3 -й этап исследований по проблеме Моделирование процессов

3 -й этап исследований по проблеме: «Моделирование процессов деформирования и разрушения каменных кладок с учетом зависимости свойств составляющих от вида напряженно-деформированного состояния, анизотропии, развивающейся поврежденности и нелинейной ползучести» Нижегородский Государственный архитектурностроительный университет

Научно-технический отчет содержит: 1. Аннотированную справка по научным результатам НИР, полученным на I и II этапах. 2. Аналитический отчет о проведении теоретических и экспериментальных исследований III-го этапа. 3. Отчет по обобщению и оценке результатов исследования. 4. Приложения, описывающие схемы организации и фрагменты экранных изображений базы данных «Основные прочностные и деформационные характеристики материалов с периодической структурой» и пример расчёта простенка одноэтажного здания из гипсоопилочных камней по программе «КЛАДКА» . 5. Публикации результатов НИР.

Основные задачи и результаты 1 -го и 2 -го этапов 1 -й этап 2 -й этап Задачи: Анализ существующих моделей процессов деформирования и разрушения каменных кладок и кусочно-однородных сред. Анализ моделей, описывающих зависимости деформирования конструкционных материалов от анизотропии и вида напряженного состояния. Анализ моделей ползучести в линейной и нелинейной постановке. Анализ особенностей поведения каменных кладок и их составляющих при различных режимах нагружения. Анализ существующих программных комплексов, предназначенных для расчета НДС строительных конструкций и реализованных в их рамках моделей. Анализ состояния вопроса изученности каменных кладок на естественных заполнителях. Обоснование варианта направления исследований. Разработка плана проведения исследований с указанием сроков проведения и форм представления результатов. Составление научно-технического отчета, утверждение отчета на НТС университета, передача отчета Заказчику. Задачи: Разработка на основе МКЭ двухуровневой инкрементальной модели деформирования и разрушения конструкций каменных кладок. Разработка расчетной методики определения приведенных характеристик среды верхнего уровня. Создание базы данных механических и прочностных характеристик составляющих каменных кладок. Разработка модели ползучести каменных кладок в рамках нелинейной теории ползучести. Реализация методик и моделей на основе МКЭ в виде программных модулей. Планирование, подготовка и проведение натурных экспериментальных исследований на кратковременное и длительное сжатие, направленных на изучение прочности и деформативности столбов и простенков, выполненных из камней на естественных заполнителях. Подготовка выступлений на конференциях и статей к печати в журналах ВАК с обязательной ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы. Составление научно-технического отчета, утверждение отчета на НТС университета, передача отчета Заказчику. Результаты: В результате этих исследований была поставлена задача построения двухуровневой инкрементальной модели для анализа поведения конструкций, выполненных из кусочно-однородных материалов. Так же актуальными были признаны задачи изучения свойств различных кладок на естественных заполнителях (из опилкобетонных камней и кирпичей, из гипсоопилочных камней и т. д. ) и создания базы данных основных характеристик материалов с периодической структурой (в том числе изученных кладок). Был разработан план проведения исследований с указанием сроков проведения и форм представления результатов. Результаты: Авторская двухуровневая инкрементальная модель деформирования и разрушения материалов с периодической структурой, основанная на МКЭ. Расчетная методика определения приведенных характеристик среды верхнего уровня модели и алгоритм ее реализации в рамках любых программных комплексов, предназначенных для оценки процессов деформирования и разрушения строительных конструкций. В результате масштабных экспериментальных исследований кладок на естественных заполнителях получены значения прочностных характеристик при кратковременном и длительном сжатии, а также характеристик деформирования. Для определения модуля упругости, коэффициента Пуассона и предела прочности, составляющих деревобетонные кладки при растяжении было создано приспособление, позволяющее подвергать камни и кирпичи растяжению. Подана заявка на получение патента «Захват для крепления образцов для испытания на растяжение» . Опубликованы 7 работа (5 из которых в журналах ВАК с обязательной ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы), участие в 5 -ти конференциях, симпозиумах разного уровня, в том числе имеющих международный статус.

Задачи 3 -го этапа: • • • Численные исследований НДС и процессов разрушения различных каменных конструкций при разных видах нагружения с использованием моделей, учитывающих анизотропию, разномодульность, физическую нелинейность, ползучесть составляющих кладку материалов. Сравнение результатов численных и натурных экспериментов для тестирования созданных моделей, алгоритмов и программных средств. Сравнение численных результатов, полученных с помощью разработанных моделей, методик и программных средств, с результатами существующих аналогов. Разработка рекомендаций для расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющих с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженно-деформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. Подготовка выступлений на конференциях и статей к печати в журналах ВАК с обязательной ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы. Составление научно-технического отчета, утверждение отчета на НТС университета, передача отчета Заказчику

Некоторые результаты численных исследований, проведенных в рамках разработанной двухуровневой модели, полученные с помощью ПК УПАКС и ANSYS Исследования участка стены 1 -го этажа кирпичного здания между двумя поперечными несущими стенами, опертого на жесткий фундамент под действием эксплуатационных нагрузок 5

Некоторые результаты численных исследований, проведенных в рамках разработанной двухуровневой модели, полученные с помощью ПК УПАКС и ANSYS Анализ процессов деформирования и разрушения кирпичных стен, подверженных сдвигу. 6

Некоторые результаты численных исследований, проведенных в рамках разработанной двухуровневой модели, полученные с помощью ПК УПАКС и ANSYS Моделирования процесса деформирования столба из гипсоопилочных камней типа «Крестьянин» 7

Некоторые результаты численных исследований, проведенных в рамках разработанной двухуровневой модели, полученные с помощью ПК УПАКС и ANSYS РАЗРУШЕНИЕ КИРПИЧНОЙ СТЕНЫ В УСЛОВИЯХ ПЛОСКОГО ИЗГИБА

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЛБОВ ИЗ ОПИЛКОБЕТОННЫХ КИРПИЧЕЙ НА ПК ANSYS 11. 02 КЭ сетка кирпичей столба (подконструкция 1 в расчетах) КЭ сетка растворных швов (подконструкция 2 в расчетах) в) КЭ сетка столба и плиты, моделирующие пресс

ВЫВОДЫ ПО ПРОВЕДЕННЫМ ЧИСЛЕННЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ Проведенные масштабные численные исследования различных конструкций каменной кладки в плоской и пространственной на основе разработанных в рамках НИР подходов позволили сделать вывод о работоспособности предложенных моделей, алгоритмов и методик. Такой вывод обоснован сравнением полученных численных результатов с данными собственных натурных исследований и данными других авторов, а также с результатами численных исследований на основе ПК ANSYS, являющимся одним из мощнейших программных комплексов в мире, созданных на основе МКЭ. Результаты этих исследований легли в основу монографии «Моделирование процессов деформирования и разрушения материалов с периодически повторяющейся структурой» (авторы С. А. Капустин, С. Ю. Лихачева), которая находится в печати в типографии ННГАСУ.

Результаты теоретических исследований кладок на естественных заполнителях Виды кладок на естественных заполнителях: - опилкобетонная, гипсоопилочная, арболитовая. . . - из камней сплошных и пустотелых, кирпичей, блоков… Эффективность применения в строительстве конструкций и изделий из древесных бетонов определяется: - существенным снижением массы зданий, - повышением их теплозащиты, - уменьшением себестоимости за счёт использования местных материалов. Решение экологических проблем путем утилизации вредных для окружающей среды отходов деревообрабатывающей промышленности

Графики, полученные для кладки из гипсоопилочных камней Зависимости между напряжениями и относительными продольными деформациями Зависимости между напряжениями и относительными поперечными 12 деформациями

Диаграммы деформирования образцов кирпичной кладки из опилкобетона 13

Напряжение, которое определяет границу двух областей деформирования кладки из любых камней и кирпичей на древесных заполнителях 14

Изменение дифференциального коэффициента поперечной деформации Дифференциальное изменение объёма 15

Новый критический параметр кладки из камней на древесных заполнителях – момент начала необратимо-прогрессирующего развития микроразрушений, который назовём пределом конструктивной прочности кладки: Этот параметр определяет начало нового этапа в развитии процесса микроразрушений, характеризует момент начала разрушения кладки и отождествляется с пределом её длительного сопротивления. 16

Зависимость длительного модуля деформаций для конечного установившегося состояния кладки Для кладки из опилкобетона: . Для гипсоопилочной кладки: . 17

Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженнодеформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. Учёт влияния фактора времени при расчёте несущих элементов из кладок на естественных заполнителях Использование предельно низкой диаграммы деформирования кладки при сжатии Зависимость между относительными напряжениями и полными относительными деформациями 18

Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженнодеформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. Отличительные особенности предельно низкой диаграммы сжатия от обычной машинной диаграммы: - текущее значение длительного напряжения Е - длительный модуль деформаций в масштабе абсолютных напряжений. • В машинной диаграмме при напряжениях близких к Ru возможно наличие площадки текучести за счёт быстрого проявления пластических, незатухающих во времени деформаций. В предельно низкой диаграмме полностью проявляются и затухают деформации последействия при всех значениях напряжений от = 0 до = дл. • Предел длительного сопротивления кладки дл отождествляется с пределом её конструктивной прочности = 0, 65 RU • Значение длительного модуля деформаций кладки Е( ) для нормальных температурно-влажностных условий эксплуатации отапливаемых зданий принимается равным Е( ) =0, 27 Е 0. • RU , Е 0 – характеристики, определяемые по разработанной методике определения характеристик среды верхнего уровня путем прямого численного моделирования 19

Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженнодеформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. 20

Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженнодеформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. 21

Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженнодеформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. 22

Теоретические результаты 3 -го этапа Расчетная методика определения приведенных характеристик среды верхнего уровня модели и алгоритм ее реализации в рамках любых программных комплексов, предназначенных для оценки процессов деформирования и разрушения строительных конструкций. Методика расчета каменных конструкций с разными вариантами составляющих, позволяющая с использованием прямого численного моделирования прогнозировать напряженно-деформированное состояние, величину разрушающих нагрузок, характер поврежденности при различных видах нагружения. Публикации в 8 высокорейтинговых научных изданиях с обязательной ссылкой на проведение НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы), участие в 6 научных, научно-технических конференциях и строительных форумах разного уровня, в том числе имеющих международный статус.

Результаты 3 -го этапа, имеющие практическую значимость Подана заявка в ФИПС на регистрацию БД «Основные прочностные и деформационные характеристики материалов с периодической структурой» (№ 2011620524 от 20. 07. 11). Протестированы созданные в рамках НИР программные средства, реализующие предложенные модели, алгоритмы и методики. Монография «Моделирование процессов деформирования и разрушения материалов с периодически повторяющейся структурой» (авторы С. А. Капустин, С. Ю. Лихачева) находится в печати в типографии ННГАСУ. Для решения задач расчета каменных конструкций зданий из кладок на древесных заполнителях на ПЭВМ разработан алгоритм, реализованный в виде программы “КЛАДКА”. Внедрения в учебный процесс ННГАСУ и производственный процесс строительных фирм

Рекомендации по использованию результатов НИР • • • Содержащаяся в отчетах по II-му и III-му этапах информация об организации двухуровневой модели, алгоритмах выбора вида и КЭ разбиения, методике определения характеристик среды верхнего уровня, позволяет реализовать их в рамках любого программного комплекса, предназначенного для расчета НДС конструкций на основе МКЭ и открытого для такого внедрения. Полученные в результате выполнения НИР сведения о кратковременной и длительной прочности кладок из опилкобетонных и гипсоопилочных камней, определенные в результате натурных и численных экспериментов, рекомендуются для использования производителям камней и кирпичей на древесных заполнителях (сектор экономики - «Строительное производство» ). Разработанная методика расчёта каменных элементов зданий при различных условиях нагружения и созданная база данных «Основные прочностные и деформационные характеристики материалов с периодической структурой» рекомендуются для использования специалистам проектных организаций на стадии проектирования и оценки несущей способности зданий со стенами из опилкобетонных и гипсоопилочных кладок (сектор экономики - «Строительство» ). Использование результатов НИР позволит повысить обоснованность принимаемых технических решений. Разработанное приспособление «Захват для крепления образцов для испытания на растяжение» рекомендуется использовать при испытаниях на растяжение любых кирпичей и камней на производстве, в научно-исследовательских и университетских лабораториях. Результаты теоретических и экспериментальных исследований рекомендуются для внедрения в образовательный процесс строительных ВУЗов и классических университетов для обучения студентов по специальностям «Механика» , «Каменные конструкции» , «Городское строительство и хозяйство» , «Конструкции из дерева и древесных композитов» , «Информационные системы и технологии» и др. виде учебных пособий, стендов, лабораторных практикумов.

Оценка эффективности полученных результатов НИР в сравнении с современным научно-техническим уровнем • Все результаты актуальны, обладают научной новизной и имеют практическую значимость, так как могут быть применены в реальных средствах экономики (в производстве, при проектировании, в учебном процессе). Уровень разработок соответствует современному уровню научно-технического развития, так как все созданные продукты основаны на современных теоретических подходах и информационных технологиях. • Анализ поставленных целей и полученных результатов поисковой научноисследовательской работы «Моделирование процессов деформирования и разрушения каменных кладок с учетом зависимости свойств составляющих от вида НДС, анизотропии, развивающейся поврежденности и нелинейной ползучести» • По результатам систематизированных теоретических и экспериментальных исследований проведена оценка полноты решения задачи и достижения поставленных целей, эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем. • Сделаны выводы о полном выполнении обязательств по всем этапам ГК №П 1186 от 27. 08. 09

Благодарим за внимание !