<<
>>

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Вопрос снижения стоимости строи­тельных систем имеет важное значение в связи с усложнением конструкцион­ного состава сооружений и повышением требований к качеству материалов и работ, что приводит к удорожанию возводимых объектов.

Уменьшение стои­мости строительства способствует реализации прогрессивной государственной политики в области повышения доступности жилья для населения. Необходи­мость решения проблемы снижения отношения стоимости квартир к среднему годовому денежному доходу семьи отмечена в Федеральной целевой програм­ме «Жилище», утвержденной постановлением Правительства Российской Фе­дерации от 25.10.2015 № 889, и государственной программе «Обеспечение до­ступным и комфортным жильем и коммунальными услугами граждан Россий­ской Федерации», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 30.12.2017 № 1710.

Железобетонные плиты широко применяются в конструкциях зданий и сооружений в качестве перекрытий, покрытий, элементов фундаментов, что определяет значительный экономический эффект при снижении затрат на их изготовление. Одним из эффективных путей достижения этих результатов яв­ляется использование процедур оптимального проектирования. Необходимо оптимизировать конструкции с реализацией поиска как по значениям парамет­ров, так и по структурам армирования. При этом для параметров предпочти­тельно задавать дискретные множества допустимых значений, что отвечает практике реального проектирования в рамках существующих спецификаций материалов и изделий. Для получения в процессе оптимизации наиболее досто­верных оценок деформативности и прочности плит, анализа влияния множества факторов на их несущую способность необходимо использовать вычислитель­ные процедуры, учитывающие физически нелинейную работу бетона и армату­ры, в том числе возможное трещинообразование в бетоне. Целесообразно при­нимать во внимание каждый арматурный стержень как элемент расчетной схе­мы.

Кроме того, для конструктивных объектов повышенного уровня ответ­

ственности следует проверять несущую способность для условий возможных запроектных воздействий.

Выполнение этих требований принципиально достижимо на основе ис­пользования современных метаэвристических методов оптимизации, в частно­сти эволюционного поиска, и нелинейного конечноэлементного анализа. В то же время существующие методики оптимизации железобетонных систем, в том числе основанные на метаэвристических процедурах, еще не позволяют в пол­ной мере подойти к практически значимым решениям задач оптимального про­ектирования для плит. Поэтому тема диссертационной работы, связанная с со­вершенствованием алгоритмов оптимизации железобетонных плит, представ­ляется актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Разработкой и развити­ем методов расчета железобетонных конструкций занимались Н.Б. Андросова, Х. Аояма, И. Баушингер, С. Бах, Н.А. Белелюбский, О.Я. Берг,

B. М. Бондаренко, О. Буюкозтурк, Е.П. Варнке, А.П. Васильев, З.А. Воронин,

А.А. Гвоздев, Г.А. Гениев, Ф. Геннебик, О. Граф, А.С. Залесов, В.С. Зырянов, А.А. Ильюшин, Н.И. Карпенко, С.Н. Карпенко, М. Кенен, С.Н. Клованич, А.И. Козачевский, В.И. Колчунов, Вл.И. Колчунов, В.И. Коробко, А.Н. Королев, А.П. Кричевский, В.М. Круглов, С.М. Крылов, Ф. Куанье, Н.Н. Ласьков, Е.С. Лейтес, А.Ф. Лолейт, Дж. Мазар, Н.М. Матченко, К. Маэкава, И.Н. Мироненко, В.В. Михайлов, В.И. Мурашев, П.Л. Нерви,

C. Н. Палювина, П.Л. Пастернак, В.Н. Симбиркин, Г.А. Смоляго, Я.В. Столяров,

A. Г. Тамразян, В.Г. Теличко, С.П. Тимошенко, В.И. Травуш, А.А. Трещев, К.Дж. Уиллам, Н.В. Федорова, М.М. Филоненко-Бородич, Э. Фрейсине, Т. Хайэтт, М.М. Холмянский, А.В. Яшин и многие другие ученые.

Вопросу оптимального проектирования железобетонных систем посвяти­ли свои работы М. Алдвайк, Э. Атрек, Б. Ахмади-Недушан, В.Н. Бакулин,

B. М. Бондаренко, А.В. Боровских, Н. Ван Дорселаер, А.С. Галеб, Р.Г. Галлахер, Г.А. Гениев, Д.Э. Грирсон, Н.К. Дас Гупта, А.Н.

Дегтярь, Т.Л. Дмитриева, А.И. Долганов, Е.П. Знаменская, А. Кавех, Б.Л. Карихало, С.П. Киран, М.И. Климов, Э. Козенца, В.И. Колчунов, М.Б. Краковский, А.Ф. Крегерс,

А.Р. Кулкарни, Я. Луо, С.Н. Палювина, А.Н. Петров, А. Прикопи, К.М. Рагсделл, Б.С. Расторгуев, И. Рахманиан, М.И. Рейтман, К.С. Сарма, И.Н. Серпик, Э.С. Сикиотис, С. Сингх, Н.Н. Складнев, Л.Ю. Ступишин,

A. Г. Тамразян, В.И. Травуш, М.Дж. Фадаи, Н.В. Федорова, Е.А. Филимонова, К.М.А. Хоссейн, Т. Чунг, С. Чутани, З. Шенг-Ли, Б.М. Языев, С.В. Якубовская,

B. А. Яров и другие исследователи.

Метаэвристические подходы для поиска оптимальных параметров и структур строительных конструкций рассмотрели в своих трудах Д.М. Алекс,

C. Асади, Г. Бекдас, Р. Ван Койл, П. Видьярди, К.З. Гао, В. Говиндараи, А. Кавех, М.Н. Кирсанов, Д. Клюсачек, С.А.К. Коэло, А.М. Мосин, М.П. Сака, И.Н. Серпик, Ю-Чи Сун, Л. Хуэй, Е. Шафеи, А.Г. Юрьев и другие авторы.

Научно-техническая гипотеза состоит в том, что эффективные проект­ные решения для железобетонных плит могут быть получены на основе метаэв- ристической схемы эволюционного поиска и сочетания конечноэлементного моделирования с методиками нормативных документов.

Объект исследования - сплошные железобетонные плиты без предвари­тельного напряжения арматуры.

Предмет исследования - методы структурной и параметрической опти­мизации железобетонных конструкций.

Цель диссертационной работы - разработка алгоритмов оптимизации железобетонных плит по критерию минимальной сметной себестоимости на дискретных множествах структур армирования, классов материалов и геомет­рических параметров; получение на основе предлагаемых подходов рациональ­ных схем армирования для ряда плитных конструкций.

Задачи диссертации:

1. Разработать алгоритм расчета железобетонных плит методом конечных элементов с учетом дискретности армирования, физически нелинейных свойств бетона и арматуры, возможности образования и развития трещин в бетоне.

2. Сформулировать целевую функцию сметной себестоимости железобе­тонной плиты, зависящую от комплекса технологических и конструкционных факторов, с учетом сложившейся практики проектирования и применяемых

нормативов. Проработать вопрос вычисления сметной себестоимости через независимо варьируемые параметры. Выбрать систему ограничений оптимиза­ционной задачи.

3. Разработать процедуру оптимального проектирования железобетонных плит на дискретных множествах структур армирования и значений параметров, используя подходы эволюционного моделирования.

4. Реализовать предлагаемые вычислительные схемы в программном комплексе конечноэлементного анализа.

5. Провести экспериментальные исследования деформаций железобетон­ных плит. Подтвердить работоспособность используемой процедуры конечно­элементного моделирования плит на основе сравнения результатов расчетов с полученными экспериментально данными.

6. Выполнить оптимальное проектирование ряда плитных конструкций с нахождением новых проектных решений по структурам армирования.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- предложена методология постановки и решения задач оптимального синтеза железобетонных плит с нахождением расположения арматурных стержней и определением значений конструктивных параметров;

- разработаны алгоритмы для проверки выполнения ограничений постав­ленной оптимизационной задачи с учетом фактической конфигурации арматур­ных сеток;

- разработана единая итерационная схема эволюционной оптимизации железобетонных плит по структурам армирования, маркам бетона и арматуры, толщине конструкции, диаметрам арматурных стержней.

- предложены рациональные схемы армирования для плит с различными вариантами очертания в плане.

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

- сформулированы подходы к построению операторов эволюционного поиска применительно к железобетонным плитам;

- разработаны алгоритмы аппроксимации перемещений в бетоне плит на основе многослойной модели и предельной схемы метода конечных элементов;

- разработана вычислительная процедура для анализа работы железобе­тонных плит с рассмотрением бетона и арматурных стержней как раздельных конструктивных элементов, взаимодействующих в зависимости от состояния объекта;

- предложены итерационные процедуры для расчета железобетонных плит при наличии односторонних опорных связей и в случае учета упругого основания.

Практическая значимость работы:

- предлагаемые алгоритмы могут быть использованы при расчетах желе­зобетонных плит с возможностью оценки влияния отдельных арматурных стержней на деформативность и прочность конструкции;

- разработанные эволюционные схемы и их программная реализация обеспечивают практическую возможность проектирования железобетонных плит с оптимальным выбором их толщин, структур армирования, классов бето­на и арматуры, диаметров продольной рабочей арматуры;

- полученные структуры армирования могут быть учтены при проектиро­вании железобетонных плит для жилых и общественных зданий;

- разработанные в диссертации методики использованы при проектирова­нии новых конструкций железобетонных плит для ряда предприятий строи­тельной отрасли Брянской области, а также при обучении студентов и аспиран­тов в ФГБОУ ВО «БГИТУ».

Методология и методы исследования. Анализ деформирования железо­бетонных плит выполнялся на основе метода конечных элементов. Оптимиза­ция конструкций осуществлялась с помощью современных информационных технологий эволюционного поиска. Расчет железобетонных плит в физически нелинейной постановке проводился на основе метода секущих в рамках метода переменных параметров упругости с применением разработок Н.И. Карпенко по описанию деформаций бетона при сложном напряженном состоянии и под­хода В.И. Мурашева к учету работы бетона между поперечными трещинами.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- алгоритмы расчета железобетонных плит на основе многослойных ко­

нечноэлементных моделей с учетом физически нелинейной работы бетона и арматуры, возможности образования трещин в бетоне, наличия односторонних связей и упругого основания;

- результаты экспериментов для плит, подтверждающие достаточно вы­сокую точность разработанных расчетных методик;

- постановка задачи оптимального проектирования плит: целевая функ­ция сметной себестоимости конструкции; подходы к выбору варьируемых па­раметров; система ограничений, в которой учитываются прочностные и дефор­мационные факторы, а также конструктивные и технологические требования;

- алгоритм эволюционной оптимизации железобетонных плит на дис­кретных множествах структур армирования и значений параметров;

- результаты оптимального проектирования плитных конструкций.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается использованием общепринятых теоретических положений строительной меха­ники и численных методов анализа, согласованностью разработанных алгорит­мов с основными положениями теории железобетона, сопоставлением резуль­татов расчетов с экспериментальными данными и решениями, полученными другими методами.

Апробация работы. Материалы исследований были представлены на следующих конференциях, форумах и заседаниях: 3-й Международной научно­практической конференции «Проблемы инновационного биосферно­совместимого социально-экономического развития в строительном, жилищно­коммунальном и дорожном комплексах» (г. Брянск, 2013 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы городского строи­тельства» (г. Пенза, 2013 г.); Международной научно-практической конферен­ции «Архитектура, градостроительство, историко-культурная и экологическая среда городов центральной России, Украины и Беларуси» (г. Брянск, 2014 г.); Международной научно-технической конференции «Строительная наука - XXI век: теория, образование, практика, инновации северо-арктическому региону» (г. Архангельск, 2015 г.); Международной научно-практической конференции «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций.

Аналитические и численные методы» (г. Москва, 2015 г.); II Брянском Между­народном инновационном форуме «Строительство-2016» (г. Брянск, 2016 г.); расширенном заседании кафедры «Прикладная механика и физика» ФГБОУ ВО «БГИТУ» (г. Брянск, 2019 г.)

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации алго­ритмы использовались при выполнении следующих хоздоговорных НИР:

1. Испытания плит перекрытия, АО «Стройсервис», 2014 г.

2. Исследование напряженно-деформированного состояния плит пере­крытия, ООО УК «Надежда», 2014 г.

3. Оптимизация конструкции плит перекрытия и корректировка чертежей для их серийного производства, ООО «Бетон-Комплект 32», 2016 г.

4. Испытание узла сопряжения плит перекрытия со сборно-монолитным ригелем. Разработка рекомендаций по применению плит перекрытий в кирпич­ных зданиях, ООО УК «Надежда», 2017 г.

5. Разработка конструкции железобетонных плит лоджий и корректиров­ка чертежей для их серийного производства, испытание железобетонных плит лоджий, ООО «Бетон-Комплект 32», 2017 г.

6. Исследование напряженно-деформированного состояния доборных же­лезобетонных плит перекрытия и разработка альбома чертежей для их серийно­го производства. Разработка конструкции и испытание плиты перекрытия, АО «Стройсервис», 2018 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 1 статья в издании, индексируемом в научной базе данных Scopus, 1 монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 189 наименова­ний, 2 приложений на 10 страницах. Работа изложена на 168 страницах, содер­жит 84 рисунка и 6 таблиц.

<< | >>
Источник: Муймаров Кирилл Викторович. ОПТИМИЗАЦИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ С ВЫБОРОМ СТРУКТУР АРМИРОВАНИЯ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Брянск - 2019. 2019

Еще по теме ВВЕДЕНИЕ:

  1. ВВЕДЕНИЕ
  2. ВВЕДЕНИЕ
  3. ВВЕДЕНИЕ
  4. ВВЕДЕНИЕ
  5. ВВЕДЕНИЕ
  6. Введение
  7. ВВЕДЕНИЕ
  8. ВВЕДЕНИЕ
  9. Твердость порошковых алюмокомпозитов системы А1-3масс.%М- 1масс.%Cu, АМмасс^^ и A1-4масс.%Mg с наномодификаторами
  10. Предел прочности на растяжение порошковых алюмокомпозитов с наномодификаторами
  11. Предел прочности на изгиб порошковых алюмокомпозитов системы с наномодификаторами
  12. 3.4 Исследование процесса спарк-плазменного спекания порошковых алюмокомпозитов системы Л1-3масс.%М-1масс.%Си с наномодификаторами
  13. ОГЛАВЛЕНИЕ
  14. ОГЛАВЛЕНИЕ
  15. ОГЛАВЛЕНИЕ
  16. ОГЛАВЛЕНИЕ
  17. СОДЕРЖАНИЕ
  18. СОДЕРЖАНИЕ
  19. 2.2 Технология получения КМ на основе алюминия (Al-3масс.%Ni- 1масс.%Cu)
  20. 3.2 Исследование формуемости порошковых смесей системы А1-3масс.%М- 1масс.%Си, А1-4масс.%Си, А1-4масс.%Мд с наномодификаторами