Численное моделирование напряженно-деформированного состояния водопроводящих конструкций с учетом динамического воздействия

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Численное моделирование напряженно-деформированного состояния водопроводящих конструкций с учетом динамического воздействия

С. М. Васильев

Целью исследований является рассмотрение возможного принципа расчета для анализа напряженно-деформированного состояния водопроводящих конструкций с учетом сейсмических воздействий. Расчет по определению напряженно-деформированного состояния водопроводящих конструкций с учетом сейсмических воздействий выполнен в программном комплексе STARK ES версии 2017. С помощью STARK ES осуществлялся линейный и нелинейный статический расчет, расчеты на собственные и вынужденные колебания, на устойчивость, спектральный анализ матрицы жесткости и предельный жесткопластический анализ. Расчет на собственные колебания выполнялся с учетом динамических свойств основания при нормативных значениях плотностей материалов конструкции, а также анализа вклада форм собственных колебаний. Расчет сейсмических нагрузок напряженно-деформированного состояния водопроводящих конструкций по первому направлению выполнен линейно-спектральным методом. В результате расчета и анализа сформированы псевдостатические нагружения, соответствующие первому направлению сейсмического воздействия. С целью определения напряженно-деформированного состояния конструкции от максимального расчетного землетрясения выполнен динамический расчет во временной области, результатом которого являлось построение трехкомпонентной акселерограммы. Для полноценного анализа водопроводящих конструкций выполнены поверочный расчет с учетом инерционных сил от действия проектного землетрясения и проверка конструкций от усилий, полученных в результате максимального расчетного землетрясения с учетом присоединенной массы. Разработанный алгоритм расчета позволяет обеспечить должную надежность напряженно-деформированного состояния водопроводящих конструкций.

Ключевые слова: водопроводящие конструкции, сейсмические нагрузки, собственные колебания, расчетная модель, грунтовое основание, прочность, надежность.

S. M. Vasilyev

Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation

NUMERICAL SIMULATION OF STRAIN-STRESS STATE

OF WATER-CONDUCTING STRUCTURES WITH REGARD

TO DYNAMIC IMPACT

The aim of research is to consider a possible calculation principle for analyzing the strain-stress state of water-conducting structures taking into account seismic influences. The calculation for determining the strain-stress state of water-conducting structures, taking into account seismic actions, was performed in the STARK ES software package version 2017. With the help of STARK ES, linear and non-linear static calculations, calculations for free and forced oscillations, for stability, for spectral analysis of the stiffness matrix and limiting rigid plastic analysis were performed. The calculation for the free oscillations was carried out taking into account the dynamic properties of the foundation at the standard values of the construction materials densities, as well as the analysis of contribution of the natural oscillations modes. Calculation for seismic loads of the strain-stress state of water-conducting structures along the first direction is performed by a linear-spectral method. As a result of calculation and analysis, pseudo-static loads corresponding to the first direction of the seismic action are formed. In order to determine the strain-stress state of the structure from the maximum calculated earthquake, a dynamic calculation in the time domain was performed, the result of which was the construction of a three-component accelerogram. For a valid analysis of water-supply structures, a checking calculation has been performed, taking into account the inertial forces from the action of the project earthquake and checking the structures from the forces obtained as a result of the maximum design earthquake taking into account the attached mass. The developed calculation algorithm allows to ensure the proper reliability of the strain-stress state of water-conducting structures.

Key words: water-conducting structures, seismic loads, free oscillations, design model, ground base, strength, reliability.

В связи с бурным развитием в последние годы агропромышленного комплекса на территории Южного федерального округа Российской Федерации, а также ввиду отсутствия обоснованных методик по расчету водопроводящих конструкций с учетом проектного землетрясения (ПЗ) и максимального расчетного землетрясения (МРЗ) возникает необходимость уточнения алгоритма расчета конструкций, расположенных в зоне с возможной повышенной сейсмической активностью. Применение программных комплексов, таких как: Stark ES, MicroFe, SolidWorks - позволяет произвести более точно расчеты несущей способности конструктивных элементов. Программное обеспечение (основанное на методе конечных элементов) позволяет создавать математические модели различной сложности и конфигурации, что значительно защищает реальные процессы, происходящие в устройствах и системах, от воздействия различных негативных факторов [1-4].

Целью исследований является рассмотрение возможного принципа расчета для анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) водопроводящих конструкций с учетом сейсмических воздействий.

Материалы и методы. Расчет по определению НДС водопроводящих конструкций с учетом сейсмических воздействий выполнен в системе инженерного анализа (CAE - англ. Computer-aided engineering) программного продукта STARK ES версии 2017. С помощью STARK ES осуществлялся линейный и нелинейный статический расчет, расчеты на собственные и вынужденные колебания, на устойчивость, спектральный анализ матрицы жесткости и предельный жесткопластический анализ. Расчет сейсмических нагрузок выполнен линейно-спектральным методом. Для гидродинамических расчетов использовались методы компьютерного (численного) моделирования [5-7].

Результаты и обсуждение. Исходные данные к расчету представлены на рисунке 1. деформированный водопроводящий сейсмический конструкция

Рисунок 1 - Исходные данные

Физико-механические свойства грунтов площадки представлены следующими данными в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-механические свойства грунтов

Сейсмичность площадки строительства, в соответствии с ОСР 2015 карта А, 8 баллов [8].

Конструкции водопроводящего сооружения выполнены из монолитного железобетона класса В25 [9, 10].

Расчетная модель представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Расчетная модель

Характеристики грунтового основания представлены на рисунке 3

Рисунок 3 - Характеристики грунтового основания

Сгенерированная конечно-элементная модель представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Конечно-элементная модель

Осуществим расчет собственных колебаний водопроводящего сооружения. Расчет на собственные колебания выполняется с учетом динамических свойств основания при нормативных значениях плотностей материалов конструкции [11]. Исходные данные для расчета собственных колебаний представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Исходные данные для расчета собственных колебаний

Результаты расчета собственных колебаний конструкции (1-3 формы) представлены на рисунках 6-8.

Максимальное перемещение = 881,232 мм в узле 159, Форма 1

Рисунок 6 - Собственные колебания

Максимальное перемещение = 485,574 мм в узле 159, Форма 2

Рисунок 7 - Собственные колебания

Максимальное перемещение = 789,838 мм в узле 148, Форма 3

Рисунок 8 - Собственные колебания

Для дальнейшего учета псевдостатических сил выполним анализ вклада форм собственных колебаний, результаты которого по первым трем направлениям представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Вклад форм колебаний

С целью определения присоединенной массы воспользуемся следующей формулой:

,

где - присоединенная масса воды, кг;

- плотность воды, кг/м3;

- глубина воды у сооружения, м;

- безразмерный коэффициент присоединенной массы воды;

- коэффициент, учитывающий ограниченность длины водоема.

Выполним задание присоединенной массы для учета инерционных сил по направлениям (X, Y, Z). Водопроводящая конструкция с учетом присоединенной массы представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Присоединенная масса воды

Осуществим расчет по определению сейсмических нагрузок с учетом присоединенной массы воды, исходные данные для расчета представлены на рисунке 10.

На рисунке 11 представлены исходные данные для определения сейсмических нагрузок по первому направлению линейно-спектральным методом.

В результате расчета сформированы псевдостатические нагружения НГ-4-НГ-9, соответствующие первому направлению сейсмического воздействия.

Рисунок 10 - Исходные данные

Рисунок 11 - Исходные данные для сейсмических нагрузок

В статическом расчете участвуют следующие комбинации нагрузок, представленные в таблице 3.

Таблица 3 - Комбинации нагрузок

С целью осуществления анализа НДС водопроводящих конструкций выполним статический расчет. Исходные данные представлены на рисунке 12.

Рисунок 12 - Исходные данные

Результаты расчета по определению следующих усилий для комбинации 1 (основное сочетание нагрузок):

Sr - мембранное напряжение в "r"-направлении, кН/м2;

Ss - мембранное напряжение в "s"-направлении, кН/м2;

Qr - поперечная сила на площадке, перпендикулярной оси r, кН/м;

Qs - поперечная сила на площадке, перпендикулярной оси s (кН/м), - представлены на рисунках 13-16.

Min Sr = -23,879 кН/м2, Max Sr = 49,9397 кН/м2

Рисунок 13 - Мембранное напряжение в "r"-направлении

Min Ss = -133,143 кН/м2, Max Ss = 47,9884 кН/м2

Рисунок 14 - Мембранное напряжение в "s"-направлении

Min Qr = -17,603 кН/м, Max Qr = 17,603 кН/м

Рисунок 15 - Поперечная сила на площадке, перпендикулярной оси r

Min Qs = -12,5373 кН/м, Max Qs = 12,5373 кН/м

Рисунок 16 - Поперечная сила на площадке, перпендикулярной оси s

Результаты расчета по определению перемещений в X, Y, Z-направ-лениях представлены на рисунках 17-19.

Max: Узел 236, Ux = 0,928 мм; Min: Узел 159, Ux = -0,928 мм

Рисунок 17 - Перемещение по X-направлению

Max: Узел 126, Uy = 0,001 мм; Min: Узел 1, Uy = -0,001 мм

Рисунок 18 - Перемещение по Y-направлению

Max: Узел 66, Uz = -0,889 мм; Min: Узел 236, Uz = -1,270 мм

Рисунок 19 - Перемещение по Z-направлению

Исходя из представленных результатов расчета НДС водопроводящих конструкций, осуществляется подбор армирования в соответствии с действующими нормами.

С целью определения НДС конструкции от максимального расчетного землетрясения выполним динамический расчет во временной области, исходными данными к которому является технический отчет по инженерно-геологическим изысканиям с учетом микросейсморайонирования и построением соответствующей трехкомпонентной акселерограммы. Исходные данные для расчета представлены на рисунке 20.

Рисунок 20 - Исходные данные для расчета

Результаты расчета по определению усилий и перемещений представлены на рисунке 21.

Выполним определение прочностных характеристик конструкций с учетом динамического воздействия во временной области, исходные данные для расчета представлены на рисунке 22.

Результаты расчета по определению несущей способности водопроводящей конструкции по основной и особой комбинации нагрузок соответственно представлены на рисунке 23-24.

Рисунок 21 - Результаты расчета усилий и перемещений

Рисунок 22 - Исходные данные

Рисунок 23 - Оценка прочности (основная комбинация нагрузок)

Рисунок 24 - Оценка прочности (особая комбинация нагрузок)

Вывод

исходя из представленного, необходимо констатировать, что для полноценного анализа водопроводящих конструкций необходимо осуществлять поверочный расчет с учетом инерционных сил от действия проектного землетрясения, а также выполнять проверку конструкций от усилий, полученных в результате максимального расчетного землетрясения с учетом присоединенной массы. Данный алгоритм расчета позволяет обеспечить должную надежность водопроводящих конструкций.

Список использованных источников

1 Водопользование на рисовых гидромелиоративных системах Нижней Кубани: монография / Ю. А. Свистунов, А. Ю. Галкин, А. Ю. Свистунов, С. Н. Якуба. - Краснодар: КубГАУ, 2014. - 295 с.

2 Щедрин, В. Н. Безопасность гидротехнических сооружений мелиоративного назначения / В. Н. Щедрин, Ю. М. Косиченко, Е. И. Шкуланов. - М.: Росинформагротех, 2011. - 268 с.

3 Свистунов, Ю. А. Изменение параметров каналов рисовых оросительных систем в процессе эксплуатации / Ю. А. Свистунов, А. Ю. Свистунов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. - 2012. - № 78(04). - С. 413-423. - Режим доступа: http:ej.kubagro.ru/2012/04/pdf/27.pdf.

4 Свистунов, Ю. А. Технический уровень Петровско-Анастасиевской рисовой оросительной системы и эффективность водопользования / Ю. А. Свистунов, А. С. Шишкин, А. Ю. Свистунов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. - 2012. - № 78(04). - С. 179-190. - Режим доступа: http:ej.kubagro.ru/2012/04/pdf/82.pdf.

5 Комплексный и индивидуальный учет сочетания нагрузок как метод анализа безопасности строений / Г. В. Дегтярев, О. Г. Дегтярева, В. Г. Дегтярев, Н. В. Коженко, И. Г. Кулага // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. - 2014. - № 01(095). - С. 373-386. - Режим доступа: http:ej.kubagro.ru /2014/01/pdf/42.pdf.

6 Железняков, Г. В. Пропускная способность русел каналов и рек / Г. В. Железняков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 311 с.

7 Дегтярев, Г. В. Особенности расчета плиты покрытия как несущего основания / Г. В. Дегтярев, Д. А. Дацьо // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2016. - № 5(62). - С. 157-165.

8 СП 14.13330.2014 Строительство в сейсмических районах. - Взамен СНиП II-7-81; введ. 2014-06-01. - М.: Минстрой России. - 201 с.

9 Найденов, С. Ю. Альтернативные варианты фундаментов зданий, возводимых в районах с высокой сейсмической активностью / Г. В. Дегтярев, С. Ю. Найденов // Актуальные вопросы экономики и технологического развития отраслей народного хозяйства: материалы регион. науч.-практ. конф. аспирантов, магистрантов и преподавателей, 23 апреля 2016 г., г. Краснодар. - Составители: Г. В. Дегтярев, С. А. Чернявская, О. Г. Дегтярева - Майкоп: Изд-во «Магарин Олег Григорьевич», 2016. - С. 130-135.

10 Лапшенков В. С. Прогнозирование русловых деформаций в бьефах речных гидроузлов / В. С. Лапшенков. - Л.: Гидрометиоиздат, 1979. - 240 с.

11 Ландау, Л. Д. Гидродинамика / Л. Д. Ландау, Е. М. Лившиц. - М.: Наука, 1976. - 736 с.

Размещено на Allbest.ru