Проект № 11: Теоретико-экспериментальный подход к решению

Проект № 11: Теоретико-экспериментальный подход к решению задач
динамики строительных конструкций. Руководитель Королев Е.В.
Наименование годового этапа: Аналитический обзор по тематике
проблемы динамики большепролетных конструкций с многослойной
дорожной одеждой; анализ информационных источников и патентной
литературы. Обоснование выбора объекта исследования. Теоретическое
исследование задач динамики строительных конструкций с учетом
параметров многослойных покрытий
Полученные научные и (или) научно технические результаты:
Выполнен анализ отечественного и зарубежного опыта в области динамики
большепролетных конструкций с многослойной дорожной одеждой (подходы
к численному моделированию устойчивости вантовых и подвесных мостов;
методы численного анализа; построение модели с учетом разрывов II рода в
зависимостях $P=P_j(z)$ показателей макроскопических свойств дорожной
одежды), а также анализ отечественного и зарубежного опыта в области
создания материалов для дорожной одежды (опыт создания строительных
композитов для дорожного строительства; новые перспективные материалы
для дорожного строительства). Множество информационных источников
включало высокорейтинговые периодические издания (Computers &
Structures, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,
Engineering Structures), научные монографии в области динамики
большепролетных конструкций, труды конференций (Society for Experimental
Mechanics – IMAC и др.), издания Transportation Research Board; патентную
литературу (ИПС ФГБУ ФИПС, WIPO, USPTO) по тематике разработки
композиционных строительных материалов для дорожного строительства. В
результате проведенных исследований установлено: 1. К настоящему
времени при решении задачи анализа большепролетных конструкций в
основном используются дискретные конечно-элементные модели. Развитие
аппаратно-программных средств высокопроизводительных вычислений
стало одним из определяющих факторов, которыми обусловлено широкое
использование дискретных моделей. Некоторые из них (стержневые КЭ
модели) принципиально непригодны для исследования конструкций с
многослойной дорожной одеждой. Несмотря на то, что указанные
конструкции могут быть исследованы числено при условии привлечения
моделей с трехмерными КЭ (для ПК ANSYS Mechanical – SOLID185,
CONTA178 и др.), существенно нелинейный или, наиболее часто –
разрывной характер зависимостей $P=P_j(z)$ обуславливает необходимость
усложнения расчетной сетки (разбиение на домены / последующее
сопряжение) и/или процедуры численного анализа – даже для случая
статической постановки. Дополнительные сложности возникают при
модальном анализе, для ряда практически востребованных динамических
постановок. 2. Изложенное позволило сделать заключение о необходимости
детального аналитического исследования динамики многослойных пластин,
что в дальнейшем позволит осуществить обоснованный выбор способа
дискретизации расчетной области и, в конечном итоге – повысить
адекватность результатов динамических расчетов исходя из предъявляемого
практикой требования надежности и экономичности при создании
рациональных инженерных решений. 3. Выполнено обобщение известных
методов теоретического исследования динамики многослойных пластин
(покрытий), представляющих дорожную одежду большепролетной
строительной конструкции. Выявлено, что поведение подобных конструкций
при статических нагрузках к настоящему моменту исследовано с
необходимой полнотой. Существенный вклад в развитие методов решения
динамических упругости и вязкоупругости (в т.ч. – задач динамики
элементов строительных конструкций и сооружений) внесли отечественные
исследователи В.В. Болотин, Б.Ф. Власов, А.А. Ильюшин, В.А. Ильичев, Б.Г.
Коренев, Н.Н. Леонтьев, Н.П. Огибалов, Г.И. Пшеничнов, А.Р. Ржаницын,
И.Г. Филиппов и др. Известные методы решения динамических задач
динамики пластин основаны на различных допущениях, приводящих к
соответственно различным ДУ поперечных колебаний. Наряду с
аналитическими часто привлекаются приближенные аналитические методы,
в т.ч. – основанные на разложении искомых функций и/или параметров в
степенные ряды или ряды по ортогональным системам функций. Несмотря на
то, что аналитический подход встречает закономерные препятствия
(громоздкость выкладок; в теориях, на основе которых получаются
уравнения гиперболического типа, подход к постановке начальных и
граничных условий часто не сформулирован строго, и т.п.), высокая
общность и прогностическая способность результатов, полученных в
результате аналитический исследований, открывают возможность получения
новых закономерностей, что повышает теоретический уровень инженерных
расчетов, расширяет теоретический багаж и базу моделей, на основе которых
могут быть разработаны алгоритмы численного исследования и доступные
для инженера-строителя расчетные программы. 4. Выполнено построение и
проведен анализ (в линейной постановке) динамической модели
многослойной
пластины,
представляющей
дорожную
одежду
большепролетной строительной конструкции. Результаты выполненного
анализа представляют существенный теоретический интерес и имеют
определенное прикладное значение. Предложен новый аналитический метод,
приводящий к трансцендентным частотным уравнениям, допускающим
серию преобразований, приводящих к алгебраическим уравнениям для мод
исследуемого элемента строительной конструкции. Приняты во внимание
особенности краевых условий и параметры геометрического и механического
характера. Полученные теоретические результаты в конечном итоге будут
способствовать увеличению надежности большепролетных сооружений с
многослойной дорожной одеждой. 5. Выполненный анализ содержания
объектов
интеллектуальной
собственности
в
части
разработки
композиционных строительных материалов для дорожного строительства
свидетельствует, что основным методом управления вязкоупругими
свойствами и изменения диапазона характеристик пластичности дорожной
одежды, изготовленной из строительных композитов на органических
вяжущих, является введение добавок – дисперсно-армирующих (асбест и
др.), стабилизирующих (позволяют увеличить толщину битумного слоя на
поверхности минеральной части) и т.д. Вместе с тем, анализ патентной
документации выявляет недостаточный охват спектра подлежащих
повышению макроскопических свойств (как правило – долговечность,
стойкость к колееобразованию); в частности, вопросы управления
динамическими характеристиками материалов до настоящего времени не
получили должного освещения. Это повышает актуальность исследований,
направленных на разработку строительных композитов для дорожного
строительства, обладающих требуемыми показателями динамических
характеристик.
Перспективным
методом
управления
свойствами
строительных композитов является использование наноразмерных
модификаторов. 6. Предложены варианты наноразмерной модификации для
асфальтобетонов
широкой
номенклатуры.
Выполнены
поисковые
экспериментальные исследования, выявлены количественные взаимосвязи
между уровнями рецептурных управляющих переменных и показателями
макроскопических свойств. Выявлена седиментационная устойчивость
фракции минерального компонента с размером частиц менее 300 нм. Изучена
форма наноразмерных частиц минерального нанокомпонента. Определено
влияние полимерной добавки на концентрацию активных центров на
поверхности минерального нанокомпонента. Привлекались результаты,
полученные с использованием современных высокоинформативных методов
экспериментальных исследований (оптическая микроскопия, лазерная
дифрактометрия, ЯМР-релаксометрия). 7. В целом, информационный поиск и
теоретические исследования, выполненные на первом этапе работ,
сформировали базу для: – численного исследования динамических и
аэродинамических
характеристик
большепролетных
строительных
конструкций с многослойными покрытиями; – натурных аэродинамических
испытаний строительных конструкций с многослойными покрытиями.
Выполнение указанных исследований и испытаний, вместе с формулировкой
практических рекомендаций по выбору оптимальных многослойных
покрытий для большепролетных строительных конструкций, составляют
содержание второго и третьего этапов работ.
Полученная научная и (или) научно-техническая продукция:
Разработано программное обеспечение (экспериментальный прототип),
предназначенное для визуального представления результатов моделирования
(физического
и/или
численного)
большепролетных
строительных
конструкций с многослойной дорожной одеждой (свид. RU 2014618865).
Результаты информационного поиска в части методов управления
свойствами наномодифицированных строительных материалов для
многослойных дорожных одежд использованы при подготовке учебного
пособия «Введение в нанотехнологию строительного материаловедения» для
бакалавров и магистров, обучающихся по специальности 270800 –
Строительство (электронный ресурс, URL: http://intro.edu.nocnt.ru/).
Предложены варианты наноразмерной модификации композитов на
органических вяжущих для дорожного строительства.
Предполагаемое развитие исследований: В соответствии с
календарным планом полученный теоретико-эмпирический материал будет
дополнен конечно-элементными моделями строительных конструкций с
многослойной дорожной одеждой; будет выполнено аналитическое и
численное исследование поведения конструкций; будут созданы макеты и
выполнены натурные эксперименты, на основе которых могут быть сделаны
выводы об адекватности разработанных моделей и применимости их при
проектировании строительных конструкций с многослойной дорожной
одеждой. Результаты реализации проекта в целом могут быть использованы
при проектировании строительных конструкций с многослойной дорожной
одеждой, надежно работающих в упругой и вязкоупругой области в условиях
сложных динамических нагрузок.