Моделирование энергетических и силовых процессов в конструктивных системах зданий и сооружений

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-49-10010

НазваниеМоделирование энергетических и силовых процессов в конструктивных системах зданий и сооружений

Руководитель Савин Сергей Юрьевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет" , г Москва

Конкурс №88 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-110 - Проектирование зданий и сооружений, строительство эксплуатация

Ключевые слова Диссипативная конструктивная система, здание, особое воздействие, демпфирование, физическая модель, математическая модель, композитный материал, живучесть

Код ГРНТИ67.11.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Будут получены результаты моделирования взаимовлияющих энергетическихи силовых процессов в элементах конструктивных систем зданий и сооружений, элементы которых выполнены из новых конструкционных материалов, сочетающих в себе свойства высокой прочности и пластической деформативности– высокопрочный железобетон, фиброжелезобетон и сталежелезобетон. Построены физические и расчетные модели силового и средового сопротивления конструктивных систем в особых расчетных ситуациях. Достоверность предложенных моделей подтверждена экспериментальными исследованиями фрагментов конструктивных систем на рассматриваемые особые воздействия при варьировании различных параметров. Научная новизна исследования определяется тем, что будут установлены новые физические закономерности деформирования и разрушения элементов конструктивных систем в особых расчетных ситуациях с учетом проявления силовых и средовых воздействий. При этом принята модифицированная гипотеза о феноменологическом единообразии кинетики неравновесных процессов повреждений и развития неравновесных деформаций в железобетонных элементах конструктивных систем при особых воздействиях силового и средового характера. На экспериментально-теоретическойоснове планируется решение задач по определению параметров живучести конструктивных систем при различных вариантах кинетики их повреждения и различных режимах нагружения.Предполагается провести экспериментально-теоретические исследования и разработать новую научно-обоснованную парадигму проектирования диссипативных конструктивных систем, позволяющих эффективно защитить здания и сооружения от непропорционального обрушения. Реализация принципа диссипации энергии на первом полупериоде колебаний позволяет существенно снизить динамические эффекты в поврежденной конструктивной системе. Предполагается разработать новые расчётные модели сопротивления конструктивно повреждённой системы на основе её энергетического баланса (при выполнении анализа в области больших деформаций, когда ряд гипотез классической теории железобетона, например, гипотеза плоских сечений, не действуют). Для обеспечения пластической деформативности элементов конструктивной системы, в частности, при её переходе в дискретно-континуальное состояние, предполагается разработать и выполнить равновесные испытания эффективных фибробетонов, в том числе с применением напрягающего цемента высокой энергоактивности. Актуальность сформулированной темы связана с решением проблемы повышения безопасности зданий и сооружений в особых расчетных ситуациях, вызванных всё возрастающими на здания и сооружениявоздействиями природного, техногенного и даже террористического характера.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Выполнен критический анализ результатов исследований и концептуальных подходов к оценке механической безопасности зданий и сооружений на различных этапах жизненного цикла и при аварийных ситуациях в области учета силовых и средовых факторов сопротивления конструктивных систем зданий динамическим догружениям в аварийных ситуациях. Особое внимание в обзоре уделено анализу новых интенсивно развивающихся исследований, относящихся к оценке живучести конструктивных систем зданий и сооружений полувероятностными (детерминированными), вероятностными методами и методом оценки рисков. 2. Разработан вариант модифицированной нелинейно вязкоупругой модели сопротивления бетона при статико-динамическом режиме нагружения, вызванном особым воздействием. Модель учитывает сформировавшееся на момент приложения особого воздействия напряженно-деформированное состояние материала от длительного действия статически приложенной эксплуатационной нагрузки, а также изменение деформативности железобетона во времени при длительной эксплуатации сооружений. С использованием нелинейно вязкоупругой модели бетона получена аналитическая зависимость для оценки времени задержки процесса разрушения материала при динамических нагружениях в зависимости от класса прочности бетона, уровня динамической перегрузки материала и коэффициента вязкого сопротивления. 3. Разработаны математические модели сопротивления элементов железобетонных каркасов зданий, поврежденных в результате особых воздействий, при статико-динамическом режиме нагружения с учетом сложного напряженно-деформированного состояния и дополнительных деформаций от нарушения сплошности бетона при образовании трещин различных типов. Предложена методика дискретизации расчетных моделей элементов железобетонных каркасов зданий при использовании программных комплексов конечно-элементного моделирования для выполнения проверки живучести в особой расчетной ситуации с учетом повышенной деформативности в результате дополнительных поворотов от образования и раскрытия трещин на различных уровнях нагружения. 4. Сформулированы исходные гипотезы о напряженно-деформированном состоянии железобетонной колонны рамного каркаса здания, испытывающей сжатие с кручением. На их основе предложена численно-аналитическая модель для анализа устойчивости железобетонных колонн, подверженных сжатию с кручением в результате особого воздействия. Показано, что критические значения продольных сил для соответствующих значений крутящих моментов образуют границу области неразрушения железобетонных элементов, подверженных сложному сопротивлению - сжатию с кручением. 5. На основе физических и геометрических предпосылок, а также соотношений энергетического баланса разработаны уровневые модели сопротивления поврежденных каркасов зданий в ограниченной области - зоне возможного локального разрушения, определяющей возможность перераспределения нагрузок после начального локального разрушения с учетом повышенной деформативности в результате образования и раскрытия трещин, изменения механизмов сопротивления конструкций и приобретенной конструктивной нелинейности. 6. Численным моделированием показано, что учет дискретного характера трещин практически не сказывается на величинах продольных сил в элементах. Однако для изгибающих моментов в рамках предложенного метода наблюдалось снижение по сравнению с расчетом с использованием средних кривизн для элементов, работающих с трещинами. Наблюдаемое во всех рассмотренных случаях снижение изгибающих моментов в опорных сечениях колонн было связано с раскрытием трещин в ригелях и увеличением податливости конструктивных узлов, что должно отразиться на расчетных длинах колонн. Это может сделать их более уязвимыми к потере устойчивости. 7. Для интегральной оценки сопротивления железобетонных конструктивных систем зданий в особой расчетной ситуации введен относительный параметр живучести, представляющий собой отношение нагрузки, приводящей геометрическую изменяемость конструктивной системы в зоне возможного локального разрушения, к нагрузке, действующей на стадии нормальной эксплуатации. 8. Предложена эквивалентная математическая модель с одной степенью свободы для оценки динамического отклика железобетонной конструктивной системы здания в зоне возможного локального разрушения в особой расчетной ситуации при сценарии внезапной потери несущей способности одной из колонн. Численным моделированием с использованием предложенной модели продемонстрировано, что динамический отклик зависит от соотношения времени разрушения колонны и периода колебаний балочной конструкции в зоне возможного локального разрушения. При отношении времени разрушения колонны к периоду колебаний балочной конструкции менее 0,5 начальное локальное разрушение вызывает динамическое догружение конструктивной системы. При отношении времени разрушения колонны к периоду колебаний балочной конструкции 1 и более отклик конструктивной системы по результатам динамического и статического расчета практически совпадают. 9. Численным моделированием установлено влияние уровня начальных напряжений от статически приложенной эксплуатационной нагрузки на отклик и диссипацию энергии конструкциями железобетонных рам в особой расчетной ситуации при сценарии внезапного исчерпания несущей способности одного из элементов каркаса здания. Показано, что при высоких уровнях статического нагружения диссипация энергии воздействия происходит быстрее за счет развития пластических деформаций в элементе, однако начиная с определенного высокого уровня статического нагружения существует риск обрушения конструктивной системы здания. 10. На основе численного моделирования методом конечных элементов установлено, что при учете длительности эксплуатации сооружения на момент приложения особого воздействия, значения параметров разрушающей нагрузки и относительного живучести несущей системы снижаются по сравнению с результатами моделирования, полученными на основе диаграмм для кратковременного нагружения.

Публикации

1. Савин С.Ю., Федорова Н.В. Вязкоупругая модель фибробетона при динамическом нагружении с учетом уровня начальных напряжений Научный журнал строительства и архитектуры, № 2 (74), С. 11-27 (год публикации - 2024)
10.36622/2541-7592.2024.74.2.001

2. Колчунов В.И., Ильющенко Т.А., Федорова Н.В., Савин С.Ю., Тур В.В., Лизогуб А.А. Живучесть конструктивных систем зданий и сооружений: аналитический обзор исследований Строительство и реконструкция, №3(113), С.31-71. (год публикации - 2024)
10.33979/2073-7416-2024-113-3-31-71

3. Колчунов В.И., Савин С.Ю., Амелина М.А. Устойчивость железобетонной колонны, подверженной сжатию с кручением в результате особого воздействия Строительство и реконструкция, №2(112), С.59-73 (год публикации - 2024)
10.33979/2073-7416-2024-112-2-59-73

4. Кореньков П.А., Федорова Н.В., Меликсетян С.Р. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ УЗЛОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТАТИКО-ДИНАМИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ Academia. Архитектура и строительство, №2. С. 190–199 (год публикации - 2025)
10.22337/2077-9038-2025-2-190-199

5. Савин С.Ю., Тоан Л.В.Ф., Шарипов М.З. RC FRAME RESISTANCE TO PROGRESSIVE COLLAPSE CONSIDERING CRACK OPENING EFFECTS JOURNAL OF MECHANICS OF CONTINUA AND MATHEMATICAL SCIENCES, Vol.-19, No.-7, July, pp. 91-111 (год публикации - 2024)
10.26782/jmcms.2024.07.00007

6. Савин С.Ю., Ступак М.И., Маньков Д.К. Живучесть железобетонного каркаса здания с учетом длительности эксплуатации Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, Т. 20. №3. C. 220-240 (год публикации - 2024)
10.22363/1815-5235-2024-20-3-220-240

7. Колчунов В.И., Московцева В.С. Robustness of reinforced concrete frames with elements experiencing bending with torsion Engineering Structures, Vol. 314, 118309 (год публикации - 2024)
10.1016/j.engstruct.2024.118309

8. Савин С.Ю., Тоан Л.В.Ф., Шарипов М.З. RC Frame Behavior at a Column Collapse Scenario Considering Crack Opening Effects Jordan Journal of Civil Engineering, Volume 18, No. 4, Pp. 531-545. (год публикации - 2024)
10.14525/JJCE.v18i4.01

9. Федорова Н.В., Ильющенко Т.А. ROBUSTNESS OF PRESTRESSED REINFORCED CONCRETE STRUCTURES UNDER SPECIAL IMPACTS Journal of Applied Engineering Science, Volume 22 article 1215 pages: 507-517 (год публикации - 2024)
10.5937/jaes0-43646

10. Ву Н.Т., Федорова Н.В. Concrete delayed failure time International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 20(2), C. 118-131 (год публикации - 2024)
10.22337/2587-9618-2024-20-2-118-131

11. Ву Н.Т., Колчунов В.И., Федорова Н.В. Dynamic response model of reinforced concrete building frame under column removal scenario Structures (год публикации - 2024)
10.1016/j.istruc.2024.106356

12. Савин С.Ю., Колчунов В.И. УСТОЙЧИВОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КАРКАСОВ ЗДАНИЙ К НАЧАЛЬНОМУ ЛОКАЛЬНОМУ РАЗРУШЕНИЮ ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СТРОИТЕЛЬСТВО, № 10 (790). С. 50-64. (год публикации - 2024)
10.32683/0536-1052-2024-790-10-50-64

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Сформулированы силовые и деформационные критерии стадий напряженно-деформированного состояния конструкций железобетонных рамных каркасов зданий в зоне возможного локального разрушения при удалении вертикального элемента (колонны, пилона), которые могут быть использованы при неявной оценке мер надежности в рамках метода частных коэффициентов или формата глобального сопротивления. Подтверждена достоверность предложенных критериев путем сопоставления результатов расчета с данными экспериментальных исследований деформирования подконструкций железобетонных рамных каркасов зданий в аварийной ситуации. 2. С использованием предложенных критериев и положений энергетического баланса в рамках вероятностного формата безопасности получена функция предельных состояний конструкций поврежденных железобетонных рамных каркасов зданий в зоне возможного локального разрушения при их многоуровневом деформировании, позволяющая выполнять оценку мер надежности в явном виде на основе метода расчета надежности первого порядка (FORM). 3. Построена деформационная модель для оценки жесткости внецентренно сжатых и испытывающих кручение железобетонных элементов, позволяющая определять прогибы, углы закручивания и несущую способность таких конструкций после образования в них трещин. Продемонстрировано удовлетворительное согласование значений прогибов, углов закручивания и несущей способности вертикальных элементов рамного каркаса (колонны, пилона), подверженных сжатию с кручением в результате аварийной ситуации. 4. Разработаны методика и физические модели для экспериментальных исследований сопротивления элементов и узлов железобетонных рамных каркасов зданий и сооружений при особых воздействиях, связанных с начальным локальным разрушением несущего элемента, для изучения характера перераспределения усилий, диссипативных свойств и реакций отклика конструктивной системы на особое воздействие в зоне возможного локального разрушения. Обоснованность и достоверность оценки критериев сопротивления железобетонных рамных каркасов зданий в аварийной ситуации подтверждена сопоставлением расчетных данных с результатами экспериментальных исследований физических моделей виде конструктивных узлов железобетонных рам. При этом выявлены резервы жесткости конструкций при их работе по изгибной схеме. Эти резервы сопротивления могут быть учтены с использованием полученных диаграмм статико-динамического деформирования сечений элементов. 5. Для сжатых железобетонных элементов, подверженных нагружению эксплуатационной статической нагрузкой на уровне 60% от ожидаемой разрушающей, установлено снижение разрушающей нагрузки в последующих квазистатических испытаниях, что связано с достижением площадки текучести в арматурных стержнях в результате релаксации напряжений в бетоне при ползучести, а также снижением длительной прочности бетона в результате превышения границы микротрещинообразования. 6. При динамическом догружении железобетонных сжатых элементов с учетом уровня эксплуатационной статической нагрузки 60% от ожидаемой разрушающей наблюдалось небольшое повышение разрушающей нагрузки, что было обусловлено усилением вязкостных свойств бетона при превышении границы микротрещинообразования и динамическим упрочнением арматурной стали. 7. Анализ полученной картины образования и развития трещин в железобетонном внецентренно сжатом и испытывающем кручение элементе показало, что разрушение конструкции из легкого железобетона происходит по единственной или по одной из немногочисленных трещин, появившихся сразу по достижении нагрузки трещинообразования. После образования этой трещины при дальнейшем нагружении элемента, диапазон его деформирования в стадии II до исчерпания несущей способности не велик и составляет 13-15 % от диапазона деформирования до образования трещины в стадии I. Из этого следует вывод о том, что критерии параметров предельных состояний второй группы, нормируемые для конструкций их обычного железобетона относительно невысокой прочности должны быть пересмотрены. 8. Предложена и проверена на фоне опытных данных методика численного моделирования, позволяющая учесть деформативность элементов составного сечения при образовании в них нормальных и продольных трещин по шву контакта. Приводятся результаты параметрического исследования влияния конструктивных особенностей шва контакта: соотношения прочности бетонов сборной и монолитной части сечения, шага стержней поперечного армирования, – на деформативность элементов каркасов и диссипацию энергии. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: https://russian.rt.com/science/article/1453331-beton-prochnost-otkrytie https://rscf.ru/news/release/dlitelnye-nagruzki-sdelali-beton-bolee-prochnym/ https://smotrim.ru/audio/2837149

Публикации

1. Ву Н.Т., Федорова Н.В., Зыонг Т.К. Assessment the probability of failure of a reinforced concrete frame under a column removal scenario using the first-order reliability method International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 21(2). C. 14–29 (год публикации - 2025)
10.22337/2587-9618-2025-21-2-14-29

2. Савин С.Ю., Шарипов М.З. Nonlinear visco – elastic behavior of concrete under static-dynamic loading: Experimental and numerical studies Structures, Vol. 74, 108496 (год публикации - 2025)
10.1016/j.istruc.2025.108496

3. Амелина М.А., Савин С.Ю., Федорова Н.В. METHOD FOR ANALYZING THE PROBABILITY OF STABILITY FAILURE OF A RC FRAME IN AN ACCIDENT SITUATION International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 20(4). С. 43–56 (год публикации - 2024)
10.22337/2587-9618-2024-20-4-43-56

4. Савин С.Ю., Лизогуб А.А. Деформирование приопорных зон ригелей железобетонных рамных каркасов в запредельных состояниях Строительство и реконструкция (год публикации - 2025)
10.33979/2073-7416-2025-122-6-2

5. Колчунов В.И., Амелина М.А. Деформирование внецентренно сжатого и испытывающего кручение железобетонного элемента НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ, № 2 (78). С. 11-25. (год публикации - 2025)
10.36622/2541-7592.2025.78.2.001

6. Амелина М.А., Колчунов Вл.И., Федорова Н.В. Раскрытие трещин во внецентренно сжатых железобетонных элементах, испытывающих сжатие с кручением Строительные материалы, №6. С. 20-28. (год публикации - 2025)
10.31659/0585-430X-2025-836-6-20-28

7. Савин С.Ю., Шарипов M.З., Московцева В.С. Экспериментально-теоретическое исследование несущей способности длительно нагруженных железобетонных сжатых элементов при динамическом воздействии Строительство и реконструкция, № 2 (118). С. 65-80 (год публикации - 2025)
10.33979/2073-7416-2025-118-2-65-80

8. Савин С.Ю. Уровни напряженно-деформированного состояния конструкций железобетонных рам при аварийных воздействиях ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СТРОИТЕЛЬСТВО, № 6 (798). С. 5-21 (год публикации - 2025)
10.32683/0536-1052-2025-798-6-5-21

9. Колчунов В.И., Савин С.Ю., Кайдас П.А. Деформирование железобетонных сборно-монолитных лементов рамных каркасов в особой расчетной ситуации ИЗВЕСТИЯ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА, № 2 (72). С. 65-76. (год публикации - 2025)
0.48612/NewsKSUAE/72.6

10. Савин С.Ю. Стадии напряженно-деформированного состояния железобетонных каркасов зданий в аварийной расчетной ситуации Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, Том 21, № 4 (2025). С. 321-333 (год публикации - 2025)
10.22363/1815-5235-2025-21-4-321-333

11. Колчунов В.И., Кореньков П.А., Федорова Н.В. Программа экспериментальных исследований сложно напряженных узлов железобетонных конструкций Вестник МГСУ, 20(8). С. 1165-1177 (год публикации - 2025)
10.22227/1997-0935.2025.8.1165-1177

12. Кореньков П.А., Федорова Н.В., Ильющенко Т.А. Трещинообразование узлов сопряжения стержневых элементов из тяжелого бетона при статическом и статико-динамическом нагружении Вестник МГСУ., 20(10). С. 1542-1552 (год публикации - 2025)
10.22227/1997-0935.2025.10.1542-1552