Rostov-na-Donu, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-on-Don, Russian Federation
Russian Federation
Abkhazia
GRNTI 67.11 Строительные конструкции
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
OKSO 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
BBK 38 Строительство
BBK 385 Строительные конструкции
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
TBK 54 Строительство
In this article, general stability analysis is considered, in order to obtain the load-bearing capacity of the multy-storey building using finite element method. There are some graphical interpretations for FE results that illustrate safety factor for each structural member of the structure and different mode shapes with their corresponding frequencies. These results can be used to improve the structural member design method in case of progressive collapse possibility. The article provides recommendations for strengthening and design of structural member.
finite element method, structural stability, safety factor, buckling mode shape
Для расчета высотных зданий на общую устойчивость методом конечных элементов рекомендуется использовать пространственную плитно-стержневую модель. В расчетную схему включают диафрагмы жесткости, колонны, пилоны, плиты перекрытия, аутригерные и технические этажи [1].
При поэтапном возведении здание отклоняется от первоначального вертикального положения под действием внешних нагрузок. Вертикальные нагрузки в отклоненном состоянии создают дополнительные усилия, увеличивая деформации. При недостаточной жесткости и большой массе здания увеличение деформаций может быть значительным и вызывать потерю общей устойчивости здания. Для обеспечения надежности принятых конструктивных решений необходимо на стадии проектирования выполнить расчет каркаса здания на устойчивость.
Объектом исследования является монолитный железобетонный каркас многоэтажного здания. Расчетная модель каркаса здания разработана в ПК «ЛИРА-САПР». Для моделирования плитного ростверка, плит перекрытия и покрытия, стен и диафрагмы жесткости использованы универсальные треугольные и четырехугольные оболочечные элементы с 6-ю степенями свободы в узле. Колонны в расчетной модели учтены универсальными пространственными стержнями с 6-ю степенями свободы в узле (рис. 1).
Рис. 1. Конечно-элементная модель каркаса здания
В расчетной модели учтены статические нагрузки: собственный вес конструкций здания, снеговая нагрузка на покрытие, полезная нагрузка, ветровая нагрузка [2]. Фундаментная плита жестко закреплена в опорных узлах [3].
По результатам динамического расчета первая и вторая формы собственных колебаний - поступательные, третья - крутильная (рис.2). Такая последовательность форм колебаний подтверждает правильность принятых конструктивных решений каркаса здания [4-5].
Рис. 2. Формы колебаний: а) первая форма; б) вторая форма;
в) третья форма
По результатам модального анализа определена пульсационная составляющая ветровой нагрузки. Выполнен общий статический расчета каркаса здания с учетом пульсационной составляющей ветровой нагрузки, получены перемещения узлов конечно-элементной модели (рис. 3).
Рис. 3. Горизонтальные перемещения каркаса здания
Максимальное горизонтальное перемещение в поперечном направлении составляет 58,8 мм, в продольном направлении - 9,46 мм что меньше нормативного значения h/500 = 67750/500 = 135,5 мм.
ПК «ЛИРА-САПР» позволяет исследовать общую устойчивость конечно-элементной модели с определением коэффициента запаса и формы потери устойчивости. Расчетные сочетания вертикальных нагрузок учтены при выполнении расчета на устойчивость в упругой постановке с учетом изгибно-крутильных форм [6]. Результаты расчета на устойчивость содержат формы потери устойчивости и коэффициенты запаса устойчивости.
Для монолитных железобетонных зданий коэффициент запаса устойчивости должен превышать 2. Полученный в результате расчета коэффициент 10,8299 соответствует нормам и подтверждает правильность конструктивных решений каркаса здания.
Степень ответственности - безразмерная величина, принимающая значения от 0 до 1 включительно, вычисляется на основании энергии 1-ой формы потери устойчивости. Степень ответственности 1 соответствует наиболее ответственному элементу схемы [7].
На рис.4. приведено графическое отображение степени ответственности элементов схемы за общую несущую способность конструкции как всего каркаса, так и элементов первого и второго этажей. Коричневым цветом отмечены колонны каркаса с наибольшей степенью ответственности.
На рис. 5 показаны усилия в колоннах каркаса здания из линейного расчета. Наиболее нагруженные колонны выделены синим цветом. Анализ результатов по определению критических сил и соответствующих им форм потери устойчивости показал несоответствие реализованного варианта статического расчета с учетом пульсационной составляющей ветровой нагрузки и результата по определению степени ответственности элементов каркаса здания.
Рис. 4. Степень ответственности элементов: а) каркаса здания;
б) элементов первого и второго этажей
Рис. 5. Усилия в колоннах каркаса здания
Анализ чувствительности элементов расчетной модели к общей потери устойчивости позволяет дать рекомендации, на какие элементы следует обратить вниманием при исследовании устойчивости каркаса здания к прогрессирующему обрушению.
Имитационное моделирование прогрессирующего обрушения высотного здания методом конечных элементов позволяет исследовать аварийную ситуацию по аналогии с особым воздействием на каркас здания.
Аварийная ситуация представляет собой внезапное разрушение колонны крайнего ряда первого этажа в монолитно-каркасном здании.
Применение имитационного моделирования при расчете высотного здания на прогрессирующее разрушение методом конечных элементов предполагает удаление из расчетной схемы наиболее нагруженной колонны с целью исследования поведения каркаса в аварийной ситуации. Таких сценариев разрушения может быть несколько. Для пространственного каркаса нет четких рекомендаций, удаление каких именно элементов наиболее опасно по критерию устойчивости элементов здания при прогрессирующем обрушении. Удаление колонн первого этажа по различным сценариям аварийной ситуации и анализ результатов имитационного моделирования прогрессирующего обрушения значительно увеличивают объем вычислений. В зданиях без жесткого блока при разрушении колонны нагрузки перераспределяются на ближайшие колонны пропорционально их новым грузовым площадям. Результаты исследования критических сил и форм потери устойчивости каркаса здания позволяют уточнить методику определения опасных при расчете на прогрессирующее обрушение конструктивных элементов. Необходимо выполнять расчет и усиление колонн не только соседних с разрушенной, а с учетом результатов исследования общей потери устойчивости каркаса здания.
1. Belostockiy A.M., Akimov P.A., Petryashev N.O., Petryashev S.O., Negrozov O.A. Raschetnye issledovaniya napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya, prochnosti i ustoychivosti nesuschih konstrukciy vysotnogo zdaniya s uchetom fakticheskogo polozheniya zhelezobetonnyh konstrukciy // Vestnik MGSU 2015. № 4. S. 50-68.
2. Agahanov E.K., Kravchenko G.M., Osadchiy A.S., Trufanova E.V. Raschet zdaniy slozhnoy geometricheskoy formy na vetrovye vozdeystviya. // Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2017. T. 44. № 2. S. 8-17.
3. Kravchenko G.M., Trufanova E.V., Shutenko E.O., Hashhozhev K.N. Dinamicheskiy raschet ob'ekta «Sportivno-ozdorovitel'nyy kompleks» Tehnoparka RGSU // Inzhenernyy vestnik Dona. 2015. № 4.
4. Kravchenko G.M., Trufanova E.V., Borisov S.V., Kostenko S.S. Dinamicheskiy raschet i analiz polusfericheskoy obolochki pokrytiya ob'ekta «Zimniy sad» Tehnoparka Rostovskogo gosudarstvennogo stroitel'nogo universiteta (RGSU) // Inzhenernyy vestnik Dona. 2016. № 1.
5. Agahanov E.K., Kravchenko G.M., Trufanova E.V. Regulirovanie parametrov sobstvennyh kolebaniy prostranstvennogo karkasa zdaniya // Vestnik Dagestanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2016. T. 42. № 3. S. 8-15.
6. Kravchenko G.M., Trufanova E.V., Kubashov T.R. Obschaya ustoychivost' sfericheskoy obolochki pokrytiya ob'ekta «Zimniy sad» Tehnoparka RGSU // Inzhenernyy vestnik Dona. 2015. № 3 (37). S. 111.
7. Gorodeckiy D.A., Barabash M.S., Vodop'yanov R.Yu., Titok V.P., Artamonova A.E. Programmnyy kompleks LIRA-SAPR 2013 Uchebnoe posobie Kiev-Moskva 2013 - 375 s.
