченного класса простых конструкций. При этом он применяется для всех
проектируемых в сейсмических районах зданий и сооружений. Данный упрощенный
подход при проектировании зданий и сооружений определенных конструктивных схем
может приводить к дефициту их сейсмостойкости. Следовательно, необходима
разработка новых методик расчета, учитывающих нелинейный характер
деформирования зданий и сооружений при сейсмических воздействиях.
2. Для обоснования применения модели бетона CSCM представлены
основные подходы по верификации прочностных параметров бетонных образцов в
соответствии с отечественными нормативными документами. Были предложены
подходы к переходу от значений характеристик классов бетона, приведенных в
Еврокодах, к значениям характеристик, соответствующих отечественным нормативным
документам. Сравнение результатов численных исследований и результатов испытаний
бетонных образцов свидетельствует о хорошем совпадении. Характер разрушения в
расчетах соответствует экспериментальным данным по характеру разрушения бетонных
образцов (призм, кубов, цилиндров). Полученные данные по вычисленной и
фактической прочности хорошо согласуются между собой.
3. Выполнены численные исследования по верификации расчетных моделей
отдельных несущих железобетонных элементов балок и колонн с применением
объемных и структурных КЭ. Картина разрушения балок и колонн, полученная по
результатам моделирования с использованием различных моделей материалов в
программном комплексе LS-DYNA, в целом совпадает с картиной разрушения,
полученной по результатам экспериментальных исследований. Значение предельной
разрушающей нагрузки достаточно хорошо совпадает с результатами
экспериментальных исследований.
4. Выполнен расчет объемных фрагментов железобетонных модульных
блоков прямым нелинейным динамическим методом. Сравнительный анализ расчетных
и экспериментальных значений перемещений характерных точек фрагментов
модульных блоков позволяет сделать вывод об адекватности используемых численных
моделей. Картины повреждений по характеру и местам трещинообразования в
численных и в экспериментальных исследованиях хорошо согласуются.
5. Произведен расчет железобетонного здания рамно-связевой
конструктивной схемы с объемными КЭ на нелинейно-деформируемом грунтовом
основании по разработанной методике оценки сейсмостойкости по критерию
необрушения. В исследовании использовалась методика SSI. Для моделирования
неотражающих границ грунтового основания применялся PML-слой. Для задания
грунтового основания использовалась модель Мора-Кулона. Проведенное исследование
показало, что рассматриваемое здание, запроектированное по нормам сейсмостойкого
строительства с учетом коэффициента К1 = 0,3, имеет значительный дефицит
сейсмостойкости. Коэффициент запаса несущей способности Кзап = 0,4.
6. Расчет железобетонного пятиэтажного здания рамно-связевой
конструктивной схемы со структурными КЭ на линейно-деформируемом грунтовом
основании показал, что для рассматриваемого здания, запроектированного по нормам
сейсмостойкого строительства с учетом коэффициента К1 = 0,3, коэффициент запаса
несущей способности Кзап = 0,4. Полученные результаты расчета с использованием
структурных КЭ хорошо согласуются с результатами, полученными с использованием
объемных КЭ. Таким образом, получена оценка коэффициента допускаемых
повреждений для данного здания К1* = 0,75.
7. Изменение спектрального состава сейсмического воздействия
незначительно влияет на сейсмостойкость девятиэтажного железобетонного здания
рамно-связевой конструктивной схемы со структурными КЭ. Установлено, что при
снижении доминантной частоты сейсмического воздействия увеличивается скорость
накопления повреждений, и разрушения наступают раньше по времени. Следует
отметить, что уровень сейсмостойкости при повышении этажности с пяти до девяти
этажей снижается в 2 раза.
8. Расчет пятиэтажного железобетонного здания перекрестно-стеновой
конструктивной схемы с объемными конечными элементами показал, что
рассматриваемое здание, запроектированное по нормам сейсмостойкого строительства с
учетом коэффициента К1 = 0,25, также имеет дефицит сейсмостойкости. Коэффициент
запаса несущей способности Кзап = 0,9. Оцененное значение коэффициента допускаемых
повреждений данного здания К1 = 0,28.
9. Расчет пятиэтажного железобетонного здания перекрестно-стеновой
конструктивной схемы с объемными конечными элементами и с увеличенными
проемами показал, что рассматриваемое здание, запроектированное по нормам
сейсмостойкого строительства с учетом коэффициента К1 = 0,25, является
сейсмостойким. Коэффициент запаса несущей способности Кзап = 1,0. Выполняется
условие, согласно которому в конструкциях зданий и сооружений могут быть допущены
остаточные деформации и повреждения, затрудняющие нормальную эксплуатацию, при
обеспечении безопасности людей и сохранности оборудования.
10. Анализ результатов расчета железобетонных зданий перекрестно-стеновой
конструктивной схемы со структурными КЭ и с увеличенными проемами показал, что
рассматриваемые здания, запроектированные по нормам сейсмостойкого строительства
с учетом коэффициента К1 = 0,25, имеют дефицит сейсмостойкости. По результатам
расчета коэффициент запаса несущей способности Кзап = 0,9 – для пятиэтажного, Кзап =
0,2 – для десятиэтажного, Кзап = 0,3 – для двадцатиэтажного здания.
11. Для рассматриваемых железобетонных зданий перекрестно-стеновой
конструктивной схемы с увеличенными проемами наблюдается снижение уровня
сейсмостойкости зданий при уменьшении доминантной частоты сейсмического
воздействия, а длительность сейсмического воздействия не оказывает существенного
влияния на сейсмостойкость. При изменении жесткостных параметров грунтового
основания железобетонного здания перекрестно-стеновой конструктивной схемы с
увеличенными проемами, в зависимости от спектра сейсмического воздействия и
спектра собственных частот здания, наблюдается изменение скорости накопления
повреждений.
12. Выполнена оценка эффективности использования параллельных
вычислений в LS-DYNA для явных решателей. Анализ полученных результатов
показывает значительный прирост производительности по отношению к эталонному
расчету: до 4,8 раз – кластер на ОС Linux, до 1,3 раз – кластер на ОС Windows.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы: проведение
численных исследований на основе предложенных подходов и методик по оценке
сейсмостойкости железобетонных зданий и сооружений рамно-связевой и перекрестно-
стеновой конструктивных схем различной этажности и размеров в плане в
вероятностной постановке с применением параллельных вычислений.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Читать

    Читать «Верификация расчетных моделей железобетонных зданий, проектируемых для сейсмических районов»

    Публикации автора в научных журналах

    Verification of the reinforced concrete beam model based on the results of a full-scale experimental study
    O.V. Mkrtychev, M.I. Andreev // MATEC Web ofConferences. – 2– V. – 01
    Verification of the eccentrically compressed reinforced concrete column calculation model based on the results of a full-scale experimental study
    M.I.Andreev, S.V. Bulushev, M.S. Dudareva // MATEC Web of Conferences. – 2– V. –04
    Verification of the reinforced concrete column bar model based on the test results
    O.V. Mkrtychev, M.S. Dudareva, M.I. Andreev // MATEC Web ofConferences. - 2- V. – 04
    Verification Analysis of the Degradation of Frequency Parameters Under the Action of Seismic Load
    M.I. Andreev, D.S. Sidorov // IOP Conf. Series: MaterialsScience and Engineering. – 2– V. – 012
    Methodology for Assessing Seismic Resistance of a 5-Storey Reinforced Cross-wall Concrete Building
    O.V. Mkrtychev, M.I. Andreev // Lecture Notes inCivil Engineering (RSP 2021). – 2– V. – Pp. 300
    Расчет высотного здания на сейсмическое воздействие с применением программного комплекса LS-DYNA
    М.И. Андреев // Строительство -формирование среды жизнедеятельности: сборник трудов 19-й Международноймежвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов имолодых ученых. – МГСУ, 2– С. 453

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Анна Александровна Б. Воронежский государственный университет инженерных технол...
    4.8 (30 отзывов)
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.
    #Кандидатские #Магистерские
    66 Выполненных работ
    user1250010 Омский государственный университет, 2010, преподаватель,...
    4 (15 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Александр О. Спб государственный университет 1972, мат - мех, преподав...
    4.9 (66 отзывов)
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальн... Читать все
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальных уравнений. Умею быстро и четко выполнять сложные вычислительные работ
    #Кандидатские #Магистерские
    117 Выполненных работ
    Логик Ф. кандидат наук, доцент
    4.9 (826 отзывов)
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские дисс... Читать все
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские диссертации, рефераты, контрольные) уже много лет. Качество работ гарантирую.
    #Кандидатские #Магистерские
    1486 Выполненных работ
    Олег Н. Томский политехнический университет 2000, Инженерно-эконо...
    4.7 (96 отзывов)
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Явл... Читать все
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Являюсь действующим преподавателем одного из ВУЗов.
    #Кандидатские #Магистерские
    177 Выполненных работ
    Ольга Б. кандидат наук, доцент
    4.8 (373 отзыва)
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских... Читать все
    Работаю на сайте четвертый год. Действующий преподаватель вуза. Основные направления: микробиология, биология и медицина. Написано несколько кандидатских, магистерских диссертаций, дипломных и курсовых работ. Слежу за новинками в медицине.
    #Кандидатские #Магистерские
    566 Выполненных работ
    Лидия К.
    4.5 (330 отзывов)
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии ... Читать все
    Образование высшее (2009 год) педагог-психолог (УрГПУ). В 2013 году получено образование магистр психологии. Опыт преподавательской деятельности в области психологии и педагогики. Написание диссертаций, ВКР, курсовых и иных видов работ.
    #Кандидатские #Магистерские
    592 Выполненных работы
    Дарья С. Томский государственный университет 2010, Юридический, в...
    4.8 (13 отзывов)
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссерт... Читать все
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссертационное исследование, которое сейчас находится на рассмотрении в совете.
    #Кандидатские #Магистерские
    18 Выполненных работ
    Оксана М. Восточноукраинский национальный университет, студент 4 - ...
    4.9 (37 отзывов)
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политоло... Читать все
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политологии.
    #Кандидатские #Магистерские
    68 Выполненных работ

    Последние выполненные заказы

    Другие учебные работы по предмету

    Метод статического учета высших форм колебаний в задачах динамики конструкций
    📅 2022 год
    🏢 ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»