Аналіз динамічної поведінки багатоповерхової каркасної будівлі в зоні руху залізничного транспорту
Заголовок (англійською):
. Analysis of dynamic behavior of a multi-storey frame building in the railway traffic area
Автор(и):
Лук’янченко О.О.
Козак А.А.
Костін Д.Є.
Автор(и) (англ):
Lukianchenko O.O.
Kozak A.A.
Kostin D.Ye.
Ключові слова (укр):
динаміка, метод скінченних елементів, рухомий склад, прискорення грунту, багатоповерхова каркасна будівля
Ключові слова (англ):
dynamics, finite element method, rolling stock, ground acceleration, multi-story frame building
Анотація (укр):
Досліджено вплив навантаження від рухомого складу на 25-поверхову монолітно-каркасну секцію офісного центру з 9-поверховим паркінгом, що розташована поблизу руху залізничних потягів у міській забудові. Застосовано двоетапний чисельний підхід до математичне моделювання динамічної поведінки багатоповерхових будівель при дії навантаження від рухомого складу. На першому етапі сформована скінченноелементна модель баластової призми і ґрунту у вигляді плоского пружнопластичного напівпростору довжиною 200 м і глибиною 60 м в програмному комплексі NASTRAN. Баластова призма і ґрунт представлена сукупністю плоских прямокутних і трикутних елементів із шістьма ступенями вільності у вузлі з відповідними фізико-механічними характеристиками. Максимальний розмір скінченного плоского елемента приймався із урахуванням мінімальної довжини поперечної та повздовжньої хвиль в грунті. На горизонтальні і вертикальні вузлові переміщення лівого та правого країв моделі грунту накладено обмеження, всі вузли нижнього краю моделі грунту жорстко закріплені. Для забезпечення крайових ефектів врахована симетрія моделі ґрунту. Навантаження від рухомого складу подано у вигляді вертикального періодичного збудження, зосередженого в центрі мас системи, що складалася з рами візка, колісних пар вагону вантажного поїзда та баластової призми. Досліджено вплив навантаження від рухомого складу на основу в нелінійній статичній постановці методом Ньютона-Рафсона. Модальний аналіз основи і баластової призми виконано методом Ланцоша. Динамічна поведінка основи досліджена методом Рунге-Кутти четвертого порядку. Отримані горизонтальні і вертикальні прискорення грунту на різних відстаннях і глибинах моделі основи від від осі залізничної колії. На другому етапі в програмному комплексі SCAD сформована 3D модель будівлі, яка представлена сукупністю стержневих і оболонкових скінченних елементів з шістьма ступенями вільності у вузлі. Виконано модальний аналіз будівлі методом ітерацій підпросторів. За допомогою спектрального методу досліджено напружено-деформований стан будівлі при дії розрахункових навантажень та кінематичного збурення ґрунту, прикладеного по висоті фундаменту будинку у вигляді векторів прискорень. Перевірені умови надійності і конструктивної безпеки будівлі при дії комбінації навантажень, що включає вплив вібрації грунту основи від рухомого складу.
Анотація (англ):
The impact of loading from rolling stock on a 25-storey monolithic-frame office building section with a 9-storey parking garage, located near the movement of railway trains in an urban area, was investigated. A two-stage numerical approach was applied to mathematically model the dynamic behavior of multi-storey buildings under loading from rolling stock. At the first stage, a finite element model of the ballast prism and soil was developed in the form of a flat elastic-plastic half-space with a length of 200 m and a depth of 60 m, created using the NASTRAN software package. The loading from the rolling stock was presented as a vertical periodic excitation, concentrated at the center of mass of the system, comprising the bogie frame, wheelsets of a freight train wagon, and the ballast prism. The impact of rolling stock load on the base was studied in a nonlinear static formulation using the Newton-Raphson method. Modal analysis of the base and ballast prism was performed using the Lanczos method. The dynamic behavior of the base was analyzed using the fourth-order Runge-Kutta method. Horizontal and vertical ground accelerations were obtained at various distances and depths of the base model relative to the railway track axis. At the second stage, a 3D model of the building was developed in the SCAD software package. Modal analysis of the structure was conducted using the subspace iteration method. The stress-strain state of the building under the influence of calculated loads and kinematic ground excitation, applied along the height of the building foundation as acceleration vectors, was investigated using the spectral method. The conditions for reliability and structural safety of the building were verified under load combinations, including the influence of base ground vibrations caused by rolling stock.
Публікатор:
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр):
Опір матеріалів і теорія споруд, 2025, номер 114
Назва журналу, номер, рік випуску (англ):
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 114
Мова статті:
English
Формат документа:
application/pdf
Дата публікації:
05 Июнь 2025
Номер збірника:
Університет автора:
Київський національний університет будівництва і архітектури
References:
1. Bolotin V.V. Dinamicheskaya ustoychivost uprugih sistem (Dynamic stability of elastic systems) – M.: Gosudarstvennoe izdatelstvo tehniko-teoreticheskoy literaturyi, 1956. – 600 p. (rus).2. Timoshenko S.P. Prochnost i kolebaniya elementov konstruktsiy (Strength and vibrations of structural elements) – M.: Nauka, 1975. – 704 p. (rus).3. Korenev B.G., Rabinovich I.M. Dinamicheskiy raschet zdaniy i sooruzheniy (Dynamic analysis of buildings and structures) – M.: Stroyizdat, 1984. – 304 p. (rus).4. Rabinovich I.M. Osnovy dinamicheskogo rascheta sooruzheniy na deystvie mgnovennyih I kratkovremennyih sil (Fundamentals of dynamic analysis of structures on the instantaneous and short-term forces) – M.: Stroyizdat, 1945, – 85 p. (rus).5. Ustenko O.V. Osnovy teorii kolyvan ta stiykosti ruhomogo skladu (Fundamentals of the theory of vibrations and stability of rolling stock) : textbook, Kharkiv: 2021. – 130 s. (ukr).6. Iryna Bondarenko, Vaidas Lukoševičius, Robertas Kersys, Larysa Neduzha. Investigation of Dynamic Processes of Rolling Stock–Track Interaction: Experimental Realization – MDPI - Mar 2023 .− 20 p. https://epubl.ktu.edu/object/elaba:160069252/7. Viktorija Sluganović, Stjepan Lakušić, Damir Lazarević. Track ballast modelling by discrete element method – GRAĐEVINAR 71 (7), P. 589-600 https://doi.org/10.14256/JCE.2350.20188. Lukianchenko O.O., Kostina O.V., Geraschenko O.V. Influence of loading is from a rolling stock on the dynamic behavior of multi-storey building // Strength of Materials and Theory of Structures. – 2014. – Issue. 93. – Р. 100-109.9. SCAD Office.V.23.System SCAD++ / V.S.Karpilovskyy, E.Z.Kryksunov, А.А Maliarenko, A.V.Perelmuter, M.A.Perelmuter, S.Y. Fialko. — Publishing House SCAD SOFT, 2024. — 992 p.10. DBN V.1.2-2:2006 Navantezhennia I vplyvy. Normy proektuvannia. BN01:0579-7401-9778-3501 – K.: nakaz Minbudu Ukrayiny vid 03.07.2006. № 220, 2006. – 66 s.11. Bazhenov V.A., Krivenko O.P., Solovey M.O. Neliniyne deformuvannia ta stiykist neodnoridnoi struktury (Nonlinear deformation and stability of elastic shells with inhomogeneous structure). – Kyiv: ZAT VIPOL, 2010.− 284 s.(ukr).12. Bazhenov V.A., Luk’yanchenko O.A., Vorona Yu.V., Kostina E.V. On Stability of Parametric Oscillations of a Shell in the Form of Hyperbolic Paraboloid // International Applied Mechanics. –2018, Volume 54, №3. – P. 36-49.