Ответственные сооружения и высокие здания в сейсмических районах выполняются в основном в металлических конструкциях. Другие виды экстремальных нагрузок связаны в основном с производственной деятельностью, а производственные сооружения выполняются, как правило, в металле. Все чаще металлические конструкции находят применение в гражданском и даже в жилищном строительстве. По своим технико-экономическим показателям металл является наиболее эффективным материалом. Поэтому разработка методов, позволяющих численно исследовать стержневые металлические конструкции на любые динамические воздействия высокой интенсивности, является в настоящее время актуальной задачей.
Традиционно расчет строительных конструкций, в том числе и металлических каркасов, ведется в два этапа. На первом этапе определяют усилия в элементах каркаса исходя из предположения упруго-линейной работы. На втором этапе производят расчет сечений элементов с учетом продольного изгиба и неупругого поведения материала. При проектировании металлических каркасов на эксплуатационные нагрузки, когда неупругие деформации незначительны, эта методика дает удовлетворительные результаты, но даже и в этом случае недостатки такого подхода очевидны.
Кроме эксплуатационных нагрузок, при действии которых материал конструкции находится в основном в упругой стадии работы, существуют особые нагрузки. Это прежде всего сейсмические воздействия, а также всевозможные аварийные (взрывные, ударные и пр.) нагрузки. Основной особенностью этих нагрузок является их динамический характер. Как правило, особые нагрузки характеризуются высокой интенсивностью и малой вероятностью возникновения в период жизненного цикла конструкции. От действия особых нагрузок в конструкциях допустимы значительные пластические деформации и даже частичные разрушения. В связи с развитием значительных неупругих деформаций меняются динамические характеристики конструкции. Изменение динамических характеристик ведет к изменению характера и величины отклика (реакции) конструкции на воздействие. В связи с этим зависимость между перемещениями и усилиями приобретает существенно нелинейный характер.
В настоящее время для анализа динамической реакции зданий и сооружений применяются два принципиальных подхода: детерминированный и вероятностный. Выбор метода зависит от способа определения нагрузки. Детерминированный метод применяется, когда изменение нагрузки во времени хорошо известно, даже если она является нерегулярной и носит случайный характер. Анализ динамической реакции в детерминированном методе, как правило, выполняется на всем временном интервале. Такой анализ может быть осуществлен как прямыми методами интегрирования уравнений движения, так и непосредственным интегрированием интеграла Дюамеля. В последнем случае уравнения колебаний преобразуются к нормальным (модальным) координатам.
В действующих нормах используется метод, основанный на спектральной теории. Расчет не ставит задачи исследования динамической реакции во времени. Вместо этого определяется вероятное максимальное значение динамической реакции в зависимости от основных динамических характеристик конструкции и нагрузки. Для тех видов конструкций, работа которых хорошо исследована, и типов воздействий, для которых накоплен большой статистический материал, такой подход вполне оправдан. Например, хорошо изучены последствия сильных землетрясений в отношении конструкций массового строительства [2, 5, 7, 30, 61, 102] и соответственно разработаны надежные рекомендации по оптимальному проектированию таких конструкций. Для новых конструктивных решений, ответственных сооружений и высоких зданий нормами сейсмостойкого строительства предписан расчет по акселеро-граммам землетрясений. При этом необходим учет возможности развития неупругих деформаций конструкций. То же самое относится к другим видам особых нагрузок. В то же время единой методики и рекомендаций по проведению временного детерминированного анализа в настоящее время не существует.
На протяжении последнего десятилетия благодаря появлению мощных ЭВМ успешно развиваются методы численного анализа строительных конструкций. Современный уровень развития МКЭ и возможности программных комплексов на его основе позволяют в принципе рассчитывать достаточно сложные конструкции. Тем не менее возможности этих комплексов в неупругой постановке весьма ограничены. Во многих случаях они неприменимы или дают недостоверные результаты. Поэтому существует необходимость разработки специализированных алгоритмов расчета, учитывающих специфические особенности некоторых классов конструкций (учет не только пластических деформаций, но и эффектов демпфирования при колебаниях, работы элементов сейсмозащиты, сил трения и т. д.). Для некоторых типов конструкций и видов воздействий разработаны методики, позволяющие учесть различные специфические факторы. При этом выбор той или иной методики проведения динамического анализа и интерпретация полученных результатов в значительной мере зависят от опыта и интуиции исследователя.
Значительный теоретический и экспериментальный материал по поведению металлических конструкций за упругим пределом их работы, существующий в настоящее время, позволяет создать универсальный метод расчета металлических каркасов на различные виды динамических воздействий с учетом специфических особенностей конструкций.