CC BY
96УДК 624.075 DOI 10.24411/2686-7818-2020-10028
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ КОНСТРУКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ВЫСОТНОГО ОБЩЕСТВЕННОГО ЗДАНИЯ В ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСАХ
ЛИРА-САПР И STARKES*
© 2020 В.Н. Уткина, Е.С. Безрукова**
Статья посвящена исследованию устойчивости конструктивной системы высотного каркасно-монолитного здания гостиницы в независимых программных комплексах ЛИРА-САПР И STARKES. Представлена модель здания и приведены результаты расчета на устойчивость.
Ключевые слова: исследование устойчивости, высотное каркасно-монолитное здание, результаты расчета, ЛИРА-САПР, STARKES.
Проектирование высотных зданий требует от проектировщиков точного и достоверного расчета с учетом множества различных факторов, особенно в районах с большими горизонтальными нагрузками. Для определения напряженно-деформированного состояния несущих конструкций необходимо обладать информацией о величинах как статических, так и динамических нагрузок, а также о характере их воздействия на здание и о перераспределении между отдельными несущими элементами конструкции. Учитывая современные тенденции к строительству зданий повышенной этажности, в том числе и высотных объектов, особое значение приобретает расчет их на устойчивость, который является обязательным при анализе конструктивных решений.
Определяющее значение в обеспечении прочности, жесткости и устойчивости здания на стадии возведения и в период эксплуатации при действии всех расчетных нагрузок и воздействий имеет конструктивная система. При этом немаловажную роль играет выбор расчетной модели здания и метода расчета.
В настоящее время все большую актуальность приобретают автоматизированные программные комплексы, позволяющие с высокой степенью достоверности определять реальное поведение конструкций под различными нагрузками. При этом уделяется повышенное внимание к качеству расчетных обоснований проекта. Для высотных зданий следует выполнять параллельный расчет конструктивной системы с применением независимых программных комплексов, реализующих метод конечных элементов [1 -4].
Целью данной работы является исследование общей устойчивости конструктивной системы высотного каркасно-монолитного здания общественного назначения в двух независимых программных комплексах ЛИРА-САПР и STARKES.
Задачи: создание пространственной аналитической модели здания; выполнение расчета на устойчивость; анализ результатов, полученных в различных программных комплексах.
Объектом исследования является высотное каркасно-монолитное здание гостини-
* Работа представлена в качестве доклада на XI Академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Долговечность, прочность и механика разрушения строительных материалов и конструкций», посвященной памяти первого Председателя Научного совета РААСН « Механика разрушения бетона, железобетона и других строительных материалов » Почетно -го члена РААСН, д.т.н., профессора Зайцева Юрия Владимировича (Саранск, ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва", 2020 год).
** Уткина Вера Николаевна ([email protected]) кандидат технических наук, доцент; Безрукова Евгения Сергеевна аспирант; обе - Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва, Саранск, РФ.
цы, несущая система которого создавалась и рассчитывалась методом конечных элементов в ПК МОНОМАХ и затем экспортировалась в ПК ЛИРА и ПК STARK ES.
Здание имеет прямоугольную форму в плане с размерами 51,3Ч45,9 м и высоту 75,3 м (23 этажа).Класс ответственности здания КС-2 [2]. Материалы и размеры сечений основных несущих элементов приняты в соответствии с рекомендациями СП 267.1325800.2016 и СП 63.13330.2012 [3 - 4]. Фундаментная плита выполнена из бетона класса B40 W6 толщиной 1000 мм; стены подвала толщиной 400 мм, колонны прямоугольного и квадратного сечений от 500Ч500 до 1000Ч1000 мм, а также плиты перекрытий толщиной 250 и 300 мм и диафрагмы жесткости толщиной 200400 мм из бетона класса B35. Рабочая продольная арматура класса А500С.
Конструктивная система здания смешанная колонно-стеновая, состоит из взаимосвязанных несущих вертикальных (колонн и стен) и горизонтальных (плит перекрытий и покрытия, фундаментной плиты) элементов, выполнена из монолитного железобетона. Она выбрана на основании архитектурных и объемно-планировочных решений здания гостиницы.
Благодаря жесткому соединению колонн и диафрагм с монолитной фундаментной плитой, дискам связи вертикальных и горизонтальных элементов, а также принятым по расчету толщинам перекрытий и покрытия обеспечивается прочность, устойчивость конструкции и восприятие всех внешних силовых воздействий.
Формирование пространственной модели высотного здания в ПК МОНОМАХ и результаты общего расчета с учетом совместной работы несущих конструкций и основания рассмотрены в работе авторов [5]. Проверка модели и результатов расчета выполнена в двух независимых программных комплексах ЛИРА-САПР и STARKES, поддерживающих информационную связь. На рис. 1 представлены расчетные конечно-элементные схемы конструктивной системы здания в различных программных комплексах, полученные путем экспорта модели, созданной в ПК МОНОМАХ. Автоматическая передача данных о геометрии, нагрузках и материалах значительно облегчает задачи проектировщика, позволяет снизить риск ошибки при моделировании и расчете конструкций.
В ПК ЛИРА-САПР и ПК STARKESреализован метод оценки общей устойчивости конструкции в предположении
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 3 (6)
w
Рис. 1. Расчетные схемы конструктивной системы здания в программных комплексах МОНОМАХ-САПР,
ЛИРА-САПР и STARK ES
ее упругой работы. Главная задача расчета на устойчивость определение значения критического параметра потери устойчивости конструкции X. Физический смысл данного критического параметра потери устойчивости конструкции состоит в потере системой устойчивости при увеличении нагрузки, действующей на конструкцию, в X раз.
Реализованный метод оценки устойчивости формы конструкции предполагает, что распределение внутренних усилий и напряжений (Гв известно из решения линейной статической задачи. Все приложенные к системе внешние силы (и внутренние усилия и напряжения) растут пропорционально одному и
Рис. 2. Деформированная схема здания при расчете на устойчивость от РСНв ПК ЛИРА-САПР. Первая форма потери устойчивости
Рис. 4. Деформированная схема здания при расчете на устойчивость от РСНв ПК ЛИРА-САПР. Третья форма потери устойчивости
тому же параметруX. Задача устойчивости сводится к тому, что требуется определить такое значение числового параметра X, чтобы при внешнихсилах [XJ? ) произошла потеря устойчивости. Для решения общей устойчивости применяется метод итерации подпространств (QR-метод), который позволяет определить не только первую, но и высшие формы потери устойчивости и соответствующую им критическую нагрузку. В текущих версиях программ можно учитывать до 10 форм [6].
Результаты расчета на общую устойчивость конструктивной системы высотного здания гостиницы в ПК ЛИРА-САПР и ПК STARKES представлены на рис. 2-5 и в таблице.
Рис. 3. Деформированная схема здания при расчете на устойчивость от РСНв ПК ЛИРА-САПР. Вторая форма потери устойчивости
Рис. 5. Деформированная схема здания при расчете на устойчивость от РСНв ПК STARK ES. Первая форма потери устойчивости
fl
ЭКСПЕРТ: 2020 NO 3 (6) EXPERT:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА J \ THEORY AND PRACTICE
Коэффициенты запаса устойчивости конструктивной системы, полученные при расчете в ПК ЛИРА-САПР и ПК STARKES
Наименование загружения Коэффициент запаса устойчивости конструкции
Номер формы потери устойчивости
12 3
ПК ЛИРА-САПР
Постоянное 10,00 14,00 32,00
Длительное 228,00 305,00 665,00
Кратковременное 90,00 121,00 259,00
Ветер 1 158,00 204,00 229,00
Ветер 2 332,00 451,00 482,00
РСН 9,04 11,95 27,30
ПК STARK ES
Постоянное 10,74 13,66 35,58
Длительное 235,57 307,34 795,82
Кратковременное 92,80 120,89 316,60
РСН 9,25 11,80 30,80
На рис. 2-5 показаны деформированные схемы конструктивной системы, полученные в результате расчета на устойчивость от основных расчетных сочетаний постоянных, длительных и кратковременных вертикальных и горизонтальных нагрузок (РСН) по различным формам потери устойчивости.
Сравнение коэффициентов запаса устойчивости конструктивной системы при различных загружениях и формах потери устойчивости, полученных в ПК ЛИРА-САПР и ПК STARKES, представлено в таблице.
Для зданий из монолитного железобетона коэффициент запаса по устойчивости формы должен быть не менее 2; при расчете устойчивости здания на опрокидывание коэффициент запаса должен быть больше 1,5 [3].
Согласно результатам, полученным при расчете здания на устойчивость в ПК ЛИРА-САПР и ПК STARKES, при основном расчетном сочетании нагрузок (РСН) минимальное значение критического параметра потери устойчивости формы конструкции X составляет 9,04 и 9,25 соответственно. Таким образом, чтобы конструктивная система здания потеряла устойчивость, нагрузки должны быть превышены в 9,04 и 9,25 раза. Полученные значения удовлетворяют нормативным требованиям. Небольшие отличия результатов, полученных в двух независимых программных комплексах, подтверждают точность и корректность расчета. Необходимая устойчивость конструктивной системы высотного
здания гостиницы обеспечена, наличие запаса повышает надежность конструкции и позволяет избежать катастрофы в случае возможных ошибок проектирования, изготовления или эксплуатации.
Библиографический список
1. СП 430.1325800.2018. Монолитные конструктивные системы. Правила проектирования. М.: Минстрой России, 2018. - 64 с.
2. ГОСТ 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения. М.: ФГУП «Стандартинформ», 2015. - 16 с.
3. СП 267.1325800.2016. Здания и комплексы высотные. Правила проектирования. М.: Минстрой России, 2016. - 122 с.
4. СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. М.: Минрегион России, 2011. - 152 с.
5. Создание и расчет пространственной модели высотного здания с учетом совместной работы несущих конструкций и основания / В.Н. Уткина, А.Н. Смолин, Е.С. Безрукова, М.Ю. Петрунин // Строительные конструкции: состояние и перспективы развития: материалы Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 100-летию В. А. Карташова (67 марта 2019 г.). Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2019. - С. 4047.
6. Решение задачи устойчивости в ЛИРА 10.6. [Электронный ресурс] / LIRA-SOFT. URL: https://lira-soft.com/forum/messages/forum8/message935/207-48.-reshenie-zadachi-ustoychivosti-v-lira-10.6#message935.
Поступила в редакцию 07.05.2020 г.
INVESTIGATION OF THE STABILITY OF THE STRUCTURAL SYSTEM OF A HIGH-RISE PUBLIC BUILDING IN THE SOFTWARE COMPLEXES LIRA-CAD AND STARK ES
© 2020 V.N. Utkina, E.S. Bezrukova*
The article is devoted to the study of the stability of the structural system of a high-rise frame-monolithic hotel building in the independent software systems LIRA-CAD and STARK ES. The model of the building is presented and the results of the stability calculation are presented.
Keywords: investigation of the stability, high-rise frame-monolithic building, results of calculation, LIRACAD, STARKES.
Received for publication on 07.05.2020
* Utkina Vera Nikolaevna - Candidate of technical, Associate Professor, Bezrukova Evgenia Sergeevna -Postgraduate; Mordovian State University named after N. P. Ogarev (Saransk, Russia).
