Автореферат (Численный анализ деформирования воздухоопорных оболочек при статических и динамических воздействиях)

На правах рукописиМокин Николай АндреевичЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ДЕФОРМИРОВАНИЯВОЗДУХООПОРНЫХ ОБОЛОЧЕК ПРИ СТАТИЧЕСКИХ ИДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ05.23.17 – Строительная механикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2019Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«НациональныйИсследовательский Московский Государственный Строительный Университет».Научный руководитель:доктор технических наук, профессор,Мондрус Владимир ЛьвовичОфициальныеоппоненты:Ким Алексей Юрьевичдоктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВО«Саратовский государственный техническийуниверситет имени Гагарина Ю.А.»,профессор кафедры «Теория сооружений истроительных конструкций»Жаворонок Сергей Игоревичкандидат физико-математических наук, доцент,ФГБУН «Институт прикладной механики РоссийскойАкадемии наук», старший научный сотрудникВедущая организация:Федеральное государственное автономноеобразовательное учреждение высшего образования«Российский университет дружбы народов»Защита состоится «10» апреля 2019 г.

в 16:00 на заседании диссертационногосовета Д 218.005.05, созданного на базе Федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российскийуниверситет транспорта (МИИТ)», по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д.9, стр.

9 (7 корпус МИИТ, Минаевский пер., д. 2, ауд. 7618)С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте «Российскийуниверситет транспорта (МИИТ)» www.miit.ru.Автореферат разослан «6» марта 2019 г.Ученый секретарьдиссертационного советаШавыкина Марина Витальевна3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.В последнее время всё чаще возводятся здания различного назначения,которые можно отнести к текстильной архитектуре, отдельной разновидностьюкоторой и являются воздухоопорные сооружения. Возведение подобных оболочек,поддерживаемых за счет избыточного давления воздуха в подоболочечномпространстве, над теннисными кортами, футбольными полями, баскетбольными иволейбольными площадками, а также легкоатлетическими манежами позволяетиспользовать их не только в кратковременный летний период, но и в переходныеосенне-весенние периоды, а зачастую и зимой.

Во многих местах срок службыоболочек данного типа уже превышает 10 лет, а современные материалы позволяютпродлить его еще больше (до 30 лет), что становится дополнительным стимулом краспространению воздухоопорных оболочек и текстильной архитектуры в целом.Однако, имеется и печальный опыт разрушения воздухоопорных оболочек врезультате различных причин. Корректное прогнозирование поведения оболочкипод действием расчетных нагрузок поможет выработать правильную стратегию ихэксплуатации с целью предотвращения повреждения оболочки и нанесения вредаздоровью людей.Кроме того, в настоящий момент перемещения оболочек подобного типа ненормируются.Желаниеэксплуатирующихиспользованияподоболочечногоорганизацийпространства(атакжеболееполногоотсутствиеилинесвоевременное срабатывание систем аварийного повышения давления иустановка специальных противопожарных ограждений) зачастую приводит кразрушению (раздиру) оболочки от столкновения с расположенными вблизи неежесткими предметами при больших перемещениях от ветровых порывов.При действии расчетных нагрузок на воздухоопорные сооружения происходитсложное взаимодействие конструкции с окружающей средой, которое приводиткак к изменению формы оболочки, так и к одновременному изменению самойдействующей нагрузки по величине и направлению.

А поскольку конструкции изтканей и тросов обладают намного большей податливостью, чем сооружения из4традиционныхматериалов,тодлякорректногоанализанапряженно-деформированного состояния (НДС) воздухоопорных оболочек необходимаразработка методики расчета оболочки с учетом ее аэроупругого поведения поддействием ветровой нагрузки.Таким образом, расчёт воздухоопорных сооружений имеет достаточнобольшую значимость, и методика решения связанных задач требует особойпроработки.Степень разработанности темы исследования.Рассмотренынаучныеработы,посвященныевопросамрасчетаипроектирования воздухоопорных сооружений, таких отечественных ученых как:С.А.

Алексеев, Д.А. Бейлин, А.А. Гогешвили, Б.И. Друзь, И.Б. Друзь, В.Э. Магула,В.В. Ермолов, А.Ю. Ким, П.И. Кононенко, С.Н. Кривошапко, В.В. Михайлов, В.П.Поляков, А.М. Смирнов, В.И. Усюкин, В.А. Хованец, А.В. Чесноков, В.П. Шпакови др. Среди зарубежной научной литературы исследуемым вопросам посвященыпубликации следующих авторов: P. Becarelli, K.-U.

Bletzinger, M. Breuer, B.N.Bridgens, E. Haug, C.G. Huntington, K. Ishii, A. Jrusjrungkiat, M. Kassem, S.Kawamura, R.J. Kind, A.M. Kupzok, J. Llorens, T. Matsumoto, M. Mollaert, B.G.Newman, J.T. Oden, E. Onate, F. Otto, S. Reese, N.K. Shrivastava, R. Trostel, J.N. Woodи др. В рамках диссертационного исследования также проведен анализотечественной и зарубежной нормативной литературы, посвященной расчетувоздухоопорных и тентовых сооружений, определению нагрузок и воздействий наних.Цель диссертационной работы.Анализнапряженно-деформированногосостояниявоздухоопорныхсооружений и нагрузок, действующих на них, на основе расчетов, проводимых сучетом ортотропии свойств материала оболочки, взаимовлияния деформированияоболочки и действующих нагрузок.Для достижения указанной цели решались следующие задачи:1) Анализ нормативных документов и научно-технической литературы порасчету и проектированию воздухоопорных оболочек.52) Изучение способов моделирования ветровых нагрузок на здания исооружения.3) Изучение математических моделей материала мембранных конструкций исплошной среды с целью выбора оптимальных моделей как с точки зренияадекватности описания изучаемых явлений, так и с точки зрения устойчивости искорости вычислительного процесса.4) Разработка методики расчета воздухоопорных оболочек в двустороннесвязанной постановке на действие воздушного потока с использованиемсовременных высокопроизводительных программных средств.5) Верификация разработанной методики путём решения тестовых (имеющихальтернативное решение) двусторонне связанных задач деформирования упругихконструкций, взаимодействующих с окружающей средой.6) Расчетвоздухоопорныхоболочекразличнойформынадействиевнутреннего давления и ветровой нагрузки с использованием разработаннойметодики,сопоставлениерезультатовсрезультатамитеоретическихиэкспериментальных исследований других авторов.Научная новизна работы.1) Построена корректная математическая модель воздухоопорной оболочки сучетом ортотропии и геометрической нелинейности.2) Разработана методика расчета воздухоопорных оболочек в геометрическинелинейной постановке с использованием метода конечных элементов и методаконечных объемов на действие ветрового воздействия.3) Решены задачи деформирования ортотропных воздухоопорных оболочекразличной формы под действием внутреннего давления и ветровой нагрузки вдвусторонне связанной постановке с использованием разработанной методики.4) Исследовано влияние величины внутреннего давления на частоты и формысобственных колебаний воздухоопорных оболочек на прямоугольном плане спомощью метода конечных элементов.6Теоретическая значимость результатов работы.Разработаннаяметодикаможетбытьиспользовананетолькодлявоздухоопорных сооружений строительного назначения, но и для пневматическихконструкций в других отраслях.Практическая значимость работы.Расчеты сооружений по разработанной методике позволяют подобратьрациональные параметры эксплуатации воздухоопорных сооружений различнойформы во время опасных погодных явлений (ураганов и пр.), а также повыситьбезопасность подобных конструкций.

Разработанные рекомендации позволяютоценить прогибы и перемещения воздухоопорных оболочек на прямоугольномплане без проведения трудоемкого и дорогостоящего моделирования двустороннесвязанного поведения оболочки путем обоснованного в данной работе уточнениянормативного распределения ветровой нагрузки по поверхности оболочки.Представленные в диссертационном исследовании результаты могут бытьиспользованы, как проектировщиками воздухоопорных сооружений, так иорганизациями, осуществляющими их эксплуатацию.Методология и методы исследования. системный анализ; методы математической статистики; сравнение; математическое моделирование; вычислительный эксперимент; численныеметодыстроительноймеханикиивычислительнойгидродинамики (метод конечных элементов, метод конечных объемов).Положения, выносимые на защиту.В соответствии с пунктами паспорта специальности:(1.

Общие принципы расчета сооружений и их элементов, 4. Численныеметоды расчета сооружений и их элементов)71) Разработанная методика численного расчета воздухоопорных оболочек вдвусторонне связанной постановке на действие воздушного потока на основеметода конечных элементов и метода контрольных объемов.2) Результаты численного анализа НДС ортотропных воздухоопорныхоболочек различной формы под действием внутреннего давления и ветровойнагрузки в связанной двусторонней постановке.(8. Исследование нагрузок на сооружения)3) Способ получения уточненной оценки перемещений оболочки на основенесвязанных расчетов.Достоверность полученных результатов.Достоверностьполученныхрезультатовиобоснованностьнаучныхположений, выводов и рекомендаций обеспечивается:˗ корректностью постановки задач в рамках теоретических предпосылокстроительноймеханики,механикидеформируемоготвёрдоготела,вычислительной гидродинамики;˗ построением корректных математических моделей;˗ применением апробированных численных методов и использованиемверифицированных программных комплексов;˗ сопоставлением результатов численного решения задач с результатамиэкспериментальных и теоретических исследований других авторов.Апробация работы.Основные результаты работы докладывались на следующих научнотехнических конференциях и семинарах:˗ XIX Международная межвузовская научно-практическая конференциястудентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство –формированиесредыжизнедеятельности»,ФГБОУВО«Национальныйисследовательский Московский государственный строительный университет»,Москва, 2016 г.˗ Молодежный международный научно-практический семинар молодыхученых и студентов «Современные исследования в области прикладных8инженерных наук», Федеральное государственное автономное образовательноеучреждение высшего образования «Российский университет дружбы народов»,Москва, 2016 г.˗ VI Международная научная конференция «Задачи и методы компьютерногомоделирования конструкций и сооружений» («Золотовские чтения»), Федеральноегосударственное бюджетное учреждение «Российская академия архитектуры истроительных наук», Москва, 2017 г.˗ XX Международная межвузовская научно-практическая конференциястудентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство –формированиесредыжизнедеятельности»,ФГБОУВО«Национальныйисследовательский Московский государственный строительный университет»,Москва, 2017 г.˗ Международная научно-практическая конференция, посвященная 90-летиюсо дня рождения профессора Н.Н.