Моделирование процесса возведения высотного каркасно-монолитного здания Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.07

DOI 10.24411/2686-7818-2020-10040

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОЗВЕДЕНИЯ ВЫСОТНОГО КАРКАСНО-МОНОЛИТНОГО ЗДАНИЯ*

© 2020 В.Н. Уткина, Е.С. Безрукова**

В статье рассматривается проблема учета последовательности возведения высотного здания. Выполнено моделирование процесса возведения и расчет высотного каркасно-монолитного здания гостиницы методом конечных элементов в ПК МОНОМАХ-САПР. Приведены результаты расчета конструкций.

Ключевые слова: высотное каркасно-монолитное здание, учет поэтапности возведения, напряженно-деформированное состояние конструкций, результаты МКЭ-расчета.

Проблема учета последовательности возведения зданий с каждым годом приобретает все большую актуальность. Пристальное внимание задаче исследования напряженно-деформированного состояния с учетом поэтапного изменения расчетных моделей уделяется на ежегодном Международном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений». Моделирование процесса возведения имеет особое значение для проектирования конструкций высотных зданий из монолитного железобетона.

Требования к обеспечению безопасности зданий и сооружений на всех стадиях жизненного цикла устанавливает Федеральный закон от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Согласно закону «расчетные модели (в том числе расчетные схемы, основные предпосылки расчета) строительных конструкций и основания должны отражать действительные условия работы здания или сооружения, отвечающие рассматриваемой расчетной ситуации».

Это требование находит отражение во многих нормативно-правовых документах. СП 430.1325800.2018 «Монолитные конструктивные системы. Правила проектирования» рекомендует проектировать монолитные конструктивные системы с учетом их жизненного цикла и с учетом параметров долговечности, моделей разрушения и т.п. [1]. Аналогичные рекомендации предлагает СП 267.1325800.2016 «Здания и комплексы высотные. Правила проектирования»: расчет несущей конструктивной системы следует проводить для последовательных стадий возведения (при существенном изменении ситуации) и для стадии эксплуатации, принимая расчетные схемы, отвечающие рассматриваемым стадиям [2].

Как показывает анализ порядка возведения сооружений, здание, за исключением самых простых случаев, создается постадий-но (сначала возводится фундамент, затем -конструкции одного этажа за другим). При этом каждой стадии создания конструкции соответствует своя расчетная схема [3].

Существующая практика расчета основывается на проведении статических одноэтапных

* 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» Почетного 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.

расчетов, когда жесткостные и геометрические характеристики, а также величина и характер приложения нагрузок на модель принимаются неизменными для всего процесса расчета.

В процессе возведения высотного здания или сооружения вместе с изменением его формы и размеров происходит изменение прилагаемых нагрузок, действующих на сооружение. При этом напряженно-деформированное состояние (НДС) возводимого здания или сооружения изменяется до тех пор, пока не сформируется окончательно после завершения строительства, причем конечное НДС отличается от того, которое получается при одновременном приложении всех действующих сил к уже возведенному сооружению [4].

В случае значительного изменения расчетной модели задача определения напряженно-деформированного состояния сооружения при учете последовательности возведения решается в генетически нелинейной постановке - одной из разновидностей геометрической нелинейности [5].

Во многих современных программных комплексах предусмотрена возможность моделирования процесса возведения конструкции путем использования специальных модулей «Монтаж» (ЛИРА, SCAD, МОНОМАХ, STARKES, ANSYS, LS-DYNA и др.) [см. 6].

В данной работе моделирование возведения и расчет здания осуществляется методом конечных элементов в программе КОМПОНОВКА программного комплекса МОНОМАХ САПР.

Объектом моделирования является высотное здание гостиницы, которое имеет в плане прямоугольную форму с максимальными размерами 51,3Ч45,9 м и высоту 75,3 м (23 этажа). Конструктивная схема здания представляет собой каркас с диафрагмами жесткости из монолитного железобетона. Пространственная жесткость и устойчивость здания, а также восприятие внешних силовых воздействий обеспечивается совместной работой фундаментной плиты, несущих стен и колонн, плит перекрытий и покрытия.

Несущие конструкции выполнены из монолитного железобетона. Фундаментная плита - из бетона класса В40 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 200-400 мм - из бетона класса В35. Рабочая продольная арматура - А500С, конструктивная - А240.

Проектируемое высотное здание гостиницы и расчетная схема конструктивной системы показаны на рис. 1.

Рис. 1. Здание гостиницы и расчетная схема конструктивной системы

В ПК МОНОМАХ-САПР реализована возможность учета поэтапности возведения здания с выравниванием уровней перекрытий [7]. Для этого в окне « МКЭ расчет» необ -ходимо указать номера тех этажей, которые входят в тот или иной этап. При этом собственный вес всегда прикладывается к элементам в момент их возведения; для остальных нагрузок постоянного загружения рекомендуется указывать момент их появления. Нагрузки других загружений прикладываются после возведения всего здания.

В рамках каждой монтажной стадии производится расчет той конструктивной системы здания, которая содержит относящиеся к этой стадии элементы и нагрузки. Посредством МКЭ-расчета вычисляются накапливаемые в процессе возведения усилия и напряжения для элементов. При расчете без учета возведения в колоннах верхних этажей здания могут возникать достаточно большие растягивающие усилия. Модуль «Монтаж» приравнивает к нулю перемещения узлов, добавляемых перед расчетом каждой новой стадии. Таким образом, перемещения узлов накапливаются с определенным выравниванием в процессе возведения, что дает более верную картину.

Были рассмотрены пять этапов возведения здания, на каждом из них учитывалось понижение прочности бетона конструкций и различное время приложения нагрузок от наружных стен:

❖ 1-й этап (с -2-го по 3-й этажи),прочность бетона составляет 0,3 от проектного значения, нагрузка от стен появляется после возведения 6-го этажа;

❖ 2-й этап (с 4-го по 8-й этажи), прочность бетона 1-го и 2-го этапа - 0,6 и 0,3 от проектного значения соответственно, нагрузка от стен появляется после возведения 11-го этажа;

❖ 3-й этап (с 9-го по 13-й этажи), прочность бетона 1-го, 2-го и 3-го этапа - 0,8, 0,6 и 0,3 от проектного значения соответственно, нагрузка от стен появляется после возведения 16-го этажа;

❖ 4-й этап (с 14-го по 18-й этажи),прочность бетона 1-го этапа проектная, 2-го, 3-го и 4-го этапа - 0,8, 0,6 и 0,3 от проектного значения соответственно, нагрузка от стен появляется после возведения 21-го этажа;

❖ 5-й этап (с 19-го по 23-й этажи),прочность бетона 1-го и 2-го этапов проектная, 3-го, 4-го и 5-го этапа - 0,8, 0,6 и 0,3 от проектного значения, нагрузка от стен появляется после возведения всего здания.

Рис. 2. Монтажные стадии в окне расчетного процессора

84 © INO "Institution of Forensic Construction and Technological Expertise", 2020

Монтажные стадии в окне расчетного процессора показаны на рис. 2.

Процесс возведения здания состоит из нескольких этапов, в рамках каждого из которых выполняется создание фрагмента конструкции путем наращивания от яруса к ярусу. При этом поэтапно формируется полная система, соответствующая проектному решению. На каждом из этапов возведения происходит замыкание локальной подсистемы конструк-

ции и некоторого предварительного напряженно-деформированного состояния, которое может влиять на итоговое состояние системы.

Главной особенностью работы системы несущих конструкций является факт наследования напряженно-деформированного состояния от этапа к этапу. Этим объясняется увеличение продольных усилий в колоннах (табл. 1) и изменение усилий в плитах (табл. 2 и 3).

Таблица 1. Продольные усилия в колоннах -1-го этажа

Номер колонны Усилие в колоннеЫ, тс

Традиционная расчетная технология Учет поэтапного возведения здания

тт тах тт тах

2 2 -1522,02 -1507,02 -1530,89 -1515,89

2 3 -1397,63 -1382,63 -1408,71 -1393,71

2 5 -1495,16 -1480,16 -1510,79 -1495,79

2 8 -1423,23 -1408,23 -1456,62 -1441,62

Таблица 2. Перемещения и усилия в фундаментной плите

Параметр Экстремальное значение усилия

Традиционная расчетная технология Учет поэтапного возведения здания

тт тах тт тах

Перемещение по оси 7, мм -138,0 -125,0 -138,0 -124,0

Мх, (тс-м)/м -87,2 146,0 -85,8 140,0

Му, (тс-м)/м -91,4 117,0 -90,7 118,0

Ох, тс/м -225,0 235,0 -225,0 238,0

Оу, тс/м -237,0 208,0 -236,0 218,0

Таблица 3. Перемещения и усилия в плитах перекрытий 15-го и 23-го этажей

Экстремальное значение усилия

Параметр Традиционная расчетная технология Учет поэтапного возведения здания

тт тах тт тах

15-й этаж

Перемещение по оси 7, мм -167,0 -129,0 -160,0 -125,0

Мх, (тс-м)/м -7,40 5,12 -7,18 5,05

Му, (тс-м)/м -6,36 4,19 -6,01 4,15

Ох, тс/м -27,9 32,7 -24,9 31,0

Оу, тс/м -68,7 118,0 -65,2 113,0

23-й этаж

Перемещение по оси 7, мм -170,0 -143,0 -159,0 -134,0

Мх, (тс-м)/м -4,53 2,92 -3,81 2,71

Му, (тс-м)/м -4,53 2,13 -3,76 2,08

Ох, тс/м -4,02 4,39 -3,30 3,90

Оу, тс/м -21,9 8,46 -19,9 6,22

С ростом этажности происходит постепенное увеличение нагрузки на грунт и значений перемещений, перераспределение усилий в конструкциях, вызванное дополнительными деформациями нового этажа. Результаты для разных монтажных стадий представлены на рис. 3 и в табл. 4, 5.

При расположении диафрагм жесткости в середине рамы, вертикальные деформации колонн, примыкающих к диаф-

рагме, будут меньше, чем у крайних, ввиду большей их жесткости. Особую опасность представляют собой крайние ячейки каркаса, именно в них разность между продольными деформациями крайних и внутренней ближайшей колонны будет наибольшей. Внутри здания средние колонны работают практически в одинаковых условиях и их продольные деформа -ции мало отличаются.

f

m -"-* . j | A

v. s À

Рис. 3. Деформированная схема и изополя перемещений по оси 7 на всех монтажных стадиях

Таблица 4. Перераспределение усилий в наиболее нагруженных колоннах подвала от постоянной нагрузки

Усилие Колонна 2 8 Колонна 2 10

Ст. 1 Ст. 2 Ст. 3 Ст. 4 Ст. 5 Ст. 1 Ст. 2 Ст. 3 Ст. 4 Ст. 5

My, тс-м -6,63 -6,93 -7,52 -7,85 -6,92 -6,73 -7,26 -8,18 -8,87 -8,58

9,48 9,51 11,9 12,36 10,68 9,43 9,97 12,98 14,36 14,66

Mz, тс-м -3,16 -4,88 -8,11 -10,08 -13,73 -1,01 -1,33 -2,49 -2,77 -4,22

3,89 6,01 10,25 12,66 17,41 1,86 2,66 4,57 5,72 8,41

N, тс -274,6 -623,7 -961,8 -1265 -1444 -274,2 -614,0 -942,8 -1224 -1363

-259,6 -608,7 -946,8 -1250 -1429 -259,2 -599,0 -927,8 -1209 -1348

Таблица 5. Изменение экстремальных значений моментов, усилий и перемещений

на всех стадиях монтажа

Усилие от постоянной нагрузки Модель здания

Ст. 1 Ст. 2 Ст. 3 Ст. 4 Ст. 5

Мх, (тс-м)/м -20,2 -39,3 -53,6 -69,1 -84,8

32,2 61,6 81,5 105,0 141,0

Му, (тс-м)/м -18,9 -38,7 -56,3 -73,7 -89,4

26,6 50,5 75,3 99,0 116,0

Ох, тс/м -50,2 -97,2 -143,0 -190,0 -224,0

55,1 106,0 157,0 206,0 237,0

Оу, тс/м -84,0 -124,0 -175,0 -194,0 -236,0

60,9 99,2 145,0 186,0 219,0

Перемещение по оси 7, мм -18,2 -40,8 -67,9 -97,8 -124,0

-34,6 -66,4 -104,0 -149,0 -185,0

Анализируя результаты расчета модели здания с учетом поэтапного возведения, отмечаем различия с теми значениями, которые получены при МКЭ-расчете по традиционной технологии.

Экстремальные значения вертикальных перемещений по оси 1 для плит перекрытий снижаются. Это обусловлено уменьшением осадки нижележащих опор при учете процесса монтажа. В традиционной постановке задачи перемещения увеличивались за счет сложения нагрузок от всех конструкций сразу. При учете монтажа нагрузки суммируются постепенно, осадки по каждому этажу становятся меньше, что дает в конечном результате разницу по перемещениям на верхних этажах.

Незначительно изменились величины усилий для фундаментной плиты и колонн нижнего этажа. Однако на различных стадиях монтажа усилия в колоннах значительно отличаются. Добавляется нагрузка от вышележащих этажей, что увеличивает продольные сжимающие усилия и моменты.

Таким образом, сравнительный анализ результатов показывает, что при моделировании здания с учетом возведения наблюдается несколько иная картина распределения напряжений и усилий, разница в результатах при двух способах расчета незначительна на нижних этажах, но по мере увеличения высоты здания она возрастает. Для объектов высотного строительства расчет с учетом поэтапного возведения необходим. Он позволит инженерам правильно оценить напряженно-деформированное состояние и

реальную работу конструкций, что может привести к экономии бетона и арматуры при их проектировании.

Библиографический список

1. СП 430.1325800.2018 Монолитные конструктивные системы. Правила проектирования. - М.: Минстрой России, 2018. - 64 с.

2. СП 267.1325800.2016 Здания и комплексы высотные. Правила проектирования. - М.: МинстроиО России, 2016. - 122 с.

3. Перельмутер А. В. Анализ конструкций с изменяющейся расчетной схемой / А.В. Перельмутер, О.В. Кабанцев. - М.: Издательство СКАД СОФТ, Издательский дом АСВ, 2015. - 148 с.

4. Рудых О.Л. Нелинейный расчет напряженно-деформированного состояния сооружений при учете последовательности возведения / О.Л. Рудых // Вестник ИрГТУ,2010. -№ 1 (41). -С. 239-244.

5. Мкртычев О.В. Анализ изменения усилий в конструкциях при учете стадийности возведения / О.В. Мкртычев, М.И. Андреев, Д.С. Сидоров // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2018. -№ 14 (4). - С. 293-298.

6. Уткина В.Н.Исследование устойчивости конструктивной системы высотного общественного здания в программных комплексах ЛИРА-САПР и STARKES / В.Н. Уткина, Е.С. Безрукова // Эксперт: теория и практика. - 2020. - № 3 (6). -С. 69-73. DOI 10.24411/2686-7818-2020-10028

7. Городецкий А.С. МОНОМАХ-САПР - программный комплекс для автоматизированного проектирования железобетонных и армокамен-ных конструкций многоэтажных каркасных зданий / А.С. Городецкий, А.А. Лазарев // Новые компьютерные технологии. - 2011. -№ 1 (9). -С. 38-41.

Поступила в редакцию 03.06.2020 г.

ЭКСПЕРТ:

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

2020. № 4 (7)

MODELING OF THE CONSTRUCTION PROCESS OF A HIGH-RISE FRAME-MONOLITHIC BUILDING

The article deals with the problem of accounting for the sequence of a high-rise building. Modeling of the construction process and calculation of a high-rise frame-monolithic hotel using the finite element method in the PC MONOMAKH-CAD is performed. The results of the calculation of structures are presented.

Keywords: high-rise frame-monolithic building, taking into account the stages of construction, stressstrain state of structures, results of the FEM-calculation.

* Utkina Vera Nikolaevna - Candidate of technical, Associate Professor, Bezrukova Evgenia Sergeevna -Postgraduate; both - Mordovian State University named after N. P. Ogarev (Saransk, Russia).

© 2020 V.N. Utkina, E.S. Bezrukova*

Received for publication on 03.06.2020