mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.5.763-777mgssuvest-269Research ArticleПроектирование и конструирование строительных систем. Строительная механика. Основания и фундаменты, подземные сооруженияConstruction system design and layout planning. Construction mechanics. Bases and foundations, underground structuresНадежность пространственных стержневых металлических конструкций высокого уровня ответственностиReliability of spatial rod metal structures of high level of responsibilityhttps://orcid.org/0000-0003-3188-3400МущановВ. Ф.MushchanovV. F.

Владимир Филиппович Мущанов — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики, проректор по научной работе

286123, г. Макеевка, Донецкая Народная Республика, ул. Державина, д. 2

Scopus: 55988406500, ResearcherID: ААО-8875-2021

Vladimir F. Mushchanov — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Theoretical and Applied Mechanics, Vice-Rector for Research

2 Derzhavina st., Makeevka, 286123, Donetsk People’s Republic

Scopus: 55988406500, ResearcherID: ААО-8875-2021

mvf@donnasa.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9332-3807ОржеховскийА. Н.OrzhekhovskiyA. N.

Анатолий Николаевич Оржеховский — кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической и прикладной механики

286123, г. Макеевка, Донецкая Народная Республика, ул. Державина, д. 2

Scopus: 85079126906

Anatoly N. Orzhekhovskiy — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Theoretical and Applied Mechanics

2 Derzhavina st., Makeevka, 286123, Donetsk People’s Republic

Scopus: 85079126906

aorzhehovskiy@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4381-9476МущановА. В.MushchanovA. V.

Александр Владимирович Мущанов — кандидат технических наук, доцент кафедры металлических конструкций

286123, г.  Макеевка, Донецкая Народная Республика, ул. Державина, д. 2

ResearcherID: HDO-4425-2022

Alexander V. Mushchanov — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Metal Structures

2 Derzhavina st., Makeevka, 286123, Donetsk People’s Republic

ResearcherID: HDO-4425-2022

a.v.mushchanov@donnasa.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1729-4127ЦепляевМ. Н.TseplyaevM. N.

Максим Николаевич Цепляев — кандидат технических наук, доцент кафедры теоретической и прикладной механики

286123, г. Макеевка, Донецкая Народная Республика, ул. Державина, д. 2

Scopus: 57208101665

Maxim N. Tseplyaev — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Theoretical and Applied Mechanics; PhD (Engineering), lecturer of the department, department of theoretical and applied mechanics

2 Derzhavina st., Makeevka, 286123, Donetsk People’s Republic

Scopus: 57208101665

m.n.cepliaev@donnasa.ruДонбасская национальная академия строительства и архитектуры (ДОННАСА)РоссияDonbas National Academy of Civil Engineering and Architecture (DonNACEA)Russian Federation202429052024195763777Copyright © Мущанов В.Ф., Оржеховский А.Н., Мущанов А.В., Цепляев М.Н., 20242024Мущанов В.Ф., Оржеховский А.Н., Мущанов А.В., Цепляев М.Н.Mushchanov V.F., Orzhekhovskiy A.N., Mushchanov A.V., Tseplyaev M.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/269Введение

Введение. Пространственные стержневые металлические конструкции высокого уровня ответственности являются одними из наиболее часто используемых в качестве конструктивных систем для перекрытия больших пролетов зданий и сооружений. Однако в данных системах при неблагоприятном сочетании факторов может активно развиваться прогрессирующее разрушение. Цель исследования — разработка научного обоснования новых подходов к проектированию устойчивых к развитию прогрессирующего обрушения оптимальных пространственных строительных металлоконструкций высокого уровня ответственности с гарантированными уровнями надежности ключевых и второстепенных элементов.

Материалы и методы

Материалы и методы. Применялись методы строительной механики в форме метода конечных элементов, методы теории подобия, методы теории надежности строительных конструкций.

Результаты

Результаты. Разработан двухэтапный алгоритм оценки надежности, отличающийся от ранее разработанных возможностью оценки развития прогрессирующего обрушения. Приведены результаты его апробации для рамно-консольных конструкций покрытий над трибунами стадионов в виде установленных значений показателей надежности для набора ключевых элементов. Аналогичная оценка выполнена для реализованного проекта реконструкции большепролетного покрытия спорткомплекса «Ильичевец» (г. Мариуполь).

Выводы

Выводы. Для оценки надежности исследуемых конструкций с учетом склонности к развитию прогрессирующего обрушения предложен и апробирован в практическом проектировании универсальный алгоритм, ключевыми составляющими которого являются компьютерное моделирование процесса последовательных отказов элементов конструкции и установление для выделенной совокупности ключевых элементов значений вероятности отказа. Выполненные на его основе исследования позволили для рамно-консольных покрытий над трибунами стадионов выделить набор ключевых элементов консольной части, отказ которых инициирует начало лавинообразного обрушения, и установить для них пределы изменения величин характеристик безопасности и резерва живучести. Дополнительно основные положения разработанного подхода прошли опытную апробацию при разработке и реализации проекта усиления большепролетных несущих конструкций покрытия спорткомплекса «Ильичевец» (г. Мариуполь).

Introduction

Introduction. Spatial rod metal structures of high level of responsibility are the most frequently used as structural systems for covering large spans of buildings and structures. However, progressive destruction can actively develop in these systems under unfavorable combination of factors. The aim of the research is to develop scientific justification of new approaches to the design of optimal spatial metal structures resistant to the development of progressive collapse of high level of responsibility with guaranteed levels of reliability of key and secondary elements.

Materials and methods

Materials and methods. The main research methods in the work are methods of structural mechanics in the form of the finite element method, methods of similarity theory, and methods of the theory of reliability of building structures.

Results

Results. As a result of the research work for the considered structures, a 2-stage algorithm for assessing reliability was developed, which differs from the previously developed ones by the possibility of assessing the development of progressive collapse. The results of its testing for frame-cantilever structures of coverings over stadium stands are presented in the form of established values of reliability indicators for a set of key elements. A similar assessment was made for the implemented reconstruction project of the long-span covering of the “Ilyichevets” sports complex (Mariupol).

Conclusions

Conclusions. To assess the reliability of the studied structures, taking into account the tendency to the development of progressive collapse, a universal algorithm is proposed and tested in practical design, the main components of which are computer modelling of the process of successive failures of structural elements, and the establishment of failure probability values for the selected set of key elements. The studies carried out on the basis of its algorithm made it possible to identify a set of key elements of the cantilever part for the frame-cantilever coverings above the stadium stands, the failure of which initiates the beginning of an avalanche-like collapse, and to set limits for them to change the values of safety characteristics and survivability reserve. Additionally, the main provisions of the developed approach were experimentally tested during the development and implementation of the project of reinforcement of large-span bearing structures of the covering of the “Ilyichevets” sports complex (Mariupol).

металлические конструкциичисленные методылавинообразное разрушениенадежностьживучестьmetal structuresnumerical methodsprogressive collapsereliabilitysurvivabilityАвторы выражают благодарность организаторам конференции «Расчет и проектирование металлических и деревянных конструкций», посвященной 110-летию со дня рождения Е.И. Белени и 130-летию со дня рождения Г.Г. Карлсена, за возможность представить на ее площадках основные результаты данного исследования, услышать мнение коллег по рассматриваемым вопросам, что было весьма ценно и учтено при подготовки статьи к печати.The authors express their gratitude to the organizers of the conference “Calculation and design of metal and wooden structures”, dedicated to the 110th anniversary of the birth of E.I. Belenya and the 130th anniversary of the birth of G.G. Carlsen, for the opportunity to present the main results of this study, to hear the opinion of colleagues on the issues under consideration, which was very valuable and taken into account when preparing the paper for publication.ReferencesВедяков И.И., Еремеев П.Г., Одесский П.Д., Попов Н.А., Соловьев Д.В. Расчет строительных конструкций на прогрессирующее обрушение: нормативные требования // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 4. С. 16–24. DOI: 10.33622/0869-7019.2019.04.16-24. EDN ZIJLAD.Vedyakov I.I., Eremeev P.G., Odesskiy P.D., Popov N.A., Solovyev D.V. Regulatory requirements for the design of building structures for progressive collapse. Industrial and Civil Engineering. 2019; 4:16-24. DOI: 10.33622/0869-7019.2019.04.16-24. EDN ZIJLAD. (rus.).Kolchunov V.I., Fedorova N.V., Savin S.Yu., Kovalev V.V., Iliushchenko T.A. Failure simulation of a RC multi-storey building frame with prestressed girders // Magazine of Civil Engineering. 2019. Nо. 8 (92). Pp. 155–162. DOI: 10.18720/MCE.92.13. EDN ZZORLS.Kolchunov V.I., Fedorova N.V., Savin S.Yu., Kovalev V.V., Iliushchenko T.A. Failure simulation of a RC multi-storey building frame with prestressed girders. Magazine of Civil Engineering. 2019; 8(92):155-162. DOI: 10.18720/MCE.92.13. EDN ZZORLS.Adam J.M., Parisi F., Sagaseta J., Lu X. Research and practice on progressive collapse and robustness of building structures in the 21st century // Engineering Structures. 2018. Vol. 173. Pp. 122–149. DOI: 10.1016/J. ENGSTRUCT.2018.06.082Adam J.M., Parisi F., Sagaseta J., Lu X. Research and practice on progressive collapse and robustness of building structures in the 21st century. Engineering Structures. 2018; 173:122-149. DOI: 10.1016/J. ENGSTRUCT.2018.06.082Savin S.Y., Kolchunov V.I., Emelianov S.G. Modelling of resistance to destruction of multi-storey frame-connected buildings at sudden loss of bearing elements stability // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 456. P. 012089. DOI: 10.1088/1757-899X/456/1/012089Savin S.Y., Kolchunov V.I., Emelianov S.G. Modelling of resistance to destruction of multi-storey frame-connected buildings at sudden loss of bearing elements stability. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018; 456:012089. DOI: 10.1088/1757-899X/456/1/012089Guo Z., Li Z., Xing Z., Chen Y., Zheng Z., Lin G. Numerical analyses of post-fire beam-column assemblies with WUF-B connections against progressive collapse // Engineering Failure Analysis. 2022. Vol. 140. P. 106502. DOI: 10.1016/J. ENGFAILANAL.2022.106502Guo Z., Li Z., Xing Z., Chen Y., Zheng Z., Lin G. Numerical analyses of post-fire beam-column assemblies with WUF-B connections against progressive collapse. Engineering Failure Analysis. 2022; 140:106502. DOI: 10.1016/J. ENGFAILANAL.2022.106502Li H., Wang C., Han J. Research on effect of ran-dom initial imperfections on bearing capacity of single-layer spherical reticulated shell // Industrial Construction. 2018. Vol. 48. Pp. 23–27. DOI: 10.13204/j.gyjz20180402Li H., Wang C., Han J. Research on effect of random initial imperfections on bearing capacity of single-layer spherical reticulated shell. Industrial Construction. 2018; 48:23-27. DOI: 10.13204/j.gyjz20180402Zhi X., Li W., Fan F., Shen S. Influence of initial geometric imperfection on static stability of single-layer reticulated shell structure // Spatial Structures. 2021. Vol. 27. P. 7. DOI: 10.13849/j.issn.1006-6578.2021.01.009Zhi X., Li W., Fan F., Shen S. Influence of initial geometric imperfection on static stability of single-layer reticulated shell structure. Spatial Structures. 2021; 27:7. DOI: 10.13849/j.issn.1006-6578.2021.01.009Liu H., Zhang W., Yuan H. Structural stability analysis of single-layer reticulated shells with stochastic imperfections // Engineering Structures. 2016. Vol. 124. Pp. 473–479. DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.06.046Liu H., Zhang W., Yuan H. Structural stability analysis of single-layer reticulated shells with stochastic imperfections. Engineering Structures. 2016; 124:473-479. DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.06.046Alekseytsev A.V., Gaile L., Drukis P. Optimization of steel beam structures for frame buildings subject to their safety requirements // Magazine of Civil Engineering. 2019. Nо. 7 (91). Pp. 3–15. DOI: 10.18720/MCE.91.1. EDN GDKVHM.Alekseytsev A.V., Gaile L., Drukis P. Optimization of steel beam structures for frame buildings subject to their safety requirements. Magazine of Civil Engineering. 2019; 7(91):3-15. DOI: 10.18720/MCE.91.1. EDN GDKVHM.Zheng L., Wang W., Li H. Progressive collapse resistance of composite frame with concrete-filled steel tubular column under a penultimate column removal scenario // Journal of Constructional Steel Research. 2022. Vol. 189. P. 107085. DOI: 10.1016/J. JCSR.2021.107085Zheng L., Wang W., Li H. Progressive collapse resistance of composite frame with concrete-filled steel tubular column under a penultimate column removal scenario. Journal of Constructional Steel Research. 2022; 189:107085. DOI: 10.1016/J. JCSR.2021.107085Truesdell C. Novozhilov’s foundations of the nonlinear theory of elasticity (1953) // An Idiot’s Fugitive Essays on Science. 1984. Pp. 151–157. DOI: 10.1007/978-1-4613-8185-3_15Truesdell C. Novozhilov’s Foundations of the nonlinear theory of elasticity (1953). An Idiot’s Fugitive Essays on Science. 1984; 151-157. DOI: 10.1007/978-1-4613-8185-3_15Fialko S.Yu., Kabantsev O.V., Perelmuter A.V. Elasto-plastic progressive collapse analysis based on the integration of the equations of motion // Magazine of Civil Engineering. 2021. Nо. 2 (102). P. 10214. DOI: 10.34910/MCE.102.14. EDN ZVLLVV.Fialko S.Yu., Kabantsev O.V., Perelmuter A.V. Elasto-plastic progressive collapse analysis based on the integration of the equations of motion. Magazine of Civil Engineering. 2021; 2(102):10214. DOI: 10.34910/MCE.102.14. EDN ZVLLVV.Xin T., Zhao J., Cui C., Duan Y. A non-probabilistic time-variant method for structural reliability analysis // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part O: Journal of Risk and Reliability. 2020. Vol. 234. Issue 5. Pp. 664–675. DOI: 10.1177/1748006X20928196Xin T., Zhao J., Cui C., Duan Y. A non-probabilistic time-variant method for structural reliability analysis. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part O: Journal of Risk and Reliability. 2020; 234(5):664-675. DOI: 10.1177/1748006X20928196Luo H., Lin L., Chen K., Antwi-Afari M.F., Chen L. Digital technology for quality management in construction: A review and future research directions // Developments in the Built Environment. 2022. Vol. 12. P. 100087. DOI: 10.1016/J. DIBE.2022.100087Luo H., Lin L., Chen K., Antwi-Afari M.F., Chen L. Digital technology for quality management in construction: A review and future research directions. Developments in the Built Environment. 2022; 12:100087. DOI: 10.1016/J. DIBE.2022.100087Перельмутер А.В., Криксунов Э.З., Мосина Н.В. Реализация расчета монолитных жилых зданий на прогрессирующее (лавинообразное) обрушение в среде вычислительного комплекса «SCAD Office» // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 2 (4). С. 13–18. EDN NBMYRH.Perel’muter A.V., Kriksunov E.Z., Mosina N.V. Implementation of calculation of monolithic residential buildings for progressive (avalanche-like) collapse in the environment of the computer complex “SCAD Office”. Magazine of Civil Engineering. 2009; 2(4):13-18. EDN NBMYRH. (rus.).Ram M., Davim J.P. Acknowledgments // Advances in System Reliability Engineering. 2019. DOI: 10.1016/B978-0-12-815906-4.09998-XRam M., Davim J.P. Acknowledgments. Advances in System Reliability Engineering. 2019. DOI: 10.1016/B978-0-12-815906-4.09998-XYang W., Zhang B., Wang W., Li CQ. Time-dependent structural reliability under nonstationary and non-Gaussian processes // Structural Safety. 2023. Vol. 100. P. 102286. DOI: 10.1016/J. STRUSAFE.2022.102286Yang W., Zhang B., Wang W., Li CQ. Time-dependent structural reliability under nonstationary and non-Gaussian processes. Structural Safety. 2023; 100:102286. DOI: 10.1016/J. STRUSAFE.2022.102286Krejsa M., Janas P., Krejsa V. Structural reliability analysis using DOProC Method // Procedia Engineering. 2016. Vol. 142. Pp. 34–41. DOI: 10.1016/J. PROENG.2016.02.010Krejsa M., Janas P., Krejsa V. Structural reliability analysis using DOProC Method. Procedia Engineering. 2016; 142:34-41. DOI: 10.1016/J. PROENG.2016.02.010Perelmuter A.V., Kabantsev O.V. About the problem of analysis resistance bearing systems in failure of a structural element // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2018. Vol. 14. Issue 3. Pp. 103–113. DOI: 10.22337/2587-9618-2018-14-3-103-113Perelmuter A.V., Kabantsev O.V. About the Problem of Analysis Resistance Bearing Systems in Failure of a Structural Element. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2018; 14(3):103-113. DOI: 10.22337/2587-9618-2018-14-3-103-113Zhang Z., Jiang C. Evidence-theory-based structural reliability analysis with epistemic uncertainty : a review // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2021. Vol. 63. Issue 6. Pp. 2935–2953. DOI: 10.1007/s00158-021-02863-wZhang Z., Jiang C. Evidence-theory-based structural reliability analysis with epistemic uncertainty : a review. Structural and Multidisciplinary Optimization. 2021; 63(6):2935-2953. DOI: 10.1007/s00158-021-02863-wВедяков И.И., Райзер В.Д. Надежность строительных конструкций. Теория и расчет : монография. М. : АСВ, 2018. 414 c. EDN YTYHTE.Vedyakov I.I., Rayzer V.D. Reliability of building structures. Theory and calculation. Moscow, ASV, 2018; 414. EDN: YTYHTE. (rus.).Truong V.H., Kim S.E. Reliability-based design optimization of nonlinear inelastic trusses using improved differential evolution algorithm // Advances in Engineering Software. 2018. Vol. 121. Pp. 59–74. DOI: 10.1016/J. ADVENGSOFT.2018.03.006Truong V.H., Kim S.E. Reliability-based design optimization of nonlinear inelastic trusses using improved differential evolution algorithm. Advances in Engineering Software. 2018; 121:59-74. DOI: 10.1016/J. ADVENGSOFT.2018.03.006Saad L., Chateauneuf A., Raphael W. Robust formulation for Reliability-based design optimization of structures // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2018. Vol. 57. Issue 6. Pp. 2233–2248. DOI: 10.1007/s00158-017-1853-7Saad L., Chateauneuf A., Raphael W. Robust formulation for Reliability-based design optimization of structures. Structural and Multidisciplinary Optimization. 2018; 57(6):2233-2248. DOI: 10.1007/s00158-017-1853-7Yang M., Zhang D., Han X. New efficient and robust method for structural reliability analysis and its application in reliability-based design optimization // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2020. Vol. 366. P. 113018. DOI: 10.1016/j.cma.2020.113018Yang M., Zhang D., Han X. New efficient and robust method for structural reliability analysis and its application in reliability-based design optimization. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2020; 366:113018. DOI: 10.1016/j.cma.2020.113018Корноухов Н.В. Прочность и устойчивость стержневых систем: упругие рамы, фермы и комбинированные системы. M. : Стройиздат, 1949. 376 с.Kornouhov N.V. Strength and stability of rod systems: elastic frames, trusses and combined systems. Moscow, Stroyizdat, 1949; 376. (rus.).Стрелецкий Н.С. Избранные труды / под ред. Е.И. Беленя. М. : Стройиздат, 1975. 423 с.Streletsky N.S. Selected works / ed. by E.I. Be-lenya. Moscow, Stroyizdat, 1975; 423. (rus.).Mushchanov V.P., Orzhekhovskii A.N., Zubenko A.V., Fomenko S.A. Refined methods for calculating and designing engineering structures // Magazine of Civil Engineering. 2018. Nо. 2 (78). Pp. 101–115. DOI: 10.18720/MCE.78.8. EDN XPKZTN.Mushchanov V.P., Orzhekhovskii A.N., Zubenko A.V., Fomenko S.A. Refined methods for calculating and designing engineering structures. Magazine of Civil Engineering. 2018; 2(78):101-115. DOI: 10.18720/MCE.78.8. EDN XPKZTN.Mushchanov V.F., Orzhehovsky A.N. Numerical methods in assessing the reliability of spatial metal structures of a high level of responsibility // Construction of Unique Buildings and Structures. 2023. Vol. 106. Issue 1. P. 10605. DOI: 10.4123/CUBS.106.05Mushchanov V.F., Orzhehovsky A.N. Numerical methods in assessing the reliability of spatial metal structures of a high level of responsibility. Construction of Unique Buildings and Structures. 2023; 106(1):10605. DOI: 10.4123/CUBS.106.05Мущанов А.В., Цепляев М.Н. Новые подходы в оценке устойчивости элементов пространственных металлических конструкций // Наука и творчество: вклад молодежи : сб. мат. Всерос. мол. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. 2022. C. 196–200. EDN NEWMKM.Mushchanov A.V., Tseplyaev M.N. New approaches to assessing the stability of elements of spatial metal structures. New approaches in assessing the stability of elements of spatial metal structures : collection of materials of the All-Russian Youth Scientific and practical Conference of students, postgraduates and young scientists. 2022; 196-200. EDN NEWMKM. (rus.).Orzhekhovskiy A., Priadko I., Tanasoglo A., Fomenko S. Design of stadium roofs with a given level of reliability // Engineering Structures. 2020. Vol. 209. P. 110245. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.110245Orzhekhovskiy A., Priadko I., Tanasoglo A., Fomenko S. Design of stadium roofs with a given level of reliability. Engineering Structures. 2020; 209:110245. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.110245

The authors declare that there are no conflicts of interest present.