Авторефераты диссертаций >> Авторефераты по Строительству

Pages: |

| 2 | 3 |

Оптимизация конструкций железобетонных балок и рам методом эволюционного моделирования

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Мироненко Инна Вячеславовна

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК И РАМ
МЕТОДОМ ЭВОЛЮЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Орел – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Брянская государственная
инженерно-технологическая академия».

Научный руководитель:		Серпик Игорь Нафтольевич доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:		Тамразян Ашот Георгиевич доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры «Железобетонные и каменные конструкции» Скобелева Елена Анатольевна кандидат технических наук ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК», директор архитектурно-строительного института, доцент кафедры «Строительные конструкции и материалы»

Ведущая организация:		ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет»

Защита состоится «26» апреля 2013 г. в 1600 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.182.05, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК», по адресу: 302030, г. Орел, ул. Московская, д. 77, зал диссертационных советов, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК».

Автореферат разослан «25» марта 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета А.И. Никулин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшей задачей строительной отрасли является снижение себестоимости конструкций зданий и сооружений при обеспечении требуемой для них несущей способности. Одним из путей решения этой проблемы является оптимальное проектирование. В настоящее время в строительных конструкциях достаточно широко используются железобетонные балки и рамно-стержневые системы. Алгоритмы выбора параметров поперечных сечений железобетонных стержней по заданным внутренним усилиям достаточно подробно проработаны в литературе. Процедуры такого типа используются в современных пакетах прикладных программ конечно-элементного анализа. Проблема же эффективной оптимизации статически неопределимых железобетонных стержневых систем с рассмотрением перераспределения внутренних усилий при изменении параметров конструкций требует проведения дальнейших исследований. Вопрос усложняется тем, что оптимальный поиск проектируемых объектов необходимо выполнять на дискретных множествах параметров, к которым следует отнести класс бетона и арматуры, размеры поперечных сечений ригелей и стоек, диаметры и числа стержней арматуры. В данном случае целесообразно использовать методы случайного поиска. Наиболее перспективным из таких подходов является метод эволюционного моделирования, иначе называемый генетическими алгоритмами. Следует отметить, что до настоящего времени еще не разработано методик, обеспечивающих возможность реализации этих алгоритмов для оптимизации реальных железобетонных конструкций с учетом требований СНиП. Поэтому тема диссертационной работы, связанная с оптимальным проектированием балочных и рамных железобетонных систем на основе эволюционного моделирования, представляется актуальной.

Объект исследования – конструкции железобетонных балок и плоских рам, изготавливаемых без предварительного напряжения арматуры.

Предмет исследования – методики оптимального синтеза железобетонных конструктивных систем на дискретных множествах параметров.

Цель работы - разработка методики и алгоритмов оптимизации железобетонных балочных и рамных конструкций с использованием итерационной схемы эволюционного моделирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Разработать алгоритм расчета плоских стержневых железобетонных конструкций методом конечных элементов в физически нелинейной постановке с учетом возможности образования трещин в растянутом бетоне.

2. Разработать процедуру оптимизации стержневых железобетонных систем с помощью средств эволюционного моделирования.

3. Реализовать предлагаемые алгоритмы в рамках программы конечно-элементного анализа.

4. Экспериментально подтвердить достаточно высокую точность математических моделей, вводимых для расчета железобетонных конструкций.

5. Разработать методику проверки живучести железобетонных систем при запроектных воздействиях.

6. Проиллюстрировать работоспособность предлагаемых алгоритмов на примерах оптимизации железобетонных конструкций.

Методы исследования. Оптимальное проектирование несущих железобетонных систем осуществляется на основе современных информационных технологий эволюционного моделирования. Расчет напряженно-деформируемого состояния объектов выполняется с помощью метода конечных элементов. Физически нелинейное поведение бетона и арматуры анализируется методом переменных параметров упругости.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана эволюционная процедура оптимизации железобетонных балок и плоских рам на дискретных множествах параметров;

- разработана экономичная многослойная схема конечно-элементного моделирования деформаций железобетонных балок и плоских рам в физически нелинейной постановке с учетом возможности образования трещин в бетоне при действии растягивающих напряжений;

- предложен энергетический алгоритм анализа методом конечных элементов в физически нелинейной постановке нагруженности строительных систем в условиях мгновенных локальных разрушений.

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждаются согласованностью разработанных алгоритмов с основными положениями строительной механики и теории железобетона, сопоставлением результатов ряда расчетов с экспериментальными данными и решениями, полученными другими методами.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- алгоритм деформационного расчета железобетонных балок и рам на основе многослойных конечно-элементных моделей;

- итерационная схема оптимизации железобетонных балочных и рамных конструкций по критерию минимума плановой производственной себестоимости с введением смешанной эволюционной стратегии для процедур учета ограничений и случайной вариации параметров;

- результаты экспериментальных исследований, подтвердивших достаточно высокую точность применяемых в диссертации расчетных моделей;

- алгоритм оценки в физически нелинейной постановке нагруженности конструкций при запроектных воздействиях;

- результаты расчета и оптимального синтеза рассматриваемых железобетонных конструкций.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Предлагаемая стержневая многослойная схема и реализующий ее программный модуль позволяют выполнять расчеты железобетонных балок и рам с удовлетворением требований СНиП 52-01-2003 об учете нелинейных диаграмм сжатия-растяжения бетона и арматуры. В результате анализа деформаций железобетонных систем получается подробная информация о перемещениях, распределении нормальных напряжений в бетоне и арматуре, ширине раскрытия трещин в растянутом бетоне.

Разработанная эволюционная процедура и ее программная реализация дают возможность осуществлять проектирование железобетонных балок и рам с оптимальным выбором параметров на допустимых вариантах классов бетона и арматуры, размерах поперечных сечений стержней, диаметров и чисел прутков продольной арматуры.

Представленные в диссертации методики использовались при совершенствовании железобетонных конструкций на ОАО «Стройсервис» и ООО «Брянск-Промбетон» (г. Брянск), а также в учебно-исследовательской работе студентов ФГБОУ ВПО «БГИТА». Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме «Исследования закономерностей неравновесных процессов и статико-динамического деформирования пространственных конструктивных систем и развитие на этой основе теории живучести энерго-, ресурсоэффективных зданий и сооружений».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на III и IV Международных научно-практических конференциях «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы» (г. Москва, 2010 и 2011 г.г.); VII Всероссийской научно-практической и учебно-методической конференции «Фундаментальные науки в строительстве» (г. Москва, 2010 г.); 2-й Международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного и социально-экономического развития в строительном, жилищно-коммунальном и дорожном комплексах» (г. Брянск, 2010 г.); V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (г. Новосибирск, 2012 г.).

В полном объеме работа доложена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Механика» ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (г. Брянск, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 печатные работы в специализированных профессиональных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 153 страницах печатного текста и включает 71 рисунок, 15 таблиц, список литературы из 184 наименований и приложение на 5 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, дана общая характеристика работы, приведены основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе выполняется анализ состояния вопроса. Отмечается, что большой вклад в становление и развитие методов расчета железобетонных конструкций внесли работы С.В. Александровского, Н.Х. Арутюняна, В.Н. Байкова, Т.И. Барановой, В.М. Бондаренко, С.В. Бондаренко, А.А. Гвоздева, Г.А. Гениева, А.Б. Голышева, Г.И. Васильева, Ю.В. Верюжского, А.В. Забегаева, А.С. Залесова, Н.И. Карпенко, С.Н. Карпенко, С.Ф. Клованича, Н.В. Клюевой, В.И. Колчунова, Вл.И. Колчунова, В.И. Коробко, А.Ф. Лолейта, Р.Л. Маиляна, С.И. Меркулова, И.Н. Мироненко, В.И. Мурашева, А.Г. Назаренко, А.И. Никулина, А.Б. Пономарева, К.П. Пятикрестовского, В.И. Римшина, Р.С. Санжаровского, С.М. Скоробогатова, Г.А. Смоляго, Б.С. Соколова, А.Г. Тамразяна, В.И. Травуша, В.С. Федорова, Е.А. Чистякова, С.Н. Шоршнева, J. Borcz, O. Buykozturk, H.R. Evans, H. Floegl, P.M. Lewiski, A. Link, H.A. Mang, M. Minch, K.C. Rockey, A. Trochanowski и многих других авторов. Рассмотрены основные подходы к решению задач механики стержневых железобетонных систем. Отражены особенности использования метода предельных усилий, деформационного метода и метода предельного равновесия. Отмечены основные теории анализа сложного напряженного состояния бетона. Указано, что в последнее время большое внимание уделяется вопросам обеспечения живучести железобетонных конструкций при воздействиях, не предусмотренных условиями их нормальной эксплуатации (запроектных воздействиях).

Работы в области оптимизации несущих систем имеют H.B. Баничук, Д.И. Батищев, Г.В. Васильков, И.Т. Вохмянин, Ю.В. Гайдаров, Г.А. Гениев, Ю.Б. Гольдштейн, Г.И. Гребенюк, Л.Т. Дворников, Ю.А. Дыховичный, В.В. Емельянов, Я.В. Кашковская, М.Н. Кирсанов, В.А. Киселев, В.И. Колчунов, В.И. Коробко, И.Л. Кузнецов, Я.М. Лихтарников, В.П. Лозбинев, Л.С. Ляхович, В.А. Максименко, В.П. Малков, В.О. Масленников, А.В. Мищенко, Ю.В. Немировский, Я.И. Ольков, В.А. Пермяков, М.И. Рейтман, Н.Н. Столяров, А.Г. Тамразян, А.П. Цыганков, Э.Д. Чихладзе, Г.С. Шапиро, В.Н. Шимановский, А.Г. Юрьев, F. Biondini, F. Bontempi, C.V. Camp, D.E. Goldberg, C.S. Krishnamoorthy, V. Prager, S. Rajeev, V. Togan и многие другие ученые. Рассмотрены подходы к оптимизации железобетонных конструкций на основе численных методов математического программирования, метода шагового перепроектирования, случайного поиска. Описаны основные возможности современных пакетов прикладных программ в получении рациональных проектных решений для объектов такого типа. Обосновывается, что одной из наиболее перспективных схем оптимизации железобетонных систем является эволюционное моделирование. Обращается внимание, что до настоящего времени не разработано методики, позволяющей выполнять эволюционную оптимизацию железобетонных балок и рам с учетом требований СНиП. Сформулированы цель и задачи диссертации.

Во второй главе разработаны методики конечно-элементного моделирования и оптимального синтеза железобетонных балок и плоских рам, изготовленных без предварительного напряжения арматуры. Исследование деформаций конструкций выполняется с учетом их физической нелинейности на основе последовательности расчетов объектов в линейной постановке. Железобетонный стержень делится на n слоев бетона и m слоев арматуры (рисунок 1, а). Принимается, что для пакета слоев справедлива гипотеза плоских сечений. Для отдельного конечного элемента (рисунок 1, б) в соответствии с этой гипотезой записывается

(1)

где – продольные перемещения точек на оси конечного элемента и отрезке 1-2; – угол поворота поперечного сечения для пакета слоев относительно оси Oz; v – проекция вектора перемещения на ось Oy; – проекция на ось Oy вектора эксцентриситета присоединения конечного элемента к узлам.

Вектор обобщенных деформаций конечного элемента представляется следующим образом:

(2)

где – относительная продольная деформация на оси конечного элемента; – кривизна изогнутого стержня.


а	б
Рисунок 1 – Деление слоев стержня на конечные элементы: а – структура конечно-элементной модели; б – конечный элемент (B – слои бетона; S – слои арматуры при m = 2; h – высота сечения; U, 1, 2 – узловые точки)

Вектор обобщенных узловых перемещений конечного элемента имеет вид

, (3)

где - обобщенные перемещения для i-го узла ( i = 1, 2 ).

Считается, что перемещение изменяется вдоль отрезка 1-2 по линейному закону, а перемещение аппроксимируется с помощью кубического закона. На основе зависимостей (2), (3) получена матрица деформаций конечного элемента:

, (4)

где l – длина отрезка 1-2.

Вектор обобщенных напряжений и матрица упругости конечного элемента представляются в виде

; , (5)

где – продольная сила; – изгибающий момент относительно оси Cz'; E – модуль упругости материала; A – площадь поперечного сечения конечного элемента; – момент инерции поперечного сечения конечного элемента относительно оси Cz'.