РАСЧЕТ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЦЕХА С УЧЕТОМ ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО ОБРУШЕНИЯ

Введение
ГЛАВА I ОБЗОР ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ РАСЧЕТА НА ПРОГРЕССИРУЮЩЕЕ ОБРУШЕНИЕ 15
1.1. Историческая справка о возникновение определения
«прогрессирующее обрушение» 15
1.2. Примеры 18
1.3. Зарубежные и отечественные нормы проектирования 24
1.4. Классы нелинейных задач 31
1.5. Расчет на прогрессирующее обрушения. Постановка динамической
задачи 34
1.5.1. Метод конечных элементов (МКЭ) 35
1.5.2. Математическая постановка задач динамики 36
1.5.3. Постановка задач динамики в программном комплексе ANSYS ....44
ГЛАВА II ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. РАСЧЕТ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К ПРОГРЕССИРУЮЩЕМУ ОБРУШЕНИЮ 47
2.1. Основные характеристики объекта исследования 47
2.2. Статический расчет здания цеха 62
2.3. Сценарий отказа 69
2.4. Моделирование процесса лавинообразного обрушения каркаса 72
2.5. Анализ результатов расчетов на устойчивость к прогрессирующему
обрушению 74
ГЛАВА III ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94
3.1. Рекомендации по усилению 94
3.2. Основные принципы и алгоритм расчета на прогрессирующее
обрушение стального каркаса 95
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Купить

В настоящее время на территории РФ растут объемы строительства промышленных предприятий.
Приведем несколько примеров открытых в 2016-2017 годах:
1) Концерн ВКО «Алмаз-Антей» выпускает вооружения и военную технику противовоздушной (воздушно-космической) обороны. В промышленном комплексе Кировского машиностроительного предприятия организовано производство полного цикла различных изделий номенклатуры «Алмаз-Антея». 
2) Вынгапуровский газоперерабатывающий завод (ГПЗ) перерабатывает попутный нефтяной газ (ПНГ) с месторождений «Газпром нефти» с получением сухого газа и широкой фракции углеводородов (ШФЛУ) — базового сырья для нефтехимической промышленности.
«БИРС Арматура» — это компания по изготовлению арматуры с полным циклом изготовления. В технологию производства включена линия стального литья, что позволит производить арматуру под требования индивидуальных заказчиков.
4) 20 июня 2017 года в Воронежской области запущено уникальное для России производство высокопрочных прямошовных электросварных труб большого диаметра ЗАО «Лискимонтажконструкция». Продукция предназначена для строительства крупных нефтегазопроводов в условиях низких температур, обсадных нефтегазопроводных и профильных труб, а также строительства глубоководных морских трубопроводов при освоении шельфовых месторождений.
ЗАО «Лискимонтажконструкция» — один из основных российских производителей и поставщиков деталей для трубопроводов нефти, газа, пара и горячей воды, а также оборудования для трубопроводов атомных электростанций. Инвестиции: 4,5 млрд руб.
5) 14 июля 2017 года в г. Губкин Белгородской обл. компания «Металлоинвест» запустила на площадке АО «Лебединский горно-обогатительный комбинат» комплекс горячебрикетированного железа (ГБЖ-3) — крупнейшую в России и одну из самых мощных в мире установок по производству ГБЖ. Весь комплекс состоит из 130 объектов: станции грохочения шихты и продукта, тракты и транспортировки окисленных окатышей и готовой продукции, системы обеспыливания нижнего уплотнительного газа и ГБЖ, эстакады трубопроводов, редукционная станция природного и уплотнительного газа, электрические подстанции, реформер, компрессор технологического газа и другие объекты.
6) 5 августа 2017 года в г. Уссурийск Приморского края открыт завод по производству оцинкованной стали с полимерным покрытием.
Инвестиции: 58 млнруб.
Всего с 2013 по 2017 г.г. в России построено и введено в строй 1203 новых заводов и цехов практически во всех отраслях производства.
В настоящее время в строительстве промышленных объектов широко применяются металлические конструкции. При этом достаточно большая часть возводимых сооружений относится к первому (повышенному) классу опасности в соответствии с федеральным законом № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [1].
При проведении расчетов на лавинообразное обрушение металлических конструкций возникает множество вопросов связанных с методиками расчетов и, как следствие, с результатами расчетов, ввиду недостаточной проработки данного вопроса в нормативной литературе.
Вновь возводимые и уже эксплуатируемые промышленные здания находятся в условиях сложных и интенсивных динамических воздействий. Это может привести к появлению отказов несущих элементов, а, в некоторых случаях, к последовательному отказу нескольких элементов и отказу всего здания или его части.
Вплоть до 1 января 2015 года на территории Российской Федерации действовал основной нормативный документ, регулирующий проектирование зданий и сооружений в части обеспечения надежности строительных конструкций — п. 4.2.7 ГОСТ Р 54257-2010 [2]. Указанный нормативный документ предписывает необходимость выполнения расчета на прогрессирующее обрушение особо ответственных зданий: офисных, высотных жилых, торговых комплексов.
Но буквальное выполнение расчета затруднительно. Связано это с тем, что не существует единого утвержденного алгоритма расчета на прогрессирующее обрушение, который бы давал общие расчетные предпосылки и точную количественную оценку возникающих усилий и напряжений в элементах конструкции.
С выпуском нормативного документа ГОСТ 27751-2014 [3], проведение расчета на прогрессирующее обрушение стало необязательным в случае, если «предусмотрены специальные мероприятия, исключающие обрушение сооружения или его части». Утвержденный расчетный алгоритм в [2], и также [3],не представлен.
Статья №16 п.6 ФЗ-384 говорит следующее: «При проектировании здания или сооружения повышенного уровня ответственности должна быть учтена также аварийная расчетная ситуация, имеющая малую вероятность возникновения и небольшую продолжительность, но являющаяся важной с точки зрения последствий достижения предельных состояний, которые могут возникнуть при этой ситуации (в том числе предельных состояний при ситуации, возникающей в связи со взрывом, столкновением, с аварией, пожаром, а также непосредственно после отказа одной из несущих строительных конструкций).» [1]
Таким образом, при повышенном уровне ответственности необходим расчет на прогрессирующее (лавинообразное) обрушение. Причем расчетных ситуаций должно быть несколько.
Такая постановка задачи обусловлена рядом крупных аварий зданий, произошедших за последние тридцать лет (подробное описание аварий см. пп1.2.):
1) 23 марта 1995 г. на Таганрогском металлургическом заводе (Ростовская область) обрушилась кровля трубопрокатного цеха на площади 14 тыс. кв. м, в результате чего погибли 14 человек, еще 17 - пострадали. Расследовавшая ЧП комиссия назвала причиной нарушения норм строительства, допущенные при возведении предприятия в 1960-х гг.
2) 17 июля 1997 г. произошло обрушение крыши одной из казарм Томского высшего военного командного училища связи. Погибли 12 курсантов, 54 получили ранения. При строительстве здания в 1950-х гг. был допущен брак, и перекрытия не выдержали веса шлака, который был впоследствии засыпан на чердак для утепления.
3) Всемирный торговый центр (World Trade Center) — комплекс из семи зданий в Нью-Йорке (США) в Финансовом квартале Манхэттена официально открытый 4 апреля 1973 года. Архитектурной доминантой комплекса были две башни, каждая по 110 этажей — Северная (высотой 417 м, а с учётом установленной на крыше антенны — 526,3 м) и Южная (высотой 415 м).
11 сентября 2001 года комплекс WTC был разрушен в результате террористической атаки.
4) Трансвааль-парк — первый аквапарк, построенный в столице, спортивно-развлекательный комплекс, открытый в июне 2002 года на юго-западе Москвы.
14 февраля 2004 года произошло обрушение конструкции крыши сооружения, что привело к гибели 28 человек.
5) 4 декабря 2005 г. в городе Чусовой Пермского края произошло обрушение крыши бассейна "Дельфин". В момент инцидента в здании находились около 30 человек. Под обломками бетонных плит погибли 14 человек, в том числе 10 детей. 11 человек были госпитализированы с травмами разной степени тяжести. Причинами обрушения стали коррозия конструкций и нарушение правил эксплуатации здания.
6) 23 февраля 2006 г. в Москве рухнули кровля и часть железобетонных конструкций здания Басманного рынка. Общая площадь обрушения составила 3 тыс. кв. м, погибли 68 человек. Комиссия по чрезвычайным ситуациям установила, что крыша обрушилась из-за обрыва поддерживавших ее тросов-вантов, вызванного коррозией металла и внеплановой перестройкой здания.
По этим причинам необходимо выполнение расчётов, которые бы обеспечили требуемый уровень прочностной надёжности конструкций сооружений.
Цели исследования:
1) построение динамической реакции каркаса промышленного цеха и определение напряжённо-деформированного состояния (НДС) его стержней при внезапном отказе одной их несущих колонн;
2) изучение поведения несущего каркаса при отказе несущего элемента при прогрессирующем обрушении;
3) проектирование мероприятий по повышению устойчивости конструкций каркаса к прогрессирующему обрушению.
Объект исследования - фрагмент металлического пространственного каркаса промышленного цеха, как дискретная диссипативная система с конструктивно нелинейными свойствами.
Предмет исследования - параметры реакции конструкций металлического каркаса и параметров НДС его элементов в процессе конструктивно нелинейных колебаний, вызванных внезапным отказом одной из несущих колонн.
Задачи исследования:
1) анализ отечественного и зарубежного опыта по вопросам прогрессирующего обрушения зданий и сооружений;
2) создание конечно-элементной модели пространственного каркаса цеха для расчёта в зарубежном программном комплексе ANSYS;
3) анализ динамической реакции каркаса с учётом конструктивно нелинейной работы несущих элементов при рассмотрении нескольких сценариев прогрессирующего обрушения;
4) разработка мероприятий по защите конструкций каркаса от прогрессирующего обрушения.
Методы исследования. При решении задачи конструктивно нелинейных колебаний каркаса был использован метод конечных элементов.
Достоверность результатов подтверждается современными методами исследования и обработки результатов, адекватностью принятых математических моделей, а также апробированных методов динамики систем, реализованных в ПК CASTS'.
Научная новизна состоит в следующем:
1) решение задачи о колебаниях металлического пространственного каркаса здания в конструктивно нелинейной постановке;
2) исследование прогрессирующего разрушения конструкций каркаса в процессе вынужденных колебаний.
Практическая значимость. Результаты работы имеют практическую значимость для проектирования металлических каркасов зданий повышенного уровня ответственности, устойчивых к прогрессирующему обрушению, для повышения их прочностной надёжности. Рассмотрена методика расчета на прогрессирующее обрушение металлических каркасов.
Положения, выносимые на защиту:
1) расчётная динамическая конечно-элементная модель каркаса цеха, учитывающая возможность появления отказа несущих элементов;
2) результаты расчёта конструкций каркаса цеха в конструктивно нелинейной постановке.
3) Методика расчета, разработанная в процессе проведения исследования.
Апробация диссертационного исследования. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на 71-й студенческой конференции Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск, ЮУрГУ, май 2018 г.).
Личный вклад авторов состоит в:
□ создании конечно-элементной модели фрагмента каркаса в ПК ANSYS;
□ обработке, анализе и оформлении полученных результатов расчётов;
□ оформление методики расчетов металлических конструкций;
□ подготовке материалов для участия в конференции.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 101 странице машинописного текста и состоит из введения, Зх глав и списка литературы, включающего 50 наименований. В работе приведены 68 рисунков и 3 таблицы.

Купить