Моделирование сейсмического воздействия на двухконтурный геодезический купол с учетом податливости узловых соединений

Введение. В настоящее время актуальна проблема разработки легковозводимых самонесущих объектов, обеспечивающих надежную и универсальную защиту при любых экстремальных природных явлениях. К объектам такого класса можно отнести двухконтурные геодезические купольные системы, дизайн которых в полной мере отвечает современным направлениям геоклиматической или климатоустойчивой архитектуры. Несущий каркас двухконтурного геодезического купола формируется системой повторяющихся стержневых фрагментов, соединяемых с помощью специальных сборно-разборных узловых соединений. В литературе отсутствуют сведения о конечно-элементном моделировании динамического отклика двухконтурного геодезического купола на сейсмическое воздействие с учетом податливости узловых соединений стержней несущего каркаса.

Материалы и методы. Для численного анализа переходного процесса использовались макросы, написанные на языке APDL, встроенного в программный комплекс ANSYS Mechanical. Учет линейных и угловых податливостей узловых соединений стержней каркаса купола реализован с применением комбинированных конечных элементов COMBIN14. Процесс построения конечно-элементного ансамбля, состоящего из балочных и комбинированных элементов, автоматизирован.

Результаты. В итоге модального анализа установлено, что вид геометрии стержневого каркаса геодезического купола в сочетании с параметрами податливостей поворотных шарниров существенно влияет на собственные пары. Выполнены вычислительные эксперименты для двух вариантов каркасов геодезических куполов при сейсмическом воздействии интенсивностью восемь баллов.

Выводы. Предлагаемая концепция моделирования узловых соединений стержневого каркаса купола с помощью комбинированных конечных элементов позволяет опосредованно учесть эффект демпфирования при динамическом воздействии. Разработанная методика построения конечно-элементной модели каркаса геодезического купола с учетом шарнирно-стержневых связей может быть использована при проектировании дизайна реального арт-объекта подобного типа.

1. Травуш В.И., Антошкин В.Д., Ерофеева И.В., Гудожников С.С. Исследование конструктивно-технологических возможностей сборных сферических оболочек // Региональная архитектура и строительство. 2014. № 2. С. 89–101. EDN SFOZYN.

2. Есипова А.А. Применение геодезических куполов в строительстве: преимущество и недостатки // Наука и современность. 2015. № 38. С. 8–11. EDN UAWBBF.

3. Zhivotov D.A., Pastukh O.A., Tilinin Yu.I. Architectural and spatial planning solutions of spherical shape buildings // Contemporary Problems of Architecture and Construction. 2021. Рp. 91–96. DOI: 10.1201/9781003176428-20

4. González-Avilés А.B., Pérez-Carramiñana C., Galiano-Garrigós A., Pérez-Millán M.I. Energy Benefits of Tourist Accommodation Using Geodesic Domes // Buildings. 2024. Vol. 14. Issue 2. P. 505. DOI: 10.3390/buildings14020505

5. Rapp M., Cabrera D., Lu S. A polytrihedral dome for acoustic retroreflection, and its application to creative-arts practice-led research // Applied Acoustics. 2022. Vol. 195. P. 108860. DOI: 10.1016/j.apacoust.2022.108860

6. Bysiec D., Maleska T. Numerical Analysis of Steel Geodesic Dome under Seismic Excitations // Materials. 2021. Vol. 14. Issue 16. P. 4493. DOI: 10.3390/ma14164493

7. Da Silva L.S., Oliveira S., Costa R., Gentili F. Design and Analysis of Steel Structures Considering the 3D Behaviour of the Joints // Advanced Steel Construction. 2020. Vol. 16. Issue 2. Рp. 137–145. DOI: 10.18057/IJASC.2020.16.2.5

8. Павлов Г.Н. Основные концепции автоматизации архитектурного проектирования геодезических куполов и оболочек // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2005. № 10 (562). С. 104–108. EDN PFAKVD.

9. Kolpakov A., Dolgov O., Korolskiy V., Popov S., Anchutin V., Zykov V. Analysis of Structural Layouts of Geodesic Dome Structures with Bar Filler Considering Air Transportation // Buildings. 2022. Vol. 12. Issue 2. Р. 242. DOI: 10.3390/buildings12020242

10. Лахов А.Я. Приближенный способ определения максимальных растягивающих напряжений в стержнях двухконтурных геодезических куполов системы «Р» от воздействия собственного веса // Вестник МГСУ. 2014. № 1. С. 58–65. EDN RTUKHL.

11. Rossot D., Machado R.D., Barbieri N., de Lima K.F. Experimental and Numerical Study of a Geodesic Dome Under Static and Dynamic Loads and the Influence of Nodal Connections // Experimental Techniques. 2022. Vol. 46. Issue 5. Рp. 823–834. DOI: 10.1007/s40799-021-00509-6

12. Grunbaum B., Shephard G.C. Duality of Polyhedra // Shaping Space. 2013. Рp. 211–216. DOI: 10.1007/978-0-387-92714-5_15

13. Tarnai T. Geodesic Domes: Natural and Man-Made // International Journal of Space Structures. 2011. Vol. 26. Issue 3. Pp. 215–227. DOI: 10.1260/0266-3511.26.3.215

14. Дударева Н., Загайко С. SolidWorks 2011 на примерах. СПб. : БХВ-Петербург, 2011. 496 с. EDN SDQLTR.

15. Gaydzhurov P., Tsaritova N. Deformation modeling of rod structures under kinematic controlled action // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2024. Vol. 20. Issue 3. Pp. 14–23. DOI: 10.22337/2587-9618-2024-20-3-14-23

16. Царитова Н.Г., Курбанов А.И., Курбанова А.А. Энергоэффективные здания на основе трансформируемых каркасов // Строительство и реконструкция. 2022. № 6 (104). С. 91–103. DOI: 10.33979/2073-7416-2022-104-6-91-103. EDN WRCQIB.

17. Царитова Н.Г., Тумасов А.А., Курбанова А.А., Штанкевич А.В. Формообразование зданий на основе стержневых арок с изменяемой геометрией // Строительство: наука и образование. 2023. Т. 13. № 2. С. 6–19. DOI: 10.22227/2305-5502.2023.2.1. EDN ORSBSV.

18. Патент RU № 2586351 C1, МПК E04B 1/58. Шарнирный узел пространственной стержневой конструкции регулярной структуры / Царитова Н.Г., Бузало Н.А.; заявитель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»; заявл. № 2015100939/03 от 12.01.2015. Опубл. 10.06.2016.