Моделирование демпфирования при расчете конструкций на динамические воздействия в программном комплексе лира-сапр

Abstract

RU: Целью статьи является обоснование необходимости учета физико-механических свойств грунта и различных материалов возводимой конструкции для гашения колебаний при динамических воздействиях; предложение инструментов моделирования демпфирующего эффекта (естественного или инженерного искусственного) между фундаментом и основанием. Предложена методика моделирования работы конструкции при динамическом воздействии во времени и при учете материального демпфирования. Предлагается и реализовано в программном комплексе два варианта моделирования демпфирующего эффекта – сочетание рэлеевского демпфирования (для сооружения) и задания конечного элемента вязкого демпфирования. При решении поставленной задачи были получены следующие результаты: описан физический смысл материального демпфирования; вычислены коэффициенты Рэлея через модальные степени демпфирования. Проведено численное исследование здания совместно с грунтовым основанием на сейсмические воздействия с применением разработанного конечного элемента вязкого демпфирования. Реализовано решение задачи на динамическое воздействие во времени. Выполнено сравнение амплитудных значений перемещений, скоростей и ускорений в уровнях этажей. В результате выполненного сравнительного анализа результатов расчета с учетом и без учета материального демпфирования подтверждено значительное влияние материального демпфирования на напряженно-деформированное состояние конструкции. Научная новизна работы заключается в следующем: обоснован факт возникновения демпфирующего эффекта, независимо от наличия установленных конструкционных демпфирующих устройств; реализована методика учета демпфирования с помощью коэффициентов Рэлея; разработан специальный демпфирующий элемент – конечный элемент вязкого демпфирования (КЭ №62) и описана его работа в виде линейной математической модели. Практическая значимость работы: приведенная методика и разработанный конечный элемент позволяют корректно провести численные эксперименты и разработать ряд конструктивных мероприятий по сейсмобезопасности зданий и сооружений.

UK: Метою статті є обґрунтування необхідності врахування фізико-механічних властивостей ґрунту і різних матеріалів конструкції для гасіння коливань при динамічних впливах; реалізація інструментів моделювання демпфуючого ефекту (природного або інженерного штучного) між фундаментом і основою. Запропоновано методику моделювання роботи конструкції при динамічному впливі в часі і при врахуванні матеріального демпфування з урахуванням разноматеріальних частин конструкції. Пропонується і реалізовано в програмному комплексі два варіанти моделювання демпфуючого ефекту - поєднання релєєвського демпфірування (для споруди) і завдання скінченного елементу в'язкого демпфірування. При вирішенні поставленого завдання були отримані наступні результати: описаний фізичний зміст матеріального демпфування; обчислені коефіцієнти Релея через модальні ступені демпфування. Проведено чисельне дослідження будівлі спільно з ґрунтовою основою на сейсмічні впливи з застосуванням розробленого скінченного елементу в'язкого демпфування. Реалізовано вирішення задачі на динамічний вплив в часі. Виконано порівняння амплітудних значень переміщень, швидкостей і прискорень в рівнях поверхів. В результаті порівняльного аналізу результатів розрахунку з урахуванням і без урахування матеріального демпфірування підтверджено значний вплив матеріального демпфірування на напружено-деформований стан конструкції. Наукова новизна роботи полягає в наступному: обґрунтований факт виникнення демпфіруючого ефекту, незалежно від наявності встановлених конструкційних демпфіруючих пристроїв; реалізована методика врахування демпфірування за допомогою коефіцієнтів Релея; розроблений спеціальний демпфіруючий елемент - скінченний елемент в'язкого демпфірування (КЕ №62) і описана його робота у вигляді лінійної математичної моделі. Практична значимість роботи: наведена методика і розроблений скінченний елемент дозволяють коректно провести чисельні експерименти і розробити ряд конструктивних заходів по сейсмобезпеці будівель і споруд.

EN: The purpose of this paper is to justify that it is necessary to take account of physical and mechanical properties of soil and different materials of erected structure for damping vibrations in dynamic loads; to suggest tools for modelling the damping effect (natural or engineering induced) between foundation and soil. Certain technique is suggested for modelling behaviour of structure in time history analysis with account of material damping. In the software, the damping effect is modelled in two variants: Rayleigh damping (for structure) and finite element of viscous damping. When solving this problem, the following results were obtained: physical meaning of material damping is described; Rayleigh damping coefficients were computed through modal damping coefficients. Numerical analysis is carried out for the structure together with soil in earthquake load using developed FE of viscous damping. Time history analysis was carried out for the problem. Peak values of displacement, speed and acceleration at the floor levels were compared. Analysis results are compared (with and without account of material damping). Significant influence of damping on the stress-strain state of the structure is confirmed. Scientific novelty of the paper is in the following: the damping effect is proved to happen regardless of the presence of installed structural damping equipment; technique for account of damping with Rayleigh damping coefficients is developed; new damping element is developed – FE of viscous damping (FE 62), its behaviour is described as linear mathematical model. Practical implications of the paper: developed technichue and new FE enables the user to carry out numerical analysis properly and work out a set of measures on seismic safety for buildings and structures.