й этап исследований по проблеме: 3- «Моделирование процессов деформирования и
advertisement
3-й этап исследований по проблеме: «Моделирование процессов деформирования и разрушения каменных кладок с учетом зависимости свойств составляющих от вида напряженно-деформированного состояния, анизотропии, развивающейся поврежденности и нелинейной ползучести» Нижегородский Государственный архитектурностроительный университет Научно-технический отчет содержит: 1. Аннотированную справка по научным результатам НИР, полученным на I и II этапах. 2. Аналитический отчет о проведении теоретических и экспериментальных исследований III-го этапа. 3. Отчет по обобщению и оценке результатов исследования. 4. Приложения, описывающие схемы организации и фрагменты экранных изображений базы данных «Основные прочностные и деформационные характеристики материалов с периодической структурой» и пример расчёта простенка одноэтажного здания из гипсоопилочных камней по программе «КЛАДКА» . 5. Публикации результатов НИР. Основные задачи и результаты 1-го и 2-го этапов 1-й этап 2-й этап Задачи: Анализ существующих моделей процессов деформирования и разрушения каменных кладок и кусочно-однородных сред. Анализ моделей, описывающих зависимости деформирования конструкционных материалов от анизотропии и вида напряженного состояния. Анализ моделей ползучести в линейной и нелинейной постановке. Анализ особенностей поведения каменных кладок и их составляющих при различных режимах нагружения. Анализ существующих программных комплексов, предназначенных для расчета НДС строительных конструкций и реализованных в их рамках моделей. Анализ состояния вопроса изученности каменных кладок на естественных заполнителях. Обоснование варианта направления исследований. Разработка плана проведения исследований с указанием сроков проведения и форм представления результатов. Составление научно-технического отчета, утверждение отчета на НТС университета, передача отчета Заказчику. Задачи: Разработка на основе МКЭ двухуровневой инкрементальной модели деформирования и разрушения конструкций каменных кладок. Разработка расчетной методики определения приведенных характеристик среды верхнего уровня. Создание базы данных механических и прочностных характеристик составляющих каменных кладок. Разработка модели ползучести каменных кладок в рамках нелинейной теории ползучести. Реализация методик и моделей на основе МКЭ в виде программных модулей. Планирование, подготовка и проведение натурных экспериментальных исследований на кратковременное и длительное сжатие, направленных на изучение прочности и деформативности столбов и простенков, выполненных из камней на естественных заполнителях. Подготовка выступлений на конференциях и статей к печати в журналах ВАК с обязательной ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы. Составление научно-технического отчета, утверждение отчета на НТС университета, передача отчета Заказчику. Результаты: В результате этих исследований была поставлена задача построения двухуровневой инкрементальной модели для анализа поведения конструкций, выполненных из кусочно-однородных материалов. Так же актуальными были признаны задачи изучения свойств различных кладок на естественных заполнителях (из опилкобетонных камней и кирпичей, из гипсоопилочных камней и т.д.) и создания базы данных основных характеристик материалов с периодической структурой (в том числе изученных кладок). Был разработан план проведения исследований с указанием сроков проведения и форм представления результатов. Результаты: Авторская двухуровневая инкрементальная модель деформирования и разрушения материалов с периодической структурой, основанная на МКЭ. Расчетная методика определения приведенных характеристик среды верхнего уровня модели и алгоритм ее реализации в рамках любых программных комплексов, предназначенных для оценки процессов деформирования и разрушения строительных конструкций. В результате масштабных экспериментальных исследований кладок на естественных заполнителях получены значения прочностных характеристик при кратковременном и длительном сжатии, а также характеристик деформирования. Для определения модуля упругости, коэффициента Пуассона и предела прочности, составляющих деревобетонные кладки при растяжении было создано приспособление, позволяющее подвергать камни и кирпичи растяжению. Подана заявка на получение патента «Захват для крепления образцов для испытания на растяжение». Опубликованы 7 работа (5 из которых в журналах ВАК с обязательной ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы), участие в 5-ти конференциях, симпозиумах разного уровня, в том числе имеющих международный статус. Задачи 3-го этапа: • • • • • • Численные исследований НДС и процессов разрушения различных каменных конструкций при разных видах нагружения с использованием моделей, учитывающих анизотропию, разномодульность, физическую нелинейность, ползучесть составляющих кладку материалов. Сравнение результатов численных и натурных экспериментов для тестирования созданных моделей, алгоритмов и программных средств. Сравнение численных результатов, полученных с помощью разработанных моделей, методик и программных средств, с результатами существующих аналогов. Разработка рекомендаций для расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющих с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженно-деформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. Подготовка выступлений на конференциях и статей к печати в журналах ВАК с обязательной ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы. Составление научно-технического отчета, утверждение отчета на НТС университета, передача отчета Заказчику Некоторые результаты численных исследований, проведенных в рамках разработанной двухуровневой модели, полученные с помощью ПК УПАКС и ANSYS Исследования участка стены 1-го этажа кирпичного здания между двумя поперечными несущими стенами, опертого на жесткий фундамент под действием эксплуатационных нагрузок 5 Некоторые результаты численных исследований, проведенных в рамках разработанной двухуровневой модели, полученные с помощью ПК УПАКС и ANSYS Анализ процессов деформирования и разрушения кирпичных стен, подверженных сдвигу. 6 Некоторые результаты численных исследований, проведенных в рамках разработанной двухуровневой модели, полученные с помощью ПК УПАКС и ANSYS Моделирования процесса деформирования столба из гипсоопилочных камней типа «Крестьянин» 7 Некоторые результаты численных исследований, проведенных в рамках разработанной двухуровневой модели, полученные с помощью ПК УПАКС и ANSYS РАЗРУШЕНИЕ КИРПИЧНОЙ СТЕНЫ В УСЛОВИЯХ ПЛОСКОГО ИЗГИБА ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЛБОВ ИЗ ОПИЛКОБЕТОННЫХ КИРПИЧЕЙ НА ПК ANSYS 11.02 КЭ сетка кирпичей столба (подконструкция 1 в расчетах) КЭ сетка растворных швов (подконструкция 2 в расчетах) в) КЭ сетка столба и плиты, моделирующие пресс ВЫВОДЫ ПО ПО ПРОВЕДЕННЫМ ПРОВЕДЕННЫМ ЧИСЛЕННЫМ ЧИСЛЕННЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ ИССЛЕДОВАНИЯМ ВЫВОДЫ Проведенные масштабные численные исследования различных конструкций каменной кладки в плоской и пространственной на основе разработанных в рамках НИР подходов позволили сделать вывод о работоспособности предложенных моделей, алгоритмов и методик. Такой вывод обоснован сравнением полученных численных результатов с данными собственных натурных исследований и данными других авторов, а также с результатами численных исследований на основе ПК ANSYS, являющимся одним из мощнейших программных комплексов в мире, созданных на основе МКЭ. Результаты этих исследований легли в основу монографии «Моделирование процессов деформирования и разрушения материалов с периодически повторяющейся структурой» (авторы С.А.Капустин, С.Ю.Лихачева), которая находится в печати в типографии ННГАСУ. Результаты теоретических исследований кладок на естественных заполнителях Виды кладок на естественных заполнителях: - опилкобетонная, гипсоопилочная, арболитовая... - из камней сплошных и пустотелых, кирпичей, блоков… Эффективность применения в строительстве конструкций и изделий из древесных бетонов определяется: - существенным снижением массы зданий, - повышением их теплозащиты, - уменьшением себестоимости за счёт использования местных материалов. Решение экологических проблем путем утилизации вредных для окружающей среды отходов деревообрабатывающей промышленности Графики, полученные для кладки из гипсоопилочных камней Зависимости между напряжениями и относительными продольными деформациями Зависимости между напряжениями и относительными поперечными 12 деформациями Диаграммы деформирования образцов кирпичной кладки из опилкобетона 13 Напряжение, которое определяет границу двух областей деформирования кладки из любых камней и кирпичей на древесных заполнителях н. у. 0,65 R э u 14 Изменение дифференциального коэффициента поперечной деформации Δν Δε 2 /Δε1 Дифференциальное изменение объёма Δθ Δε1 2Δε 2 15 Новый критический параметр кладки из камней на древесных заполнителях – момент начала необратимо-прогрессирующего развития микроразрушений, который назовём пределом конструктивной прочности кладки: кл R пр.к σн.у. R 0,65R u V T Этот параметр определяет начало нового этапа в развитии процесса микроразрушений, характеризует момент начала разрушения кладки и отождествляется с пределом её длительного сопротивления. 16 Зависимость длительного модуля деформаций для конечного установившегося состояния кладки Для кладки из опилкобетона: . Е( ) 0 ,22Е0 Для гипсоопилочной кладки: Е( ) 0 ,27 Е0 . 17 Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженнодеформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. Учёт влияния фактора времени при расчёте несущих элементов из кладок на естественных заполнителях en()×10-4 60 5 50 40 4 30 3 Использование предельно низкой диаграммы деформирования кладки при сжатии 20 2 1 10 0 0 Зависимость между относительными напряжениями 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 и полными относительными деформациями 18 Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженнодеформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. Отличительные особенности предельно низкой диаграммы сжатия от обычной машинной диаграммы: - текущее значение длительного напряжения Е - длительный модуль деформаций в масштабе абсолютных напряжений. • В машинной диаграмме при напряжениях близких к Ru возможно наличие площадки текучести за счёт быстрого проявления пластических, незатухающих во времени деформаций. В предельно низкой диаграмме полностью проявляются и затухают деформации последействия при всех значениях напряжений от = 0 до = дл. • Предел длительного сопротивления кладки дл отождествляется с пределом её конструктивной прочности = 0,65RU R кпр • Значение длительного модуля деформаций кладки Е() для нормальных температурно-влажностных условий эксплуатации отапливаемых зданий принимается равным Е() =0,27Е0. • RU , Е0 – характеристики, определяемые по разработанной методике определения характеристик среды верхнего уровня путем прямого численного моделирования 19 Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженнодеформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. 20 Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженнодеформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. 21 Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженнодеформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. 22 Теоретические результаты 3-го этапа Расчетная методика определения приведенных характеристик среды верхнего уровня модели и алгоритм ее реализации в рамках любых программных комплексов, предназначенных для оценки процессов деформирования и разрушения строительных конструкций. Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженно-деформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. Публикации в 8 высокорейтинговых научных изданиях с обязательной ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы), участие в 6 научных, научно-технических конференциях и строительных форумах разного уровня, в том числе имеющих международный статус. Результаты 3-го этапа, имеющие практическую значимость Подана заявка в ФИПС на регистрацию БД «Основные прочностные и деформационные характеристики материалов с периодической структурой» (№2011620524 от 20.07.11). Протестированы созданные в рамках НИР программные средства, реализующие предложенные модели, алгоритмы и методики. Монография «Моделирование процессов деформирования и разрушения материалов с периодически повторяющейся структурой» (авторы С.А.Капустин, С.Ю.Лихачева) находится в печати в типографии ННГАСУ. Для решения задач расчета каменных конструкций зданий из кладок на древесных заполнителях на ПЭВМ разработан алгоритм, реализованный в виде программы “КЛАДКА”. Внедрения в учебный процесс ННГАСУ и производственный процесс строительных фирм Рекомендации по использованию результатов НИР • • • • • Содержащаяся в отчетах по II-му и III-му этапах информация об организации двухуровневой модели, алгоритмах выбора вида и КЭ разбиения, методике определения характеристик среды верхнего уровня, позволяет реализовать их в рамках любого программного комплекса, предназначенного для расчета НДС конструкций на основе МКЭ и открытого для такого внедрения. Полученные в результате выполнения НИР сведения о кратковременной и длительной прочности кладок из опилкобетонных и гипсоопилочных камней, определенные в результате натурных и численных экспериментов, рекомендуются для использования производителям камней и кирпичей на древесных заполнителях (сектор экономики - «Строительное производство»). Разработанная методика расчёта каменных элементов зданий при различных условиях нагружения и созданная база данных «Основные прочностные и деформационные характеристики материалов с периодической структурой» рекомендуются для использования специалистам проектных организаций на стадии проектирования и оценки несущей способности зданий со стенами из опилкобетонных и гипсоопилочных кладок (сектор экономики - «Строительство»). Использование результатов НИР позволит повысить обоснованность принимаемых технических решений. Разработанное приспособление «Захват для крепления образцов для испытания на растяжение» рекомендуется использовать при испытаниях на растяжение любых кирпичей и камней на производстве, в научно-исследовательских и университетских лабораториях. Результаты теоретических и экспериментальных исследований рекомендуются для внедрения в образовательный процесс строительных ВУЗов и классических университетов для обучения студентов по специальностям «Механика», «Каменные конструкции», «Городское строительство и хозяйство», «Конструкции из дерева и древесных композитов», «Информационные системы и технологии» и др. виде учебных пособий, стендов, лабораторных практикумов. Оценка эффективности полученных результатов НИР в сравнении с современным научно-техническим уровнем • Все результаты актуальны, обладают научной новизной и имеют практическую значимость, так как могут быть применены в реальных средствах экономики (в производстве, при проектировании, в учебном процессе). Уровень разработок соответствует современному уровню научно-технического развития, так как все созданные продукты основаны на современных теоретических подходах и информационных технологиях. • Анализ поставленных целей и полученных результатов поисковой научноисследовательской работы «Моделирование процессов деформирования и разрушения каменных кладок с учетом зависимости свойств составляющих от вида НДС, анизотропии, развивающейся поврежденности и нелинейной ползучести» • По результатам систематизированных теоретических и экспериментальных исследований проведена оценка полноты решения задачи и достижения поставленных целей, эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем. • Сделаны выводы о полном выполнении обязательств по всем этапам ГК №П1186 от 27.08.09 Благодарим за внимание !
