CC BY
16
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
УДК 693.22:624.04
Б01: 10.31675/1607-1859-2022-24-6-119-128
И.И. ПОДШИВАЛОВ1, И.А. АНДРИЕНКО2,
1 Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2ООО«СПТЦ»
МОДЕЛИРОВАНИЕ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОДНОЭТАЖНОГО КАРКАСНОГО ЗДАНИЯ, ПОЛУЧИВШЕГО ПОВРЕЖДЕНИЯ
Аннотация. Объектом исследования является одноэтажное каркасное здание из сборного железобетона на монолитной фундаментной плите, расположенное в сейсмическом районе.
Цель работы - моделирование напряженно-деформированного состояния одноэтажного каркасного здания, получившего повреждения после выполнения инструментального обследования, с учетом повреждений кирпичной кладки самонесущих стен, полученных при ранее произошедших землетрясениях.
Строительство каркасного здания было выполнено без учета возможных сейсмических воздействий. После изучения материалов инженерно-геологических изысканий, анализа конструктивной схемы каркасного здания и фундамента на естественном основании было выполнено моделирование напряженно-деформированного состояния здания в ПВК МтсгоРе с разработкой расчетной модели в системе «основание - фундамент - здание».
Полученные результаты позволили обеспечить надежность каркасного здания путем реализации технических решений по восстановлению его эксплуатационной пригодности в условиях возможного сейсмического воздействия.
Ключевые слова: здание, моделирование, напряженно-деформированное состояние, расчетная модель, расчетная схема, сейсмическое воздействие
Для цитирования: Подшивалов И.И., Андриенко И.А. Моделирование напряженно-деформированного состояния одноэтажного каркасного здания, получившего повреждения // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2022. Т. 24. № 6. С. 119-128. Б01: 10.31675/1607-1859-2022-24-6-119-128
© Подшивалов И.И., Андриенко И.А., 2022
I.I. PODSHIVALOV1, I.A. ANDRIENKO2, Tomsk State University of Architecture and Building, 2 OOO "SPTTs"
FINITE ELEMENT MODELING OF STRESS-STRAIN STATE OF DAMAGED ONE-STOREY FRAME BUILDING
Abstract. Purpose: Stress-strain state simulation of the one-story prefabricated reinforced concrete building on a monolithic foundation slab damaged after instrument-aided structural survey, including damage to the self-bearing brickwork caused by earlier earthquakes. This frame building is constructed without consideration of seismic impacts. Methodology: Engineering-geological survey, structural analysis, finite element modeling in the MicroFe software, development of the base-foundation-building model. Practical implications: The obtained results are used to provide the reliability of the frame building by implementing technical solutions on restoration of its serviceability in seismic conditions.
Keywords: building, modeling, stress-strain state, design model, analytical model, seismic load
For citation: Podshivalov I.I., Andrienko I.A. Modelirovanie napryazhenno-defor-mirovannogo sostoyaniya odnoetazhnogo karkasnogo zdaniya, poluchivshego pov-rezhdeniya [Finite element modeling of stress-strain state of damaged one-storey frame building]. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universi-teta - Journal of Construction and Architecture. 2022. V. 24. No. 6. Pp. 119-128. DOI: 10.31675/1607-1859-2022-24-6-119-128
Рассматриваемое одноэтажное здание без подвала прямоугольной формы в плане имеет размеры по осям 12*30 м. Высота здания от уровня поверхности земли до отметки конька крыши составляет 11,7 м.
По конструктивной схеме здание каркасного типа, состоит из шести поперечных рам пролетом 12 м, установленных с шагом 6 м. Поперечные рамы выполнены из сборных железобетонных колонн сечением 300x300 мм, заделанных снизу в монолитные стаканы, которые, в свою очередь, опираются на монолитную фундаментную плиту (далее МФП) толщиной 300 мм, что на 100 мм меньше минимально допустимой конструктивной толщины МФП. Опорная часть колонн жестко заделана в стаканах фундамента. На колоннах расположены сборные железобетонные ригели сечением 180x900 (h) мм длиной 12 м. Сопряжение ригелей с колоннами шарнирное. На ригелях устроены сборные железобетонные ребристые плиты размером в плане 1,5x6 м высотой 300 мм. Наружные стены толщиной 510 мм выполнены в виде кладки из керамического кирпича на цементно-песчаном растворе. Пол бетонный. Крыша двухскатная деревянная.
При обследовании здания было установлено, что продольное армирование колонн выполнено в виде четырех стержней 2025 + 2018 А400. В качестве нижней продольной арматуры ригеля используются стержни 2022 А400. Прочность бетона колонн и ригелей соответствует классу В30.
В МФП армирование выполнено в виде верхней и нижней сеток со стержнями 012/200 А400. Поперечная арматура не обнаружена. Прочность бетона МФП соответствует классу В15.
При освидетельствовании здания в наружных кирпичных стенах были обнаружены трещины шириной раскрытия в несколько миллиметров с учетом того, что в основании здания, до изученной глубины 12 м, залегает скальный грунт - гранодиориты прочные слабовыветрелые слаботрещиноватые нераз-мягчаемые, которые характеризуются плотностью в природном сложении р = 2,63 т/м3, пределом прочности на одноосное сжатие Яс = 78,2 МПа. В таких инженерно-геологических условиях неравномерные осадки основания под подошвой МФП мало вероятны. В то же время, по данным статистических наблюдений, при эксплуатации здания на рассматриваемой территории происходили землетрясения, что с высокой вероятностью послужило причиной образования трещин в кирпичных стенах.
Моделирование взаимодействия надземных конструкций, фундамента и основания здания в настоящее время является достаточно актуальным [1, 2]. В качестве основных критериев рассматриваются деформации (осадки) здания и его основания в целом [3, 4]. В соответствии с результатами мониторинга зданий [5-7] моделирование их напряженно-деформированного состояния рекомендуется определять расчетом в объемной постановке в системе «основание - фундамент - здание».
Расчетная модель, которая может наиболее полно отразить конструктивную схему здания, является одним из важнейших факторов при определении напряженно-деформированного состояния строительных конструкций, фундаментов и основания [8, 9]. Верифицированный ПВК МюгоРе позволяет выполнить конечно-элементное моделирование системы «основание - фундамент - здание» [10].
По конструктивной схеме здания и инженерно-геологических условий площадки в ПВК МюгоРе были разработаны две расчетные модели, в которых наружные кирпичные стены, диск чердачного перекрытия и МФП моделировались конечным элементом типа «плоский прямоугольный элемент оболочки», колонны, стаканы фундамента, ригели, элементы металлических конструкций моделировались конечным элементом типа «стержень». Грунтовое основание под МФП принималось в виде однослойного скального основания из объемных конечных элементов с заданием модуля деформаций и коэффициента Пуассона. Расчеты выполнялись в линейной постановке.
Расчетная модель № 1, разработанная на основе конструктивной схемы существующего здания, приведена на рис. 1.
Расчетная модель № 2, разработанная с учетом технических решений по восстановлению эксплуатационной пригодности здания, представлена на рис. 2.
В каждой разработанной модели расчеты были выполнены в двух расчетных схемах:
- расчетная схема № 1 - на основное сочетание расчетных статических нагрузок в здании на податливом основании;
- расчетная схема № 2 - на особое сочетание нагрузок, полученное путем снижения расчетных значений статических нагрузок и добавления расчетных сейсмических нагрузок из динамического расчета, в здании на жестком основании.
Фоновая сейсмическая интенсивность принята 8 баллов по М8К-64.
Рис. 1. Расчетная конечно-элементная модель № 1 (а) и ее визуализация (б)
Проектный коэффициент ответственности для расчета на сейсмостойкость ^ = 1,1. Сейсмические нагрузки соответствуют уровню ПЗ (проектное землетрясение).
б
Рис. 2. Расчетная конечно-элементная модель № 2 (а) и ее визуализация (б) (окончание см. на с. 123)
Рис. 2. Окончание (начало см. на с. 122)
б
В расчетной схеме № 1 расчетной модели № 1 конструктивный расчет показал (рис. 3), что прочность ригеля не обеспечена, т. к. сечение одного стержня необходимой нижней продольной арматуры составляет Аф = 29,01 см2/м • 0,25 м = = 7,3 см2 - 032 А400 при фактическом значении А^ф = 3,8 см2 - 022 А400. Здесь 0,25 м - шаг продольных стержней ригеля.
б
а
Рис. 3. В расчетной схеме № 1 расчетной модели № 1:
а - эпюры изгибающих моментов (кНм) в поперечной раме; б - эпюра продольного армирования (см2/м) ригеля
В расчетной схеме № 2 расчетной модели № 1 из конструктивного расчета МФП получено, что кроме продольной арматуры в верхней и нижней сетках требуется также и поперечная арматура под стаканами фундамента (рис. 4). Необходимое расчетное армирование должно составлять:
- верхнее продольное армирование по осям Х и У - в интервале 06-12 А400/200;
- нижнее продольное армирование по осям Х и У - в диапазоне 012-16 А400/200;
- поперечное армирование под стаканами фундамента - 6,7 см2/м2.
а
б
Рис. 4. Расчетное армирование МФП в расчетной схеме № 2 расчетной модели № 1:
а - нижнее продольное армирование по оси Х; б - поперечное армирование под стаканами фундамента
Таким образом, после выполнения расчетов в расчетной модели № 1 для восстановления эксплуатационной пригодности здания появилась необходимость в разработке следующих технических решений:
1. Разобрать существующую кирпичную кладку наружных стен.
2. Демонтировать существующую деревянную крышу.
3. Наружные стены и кровлю выполнить из легких металлических сэндвич-панелей.
4. Разработать конструкцию металлического покрытия, частично разгружающего существующие ригели каркаса, с образованием сталежелезобе-тонной конструкции. В этом случае опорные узлы ребристых плит чердачного перекрытия с помощью вертикальных металлических стержней подвешиваются к узлам нижнего пояса новых металлических ферм.
Далее приводятся результаты расчета в расчетной модели № 2.
В расчетной схеме № 1 конструктивный расчет показал (рис. 5), что прочность ригеля обеспечена, т. к. величина сечения одного стержня необходимой нижней продольной арматуры стала составлять А^р = 15,31 см2/м • 0,25 м = = 3,8 см2 - 022 А400 при фактическом значении А^ф = 3,8 см2 - 022 А400.
Рис. 5. В расчетной схеме № 1 расчетной модели № 2:
а - эпюры изгибающих моментов (кНм) в поперечной раме; б - эпюра продольного армирования (см2/м) в ригеле
В расчетной схеме № 2 из конструктивного расчета МФП получено, что величина необходимой продольной арматуры в верхней и нижней сетках находится в диапазоне 06-12А4ОО/2ОО (рис. 6). Расчетное поперечное армирование не требуется. Таким образом, полученное расчетное армирование МФП соответствует ее фактическому армированию.
[см2/м]
Арн. стандарт 2 V
■ шпт 105/100 (02/200 (¡20/100 (11 В/100 (120/200 (11 В/200 (112/100 (11 Б/200 (112/200 (16/200 >
? £
■ -
1 1
Шкалы..,
Дополнительно
Рис. 6. Расчетное нижнее продольное армирование по оси Х в МФП в расчетной схеме № 2 расчетной модели № 2
Расчет здания с учетом сейсмического воздействия, при обоснованных технологических требованиях, следует также выполнять по второй группе предельных состояний. В расчетной схеме № 2 наибольшие вертикальные перемещения МФП составляют 6,6 мм (рис. 7), что значительно меньше максимально допустимого значения предельной осадки для каркасных зданий Sumax = 100 мм. Максимальная относительная разность вертикальных перемещений не превышала значения (6,6-3,0)/18000 = 0,0002, что также на порядок меньше предель-
но допустимой разности осадок (АБ/Ь)и = 0,002. Таким образом, в МФП условие по второй группе предельных состояний выполняется.
Рис. 7. Изополя вертикальных перемещений МФП в расчетной схеме № 2 расчетной модели № 2
В расчетной схеме № 2 величина вертикальных нормальных сжимающих напряжений в слое гранодиорита под подошвой МФП (отпор грунта) находится в диапазоне 18-37 кН/м2 под средней частью МФП и в диапазоне 37-75 кН/м2 в краевых зонах под МФП (рис. 8). Как и следовало ожидать, отпор грунта под МФП обеспечен с огромным запасом.
Рис. 8. Изополя отпора грунта под подошвой МФП в расчетной схеме № 2 расчетной модели № 2
Таким образом, в результате моделирования напряженно-деформированного состояния одноэтажного каркасного здания, получившего повреждения, можно сделать следующие выводы:
1. Расчетным путем установлено, что прочность железобетонных ригелей поперечных рам каркаса на основное сочетание нагрузок и прочность МФП на особое сочетание нагрузок не обеспечена.
2. При выполнении капитального ремонта здания с целью снижения нагрузки на МФП рекомендуется заменить существующую кирпичную кладку наружных стен на легкие металлические сэндвич-панели.
3. Разработать конструкцию металлического покрытия, частично разгружающую существующие ригели каркаса, с образованием сталежелезобе-тонной конструкции, в которой опорные узлы ребристых плит чердачного перекрытия с помощью вертикальных металлических стержней подвешиваются к узлам нижнего пояса новых металлических ферм.
4. После реализации предложенных технических решений несущие конструкции каркаса, фундамент и основание здания будут удовлетворять условиям по первой и по второй группам предельных состояний.
Библиографический список
1. Шашкин В.А. Эффекты взаимодействия оснований и сооружений // Развитие городов и геотехническое строительство. 2012. № 14. С. 141-167.
2. Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Взаимодействие здания и основания: методика расчета и практическое применение при проектировании / под ред. В.М. Улицкого. Санкт-Петербург : Стройиздат СПб, 2002. 48 с.
3. Шулятьев О.А. Основания и фундаменты высотных зданий. Москва, 2016. 392 с.
4. Шулятьев О.А. Фундаменты высотных зданий // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. 2014. № 4. С. 202-244.
5. Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Кузнецов Е.Н. О современных проблемах расчета высотных зданий из монолитного железобетона // Бетон и железобетон - пути развития : научн. тр. II Всерос. (Междунар.) конф. В пяти книгах. Т. 1. Пленарные доклады. Москва, 2005. С. 149-166.
6. Кабанцев О.В., Тамразян А.Г. Учет изменений расчетной схемы при анализе работы конструкции // Инженерно-строительный журнал. 2014. № 5. С. 15-26.
7. Алмазов В.О., Климов А.Н. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния конструкций высотного здания // Вестник МГСУ. 2013. № 10. С. 102-109.
8. Нуждин Л.В., Михайлов В.С. Численное моделирование свайных фундаментов в расчетно-аналитическом комплексе SCAD Office // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. 2018. № 1. С. 5-18.
9. Михайлов В.С., Теплых А.В. Учет характерных особенностей различных моделей основания при расчете взаимного влияния зданий на больших фундаментных плитах с использованием расчетно-аналитической системы SCAD Office // Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений : VI Международный симпозиум. Владивосток, 2016. С. 133-134.
10. Ющубе С.В., Подшивалов И.И., Филиппович А.А., Тряпицин А.Е. Моделирование напряженно-деформированного состояния кирпичного здания повышенной этажности на свайном фундаменте // Вестник гражданских инженеров. 2018. № 4 (69). С. 72-77.
References
1. Shashkin V.A. Effekty vzaimodeistviya osnovanii i sooruzhenii [Interaction between foundations and structures]. Razvitie gorodov i geotekhnicheskoe stroitel'stvo. 2012. No. 14. Pp. 141-167. (rus)
2. Shashkin A.G., Shashkin K.G. Vzaimodeistvie zdaniya i osnovaniya: metodika rascheta i prakticheskoe primenenie pri proektirovanii [Interaction of building and foundation: Design methodology and practical application], V.M. Ulitskii, Ed., Saint-Petersburg: Stroiizdat, 2002. 48 p. (rus)
3. Shulyat'ev O.A. Osnovaniya i fundamenty vysotnykh zdanii [Bases and foundations of high-rise buildings]. Moscow: ASV, 2018. 392 p. (rus)
4. Shulyat'ev O.A. Fundamenty vysotnykh zdanii [Foundations of high-rise buildings]. Vestnik PNIPU. Stroitel'stvo i arkhitektura. 2014. No. 4. Pp. 202-244. (rus)
5. Karpenko N.I., Karpenko S.N., Kuznetsov E.N. O sovremennykh problemakh rascheta vysotnykh zdanii iz monolitnogo zhelezobetona [Current problems in strength analysis of high-rise solid reinforced concrete buildings]. In: II Vseros. (Mezhdunar.) konf. Beton i zhele-zobeton - puti razvitiya. Nauchn. Tr. Konf. V pyati knigakh (Proc. 2nd Int. Sci. Conf. 'Concrete and Reinforced Concrete - Glance at Future'), in 5 vol., Vol. 1. 2005. Pp. 149-166. (rus)
6. Kabantsev O.V., Tamrazyan A.G. Uchet izmenenii raschetnoi skhemy pri analize raboty kon-struktsii [Consideration of changes in design diagram in structural analysis]. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. 2014. No. 5. Pp. 15-26. (rus)
7. Almazov V.O., Klimov A.N. Eksperimental'noe issledovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya konstruktsii vysotnogo zdaniya [Experimental investigation of stress-strain state of high-rise buildings]. VestnikMGSU. 2013. No. 10. Pp. 102-109. (rus)
8. Nuzhdin L.V., Mikhailov V.S. Chislennoe modelirovanie svainykh fundamentov v raschetno-analiticheskom komplekse SCAD Office [Creation of solid 3D CAD pile foundations in SCAD software]. VestnikPNIPU. Stroitel'stvo i arkhitektura. 2018. No. 1. Pp. 5-18. (rus)
9. Mikhailov V.S., Teplykh A.V. Uchet kharakternykh osobennostei razlichnykh modelei osno-vaniya pri raschete vzaimnogo vliyaniya zdanii na bol'shikh fundamentnykh plitakh s ispol'zovaniem raschetno-analiticheskoi sistemy SCAD Office [Allowing for characteristics of various design models in calculating mutual influence of buildings on pile-raft foundation in SCAD software]. In: VI Mezhdunarodnyi simpozium. Aktual'nye problemy komp'yuternogo modelirovaniya konstruktsii i sooruzhenii (Proc. 6th Int. Sci. Symp. 'Relevant Computer Modeling Problems of Structures'). Vladivostok, 2016. Pp. 133-134. (rus)
10. Yushchube S.V., Podshivalov I.I., Filippovich A.A., Tryapitsin A.E. Modelirovanie naprya-zhenno-deformirovannogo sostoyaniya kirpichnogo zdaniya povyshennoi etazhnosti na svainom fundamente [Stress-strain state modeling of high-rise brick building on pile foundation]. Vestnikgrazhdanskikh inzhenerov. 2018. No. 4 (69). Pp. 72-77. (rus)
Сведения об авторах
Подшивалов Иван Иванович, канд. техн. наук, доцент, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, ivanpodchiv-alov@list.ru
Андриенко Ирина Арсентьевна, инженер, ООО «СПТЦ», 634059, г. Томск, ул. Стародеповская, 1, ia_andrienko_29@mail.ru
Authors Details
Ivan I. Podshivalov, PhD, A/Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia; ivanpodchivalov@list.ru
Irina A. Andrienko, Engineer, OOO "SPTTs", Tomsk, Russia, ia_andrienko_29@mail.ru
