Численное моделирование и симуляция неметаллического волокнистого бетона: оценка структурной производительности с акцентом на тростник и кокосовую скорлупу

Оптимизация механических характеристик за счет использования полимерных композитов, армированных волокнами, достигается с помощью моделируемого экспериментального проектирования «META». При этом основное внимание уделяется именно улучшению механических характеристик с использованием тростника и кокосовой скорлупы. Этот подход направлен на создание оптимальной конструкции, которая минимизирует расход полимера, обеспечивая при этом заданные механические характеристики и экономическую эффективность. В исследовании, основанном на вероятностном подходе, приоритет отдается методологии оптимизации, основанной на надежности. Для оценки механических характеристик проводится нелинейный анализ нагрузок на уровне системы, при этом моделирование «META» играет ключевую роль в изучении неопределенностей. В рамках «META» коэффициенты неупругого межэтажного смещения рассматриваются как неопределенные переменные, в то время как толщина полимерной оболочки, состоящей из тростника и скорлупы кокосового ореха, считается детерминированной переменной проектирования. Этот усовершенствованный процесс проектирования не только снижает затраты на полимер, но и систематически оценивает экономическую эффективность включения тростника и кокосовой скорлупы, при этом соблюдаются жесткие ограничения надежности конструкции. Явные ограничения на индекс надежности, выверенные с помощью моделирования в «META», обеспечивают устойчивость и адаптивность процесса оптимизации конструкции. Метод численных критериев оптимальности в рамках «META» обеспечивает эффективное решение нелинейной задачи оптимизации проектирования модернизации. В качестве иллюстрации применения приведен пример проектирования, демонстрирующий бесшовную интеграцию тростника и кокосовой скорлупы, что приводит к значительному улучшению механических характеристик в контексте модернизации.

1. Ang A. H., Cornell C. A. (1974) Reliability Bases of Structural Safety and Design. Journal of Structural Engineering, 100 (9), 1755–1769. https://doi.org/10.1061/jsdeag.0003870.

2. Beck J. L., Papadimitrious C., Chan E., Irfanoglu, A. (1998) A Performance-Based Optimal Structural Design Methodology. Report no. EERL 97-30. Pasadena, CA: Earthquake Engineering Research Laboratory, California Institute of Technology.

3. Bertero R. D., Bertero V. V. (2002) Performance-Based Seismic Engineering: the Need for a Reliable Conceptual Comprehensive Approach. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 31 (3), 627–652. https://doi.org/10.1002/eqe.146.

4. Cao V. V., Ronagh H. R. (2014) Reducing the Seismic Damage of Reinforced Concrete Frames using FRP Confinement. Composite Structures, 118, 403–415. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.07.038.

5. Chan C. M., Zou X. K. (2004) Elastic and Inelastic Drift Performance Optimization for Reinforced Concrete Building under Earthquake Loads. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 33 (8), 929–950. https://doi.org/10.1002/eqe.385.

6. Chang C. C., Ger J. F., Cheng F. Y. (1994) Reliability-based Optimum Design for UBC and Nondeterministic Seismic Spectra. Journal of Structural Engineering, 120 (1), 139–160. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9445(1994)120:1(139).

7. Charney F. A. (2000) Needs in the Development of a Comprehensive Performance Based Design Optimization Process. Advanced Technology in Structural Engineering: Proceedings of Structures Congress 2000, Philadelphia, 8–10 May 2000. Reston, VA: ASCE. https://doi.org/10.1061/40492(2000)28.

8. Cheng G. D., Li G., Cai Y. (1998) Reli.ability-Based Structural Optimization under Hazard Loads. Structural Optimization, 16, 128–135. https://doi.org/10.1007/bf01202823.

9. Choi S. W. (2017) Investigation on the Seismic Retrofit Positions of FRP Jackets for RC Frames using Multi-Objective Optimization. Composites Part B: Engineering, 123, 34–44. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.05.026.

10. Choi S. W., Kim Y., Park H. S. (2014) Multi-Objective Seismic Retrofit Method for using FRP Jackets in Shear-critical Reinforced Concrete Frames. Composites Part B: Engineering, 56, 207–216. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.08.049.

11. Computer and Structures, Inc. (CSI) (2000) SAP2000/NL-PUSH Software, Version 7.40. Berkeley, CA: CSI.

12. De Lorenzis L., Tepfers R. (2003) A Comparative Study of Models on Confinement of Concrete Cylinders with FRP Composites. Journal of Composites for Construction, 7 (3), 219–237. https://doi.org/10.1061/(asce)1090-0268(2003)7:3(219).

13. Federal Emergency Management Agency (FEMA) (2006) Next-Generation Performance-Based Seismic Design Guidelines. Program Plan for New and Existing Buildings. Report no. FEMA 445. Washington, DC. Available at: https://wbdg.org/FFC/DHS/fema445.pdf.

14. Foley C. M. (2002) Optimized Performance-Based Design for Buildings. Burns S. A. (ed.) Recent Advances in Optimal Structural Design. Reston, VA: American Society of Civil Engineers, 169–240.

15. Fragiadakis M., Lagaros N. D., Papadrakakis M. (2006) Performance-Based Multiobjective Optimum Design of Steel Structures Considering Life-Cycle Cost. Structural and Multidisciplinary Optimization, 32 (1), 1–11. https://doi.org/10.1007/s00158-006-0009-y.

16. Frangopol D. M. (1997) How to Incorporate Reliability in Structural Optimization. Arora J. S. (ed.) Guide to Structural Optimization (ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice no. 90). Reston, VA, American Society of Civil Engineers, 211–235. https://doi.org/10.1061/9780784402207.ch11.

17. Frangopol D. M., Klisinski M. (1989) Material Behavior and Optimum Design of Structural Systems. Journal of Structural Engineering, 115 (5), 1054–1075. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9445(1989)115:5(1054).

18. Frangopol D. M., Moses F. (1994) Reliability-Based Structural Optimization. Adeli H. (ed.) Advances in Design Optimization. London, Chapman & Hall, 492–570.

19. Gao X. W., Bao A. B. (1985) Probabilistic Model and its Statistical Parameters for Seismic Load. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 5 (1), 13–22.

20. Gaxiola-Camacho J. R., Azizsoltani H., Villegas-Mercado F. J., Haldar A. (2017) A Novel Reliability Technique for Implementation of Performance-Based Seismic Design of Structures. Engineering Structures, 142, 137–147. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2017.03.076.

21. GBJ68-84. Unified Standards for the Design of Structures (1984). Available at: https://codeofchina.com/standard/ GBJ68-1984.html. Ghobarah A., El-Attar M., Aly N. M. (2000) Evaluation of Retrofit Strategies for Reinforced Concrete Columns: a Case Study. Engineering Structures, 22 (5), 490–501. https://doi.org/10.1016/s0141-0296(98) 00137-0.

22. Kim S. H., Wen Y. K. (1990) Optimization of Structures under Stochastic loads. Structural Safety, 7 (2–4), 177–190. https://doi.org/10.1016/0167-4730(90)90067-y.

23. Lagaros N. D., Garavelas A. T., Papadrakakis M. (2008) Innovative Seismic Design Optimization with Reliability Constraints. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 198 (1), 28–41. https://doi.org/10.1016/j.cma.2007.12.025.

24. Lam L., Teng J. G. (2003) Design-Oriented Stress-Strain Model for FRP-Confined Concrete. Construction and Building Materials, 17 (6-7), 471–489. https://doi.org/10.1016/s0950-0618(03)00045-x.

25. Lam L., Teng J. G. (2003) Design-Oriented Stress-Strain Model for FRP-Confined Concrete in Rectangular Columns. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 22 (13), 1149–1184. https://doi.org/10.1177/0731684403035429.

26. Li G. (2003) Statistical Properties of the Maximum Elastoplastic Story Drift of Steel Frames. Steel & Composite Structures, 3 (3), 185–198. https://doi.org/10.12989/scs.2003.3.3.185.

27. Li G., Cheng G. D. (2002) Probability Distribution of Story Drift of Seismic RC frames. Journal of Dalian University of Technology, 42 (3), 153–157.

28. Melchers R. E., (1999) Structural Reliability, Analysis and Prediction. 2nd ed. Chichester, John Wiley & Sons.

29. Moses F. (1969) Approach to Structural Reliability and Optimization. Cohn M. Z. (ed.) An Introduction to Structural Optimization (Study no. 1). Waterloo, ON, Canada, Solid Mechanics Division, University of Waterloo, 81–120.

30. Shin J., Scott D. W., Stewart L. K., Yang C.-S., Wright T. R., DesRoches R. (2016) Dynamic Response of a Full-Scale Reinforced Concrete Building Frame Retrofitted with FRP Column Jackets. Engineering Structures, 125, 244–253. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.07.016.

31. Zou X., Wang Q., Wu J. (2018) Reliability-Based Performance Design Optimization for Seismic Retrofit of Reinforced Concrete Buildings with Fiber-Reinforced Polymer Composites. Advances in Structural Engineering, 21 (6), 838–851. https://doi.org/10.1177/1369433217733760.