m0955

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

где n – количество наблюдений за отказами ЭВФ; n(tn) – количество оставшихся работоспособными ЭВФ на (0, tn).

Интенсивность отказов

Моменты времени возникновения отказов элементов вентилируемых фасадов можно представить рядом, который в теории надежности называют потоком отказов. Его характеристикой является ведущая функция ω(t) потока, она определяется средним значением числа отказов на исследуемом отрезке времени (t):

где m(t) – количество отказов на интервале (0, t).

Интенсивность отказав для технических систем (λt) предполагается распределенной по экспоненциальному закону и является постоянной величиной

На интервале времени (t1, t2) математическое ожидание числа отказов определяется как разница среднего числа отказов в -мо менты времени (t1) и (t2)

Время восстановления работоспособности навесного фасада определяется как математическое ожидание принятого закона распределения, т.е.

где f (tв) – плотность вероятности распределения времени восстановления.

Статистика времени восстановления ЭВФ позволяет получить его среднее значение, как

41

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Вероятность восстановления Рв ЭВФ на интервале (0, t 3) при экспоненциальном законе распределении времени восстановления

При принятии технического решения возникает значительное число вариантов, реальных с точки зрения технических, технологических и организационных обоснований. Среди этих вариантов необходимо выбрать лучший, который при реализации даст наибольший результат. Так как, все указанные варианты технически обоснованы, т.е. отобраны по техническим критериям и рекомендованы к реализации, то внутри технических обоснований невозможно найти критерий для отбора лучшего варианта. Т кой

критерий носит экономический характер и его количественная оценка может быть получена при использовании основных положений теории экономической эффективности капитальных вложений в строительстве. Результирующим показателем должна стать экономичность фасадных систем на заданном сроке эксплуатации.

Согласно научным исследованиям последних лет единовременные затраты на утепление ограждающих конструкций могут не окупаться. Это обусловлено высокой стоимостью теплоизоляционных материалов, низкой (пока еще) стоимостью тепловой энергии и высокими учетными ставками на банковский кредит.

Прослеживается тенденция к снижению экономической - эф фективности технологий утепления. Как следствие всего вышеска-

42

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

занного, наиболее остро сегодня стоит вопрос о применении навесных фасадных систем, использование которых позволит окупить единовременные затраты на утепление. А также получить прибыль от выполненной теплоизоляции ограждающих конструкций.

Согласно методике, предложенной В.Г. Гагариным, теплоизоляция ограждающих конструкций окупится при выполнении следующего неравенства:

где ∆K – единовременные затраты на восстановление теплопроводности ЭВФ, р./м2; ∆k – разность между коэффициентами вентилируемого фасада до и после восстановления (ремонта), Вт/(м2 оС);

R0,1 и R0,2 – сопротивления теплопередаче до и после утепления ограждающей конструкции соответственно, (м2 оС)/Вт; ω – допустимое (окупаемое) значение удельных единовременных затрат,

(р./м2)/(Вт/(м2 оС)).

Допустимое значение удельных затрат зависит от экономических и климатических показателей региона, в котором расположено здание:

где 0,024 – коэффициент соответствия, кВт∙ч/(Вт∙сут); ГСОП – число градусо-суток в отопительном периоде, оС∙сут/год; Ст – стоимость тепловой энергии, р./(кВт∙ч); р – фиксированная годовая ставка за банковский кредит, % в год.

Для Новосибирска, характеристики, входящие в формулу (14) составляют:

–ГСОП = 6606 о С∙сут/год;

–стоимость тепловой энергии Ст = р./(к Вт∙ч);

–ставка рефинансирования ЦБ РФ.

43

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Допустимое значение удельных затрат для Новосибирска составляет:

В рассматриваемом случае утепления ограждающей - кон струкции здания путем устройства фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором (с толщиной минераловатного базальтового утеплителя 0,12 м) разность коэффициентов до и после утепления составляет:

применении утеплителя ISOROC Изовент.

Произведем расчет экономической целесообразности применения фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором нескольких конструкций для выявления наиболее экономичной системы и целесообразности применения данного вида утепления стеновых ограждений.

44

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Нами выполнены расчеты семи видов фасадных систем с разными составляющими (утеплитель, облицовочный слой, каркас):

Система № 1. Облицовочный слой – АКМ Alucobond. Теплоизоляционный слой – утеплитель базальтовый минераловатный полужесткий ROCKWOOL Венти Баттс. Каркас (подсистема) – алюминиевый.

Система № 2. Облицовочный слой – АКМ Alucobond. Теплоизоляционный слой – утеплитель базальтовый минераловатный полужесткий ISOROC Изовент. Каркас (подсистема) – алюминиевый.

Система № 3. Облицовочный слой– керамогранит. Теплоизоляционный слой – утеплитель базальтовый минераловатный полужесткий ROCKWOOL Венти Баттс. Каркас (подсистема) – алюминиевый.

Система № 4. Облицовочный слой – керамогранит. Теплоизоляционный слой – утеплитель базальтовый минераловатный полужесткий ISOROC Изовент. Каркас (подсистема) – алюминиевый.

Система № 5. Облицовочный слой– асбестоцементная окрашенная плита. Теплоизоляционный слой – утеплитель базальтовый минераловатный полужесткий ROCKWOOL Венти Баттс. Каркас (подсистема) – металлический, из оцинкованной окрашенной стали.

Система № 6. Облицовочный слой– сайдинг металлопластиковый. Теплоизоляционный слой – утеплитель базальтовый минераловатный полужесткий ROCKWOOL Венти Баттс. Каркас (подсистема) – деревянный, из соснового бруска с глубокой пропиткой антипиренами и антисептиками.

Система № 7. Облицовочный слой– сайдинг металлопластиковый. Теплоизоляционный слой – утеплитель базальтовый минераловатный полужесткий ISOROC Изовент. Каркас (подсистема) – деревянный, из соснового бруска с глубокой пропиткой антипиренами и антисептиками.

При утеплении существующих ограждающих конструкций (т.е. – реконструкции) зданий устройством фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором ввиду некоторых факторов (дороговизны составляющих фасадных систем, низких тарифов на тепловую энергию, высоких банковских кредитов) единовременные затраты на их устройство не окупаются. Долговечность таких конструкций составляет максимум50 лет. Срок окупаемо-

45

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

сти единовременных затрат на устройство самой экономичной фасадной системы составляет от 45 до 50 лет.

При применении фасадных систем с вентилируемым - воз душным зазором при новом строительстве зданий затраты окупаются за счет их включения в сменную стоимость объекта.

Для снижения сроков окупаемости единовременных затрат на устройство вентилируемых фасадов необходимы исследования, результатом которых будет являться разработка новых экономичных фасадных систем. Актуальными в этой связи являются исследования фасадных систем с деревянным каркасом и облицовочными материалами, имеющими низкую стоимость. На сегодняшнем, уже сложившемся, рынке фасадных систем в России практически не представлены системы с деревянным каркасом. На первом месте по использованию стоят системы с алюминиевым каркасом, на втором

– с каркасом из оцинкованной стали, на третьем – с каркасом из нержавеющей стали. Это обусловлено тем, что фасады с деревянным каркасом разрешены для утепления зданий, имеющих высоту три этажа и менее. В Европе же, наоборот, используются фасадные системы преимущественно с деревянной обрешеткой, в том числе и для утепления многоэтажных зданий.

Библиографический список

1.Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных систем. М.: Энер-

гия, 1977. 536 с.

2.Карпущенко Н.И., Величко В.Д. Обеспечение надежности железнодорожного пути и безопасности движения поездов. Новосибирск. 2008. 320 с.

3.Верескун В.Д. Организационно-технологическая надежность и эффективность функционирования производственных объектов железнодорожного транспорта / В.Д. Верескун. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2010. 256 с.

Научный руководитель д-р техн. наук, проф. В.С. Воробьев

46

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Г.Г. Карян

(факультет «Мосты и тоннели»)

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ MIDAS GTS 2013

Целью данной работы является разработка методики расчета железобетонных конструкций в конечно-элементном программном комплексе Midas GTS.

В настоящее время в России действует Федеральный закон от 30.12.2009 № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», согласно которому расчетные модели(в том числе расчетные схемы, основные предпосылки расчета) строительных конструкций и основания должны отражать действительные условия работы здания или сооружения, отвечающие рассматриваемой расчетной ситуации. При этом должны быть учтены:

üфакторы, определяющие напряженно-деформированное состояние;

üособенности взаимодействия элементов строительных конструкций между собой и с основанием;

üпространственная работа строительных конструкций;

üгеометрическая и физическая нелинейность;

üпластические и реологические свойства материалов и грунтов;

üвозможность образования трещин;

üвозможные отклонения геометрических параметров от их номинальных значений.

Кроме того, по действующим нормам проектирования железобетонные элементы рассчитывают: «по 1-ой и 2-ой группе предельных состояний:

· по несущей способности(прочность, устойчивость, уста-

лостное разрушение);

·по пригодности к нормальной эксплуатации(трещиностойкость, чрезмерные прогибы и перемещения).

Задачи расчета железобетонных конструкций по1-й группе предельных состояний включают:

·проверка прочности конструкций (нормальные, наклонные, пространственные сечения);

47

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

·проверка конструкции на выносливость(при действии многократно повторных нагружений);

·проверка устойчивости конструкций(формы и положе-

ния)» [1].

Расчет железобетонных элементов во многих случаях предполагает определение требуемой площади рабочей арматуры в соответствии с заданными усилиями(прямая задача) или определение действительной несущей способности элемента по заданным геометрическим и прочностныМПараметрам (обратная задача).

В данной работе будет показано, что используя современный ПК Midas GTS можно решать оба типа задач.

Midas GTS – продукт, который предназначен для выполнения геотехнических расчетов и расчетов в тоннелестроении.

Midas GTS не позволяет автоматизировано армировать железобетонные конструкции, что является существенным недостатком этой программы, так железобетон является одним из основных строительных материалов, используемых в подземном строительстве. Кроме того, отличительной особенностью этого ПК является закрытость исходного кода и запрет на любые модификации программы, что не позволяет инженеру добавлять требуемые функции.

В работе рассматриваются два подхода по учету арматуры при расчетах железобетонных конструкций с использованием конечноэлементного программного комплекса (ПК) Midas GTS 2013:

1) Железобетонный элемент моделируется стержневыми конечными элементами (КЭ), а арматура задается через характеристики приведенного сечения.

2) Железобетонный элемент моделируется объемными КЭ, а арматура задается «напрямую». Взаимодействие арматуры с бетоном при таком подходе учитывается с помощью задания -ин терфейсных (контактных) элементов.

Особенности, которые возникают при использовании вышерассмотренных подходов, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Особенности расчета железобетонных конструкций при реализации различных подходов по учету арматуры

48

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Продолжение табл. 1

В рамках данной работы был произведен расчет входа на станцию метрополитена в 3D постановке. При создании расчетной модели использовались оба подхода.

На рис. 1 показаны некоторые этапы геометрического моделирования:

Рис. 1. Геометрическое моделирование

49

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Важнейшим этапом любого расчета в ПК Midas GTS является выбор модели материала, как для грунтовой области, так и для конструктивных элементов сооружения.

Для описания поведения грунта использовалась модель Мо- ра-Кулона, которая хорошо описывает поведение гранулированных материалов. При этом важно заметить, что Midas GTS делает допущение, что соотношение между напряжением и деформацией в модели является идеально упруго-пластичным.

Наиболее сложная задача состояла в выборе модели материала для бетона, так как при этом необходимо учитывать специфические особенности работы этого материала.

После анализа имеющихся вMidas GTS стандартных моделей материалов было принято решение добавить новый материал, с помощью которого можно было бы учесть стадии работы - со оружения. Важным достоинством ПК Midas GTS является то, что он позволяет пользователю добавлять практические любые моде-

ли материалов. Для этого достаточно с использованием языка программирования фортран встроить необходимую модель материала в пре/постпроцессор midas GTS. Процедура внедрения новой модели материала имеет вид:

1.Описание Функции и Ограничений,

2.Подготовка Файла Фортран,

3.Подготовка файла DLL, и;

4.Внедрение модели в пре/постпроцессор.

Для описания поведения бетона была использована модель с разрушением. Данная модель пластичности учитывает образование и развитие трещин при растяжении, сжатии и срезе, а также теорию прочности бетона, приведенную к теории прочности Гениева Г.А. Модель является континуальной, основанной на пластическом поведении и учитывающей образование и накопление повреждений. Ввиду невозможности определения фактической ширины раскрытия трещины, для обеспечения континуальности сетки КЭ приме-

няется метод распределения зоны трещины на группу конечных элементов. Поэтому в применяемой диаграмме состояния материала после достижения материалом предельных напряжений или деформаций требуется ввести ниспадающую ветвь, имеющую условный физический смысл. Диаграмма состояния задается кусочнолинейной функцией, приведенной на рис. 2.

50