Моделирование деформаций предварительно напряженных стальных ферм при аварийных ситуациях

Цель исследования – построение методологии и алгоритма для конечноэлементного моделирования в единой вычислительной схеме деформирования плоских стальных ферм, предварительно напряженных с помощью высокопрочных канатов, в соответствии с хронологией воздействий на объект в виде преднапряжений, нормативных нагрузок и аварийного разрушения одного из несущих элементов.
Методы. Решение задачи осуществляется в геометрически нелинейной постановке с помощью численного интегрирования на основе подхода метода Ньюмарка с построением уравнений равновесия конечноэлементной модели конструкции в деформированном состоянии на каждом шаге интегрирования. Учитывается конструктивная нелинейность, связанная со структурными перестройками и рассмотрением работы канатов только на растяжение. Прослеживается приложение сил тяжести несущей системы, последовательное введение затяжек и их преднапряжение, приложение полезной нагрузки и аварийное воздействие в форме мгновенного локального разрушения. При этом до возникновения разрушения моделируется условие статического нагружения с использованием метода динамической релаксации. Сформулирована методология учета в рамках численного интегрирования аварийного воздействия путем приложения фиктивных сил, значения которых вычисляются в исключаемом конструктивном элементе на момент времени перед его разрушением.
Результаты. Работоспособность представленной вычислительной процедуры иллюстрируется на примере расчета плоской стальной фермы пролетом 54 м, включающей два каната. Рассмотрено поведение объекта с учетом обрыва одного из канатов, подвергавшегося предварительному напряжению. Установлено, что исследуемая аварийная ситуация не приводит к разрушению второго каната и возникновению пластических деформаций в стержнях фермы.
Заключение. Выполненные разработки могут быть использованы для обеспечения живучести предварительно напрягаемых стальных ферм при запроектных воздействиях, приводящих к разрушениям отдельных конструктивных элементов.

1. Abdelwahed B. A review on building progressive collapse, survey and discussion // Case Studies in Construction Materials. 2019. №11. P. e00264. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2019.e00264.

2. Research and practice on progressive collapse and robustness of building structures in the 21st century / F. Parisi, J.M. Adam, J. Sagaseta, X. Lu // Engineering Structures. 2018. № 173. P. 122-149. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.06.082.

3. Прочность и деформативность железобетонных конструкций при запроектных воздействиях / Г.А. Гениев, В.И. Колчунов, Н.В. Клюева, А.И. Никулин, К.П. Пятикрестовский. М.: АСВ, 2004. 216 с.

4. Живучесть зданий и сооружений при запроектных воздействиях / В.И. Колчунов, Н.Б. Андросова, Н.В. Клюева, А.С. Бухтиярова. М.: АСВ, 2014. 208 с.

5. Fengwei S., Wang L., Dong S. Progressive collapse assessment of the steel momentframe with composite floor slabs based on membrane action and energy equilibrium // The Open Construction and Building Technology Journal. 2017. №11(1). Р. 200-215. https://doi.org/10.2174/1874836801711010200.

6. Kolchunov V.I., Savin S.Yu. Survivability criteria for reinforced concrete frame at loss of stability // Magazine of Civil Engineering. 2018. №80(4). P. 73-80. https://doi.org/10.18720/MCE.80.7.

7. Напряженно-деформированное состояние высотного здания при ветровом воздействии и прогрессирующем обрушении / А.А. Семенов, И.А. Порываев, Д.В. Кузнецов, Т.Х. Нгуен, А.С. Саитгалина, Е.С. Трегубова // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2017. №59(8). С. 7-26. https://doi.org/10.18720/CUBS.59.1.

8. Travush V.I., Fedorova N.V. Survivability of structural systems of buildings with special effects // Magazine of Civil Engineering. 2018. 81(5). P. 73–80. https://doi.org/10.18720/MCE.81.8.

9. Серпик И.Н., Мироненко И.В. Методика оценки нагруженности конструкций при запроектных воздействиях с учетом нелинейной работы материалов // Строительство и реконструкция. 2012. №42(4). С. 54-60.

10. Progressive collapse analysis of steel frame structure based on the energy principle / C.H. Chen, Y.F. Zhu, Y. Yao, Y. Huang // Steel and Composite Structures. 2016. №21(3). Р. 553-571. http://dx.doi.org/10.12989/scs.2016.21.3.553.

11. Szyniszewski S., Krauthammer T. Energy flow in progressive collapse of steel framed buildings // Engineering Structures. 2012. №42. P. 142-153. http://doi.org/10.1016/j.engstruct.2012.04.014.

12. Gerasimidis S., Sideri J. A new partial-distributed damage method for progressive collapse analysis of steel frames // Journal of Constructional Steel Research. 2016. №119. P. 233245. http://doi.org/10.1016/j.jcsr.2015.12.012.

13. Kim H.S., Ahn J.G., Ahn H.S. Numerical simulation of progressive collapse for a reinforced concrete building // Engineering and Technology International Journal of Civil and Environmental Engineering. 2013. №7(4). Р. 272-275. http://doi.org/10.5281/zenodo.1060737.

14. Анализ в геометрически, физически и конструктивно нелинейной постановке динамического поведения плоских рам при запроектных воздействиях / И.Н. Серпик, Н.С. Курченко, А.В. Алексейцев, А.А. Лагутина // Промышленное и гражданское строительство. 2012. №10. С. 49-51.

15. An evaluation of modeling approaches and column removal time on progressive collapse of building / D. Stephen, D. Lam, J. Forth, J. Ye, K.D. Tsavdaridis // Journal of Constructional Steel Research. 2019. №153. Р. 243-253. http://doi.org/10.1016/J.JCSR.2018.07.019.

16. Серпик И.Н., Алексейцев А.В. Оптимизация рамных конструкций с учетом возможности запроектных воздействий // Инженерно-строительный журнал. 2013. №44(9). С. 23-29. http://doi.org/10.5862/MCE.44.3.

17. Elsanadedy H.M., Almusallam T.H., Al-Salloum Y.A., Abbas H. Investigation of precast RC beam-column assemblies under column-loss scenario // Construction and Building Materials. 2017. №142. P. 552-571. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.03.120.

18. Tsai M.-H. An approximate analytical formulation for the rise-time effect on dynamic structural response under column loss // International Journal of Structural Stability and Dynamics. 2018. №18(3). Р. 1850038. http://doi.org/10.1142/s0219455418500384.

19. Feng D.-C., Wang Z., Wu G. Progressive collapse performance analysis of precast reinforced concrete structures // The Structural Design of Tall and Special Buildings. 2019. №28(5). P. e1588. https://doi.org/10.1002/tal.1588.

20. Ventura A., De Biagi V., Chiaia B. Structural robustness of RC frame buildings under threat-independent damage scenarios // Structural Engineering and Mechanics. 2018. № 6(65). Р. 689-698. https://doi.org/10.12989/sem.2018.65.6.689.

21. Mohamed O., Khattab R. Assessment of progressive collapse resistance of steel structures with moment resisting frames // Buildings. 2019. №9(1). Р. 19. https://doi.org/10.3390/buildings9010019.

22. Failure simulation of a RC multi-storey building frame with prestressed girders / V.I. Kolchunov, N.V. Fedorova, S.Yu. Savin, V.V. Kovalev, T.A. Iliushchenko // Magazine of Civil Engineering. 2019. №92(8). P. 155-162. https://doi.org/10.18720/MCE.92.13.

23. Numerical investigation of progressive collapse of a multispan continuous bridge subjected to vessel collision / H. Jiang, J. Wang, M.G. Chorzepa, J. Zhao // Journal of Bridge Engineering. 2017. №22(5). Р. 04017008. https://doi.org/10.1061/(asce)be.1943-5592.0001037.

24. Comparison of various procedures for progressive collapse analysis of cable-stayed bridges / J. Cai, Y. Xu, L. Zhuang, J. Feng, J. Zhang // Journal of Zhejiang University SCIENCE A. 2012. №13(5). Р. 323-334. https://doi.org/10.1631/jzus.a1100296.

25. Bathe K.J. Finite element procedures. Watertown, MA, USA, 2016.

26. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Fox D. The finite element method for solid and structural mechanics. Elsevier, Oxford, 2014.

27. Papageorgiou A.V., Gantes C.J. Equivalent modal damping ratios for concrete/steel mixed structures // Computers & Structures. 2010. № 88(19-20). P. 1124-1136. http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruc.2010.06.014.