Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
Ростовская область, Россия
Россия
Абхазия
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ОКСО 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
ББК 38 Строительство
ББК 385 Строительные конструкции
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
ТБК 54 Строительство
в статье рассмотрен расчет общей устойчивости многоэтажного каркасно-монолитного здания методом конечных элементов. Приведены графическое отображение степени ответственности элементов за общую несущую способность конструкции и коэффициент запаса устойчивости. Результаты исследования критических сил и форм потери устойчивости каркаса здания позволяют уточнить методику определения опасных при расчете на прогрессирующее обрушение конструктивных элементов Даны рекомендации по расчету и усилению колонн при имитационном моделировании прогрессирующего разрушения с учетом результатов исследования общей потери устойчивости каркаса здания.
метод конечных элементов, общая устойчивость, коэффициент запаса устойчивости, степень ответственности, форма потери устойчивости
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. Белостоцкий А.М., Акимов П.А., Петряшев Н.О., Петряшев С.О., Негрозов О.А. Расчетные исследования напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости несущих конструкций высотного здания с учетом фактического положения железобетонных конструкций // Вестник МГСУ 2015. № 4. С. 50-68.
2. Агаханов Э.К., Кравченко Г.М., Осадчий А.С., Труфанова Е.В. Расчет зданий сложной геометрической формы на ветровые воздействия. // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2017. Т. 44. № 2. С. 8-17.
3. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Шутенко Е.О., Хашхожев К.Н. Динамический расчет объекта «Спортивно-оздоровительный комплекс» Технопарка РГСУ // Инженерный вестник Дона. 2015. № 4.
4. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Борисов С.В., Костенко С.С. Динамический расчёт и анализ полусферической оболочки покрытия объекта «Зимний сад» Технопарка Ростовского государственного строительного университета (РГСУ) // Инженерный вестник Дона. 2016. № 1.
5. Агаханов Э.К., Кравченко Г.М., Труфанова Е.В. Регулирование параметров собственных колебаний пространственного каркаса здания // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2016. Т. 42. № 3. С. 8-15.
6. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Кубашов Т.Р. Общая устойчивость сферической оболочки покрытия объекта «Зимний сад» Технопарка РГСУ // Инженерный вестник Дона. 2015. № 3 (37). С. 111.
7. Городецкий Д.А., Барабаш М.С., Водопьянов Р.Ю., Титок В.П., Артамонова А.Е. Программный комплекс ЛИРА-САПР 2013 Учебное пособие Киев-Москва 2013 - 375 с.
