книги / Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном комплексе Пермского национального исследовательского политехнического университета

Рис. 22.16. Графики изменения во времени максимальных суммарных перемещений в конструкциях при разных конструктивных решениях помещений, определяющих соотношениях и видах воздействия нагрузки

Рис. 22.17. Графики изменения во времени максимальных значений интенсивности напряжений в конструкциях при разных конструктивных решениях помещений, определяющих соотношениях и видах воздействия нагрузки

Проведенные исследования показали, что расчеты на эквивалентную статическую нагрузку, рекомендуемую нормативными документами, дают заниженные и качественно отличающиеся результаты от расчетов на динамическое взрывное воздействие,

261

а учет процесса разрушения материала снижает уровень напря- женно-деформированного состояния.

Разработана методика оценки механической безопасности конструкций кирпичного здания на действие внутреннего дефлаграционного взрыва. Для оценки механической безопасности конструкций многоэтажного кирпичного здания решалась нелинейная краевая задача определения напряженно-деформи- рованного состояния и разрушения здания методом конечных элементов с помощью программного комплекса ANSYS. Методика расчета включала реализацию следующей последовательности задач:

1.Построение грубой конечно-элементной модели здания (рис. 22.18) и расчет НДС на действие статических ветровых

ираспределенных нагрузок, определенных в техническом задании. Для построения конечно-элементной модели использовался трехмерный 20-узловой элемент SOLID95 с нелинейной квадратичной аппроксимацией.

2.Проблема большой размерности сформированных ко- нечно-элементных моделей решалась с помощью метода субмоделирования. Вблизи от места взрыва выделялась часть здания, на границах которой при обследовании следов разрушения не обнаружено, наносилась более мелкая сетка конечных элементов (рис. 22.19) и выполнялся расчет на действие статических ветровых и распределенных нагрузок с учетом физической нелинейности материалов несущих конструкций. Использовался трехмерный 8-узловой элемент SOLID65 с билинейной аппроксимацией перемещений и кинематических граничных условий, полученных на предыдущем шаге. Нелинейный расчет проводился методом конечных элементов с использованием пошаговой процедуры. На каждом шаге решения для получения сходимости выполнялись равновесные итерации с помощью метода Ньютона– Рафсона.

3.Расчет фрагмента здания, где произошел взрыв бытового газа, на действие динамической нагрузки методом субмоделирования и уточненной модели этого фрагмента на еще более

262

Рис. 22.18. Полная	Рис. 22.19. Выделенная	Рис. 22.20.
модель здания	часть здания	Фрагмент здания

мелкой сетке (рис. 22.20) с использованием результатов предыдущего расчета.

Рассматривались два варианта нагрузки – эквивалентная статическая и динамическая. В первом случае выполнялся нелинейный статический анализ при независимом от времени поведении материала. Во втором– запускался нелинейный анализ переходных процессов, активизировались эффекты интегрирования по времени («время» представляет фактическую хронологию).

Для оценки достоверности результатов проверялось выполнение естественных граничных условий краевой задачи.

В результате решения определено напряженно-деформи- рованное состояние несущих конструкций здания с учетом структурного разрушения, которое показало, что трещины появились только в конструкциях, в помещении кухни и непосредственно примыкающих к помещению, где произошел взрыв. Схемы распространения трещин в несущих стенах здания качественно повторяют фактические, снятые на месте ава-

рии (рис. 22.21).

Сравнение картины трещин, полученных в результате численного моделирования, с фактическим расположением повреждений позволяет говорить о достоверности математических моделей и предложенной вычислительной технологии, которую

263

Рис. 22.21. Сравнение расчетной картины трещин

сфактическими повреждениями при взрыве

вдальнейшем можно использовать для экспериментов с различными параметрами, влияющими на силу иместо взрыва.

Количественная оценка степени повреждения конструкции стеновой панели, получившей основные повреждения. При обследовании зданий и сооружений для вынесения заключения о пригодности строительного объекта к дальнейшей эксплуатации обычно используются качественные характеристики степени повреждения (разрушения), связанные с состоянием конструктивных элементов. Такой подход имеет чисто субъективный характер, и в данной работе сделана попытка выполнить количественную оценку степени повреждения конструкции стеновой панели, получившей повреждения в результате взрыва бытового газа в помещении здания. Степень повреждения конструкции определялась как отношение объема разрушенных конечных элементов к начальному объему. При этом исследовалось влияние прочностных характеристик материала и давления взрывной нагрузки на степень разрушения с использованием математической теории планирования эксперимента.

264

Получено уравнение регрессии в натуральных значениях факторов

у = 27, 495 + 26, 45z1 − 86, 428z2 − 2, 492z1 z2 − 21, 243z12 + 61, 278z22 ,

где z1 – прочность материала на одноосное сжатие; z2 – давление взрыва.

Адекватность модели оценивалась по результатам вычислительных экспериментов в промежуточных точках.

На рис. 22.22 изображена поверхность функции отклика, позволяющая оценить влияние каждого из этих факторов на степень разрушения конструкции.

Рис. 22.22. Зависимость степени разрушения конструкции от прочности материала и давления взрыва

Анализируя полученные результаты, можно отметить, что при использовании более прочной кирпичной кладки процент разрушения конструкции снижается, а зависимость степени раз-

265

рушения конструкции от уровня взрывной нагрузки имеет вид выпуклой унимодальной функции. Это связано с динамическим характером действия нагрузки.

Основные результаты и выводы.

1.Разработана и верифицирована вычислительная технология проведения комплексного анализа действия дефлаграционного взрыва газа на механическую безопасность здания. Для решения связанной задачи гидрогазодинамики и прочностного анализа в разных программных комплексах FlowVision и ANSYS разработан алгоритм и исследовательский программный модуль связки ANSYS – Flow Vision, позволяющий автоматизировать процесс обмена информацией.

2.С помощью разработанной методики расчета интенсивности взрывной нагрузки и теории планирования многофакторного эксперимента установлены зависимости избыточного давления при взрыве бытового газа от объема помещения, концентрации газа в смеси, размеров оконных (дверных) проемов. Наиболее значимым фактором, влияющим на рост давления, является концентрация газа в смеси; в меньшей степени влияют объем помещения и площадь сбросного проема.

3.При изучении воздействия дефлаграционного взрыва на несущие конструкции здания выявлены параметры, оказывающие наибольшее влияние на механическую безопасность здания. Наличие оконных и дверных проемов позволяет снизить воздействие взрыва на конструкции, причем чем больше общая площадь проемов, тем это снижение значительнее (разница 12–17 %). Жесткая заделка перекрытий также уменьшает напряжения в элементах конструкций (примерно в 2–5 раз).

4.Расчеты на динамическое воздействие и на эквивалентную статическую нагрузку дают качественно и количественно отличающиеся результаты. При динамическом анализе процесс изменения напряжений развивается во времени и превышает значения напряжений в статике в среднем в 2 раза (при открытой двери) и примерно на 28 % – при закрытой двери, причем

266

при жесткой схеме закрепления перекрытий отклонения при динамическом воздействии от статического отличаются существенно меньше (примерно на 25 %).

Список литературы

1. Комаров А.А. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка последствий их воздействия на здания и сооружения: дис. … д-ра техн. наук; Моск. гос. строит. ун-т. – М.: МГСУ, 2001.

2.Инженерная защита городов и населённых пунктов России от воздействия опасных природных и техногенных процессов. Методика определения нагрузок и воздействий при взрывах газовоздушных смесей на промышленных предприятиях / ЦНИИПромзданий, Моск. гос. строит. ун-т. – М., 1994.

3.СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование: постановлением Государственного комитета СССР по строительству иинвестициям от 28 ноября1991 г.

4.Комаров А.А., Г.В. Чиликина. Условия формирования взрывоопасных облаков в газифицированных жилых помещениях //

Пожаровзрывобезопасность. – 2002. – № 4. – Т. 11. – С. 24–28.

5. Лукьянова И.Э., Шмелев В.В. Особенности совместного использования программных продуктов ANSYS и FlowVision для определения напряженного состояния нефтяных резервуаров // Нефтегазовое дело: электрон. науч. журн. – URL:

http://www.ogbus.ru/authors/Lukyanova/1.pdf / Уфим. гос. нефт.

техн. ун-т; ООО «ТЕСИС». – М., Уфа, 2006.

6.Кашеварова Г.Г., Пепеляев А.А. Моделирование и ретроспективный анализ взрыва бытового газа в кирпичном здании // Строительная механика и расчет сооружений: науч-техн. журн. /

ЦНИИСК им. Кучеренко. – М., 2010. – № 2. – С. 31–36.

7.ANSYS. Версия 13.0. Руководство пользователя / URL: www.ansys.com (дата обращения: 01.10.2010).

267

8.Кашеварова Г.Г., Труфанов Н.А. Численное моделирование деформирования и разрушения системы «здание– фундамент– основание» / УрО РАН. – Екатеринбург – Пермь, 2005. – 225 с.

9.Кашеварова Г.Г. Численный анализ накопления повреждений в материале кирпичной кладки несущей стены здания. // Вестник УГТУ-УПИ. Строительство и образование / Екатерин-

бург, 2005. – № 12 (42). – Вып. 8. – С. 68–72.

10.Расторгуев Б.С., Плотников А.И., Хунсутдинов Д.З. Проектирование зданий и сооружений при аварийных взрывных воздействиях. – М.: АСВ, 2007. – 152 с.

268

ГЛАВА 23. ПРИМЕНЕНИЕ ПАКЕТА ANSYS ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЗДАНИЯ

СУЧЕТОМ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ

Внастоящее время вопросам безопасности строительных конструкций уделяется большое внимание. В процессе эксплуатации сооружений могут возникнуть чрезвычайные ситуации, вызывающие разрушение конструкции, которые могут иметь как локальной характер, так и глобальный, прогрессирующий. Поэтому исследование напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений с учетом значительных неравномерных осадок, сопровождающихся возможным процессом трещинообразования, на сегодняшний день является актуальной проблемой. Решение данных задач может дать ответ на вопрос о надежности, несущей способности и возможности дальнейшей эксплуатации зданий и сооружений. Применение современных расчетных комплексов и высокопроизводительных многопроцессорных систем значительно упрощает решение задач такого рода.

Вчастности, перед нами была поставлена задача разработки математической модели для численной реализации линейной

инелинейной задач деформирования и разрушения здания, под которым находится карстовая полость. Численная реализация поставленной задачи производилась в конечно-элементном комплексе ANSYS. Для учета нелинейных свойств бетона и кирпичной кладки использовалась модель Concrete, описывающая упру- го-хрупкое поведение данных материалов. Модель Concrete реализует алгоритмы объемно-напряженного состояния бетона в соответствии с [1]. Данная модель допускает образование трещин (сколов) на площадке нормальной к действующим главным напряжениям, при превышении данным главным напряжением заданного предела прочности на растяжение (сжатие).

269

Решение таких нелинейных задач в пакете ANSYS ведется итерационно, т.е. при постепенном увеличении нагрузки происходит пересчет свойств материала, таким образом, изменяются жесткостные свойства и моделируется трещина (область со сниженными механическими характеристиками). При вычислениях с использованием высокопроизводительной техники значительно снижается время решения подобных задач.

Для дискретизации трехмерных областей использованы объемные восьмиузловые конечные элементы первого порядка с Лагранжевой аппроксимацией SOLID65 (рис. 23.1).

Элемент Solid65 используется для трехмерного моделирования объемных тел, имеющих или не имеющих арматуру. Объемный элемент имеет возможности образования трещин при растяжении и дробления при сжатии. Например, в расчетах железобетонных конструкций объемные возможности элемента могут использоваться для моделирования бетона, в то время как возможность учета арматуры применяется для моделирования свойств подкрепления конструкции. Элемент определяется восемью узлами, имеющими по три степени свободы: перемещения в направлении осей X, Y и Z. Также в элементе можно указать до трех направлений армирования [2].

Рис. 23.1. Конечный элемент Solid65. Геометрия

270