Надежность пространственных стержневых металлических конструкций высокого уровня ответственности

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

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. 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).

1. Ведяков 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.

2. 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.

3. 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.2018.06.082

4. Savin 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/456/1/012089

5. Guo 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.2022.106502

6. Li 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.gyjz20180402

7. Zhi 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.1006-6578.2021.01.009

8. Liu 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.2016.06.046

9. 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. Nо. 7 (91). Pp. 3–15. DOI: 10.18720/MCE.91.1. EDN GDKVHM.

10. 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.2021.107085

11. Truesdell 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_15

12. 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. Nо. 2 (102). P. 10214. DOI: 10.34910/MCE.102.14. EDN ZVLLVV.

13. 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: 10.1177/1748006X20928196

14. Luo 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.2022.100087

15. Перельмутер 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.

16. Ram M., Davim J.P. Acknowledgments // Advances in System Reliability Engineering. 2019. DOI: 10.1016/B978-0-12-815906-4.09998-X

17. Yang 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.2022.102286

18. Krejsa M., Janas P., Krejsa V. Structural reliability analysis using DOProC Method // Procedia Engineering. 2016. Vol. 142. Pp. 34–41. DOI: 10.1016/J. PROENG.2016.02.010

19. Perelmuter 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: 10.22337/2587-9618-2018-14-3-103-113

20. Zhang 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-w

21. Ведяков И.И., Райзер В.Д. Надежность строительных конструкций. Теория и расчет : монография. М. : АСВ, 2018. 414 c. EDN YTYHTE.

22. 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.2018.03.006

23. Saad 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/s00158-017-1853-7

24. Yang 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.2020.113018

25. Корноухов Н.В. Прочность и устойчивость стержневых систем: упругие рамы, фермы и комбинированные системы. M. : Стройиздат, 1949. 376 с.

26. Стрелецкий Н.С. Избранные труды / под ред. Е.И. Беленя. М. : Стройиздат, 1975. 423 с.

27. 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.

28. 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.106.05

29. Мущанов 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.

30. 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.2020.110245