Жилые, общественные, промышленные здания являются местом скопления большого количества людей. Главная задач архитектора и конструктора создать безопасный для пребывания объект, конструкции которого будут отвечать не только требованиям прочности, но смогут выдержать динамическую нагрузку, сохранив устойчивость.
Проектирование и возведение зданий — это ответственная работа, поэтому над любым проектом трудится целая команда специалистов, действия которых направлены на многократную его проверку для исключения любых проектных и строительных ошибок.
Строительная механика
Динамика и устойчивость — это частью дисциплины «Строительная механика».
Этот раздел необходим для изучения по той простой причине, что здания несмотря на всю свою статичность, монолитность и неподвижность испытывают динамические нагрузки. Эти нагрузки могут быть следствием воздействия техники, машин и механизмов или появиться из-за природных явлений или в сейсмически опасных районах. Динамическая нагрузка может быть детерминированной, то есть заранее определённой или случайной. При этом динамические нагрузки меняются не только во времени, они могут менять свою величину, направление и положение.
MOD | Январь 2023 | Динамика строительства | MR Group
К наиболее сложным расчетам относятся расчеты высотных зданий и большепролетных конструкций, которые испытывают влияние сразу большого количества факторов. Известен случай, когда в уже построенном высотном здании «Башня Джона Хэнкока», пришлось заменить размещающиеся на верхних этажах стеклянные панели. Из-за динамических изменений теплового расширения в панелях и рамах, в них образовывались трещины и ветер выбивал стекла, рассыпавшиеся осколками с большой высоты.
В динамике используются 4 основных метода:
- кинетостатический;
- кинематический;
- метод Гамильтона;
- энергетический.
Целью проведения расчета является подбор сечений конструкции, которые обеспечат несущую способность при совокупном действии статический и динамических нагрузок. Также расчет покажет допустимый уровень колебаний, который должен отвечать не только требованиям жёсткости и прочности, но и нормам технологического процесса и санитарно-гигиеническим требованиям.
К задачам динамики относятся:
- определение величин частоты и формы собственных колебаний конструкции;
- проверка на резонанс;
- проверка динамической прочности конструкции;
- проверка динамической жёсткости.
Готовые работы на аналогичную тему
Устойчивость рассматривают с двух позиций — устойчивость положения, то есть способность сохранять свое положение, и устойчивость формы, то есть способность сохранять свою первоначальную форму под воздействием нагрузок.
Последствия игнорирования динамических нагрузок
Строительная отрасль развивает методом проб и ошибок со времен своего появления. К сожалению, история знает много примеров, когда недостаток знаний или компетенций приводил к обрушению зданий (сооружений) и гибели людей. Ошибки в таком случае делятся на два типа – проектные (допущенные при разработке проекта будущего здания, к примеру неправильно подобранное сечение) или строительные (допущенные непосредственно на строительной площадке, чаще всего в результате отклонения от проекта; сложнее всего выявить строительные ошибки, допущенные в скрытых работах).
Динамика строительства ГП-3, май 2020
К примеру, мост Ярмут (Англия), который обрушился и стал местом трагедии в 1845 году. Множество людей, пришедших на представление, резко переместились с одного края моста на другой, наблюдая за проплывающим под мостом клоуном. В результате цепи, удерживающие конструкции моста, не выдержали и лопнули.
В 1940 году произошла авария на Такомском мосту, в которой, к счастью, никто не пострадал, а сам момент разрушения был снят на кинокамеру. Это позволило детально изучит причины, которые вызвали разрушительные колебания моста. Было установлено, что при совпадении частоты колебания ветрового потока с собственной частотой колебания моста, возникает механический резонанс. Полностью восстановленный мост был открыт только через 10 лет после крушения.
Рисунок 1. Такомский мост. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Пример Такомского моста продемонстрировал важность учета всех возможных переменных в расчетах и доказал, что изучение колебаний позволяет избежать печальных последствий. Последовавший вслед за этим повышенный интерес к расчетам колебаний стал основой для более точных расчетов, обеспечивающих надёжность и устойчивость конструкций. Сегодня для выполнения расчетов используются сложные программные комплексы, которые позволяют смоделировать различные динамические нагрузки и за короткое время оценить воздействие на здание(сооружение) целиком или на одну из его конструкций с учетом изменения переменных динамических нагрузок.
Источник: spravochnick.ru
Анализ статики и динамики конструкций зданий
Динамические и статические нагрузки
В соответствии с разными характеристиками нагрузок, действующих на конструкции, мы можем разделить их на динамические и статические. Статической нагрузкой называется нагрузка, у которой величина и направление почти не изменяются во времени. Наоборот, динамической нагрузкой называется такая нагрузка, у которой величина и направление изменяются во времени.
Собственный вес конструкций, вес оборудования считаются статической нагрузкой. Нагрузка от людей, мебели и другие нагрузки, изменяющиеся за период эксплуатации конструкции, также считаются статической нагрузкой. Первые называются постоянными нагрузками, вторые — временными.
Сейсмическое воздействие, суть которого заключается в перемещении конструкций от движения основания, является динамической нагрузкой.
При разных нагрузках применяется разная методика анализа. Для исследования реакции конструкции под действием статической нагрузки применяют статический расчет, а для исследования конструкций на динамическую нагрузку — динамический расчет, однако, часто применяют упрощенную методику расчета на динамическую нагрузку статическими методами.
- Динамические нагрузки
Нагрузки от технологического оборудования, машин, механизмов, нагрузки от транспорта являются динамическими. В нормах «Нагрузки на конструкции сооружений» приведены соответствующие динамические коэффициенты, обеспечивающие безопасность конструкций за счет увеличения влияния ее статистики.
- Ветровая нагрузка
Ветровая нагрузка также принадлежит к динамическим нагрузкам, особенно для верхней части высотных и возвышающихся конструкций, при сильном ветре и податливой конструкции. Действие ветра и конструкций друг на друга является очень сложным динамическим процессом. В обычных случаях применяется коэффициент ветровой пульсации, увеличивающий ветровое статическое действие. В случае сложной конструкции, когда она очень восприимчива к динамическому влиянию ветрового давления, необходимо проводить анализ с выполнением эксперимента и численного решения.
- Сейсмическое воздействие
Сейсмическое воздействие является одной из динамических нагрузок, при этом обычно используют упрощенную методику расчета. Сегодня применяется методика спектрального анализа, но для сложных высотных конструкций дополнительно необходимо проводить анализ динамики в единицу времени.
Способ анализа колебаний во времени
- Основные формулы движения
Уравнение движения для высотных зданий записывается в следующем виде:
где [М] — матрица масс элементов; [К] — матрица жесткости; [С] — матрица демпфирования.
Матрица демпфирования может быть определена следующим образом:
Таким образом, матрицу [С] можно представить в виде линейной комбинации матриц [М] и [К].
Коэффициенты 1/τм и тк можно вычислить следующим образом:
В упругопластическом анализе матрица жесткости [К] изменяется в соответствии со степенью нагружения элемента конструкции, соответствующим образом изменяется матрица [С], зависящая от матрицы [К].
- Решение уравнения движения
Пошаговое интегрирование является основным способом решения уравнения движения. Решение каждого шага выполняется при разбивке движения на определенные временные отрезки. Пошаговое интегрирование применительно к решению упругопластического уравнения движения и уравнения упругости достаточно трудоемкий процесс.
При проведении линейного анализа можно выбрать методику накладывания типа колебания. Объем расчета в этом случае сокращается.
- Требования к анализу колебаний во времени
В соответствии с «Требованиями к сейсмоустойчивым сооружениям» и «Техническими требованиями к конструкциям высотных сооружений» выполнение анализа движения во времени должно соответствовать нижеследующим требованиям:
Источник: ros-pipe.ru
ДИНАМИКА СООРУЖЕНИЙ
Динамика сооружений — раздел строительной механики, посвященный методам расчета сооружений на динамические нагрузки.
Нагрузка называется динамической, если она изменяет свою величину или положение за сравнительно короткий промежуток времени. При действии такой нагрузки на конструкцию развитие деформаций и возникновение перемещений — процесс, протекающий во времени. Массы сооружения получают при этом ускорения, в результате чего со стороны движущихся масс на сооружение начинают воздействовать дополнительные силы — силы инерции. В сооружении возникают колебания. Расчет сооружений с учетом инерции и колебаний называется динамическим расчетом.
Задача динамики сооружений — построение методов расчета и изучение поведения сооружений и конструкций при динамических нагрузках.
Основная цель динамического расчета — определение прогибов и напряжений, возникающих в конструкциях любого сооружения при действии произвольных динамических нагрузок. Как правило, на первом этапе расчета определяется закон изменения перемещений точек конструкций во времени, который соответствует заданному процессу изменения нагрузки, на втором этапе определяются напряжения, деформации, внутренние усилия и т.п.
Имеются две характерные черты динамического расчета, отличающие его от статического расчета:
- 1) протекание процесса деформирования во времени, в связи с чем необходимо выбирать последовательность решений, соответствующих всем моментам времени (или одному характерному), которые представляют интерес при динамическом анализе сооружения;
- 2) возникновение дополнительных сил инерции, появляющихся вследствие движения масс конструкции.
В процессе нагружения конструкции участвуют силы инерции, величина которых соизмерима с величиной внешних динамических нагрузок.
Источник: studref.com