Коэффициенты надежности для стальных элементов, проектируемых на основе компьютерных численных моделей

Введение. Сегодня для оценки несущей способности строительных конструкций все больше полагаются на компьютерные численные модели. Однако малое количество исследований затрагивает вопросы обеспечения надежности получаемых результатов. В существующей практике проектирования проектная надежность конструкций обеспечивается системой частных коэффициентов надежности, которые учитывают изменчивость случайных физических величин и точность модели. Поэтому важно закрепление значений коэффициентов надежности или методики их определения в нормах проектирования.

Материалы и методы. Предложенный метод установления коэффициентов надежности и их значения основаны на методе теории надежности первого порядка. Статистические характеристики случайных величин и метрики точности компьютерной модели (КМ) базируются на систематизации, анализе и обобщении имеющихся исследований.

Результаты. Представлена система коэффициентов надежности и методика их определения для изученных конструктивных решений и стандартизированных параметров КМ. Приведены результаты исследований статистических характеристик метрики точности КМ. Предложены значения коэффициентов пересчета, позволяющие учитывать разные модели материала, степень дискретизации и значения несовершенств.

Выводы. В области проектирования строительных конструкций следует выделить два крайних случая применения компьютерных численных моделей с позиции изученности моделируемого объекта (для новых конструктивных решений и для изученных конструктивных решений) и два крайних случая с позиции изученности параметров модели (применяются стандартизированные или нестандартизированные параметры КМ). В зависимости от рассматриваемого случая должны быть указаны процедуры проверки модели и назначены способы обеспечения проектной надежности.

1. Kövesdi B., Alcaine J., Dunai L., Braun B. Interaction behaviour of steel I-girders Part I: Longitudinally unstiffened girders // Journal of Constructional Steel Research. 2014. Vol. 103. Рр. 327–343. DOI: 10.1016/j.jcsr.2014.06.018

2. Prokop J., Vičan J., Jošt J. Numerical analysis of the beam-column resistance compared to methods by European standards // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. Issue 7. P. 3269. DOI: 10.3390/app11073269

3. Nadolski V., Marková J., Podymako V., Sýkora M. On Development of numerical resistance models of thin-web steel girders // Transactions of the VSB — Technical University of Ostrava, Civil Engineering Series. 2023. Vol. 23 (1). Рр. 12–19. DOI: 10.35181/tces-2023-0003

4. Kovacevic S., Markovic N., Sumarac D., Salatic R. Influence of patch load length on plate girders. Part II: Numerical research // Journal of Constructional Steel Research. 2019. Vol. 158. Рр. 213–229. DOI: 10.1016/j.jcsr.2019.03.025

5. Белый Г.И., Кубасевич А.Е. Влияние усталостных трещин в стенке на прочность подкрановых балок // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 11. С. 1780–1790. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.11.1780-1790

6. Матвеев А.Д. Метод многосеточных конечных элементов в расчетах композитных балок сложной формы // Решетневские чтения. 2018. Т. 1. С. 568–569. EDN YTFBAD.

7. Устименко Е.Е., Скачков С.В. Метод конечных элементов модели тонкостенного профиля с полками объемного фасонного элемента // Инженерный вестник Дона. 2019. № 4 (55). С. 54. EDN KSJBFE.

8. Мартыненко Т.М., Пронкевич С.А., Мартыненко И.М., Максимович В.А. Анализ прочности узловых соединений при различных исполнениях конструкции на основе моделирования в среде ANSYS // Механика. Исследования и инновации. 2022. № 15. С. 147–151. EDN QHUBTE.

9. Фролов А.В., Воронов М.В., Медельцев А.А., Седова К.А., Шаповалов П.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния сварных соединений в ANSYS Mechanical // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 11. С. 61–76. DOI: 10.24412/2071-6168-2022-11-61-76. EDN UTPZGM.

10. Палаев А.Г., Носов В.В., Красников А.А. Моделирование распределения температурных полей и напряжений в сварном соединении с применением ANSYS // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2022. Т. 12. № 5. С. 461–469. DOI: 10.28999/2541-9595-2022-12-5-461-469. EDN YWMJEF.

11. Надольский В.В. Статистические характеристики погрешности численных моделей несущей способности для стальных элементов // Строительство и реконструкция. 2023. № 3 (107). С. 17–34. DOI: 10.33979/2073-7416-2023-107-3-17-34. EDN TNLEVH.

12. Fieber A., Gardner L., Macorini L. Design of structural steel members by advanced inelastic analysis with strain limits // Engineering Structures. 2019. Vol. 199. P. 109624. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109624

13. Алексеев А.К., Бондарев А.Е. Об апостериорной оценке нормы погрешности численного расчета на ансамбле независимых решений // Сибирский журнал вычислительной математики. 2020. Т. 23. № 3. С. 233–248. DOI: 10.15372/SJNM20200301. EDN TLUUTP.

14. Бритов Г.С. Верификация, валидация и тестирование компьютерных моделей линейных динамических систем // Информационно-управляющие системы. 2013. № 2 (63). С. 75–82. EDN PYPBYF.

15. Надольский В.В. Оценка расчетного значения несущей способности стальных элементов, проектируемых на основе численных моделей // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 3. С. 367–378. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.3.367-378

16. Сальников А.В., Французов М.С., Виноградов К.А., Пятунин К.Р., Никулин А.С. Верификация и валидация компьютерных моделей // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. № 9 (750). С. 100–115. DOI: 10.18698/0536-1044-2022-9-100-115. EDN CUFIKS.

17. Борисов Е.А., Теплов А.В. Особенности проверки качества программного обеспечения // Наука через призму времени. 2020. № 1 (34). С. 27–29. EDN KUTVJO.

18. Tur V.V., Tur A.V., Lizahub A.Al. Experimental and theoretical study of the reinforced concrete flat slabs with the central support loss // Building and Reconstruction. 2023. No. 1 (105). Pp. 77–103. DOI: 10.33979/2073-7416-2023-105-1-77-103. EDN HIIQFH.

19. Перельмутер А.В., Тур В.В. Готовы ли мы перейти к нелинейному анализу при проектировании? // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2017. Т. 13. № 3. С. 86–102. EDN ZRKJPX.

20. Афенченко Д.С., Петрова Ю.Н., Устинова М.Э., Олейникова Р.Е. Верификация аналитического расчета несущей способности перфорированного стержня средствами конечно-элементного комплекса // Вестник Керченского государственного морского технологического университета. 2019. № 4. С. 118–129. EDN CXAONF.

21. Sinur F., Beg D. Moment–shear interaction of stiffened plate girders — Tests and numerical model verification // Journal of Constructional Steel Research. 2013. Vol. 85. Рр. 116–129. DOI: 10.1016/j.jcsr.2013.03.007

22. Graciano C., Ayestarán A. Steel plate girder webs under combined patch loading, bending and shear // Journal of Constructional Steel Research. 2013. Vol. 80. Рр. 202–212. DOI: 10.1016/j.jcsr.2012.09.018

23. Teichgräber M., Köhler J., Straub D. Hidden safety in structural design codes // Engineering Structures. 2021. Vol. 257. P. 114017. DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.114017

24. Teichgräber M., Köhler J., Straub D. Über den Umgang mit versteckten Sicherheiten — Eine Fallstudie am Windlastmodell des Eurocode // Baustatik — Baupraxis. 2020. Vol. 14. Рр. 1059–1069.

25. Laím L., Rodrigues J.P.C., Simões da Silva L. Experimental and numerical analysis on the structural behaviour of cold-formed steel beams // Thin-Walled Structures. 2013. Vol. 72. Рр. 1–13. DOI: 10.1016/j.tws.2013.06.008

26. Girão Coelho A.M., Simões da Silva L., Bijlaard F.S.K. Finite-element modeling of the nonlinear behavior of bolted t-stub connections // Journal of Structural Engineering. 2006. Vol. 132. Issue 6. Рр. 918–928. DOI: 10.1061/(asce)0733-9445(2006)132:6(918)

27. Simões da Silva L., Rebelo C., Nethercot D., Marques L., Simões R., Vila Real P.M.M. Statistical evaluation of the lateral–torsional buckling resistance of steel I-beams. Part 2: Variability of steel properties // Journal of Constructional Steel Research. 2009. Vol. 65. Issue 4. Рр. 832–849. DOI: 10.1016/j.jcsr.2008.07.017

28. Kala Z., Melcher J., Puklický L. Material and geometrical characteristics of structural steels based on statistical analysis of metallurgical products // Journal of Civil Engineering and Management. 2009. Vol. 15. Issue 3. Рр. 299–307. DOI: 10.3846/1392-3730.2009.15.299-307

29. Надольский В.В. Коэффициенты надежности для нелинейных моделей несущей способности балок с гибкой стенкой // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 6. С. 852–863. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.6.852-863

30. Kala Z. Sensitivity assessment of steel members under compression // Engineering Structures. 2009. Vol. 31. Issue 6. Рр. 1344–1348. DOI: 10.1016/j.engstruct.2008.04.001

31. Agüero A., Pallarés L., Pallarés F.J. Equivalent geometric imperfection definition in steel structures sensitive to flexural and/or torsional buckling due to compression // Engineering Structures. 2015. Vol. 96. Рр. 160–177. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.03.065

32. Kala Z., Kala J., Simos T.E., Psihoyios G., Tsitouras Ch., Anastassi Z. Sensitivity analysis of stability problems of steel structures using shell finite elements and nonlinear computation methods // AIP Conference Proceedings. 2011. Рр. 1865–1868. DOI: 10.1063/1.3636974

33. Саиян С.Г., Паушкин А.Г. Численное параметрическое исследование напряженно-деформированного состояния двутавровых балок с различными типами гофрированных стенок // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16. № 6. С. 676–687. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.6.676-687

34. Kala Z. Sensitivity of load-carrying capacity of a thin-walled steel member to the initial curvature shape of its axis // Thin-Walled Structures. 2018. Рр. 835–842. DOI: 10.1201/9781351077309-96

35. Kala Z. Global sensitivity analysis in stability problems of steel frame structures // Journal of Civil Engineering and Management. 2016. Vol. 22. Issue 3. Рр. 417–424. DOI: 10.3846/13923730.2015.1073618

36. Sykora M., Nadolski V., Novak L., Novak D., Diamantidis D. Pilot comparison of semi-probabilistic methods applied to RC structures with multiple failure modes // Proceedings of fib International Congress. 2022. Рр. 10–20.

37. Соловьев С.А., Соловьева А.А. Метод оценки надежности элементов плоских ферм на основе р-блоков // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16. № 2. С. 153–167. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.2.153-167

38. Соловьев С.А., Соловьева А.А. Метод вероятностного анализа надежности элементов конструкций на основе граничных функций распределения // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 10. С. 1545–1555. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.10.1545-1555