Анализ теоретического и фактического армирования плиты перекрытия при различных вариантах учёта сейсмического воздействия Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Анализ теоретического и фактического армирования плиты перекрытия при различных вариантах учёта сейсмического воздействия

А.В. Пономаренко, К.В. Шенцова, В.Н. Аксенов Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону.

Аннотация: В статье произведен сравнительный анализ армирования монолитной железобетонной плиты при различных условиях расчёта: без учёта сейсмики, с учётом проектного землетрясения (ПЗ) и с учётом максимального расчётного землетрясения (МРЗ). Получено, что учёт сейсмичности 9 баллов без применения методов активной сейсмозащиты приводит к увеличению армирования плиты на 28 % при учёте ПЗ и на 81 % при расчёте на МРЗ. Кроме того, выполнен анализ работы инструмента «Расход бетона и арматуры» в ПК Лира-САПР. Получен поправочный коэффициент для перехода от теоретического расчётного армирования к фактическому: он составил от 2,4 до 3,0. Ключевые слова: сейсмическое воздействие, Лира-САПР, расчёт на МРЗ, расчёт каркаса, плита перекрытия, железобетон, удельный расход арматуры.

При проектировании зданий и сооружений необходимо учитывать все воздействия, которым подвергается или может быть подвержен объект. Землетрясение является довольно редким явлением, но оно оказывает одно из самых разрушительных воздействий на здания и сооружения, поэтому при проектировании ему уделяется особое внимание. Анализ статистических данных последствий различных природных катастроф: землетрясений, извержения вулканов, наводнений, тайфунов, торнадо, ураганов показывает, что более 60% от общего числа жертв стихийных бедствий приходится на землетрясения. На сейсмическую активность также приходится более половины экономических потерь от всех природных катастроф вместе взятых [1-5].

В настоящее время существуют два пути защиты зданий и сооружений от сейсмических воздействий:

1. Обеспечение повышенной несущей способности железобетонных элементов.

2. Системы активной сейсмозащиты (АСЗ). Различают 4 способа АСЗ:

• сейсмоизоляция;

• адаптивные системы;

• системы с повышенным демпфированием;

• системы с гасителями колебаний.

В отличии от подхода простого повышения несущей способности конструкций (а иными словами, жёсткости здания и содержания армирования в конструкциях), АСЗ снижает инерционные сейсмические нагрузки. Активная сейсмоизоляция делится на общую и местную. Общая АСЗ подразумевает под собой полную сейсмоизоляцию здания - здание изолируется от основания полностью. Под местной АСЗ понимается защита отдельных конструкций или оборудования внутри здания или сооружения, без полной сейсмоизоляции здания в целом [6-9].

Обеспечение необходимой прочности при проектировании зданий и сооружений в сейсмических районах в подавляющем большинстве случаев достигается с помощью обеспечения повышенной несущей способности железобетонных элементов (повышенного армирования). Увеличение расхода арматуры в конструкциях возникает как вследствие расчета сооружения на динамическую нагрузку, так и вследствие учета конструктивных требований к армированию, указанных в СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП 11-7-81*» [10-12].

С целью определения оценки влияния учёта сейсмичности на расход арматуры в плите монолитного железобетонного здания нами была рассчитана и запроектирована монолитная железобетонная плита согласно результатам расчёта и конструктивным требованиям СП 63.13330.2018 и СП 14.13330.2018.

0 00 00000 00 0

■ Г ■ ■ Т Г " " 1 - - 1 Г - -

1 | I 1

■4-

1 1

—

1 1 1

Т

1 | | 1

_ _ _ _ 4 ____1____ _ _ 1_ _ _ _ -1 __ 1. _ _ _ _ -

Рис. 2. Плита железобетонная на отм. +3,750 м. Расчет плиты производился три раза: 1. При расположении здания в несейсмическом районе.

2. При расположении здания в сейсмическом районе (9 баллов) на действие проектного землетрясения (ПЗ).

3. При расположении здания в сейсмическом районе на действие максимального расчетного землетрясения (МРЗ).

Далее приведены результаты расчета расхода бетона и арматуры на одну плиту на отм. +3,750, полученные в программном комплексе ЛИРА САПР 2017 (Рисунок 3, 4, 5).

Расход Бетона и теоретической продольной арматуры

Класс бетона, ар.,. Объемный б,., Вес арматур,., Объем бетон.,. Вес жестком .,.

Б25 (Бетон) 305.925

А400 (Ар-ра) 7850.0 11053,21

Всего 11053,21 305.925

Рис. 3. Расход арматуры на монолитную железобетонную плиту при проектировании в несейсмическом районе.

Расход бетона и теоретической продольной арматуры

Класс бетона, ар,.. Объемный б,.. Вес арматур.., Объем бетон... Бес жесткой ..,

Б25 (Бетон) 30 5.766

Б25 (Бетон) 0.779

А400 (Ар-ра) 7850,0 12303.05

Всего 12303.05 306.545

Рис. 4. Расход арматуры на монолитную железобетонную плиту при проектировании в сейсмическом районе (9 баллов) на действие проектного землетрясения (ПЗ).

Расход бетона и теоретической продольной арматуры

Класс бетона, ар,, Объемный б... Вес арматур,.. Объем бетон... Бесжесткой ...

Б25 (Бетон) 304,521

А400 (Ар-ра) 7850.0 22029.90

Всего 22029.90 304,521

Рис. 5. Расход арматуры на монолитную железобетонную плиту при проектировании в сейсмическом районе на действие максимального расчетного землетрясения (МРЗ).

Согласно данным расчета расход продольной арматуры при расчете железобетонной плиты на максимальное расчетное землетрясение (9 баллов) составил 22029 кг; при расчёте на проектное землетрясение - 12303 кг, что на

1

44% меньше; а при расчете этой же плиты в несейсмическом районе -11053 кг, что на 50% меньше в сравнении с расчётом на МРЗ (Диаграмма 1).

Диаграмма 1. Теоретический расход продольной арматуры в плите.

Инструмент анализа расхода материалов для железобетонных конструкций, реализованный в ПК Лира-САПР (рис. 3.. .5), очень удобен для предварительной оценки относительного содержания арматуры в конструкциях, а также для выполнения вычислительных экспериментов при научных исследованиях. Однако, следует иметь в виду, что полученный расход арматуры - это только теоретическое армирование и конструктивные требования в части использования определённого сортамента арматуры, или установка конструктивной/монтажной арматуры здесь не учтены. К примеру, содержание арматуры на 1м3 бетона по теоретическому армированию

3 3 3

соответственно равно: 72,3 кг/м ; 40,2 кг/м ; 36,1 кг/м . Данные цифры значительно ниже средних по отрасли 120.140 кг/м , а значит, необходимо их корректировать с учётом всех конструктивных требований.

Для оценки разницы между теоретическим и реальным армированием плиты, была запроектирована плита перекрытия по трём вариантам расчёта с

соблюдением требований СП 63.13330.2018 и СП 14.13330.2018, а также общих принципов конструирования ЖБ конструкций. Ведомости расхода стали, полученные при проектировании приведены на рис. 6, 7, 8.

Ведомость расхода стали на элемент, кг

Март элемент Изделия арнатуркьв

Аргтура к/плпа Всего

А-ИА2Ш A-I1IЙ4Ш

ГОСТ 5781-82' ГОСТ 5781-32*

08 Итого 08 т 012 0% 0% 018 Итого

ГЬ1 З&.О 35i,e 1637,0 4566,0 265Я.0 3970,0 120Ь6,0 52127,0 52Щ0

Рис. 6. Ведомость расхода стали плиты монолитной при расчете на МРЗ

Ведомость расхода стали на элемент, кг

ИзЗеш арматурные

Марка элемента Арматура класса Всего

А-11А2Ш A-IIIlAiOO!

ГОСТ 5781-82* ГОСТ 5781-82*

0в Итого 03 0Ю 012 016 Итого

Пп1 25$,0 256.0 %т В1В2 %267 2751 36837,0 37093.0

Рис. 7. Ведомость расхода стали плиты монолитной при расчете на сейсмическое воздействие (проектное землетрясение 9 баллов).

Ведомость расхода стали на элемент, кг

Марка элемента ИзЗеш арматурные

Аргшура класса Всего

А-КА2Ш A-III lAiOOl

ГОСТ 5781-62' ГОСТ 5781-62'

03 №шя 0S 0V 0Е 0% Итого

[М гт 2W.0 Ш.О №74 7» та 28720.0 20960.0

Рис.8. Ведомость расхода стали плиты монолитной в несейсмическом

районе.

Согласно полученным данным фактический расход арматуры при расчете железобетонной плиты на максимальное расчетное землетрясение

1

составил 52481 кг; при расчёте на проектное землетрясение - 37093 кг, что на 29% меньше; а при расчете этой же плиты в несейсмическом районе -28960 кг, что на 45% меньше в сравнении с расчётом на МРЗ (Диаграмма 2). Также необходимо обратить внимание на то, что реальный расход арматуры на 1 м бетона для данной плиты приблизился к общепринятым показателям (Таблица 1).

Поправочный коэффициент для перехода от теоретического расчётного армирования к фактическому составил:

- без учёта сейсмики: 28960/11053=2,62; -при расчёте на ПЗ: 37093/12303=3,01;

- при расчёте на МРЗ: 52481/22029=2,38.

Диаграмма 2. Фактический расход продольной арматуры в плите.

Таблица 1. Расход арматуры на 1 м бетона в плите на отм. +3,750

Расчёт 3 Расход арматуры на 1 м бетона

Без учёта сейсмики 94,7 кг/м3

Проектное землетрясение 9 баллов 121,3 кг/м3

Расчет на МРЗ 171,8 кг/м3

Полученные результаты подтверждают факт, что при строительстве в сейсмических районах без применения методов активной сейсмозащиты

армирование железобетонных конструкций увеличивается. В частности, учёт сейсмичности 9 баллов при расчёте на проектное землетрясение повысил расход арматуры в плите перекрытия на 28 %, при расчёте на максимальное расчётное землетрясение - на 81 %о. Величины удельного расхода арматуры на плиту приведены в таблице 1. Использование расчётов на МРЗ без применения активной сейсмоизоляции крайне невыгодно с точки зрения стоимости материалов для строительства.

Кроме того, из сопоставления данных, полученных при помощи инструмента «Расход бетона и арматуры» ПК Лира-САПР с расходом арматуры, вычисленным при проектировании плиты, получено, что поправочный коэффициент для перехода от теоретического расчётного армирования к фактическому составил от 2,4 до 3,0. Данный коэффициент необходимо учитывать, если при выполнении вычислительных экспериментов в научных работах используется ПК Лира-САПР.

Литература

1. Ушаков О.Ю., Алехин В.Н. Метод расчета зданий и сооружений с учетом пространственного характера сейсмического воздействия. // Академический вестник УралНИИпроект РААСН, 2014, №3. URL: cyberleninka.ru/article/n/metod-rascheta-zdaniy-i-sooruzheniy-s-uchetom-prostranstvennogo-haraktera-seysmicheskogo-vozdeystviya.

2. Алехин В.Н., Иванов Г.П., Плетнев М.В., Коковихин И.Ю., Ушаков О.Ю. Расчет зданий и сооружений на сейсмические воздействия. // Академический вестник УралНИИпроект РААСН, 2011, №2. URL: cyberleninka.ru/article/n/raschet-zdaniy-i-sooruzheniyna-seysmicheskie-vozdeystviya.

3. Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1 // General rules and rules for buildings, 2004, p.229.

4. ПК ЛИРА-САПР 2016. Проектирование и расчет строительных конструкций. [2016]. URL: liraland.ru/lira/

5. Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Расчетные модели сооружений и возможности их анализа. - М, 2007. - 595 с.

6. Выскребенцева М.А., Ву Ле Куен. Методы сейсмогашения и сейсмоизоляции с применением специальных устройств // Инженерный вестник Дона, 2019, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5656.

7. Городецкий А.С., Евзеров И.Д. Компьютерные модели конструкций. -Киев, 2004. - 344 с.

8. Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures // ACI 440.2R-08. American Concrete Institute, 2008, p. 76.

9. Мкртчян А.М., Аксенов В.Н. Аналитическое описание диаграммы деформирования высокопрочных бетонов // Инженерный вестник Дона, 2013, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1818/.

10. Польской П.П., Маилян Д.Р. Влияние различных вариантов внешнего композитного армирования на жесткость гибких сжатых элементов// Инженерный вестник Дона, 2017, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4826

11. Аксёнов Н.Б., Аушев М.В. Исследование влияния соотношения жесткостей конструктивной системы на динамические параметры многоэтажного здания в зависимости от сейсмичности площадки // Инженерный вестник Дона, 2017, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4416

12. Польской П.П., Георгиев С.В. Характеристики материалов, используемых при исследовании коротких и гибких стоек, усиленных углепластиком // Научное обозрение, 2014, №10-2. С. 411-414.

References

1. Ushakov O.Ju, Alehin V.N. Akademicheskij vestnik UralNIIproekt RAASN (Rus), 2014, №3. URL: cyberleninka.ru/article/n/metod-rascheta-zdaniy-i-sooruzheniy-s-uchetom-prostranstvennogo-haraktera-seysmicheskogo-vozdeystviya.

2. Alehin V.N., Ivanov G.P., Pletnev M.V., Kokovihin I.Ju., Ushakov O.Ju. Akademicheskij vestnik UralNIIproekt RAASN (Rus), 2011, №2. URL: cyberleninka.ru/article/n/raschet-zdaniy-i-sooruzheniyna-seysmicheskie-vozdeystviya.

3. Eurocode 2: Design of concrete structures. Part 1-1. General rules and rules for

buildings, 2004, p.229.

4. PK LIRA-SAPR 2016. Proektirovanie i raschet stroitel'nykh konstruktsiy [LIRA-SAPR 2016. Design and calculation of building structures]. URL: liraland.ru/lira/.

5. Perel'muter A.V., Slivker V.I. Raschetnye modeli sooruzhenij i vozmozhnosti ih

analiza [Calculation models of building and possibility of their analysis]. M, 2007. 595 p.

6. Viskrebenceva M.A., Vu Le Quen. Inzenernyj vestnik Dona, 2019, №1. URL:

ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5656.

7. Gorodeckij A.S., Evzerov I.D. Komp'juternye modeli konstrukcij [Computer models of constructions]. Kiev, 2004. 344 p.

8. Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for

strengthening concrete structures. ACI 440.2R-08. American Concrete Institute, 2008, p. 76.

9. Mkrtchyan A.M., Aksenov V.N. Inzenernyj vestnik Dona, 2013, №3. URL:

ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1818

10. Pol'skoj P.P., Mailjan D.R. Inzenernyj vestnik Dona, 2017, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4826

11. Aksenov К.Б., Aushev М.У. Inzenernyj vestnik Dona, 2017, №4. иЯЬ: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4416

12. Pol,skoj Р.Р., Georgiev Б.У. Nauchnoe obozrenie, 2014, №10-2. рр. 411-414.