CC BY
34
ВЕСТНИК 1/2010
МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ ПРИ ЕГО РЕКОНСТРУКЦИИ
В.А. Белов, А.А. Гусев
МГСУ
Выполнено моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния несущих конструкций здания, их сварных соединений и швов.
The modeling and analysis of the intense-deformed condition of the supporting constructions of a structure, their welded connections and welds is executed.
Реконструируемое здание построено в 1905г. и находится по адресу Москва, Колпачный переулок дом 6А. Кирпичные стены здания потеряли несущую способность. Из-за ветхости кровли и пожара происходили затопления. Это приводило к вымыванию раствора и кирпича, стены потеряли свою несущую способность, и возникла необходимость их бондажирования. При реконструкции было решено выполнить надстройку мансардного этажа. Учитывая недостаточную несущую способность стен и фундамента, решено осуществить передачу нагрузок от междуэтажных перекрытий на стойки, опирающиеся на жесткую железобетонную плиту. Таким образом, стены не участвуют в передаче нагрузки от междуэтажных перекрытий и выполняют только функцию ограждающих конструкций.
Выполнено моделирование и расчет каркаса здания по прочности и деформативности.
При реконструкции здания была усилена фундаментная плита железобетонными балками, расположенными вдоль осей главных балок перекрытий, в местах опирания колонн. Для восприятия ветровых и снеговых нагрузок, от дополнительного мансардного этажа, вместо деревянных вспомогательных балок и балок настила, были установлены стальные балки из швеллеров №14, которые приваривались к главным балкам в одном уровне, а неразрезные балки настила из швеллера №8 поэтажно устанавливались над главными балками. Замена деревянных балок стальными позволила снизить толщину перекрытия в 2 раза с увеличением высоты потолка. Конечно-элементное моделирование и прочностной анализ позволили значительно сократить сроки реконструкции здания.
1/2010 мв.ВЕСТНИК
Рис.1. Нагрузки и граничные условия для модели несущей конструкции здания:
1.пол первого этажа - полезная нагрузка 1668Н/м2 на площади 79,4м2
2.пол второго этажа - полезная нагрузка 1668Н/м2 на площади 79,4м2.
3.пол чердака - полезная нагрузка 1668Н/м2 на площади 79,4м2.
4.Перекрытие чердака, под которым находится технологическое вентиляционное пространство - полезная нагрузка 600Н/м2 на площади 79,4м2.
5.Лестница - сосредоточенная нагрузка 1500Н/на каждую ступеньку.
6.Крыша - снеговая нагрузка интенсивностью 1600Н/м2 и гололед интенсивностью 53Н/м2.
7.Собственный вес металлической и деревянной конструкций.
8.Упругие опоры жесткостью 200Н/мм расставленные с шагом 200мм в направлениях „х" и „у"
_ Рис.2. Части модели несущей конструкции здания:
зеленый цвет (на рис. внизу) - железобетонное основание с сеткой стержней (части 1 и 5);
| (на рис. внизу) - вертикальные колонны из трубы квадратной размерами 180x180x8мм (часть 2);
желтый цвет - главные балки пола второго этажа и балки пола чердака из швеллера №14 (часть 3);
голубой цвет - балки настила пола второго этажа и балки настила пола чердака из швеллера №8 (часть 4);
ВЕСТНИК 1/2010
а) ^^ б)
Рис. 3. Результирующие перемещения несущей конструкции здания от полезных нагрузок (а), приведенные напряжения в пластинчатых конечных элементах модели лестницы и окружающих ее колоннах от полезных нагрузок (б)
Ш
Н
№
=:
' 1
Рис. 4. Нормальные напряжения от растяжения-сжатия и от изгиба (слева) и крутящих моментов (справа) в колоннах сечением 180x180x8мм.
Рис.5. Нормальные напряжения от растяжения-сжатия и от изгиба (слева) и крутящие моменты (справа) в главных балках и балках настила пола второго этажа, пола мансарды и крыши
Рассмотрим напряженно-деформированное состояние в выбранном сварном узле (рис.7) несущей конструкции здания (рис.6)
в) Вырезаемый сварной узел г)
Рис.6. Модель несущей конструкции здания (а) с полезной, ветровой и снеговой нагрузками (б) и положение вырезаемого сварного узла (в, г)
Рис.7. Вид узла №3 вырезанного из балочной модели здания
На основании расчетов балочной конечно-элементной модели здания определяем составляющие нагрузки для модели сварного узла вырезанного из этой же балочной модели. Эти составляющие приведены в таблице 1.
к
Рис.8. Положение локальных осей для балочных конечных элементов в месте узла №3
ВЕСТНИК 1/2010
Составляющие нагрузки в сечениях (показанных на рис.8 стрелками А и Б) узла крепления главных балок (швеллер №14) к стойке (квадратная труба 180x180x8мм) _Таблица 1
Нагрузка Н Р вдоль локальной оси 2-2, Н Р вдоль локальной оси 3-3, Н Мкрут, Нмм Мизг ОТНОСИТ. локальной оси 2-2, Нмм Мизг относит. локальной оси 3-3, Нмм
Сечение по стрелке А -704 -14 -5915 -1659 1005221 3215
Сечение по стрелке Б 757 48 5202 878 -1119451 -10160
Рис.9. Составляющие усилия - продольные силы (а), перерезывающие силы в направлении осей 2-2 (б) и 3-3 (в) и моменты - крутящие (г), изгибающие вокруг оси 2-2 (д) и изгибающие относительно оси 3-3 (е) в сечениях узла №3 показанных стрелками А и Б Используя наличие плоскостей симметрии, была построена объемная модель, состоящая из 1/4 узла №3, в которой учтены сварные узлы. Нагрузки для модели взяты
из табл.1. Продольная и перерезывающая силы в направлении 2-2 составляют менее чем 15% перерезывающей в направлении 3-3, а моменты крутящий и изгибающий относительно оси 3-3 составляют менее 1% момента относительно оси 2-2. Поэтому в расчете учтено только действие силы перерезывающей в направлении оси 3-3 и действие изгибающего момента относительно оси 2-2.
Рис.10. Геометрическая (а) и конечно-элементная (б) модели % сварного узла №3 (число объемных 8-узловых конечных элементов 92356, число узлов 111893, катет шва 4x4мм) с граничными условиями (в), (поперечная нагрузка в направлении т Рт=-5915Н, изгибающий момент Му=1005221Нмм)
1
а)
У
4
к
В)
Г)
к*'
1
Рис.11
(д), V
е) ж)
. Приведенные напряжения (а) и составляющие тензора 8ХХ (б), 8уу (в), 8тт (г), тху (е), т2х (ж) от поперечной силы в направлении т Рт=-5915Н и изгибающего момента М„=1005221Нмм
Рис.12. Результирующие перемещения (а) и перемещения в направлениях х (б), у (в) и z (г) сварного шва от поперечной силы в направлении z Pz=-5915H и изгибающего момента Му=1005221Нмм Напряженно-деформированное состояние в сечении по стрелке Б отличается от представленного для сечения по стрелке А (рис.24) на 11-12%, это позволило применить в узлах крепления главных балок разнокатетные швы.
Ключевые слова: реконструкция, моделирование, метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние, проектирование, несущая конструкция, объемная модель, изгибающий момент.
Key words: reconstruction, modeling, method of final elements, intense-deformed condition, projecting, supporting construction, solid model, bending moment.
129337, Москва, Ярославское ш., 26, кафедра технологии металлов МГСУ. Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ»
