Анализ изменения усилий в конструкциях при учете стадийности возведения

Полный текст

Введение В настоящее время в нормативных документах не существует строгих требований к расчетам с учетом стадийности возведения. Поэтому большинство расчетов строительных конструкций, зданий и сооружений проводятся без учета стадийности возведения, что может приводить к существенным погрешностям в результатах расчетов. В соответствии с требованиями ФЗ № 384 (ст. 16) расчетные модели (в том числе расчетные схемы) строительных конструкций и оснований должны отражать действительные условия работы здания или сооружения. Таким образом, задача исследования напряженно-деформированного состояния с учетом поэтапного изменения расчетных моделей является актуальной и требует реализации при проведении расчета несущих конструкций сооружений и зданий [1]. В случае, когда нагрузка к зданию прикладывается одномоментно, его напряженно-деформированное состояние может отличаться от ситуации, когда нагрузка прикладывается в процессе возведения. Это происходит из-за изменения расчетной схемы здания при его деформировании в ходе возведения. Если изменения расчетной модели являются существенными, то задача должна решаться в генетически нелинейной постановке. Данный вид нелинейности является разновидностью геометрической нелинейности, возникающей в процессе возведения сооружения. Существующая практика расчетных обоснований конструктивных решений сооружений и зданий основывается на проведении статических расчетов в рамках процедуры одноэтапного расчета. При этом жесткостные и геометрические характеристики принимаются постоянными для всего расчетного процесса. Величины и характер приложения статических нагрузок на модель принимаются неизменными при проведении расчета. При расчете без учета стадийности возведения в колоннах верхних этажей зданий и сооружений могут возникать достаточно большие растягивающие усилия, наблюдаются характерные горизонтальные смещения этажей конструкции, т.е. отклонения от вертикали оси здания. Источниками перекосов могут являться локально расположенные жесткие узлы лестнично-лифтовых блоков (нерегулярность жесткостей здания в плане) и неравномерные деформации основания сооружения [2]. Данное явление объясняется неучетом стадийности возведения конструкций, считается, что здание загружается одномоментно, а это не верно. Горизонтальные смещения этажей, расположенных ниже уровня монтажа соответствующего этапа, необходимо компенсировать, учитывая их при расчете [3]. Процесс фактического строительства в общем случае является многоэтапным и тесно связан с последовательностью выполняемых операций на строительной площадке. При этом, в том или ином порядке, могут выполняться работы по установке и удалению некоторых элементов системы, установке и удалению дополнительных грузов, изменению состояния связей. Кроме того, бетон набирает расчетную прочность в течение определенного времени [4]. Методика расчета Для корректного учета вышеуказанных замечаний в современных отечественных (ЛИРА [5; 6], СКАД [7]) и зарубежных (ANSYS [8], LS-DYNA [9]) программных комплексах созданы специальные модули с условным названием «Монтаж», которые позволяют провести компьютерное моделирование процесса возведения конструкции, проследив последовательное изменение конструктивной схемы, установку и снятие монтажных нагрузок. Эти модули также позволяют создавать стадии демонтажа, в рамках которых можно как демонтировать конструкции, так и убирать нагрузки. На каждой стадии возведения производится расчет соответствующей конструктивной схемы здания, содержащей элементы, смонтированные (или демонтированные) к этому моменту. При этом может производиться учет текущих прочности и модуля деформации бетона, а также наличия временных стоек опалубки [10]. Если проектной арматуры или проектного железобетонного сечения оказывается недостаточно, то необходимы корректировки проектных решений. Рис. 1. Расчетная схема здания [Figure 1. A design scheme of the building] Рассмотрим высотный жилой дом, который представляет собой 39-этажное здание в форме трапеции, в плане с максимальными размерами по осям 1-17/А-Р 30,95×52,15 м и максимальной высотой 143,3 м (рис. 1). Каркас здания предусматривается в виде безригельного пространственного каркаса, включающего соединение фундаментов, колонн, стен, а также лестнично-лифтовых узлов, жестко связанных с монолитными перекрытиями. Пространственная жесткость и устойчивость здания обеспечивается совместной работой стен и колонн, стен лестнично-лифтовых блоков и плит перекрытий. Несущие конструкции выполнены из монолитного железобетона: фундаментные плиты - бетон класса В35; наружные стены - бетон класса В40; колонны и внутренние стены - бетон класса В40; плиты перекрытий - бетон класса В35, В30; площадки лестниц и лестничные марши - бетон класса В25. Мкртычев О.В., Андреев М.И., Сидоров Д.С. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2018. Т. 14. № 4. С. 293-298 Результаты расчета Ниже приведены конечные деформированные схемы с изополями перемещений по Х без учета (рис. 2, а) и с учетом (рис. 2, б) стадийности возведения. Основные результаты расчета приведены в табл. 1. -210 -175 -140 -105 -70 -35 -2.1 0 17 Изополя перемещений по X(G) Единицы измерения мм Z Y -60.3 -50.2 -40.2 -30.1 -20.1 -10 -0.603 0 Нелинейное загружение 26 Изополя перемещений по X(G) Единицы измерения мм Z Y Рис. 2. Деформированная схема с изополями перемещений по Х: a - без учета стадийности возведения; б - с учетом стадийности возведения [Figure 2. Deformed scheme with isofields for X-direction: a - without regard to the erection level; б - taking into account the erection level] Таблица 1 Основные результаты расчета [Table 1. Main results of calculation] Без учета стадийности [Without regard to stage] С учетом стадийности [Taking into account the stage] Перемещения по Х, мм [Displacement Х, mm] 210 60,3 Перемещения по Y, мм [Displacement Y, mm] 372 102 Перемещения по Z, мм [Displacement Z, mm] 346 306 Усилия Мх, т*м/м (ФП) [Stress Мх, t*m/m (foundation)] 466(-559) 498(-547) Усилия Мy, т*м/м (ФП) [Stress Мy, t*m/m (foundation)] 681(-685) 628(-559) Усилия N, т (колонны) [Stress N, t (column)] -635 (27,6) -775 Далее приведены усилия N в колоннах без учета (рис. 3, а) и с учетом (рис. 3, б) стадийности возведения. -635 -529 -423 -317 -212 -106 -0.2760.276 27.6 17 Мозаика N Единицы измерения т Z Y X а -775 -645 -516 -387 -258 -129 -7.75 -0.198 Нелинейное загружение 26 Мозаика N Единицы измерения т Z Y X Рис. 3. Усилия N в колоннах: а - без учета стадийности возведения; б - с учетом стадийности возведения [Figure 3. Efforts N in the columns: a - without regard to the stage of construction; б - taking into account the stage of construction] Выводы Сравнительный анализ перемещений показывает, что при учете стадийности возведения наблюдаются меньшие (в 7 раз) горизонтальные перемещения верха здания. Такие результаты принципиально соответствуют данным, полученным по итогам мониторинга различных многоэтажных высотных зданий. Следует отметить, что при расчете без учета стадийности возведения возникают растягивающие усилия N до 28 тс в колоннах верхних этажей (рис. 3, а), что не соответствует действительности. Растягивающие усилия не наблюдается при учете последовательности возведения (рис. 3, б). Из сравнительного анализа результатов также видно, что при моделировании здания с учетом стадийности возведения наблюдается более адекватная картина в части распределения напряжений и усилий (сглаженный характер) по несущим элементам каждого этажа, что приводит к экономии бетона и арматуры. Заключение Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о необходимости учета стадийности возведения при проектировании высотных зданий и сооружений. Для решения таких задач необходимо выполнять расчеты в нелинейной постановке [11; 12].

Об авторах

Олег Вартанович Мкртычев

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: mkrtychev@yandex.ru

доктор технических наук, профессор кафедры сопротивления материалов, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. Опубликовал более 150 научных статей, монографий и учебных пособий. Область научных интересов: теория надежности строительных конструкций, вероятностные методы расчета, теория сейсмостойкости сооружений, численные методы расчета, нелинейные динамические методы расчета, математическое и численное моделирование работы зданий и сооружений

Ярославское шоссе, 26, Москва, Российская Федерация, 129337

Михаил Иванович Андреев

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Email: misha-andreev_93@mail.ru

аспирант кафедры сопротивления материалов, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. Научный руководитель - доктор технических наук, профессор О.В. Мкртычев. Область научных интересов: теория надежности строительных конструкций, теория сейсмостойкости сооружений, нелинейные динамические методы расчета

Ярославское шоссе, 26, Москва, Российская Федерация, 129337

Дмитрий Сергеевич Сидоров

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Email: dimacolt@yandex.ru

кандидат технических наук, главный конструктор Научно-исследовательской лаборатории «Надежность и сейсмостойкость сооружений» (НИЛ НСС), Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет. Область научных интересов: теория надежности строительных конструкций, теория сейсмостойкости сооружений, проектирование и расчеты зданий и сооружений

Ярославское шоссе, 26, Москва, Российская Федерация, 129337

Список литературы