CC BY
5
Численный эксперимент по регулированию напряженно-деформированного состояния плиты перекрытия уникального здания
Г.М. Кравченко, Д.А. Высоковский, Е.В. Труфанова Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону
Аннотация: Рассмотрено регулирование напряженно-деформированного состояния плиты перекрытия с целью выбора оптимального конструктивного решения каркаса уникального здания. Предложено три варианта конструктивных решений с варьированием армирования плиты и сечений вертикальных элементов каркаса. Численный эксперимент выполнен методом конечных элементов с использованием программного комплекса Лира-САПР. Для повышения точности полученных результатов произведены расчеты с учетом нелинейной работы материалов. Расчетная модель плиты перекрытия включает в себя физически нелинейные оболочечные конечные элементы. Нелинейные загружения моделировались с учетом ползучести бетона. По результатам проведенных расчетов выполнен анализ прогибов плиты перекрытия и расхода материалов. Численный эксперимент позволил предложить целнсообразное конструктивное решение по каркасу уникального здания.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, метод конечных элементов, уникальное здание, физическая нелинейность, закон деформирования, каркас здания.
Современные требования к строительным конструкциям ставят на первое место надежность заложенных проектных решений. Для обеспечения поставленного требования чаще всего используют численное моделирование поведения строительных конструкций на всех этапах жизненного цикла здания [1].
Численные эксперименты выполняют в современных сертифицированных и верифицированных программных комплексах основанных на методе конечных элементов [2,3]. Проектировщики чаще всего моделируют работу строительных конструкций с учетом линейной работы материалов. Но для повышения точности проектных решений все чаще используются нелинейные соотношения между напряжениями и деформациями элементов [4,5].
В качестве исследуемого объекта выбрано 39 этажное офисное здание. Здание является уникальным, так как его высота превышает 100 м.
Выполнено численный эксперимент по регулированию напряженно -деформированного состояния плиты перекрытия для уточнения проектного решения по каркасу здания.
Расчетная пространственная конечно-элементная модель по плитно-стержневой системе разработана в программном комплексе САПФИР, с последующим импортом в ЛИРА-САПР (рис.1а). Рассмотрен фрагмент
Рис. 1. - Расчетная схема: а) 3-0 визуализация здания; б) типовой этаж (первый вариант конструирования)
Для моделирования работы конструкций с учетом нелинейных свойств материалов использованы физически нелинейный конечные элементы [7].
В расчетной схеме учтены следующие виды нагрузок: постоянные нагрузки (собственный вес элементов конструкции, вес напольного покрытия), полезная нагрузка на перекрытие типового этажа, нагрузка от фасадного остекления.
и
Собственный вес в программе задается автоматически, учитываются заданные до этого жесткости и геометрия элементов схемы. Значение этой нагрузки варьируется в зависимости от применяемых жесткостей.
В качестве первого варианта конструирования предложена плита толщиной 250 мм, выполненная из бетона марки В40 и армированная двумя сетками арматуры. В расчетной модели запроектированы пилоны по четырем направлениям, соединенные с диафрагмой жесткости. Толщина пилонов составляет 600 мм, класс бетона В40. Пилоны армированы каркасом из двух сеток и поперечной арматурой.
Для первого слоя арматуры заданы проценты армирования N=0,7% и ^=0,7%. Для второго слоя арматуры - проценты армирования N=0,1% и N=0,1%.
В качестве закона нелинейного деформирования выбран закон №25 -экспоненциальный (нормативная прочность). Параметры принятого закона: класс бетона - В40; тип бетона - тяжелый (рис. 2).
Параметры закона нелинейного деформирования
Параметры Значения
Класс бетона
Тип бетона
Ео 3570000
а(-) 3670
а(+) 235
£(-) -0.002
е(+) 0.0002
К
Нарисовать
т/к2 т/к-т/к11
СГ' С7+ ч
Аг ,
У 8 сг"
Рис. 2. - Задание параметров закона нелинейного деформирования
Заданы параметры арматуры плиты с учетом нелинейности [8]. В качестве закона нелинейного деформирования выбран закон № 15 -экспоненциальный закон деформирования (рис. 3).
М Инженерный вестник Дона, №2 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n2y2023/8224
Рис. 3 - Задание параметров арматуры с учетом нелинейности
Нелинейные загружения моделировались с учетом ползучести бетона. Заданы параметры степенного закона ползучести (EuroCode ргЕШ99211): теоретический коэффициент ползучести - фо =2; коэффициент, зависящий от относительной влажности и теоретического размера элемента - pH =657.82
Для учета ползучести бетона задано количество дней, равное 365 и 730 (по прошествии этих дней при расчете будет учитываться влияние ползучести бетона).
Принят метод расчета простой шаговый, количество шагов для всех загружений - 10.
По результатам полного расчета установлено, что максимальный прогиб плиты составил 23,9мм (рис. 4). Полученное значение не превышает допустимое нормативное значение 1/200=6000/200=30 мм.
В качестве второго варианта конструирования выбрана плита толщиной 250 мм, выполненная из бетона марки В40 и армированная двумя сетками арматуры. Из расчетной модели исключены пилоны. По краям удаленных пилонов установлены железобетонные колонны круглого сечения диаметром 600 мм. Марка бетона введенных колонн - В40. Колонны армированы арматурными каркасами.
и
Параметры армирования плиты: для первого слоя заданы проценты армирования N=0,283% и N=0,283%; для второго - N=0,283% и N=0,283%.
Выполнен полный расчет и установлено, что максимальное перемещение от нормативных значений загружений в вертикальном направлении составило 43,2 мм, что превышает допустимое нормативное значение 30 мм.
В третьем варианте конструирования принята плита толщиной 200 мм, выполненная из бетона марки В40 и армированная двумя сетками арматуры. Также в расчетную модель введены пилоны, аналогичные первому варианту конструирования.
По результатам расчета максимальное вертикальное перемещение от нормативных значений загружений составило 56,7 мм, что превышает допустимое нормативное значение 30 мм.
Рис. 4 - Мозаика прогибов плиты
Выполнен анализ полученных результатов расчета по трем вариантам конструирования каркаса уникального здания [9,10]. Собственный вес плиты
перекрытия первого и второго вариантов конструирования составляет 1012,1 т, по третьему варианту - 967,4 т, что легче на 4,4%.
Процент армирования первого и второго вариантов - 1,6%, а третьего 1,32%. Расход бетона в третьем варианте снижен на 8,8 % по отношению к первому и второму.
Максимальные вертикальное перемещение при первом варианте конструирования наименьший (23,9 мм). Во втором варианте конструирования перемещения больше на 42,2%, относительно первого, что превышает допустимые значения. В третьем на 72,6% больше относительного первого варианта, что также превышает максимально допустимые значения.
С точки зрения расхода материала, веса плиты перекрытия и максимальных значений вертикальных перемещений оптимальным является первый вариант конструирования, который рекомендуется для дальнейшего проектирования.
Литература
1. Акимов П.Н., Золотов А.П. Численно-аналитические методы расчета строительных конструкций: перспективы развития и сопоставления. Журнал САПР и графика. 2005. №4. С.78-82.
2. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Ладная Е.В. Рациональное проектирование элементов пространственного каркаса здания // Инженерный вестник Дона, 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/3989/
3. Bathe K.-J. Finite Element Procedures. K.-J. Bathe.New Jersey: Prentice Hall, 1996. pp. 10-12.
4. Clough R.W., Penzien J. Dynamics of Structures. Computer & Structure, Inc. Berkeley. USA. 2003. 752 p.
5. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Кущенко А.К., Быченко И.В. Особенности расчета на прогрессирующее обрушение каркаса уникального
здания многофункционального комплекса // Инженерный вестник Дона, 2022, №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/%20n9y2022/7889.
6. Панасюк Л.Н., Кравченко Г.М., Труфанова Е.В. О точности определения напряженно-деформированного состояния и конструктивных параметров в областях с особенностями // Науковедение. 2013. №3. С. 101.
7. Гениев Г.А., Киссюк В.Н., Тюпин Г.А. Теория пластичности бетона и железобетона. М.: Стройиздат, 1974.С. 316.
8. Лейтес Е.С. К уточнению одного из условий прочности бетона. Поведение бетонов и элементов железобетонных конструкций при воздействии различной длительности. М.: НИИЖБ, 1980. С. 37 - 40.
9. Сорока М.Д. Особенности оценки напряженно-деформированного состояния несущей системы 25-ти этажного монолитного здания // Естественные и инженерные науки. 2014. №1. С. 154-157.
10. Зырянов В.В. Методы оценки адекватности результатов моделирования // Инженерный вестник Дона, 2013. № 2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1707/.
References
1. Akimov P.N., Zolotov A.P. Zhurnal SAPR i grafika. 2005. №4. p.78-
82.
2. Kravchenko G.M., Trufanova E.V., Ladnaya E.V. Inzhenerny'j vestnik Dona, 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/3989.
3. Bathe K.-J. Finite Element Procedures. K.-J. Bathe. New Jersey: Prentice Hall, 1996. pp. 10-12.
4. Clough R.W., Penzien J. Dynamics of Structures. Computer & Structure, Inc. Berkeley. USA. 2003. 752 p.
5. Kravchenko G.M., Trufanova E.V., Kushhenko A.K., By'chenko I.V. Inzhenerny'j vestnik Dona, 2022, №9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/%20n9y2022/7889.
6. Panasyuk L.N., Kravchenko G.M., Trufanova E.V. Naukovedenie. 2013. №3. 101 p.
7. Geniev G.A., Kissyuk V.N., Tyupin G.A. Teoriya plastichnosti betona i zhelezobetona [Theory of plasticity of concrete and reinforced concrete]. M.:Strojizdat, 1974. 316 p.
8. Lejtes E.S. K utochneniyu odnogo iz uslovij prochnosti betona. Povedenie betonov i elementov zhelezobetonny'x konstrukcij pri vozdejstvii razlichnoj dliteFnosti [To clarify one of the conditions of concrete strength. Behavior of concrete and elements of reinforced concrete structures under the influence of different duration]. M.: NIIZhB, 1980. pp. 37 - 40.
9. Soroka M.D. Estestvenny'e i inzhenerny'e nauki. 2014. №1. pp. 154157.
10. Zyryanov V.V. Inzhenerny'j vestnik Dona, 2013. № 2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1707/.
