Коэффициент линейного расширения кирпичной кладки для скад
Несколько примеров расчета в SCAD Office
Программный комплекс SCAD помимо расчетного модуля конечно-элементного моделирования имеет в своем составе набор программ, способных выполнять решение более частных задач. Ввиду своей автономности набор программ сателлитов можно использовать отдельно от основного расчетного модуля SCAD, причем не запрещается выполнять совместные расчеты с альтернативными программными комплексами (ПК ЛИРА 10, Robot Structural Analysis, STARK ES). В данной статье мы рассмотрим несколько примеров расчета в SCAD Office.
Пример подбора арматуры в ребре плиты заводской готовности в программе SCAD
Плита будет монтироваться на стройплощадке, например, на кирпичные стены шарнирно. Моделировать для такой задачи всю плиту, часть здания или целиком все здание считаю нецелесообразным, поскольку трудовые затраты крайне несоизмеримы. На помощь может прийти программа АРБАТ. Ребро рекомендуется нормами рассчитывать, как тавровое железобетонное сечение. Меню программного комплекса SCAD интуитивно-понятное: по заданному сечению, армированию и усилию инженер получает результат о несущей способности элемента со ссылкой на пункты нормативных документов. Результат расчета может быть автоматически сформирован в текстовом редакторе. На ввод данных уходит примерно 5-10 мин, что значительно меньше формирования конечно элементной модели ребристого перекрытия (не будем забывать, что в определенных ситуациях расчет методом конечных элементов дает больше расчетных возможностей).
Пример расчета закладных изделий в SCAD
Теперь вспомним расчет закладных изделий для крепления конструкций к железобетонным сечениям.
Нередко встречаю конструкторов, закладывающих параметры из конструктивных соображений, хотя проверить несущую способность закладных довольно просто. Для начала необходимо вычислить срезающее усилие в точке крепления закладной детали. Сделать это можно вручную, собрав нагрузки по грузовой площади, или по эпюре Q конечно-элементной модели. Затем воспользоваться специальным расчетным боком программы АРБАТ, занести данные по конструкции закладной детали и усилиям, и в итоге получить процент использования несущей способности.
Еще с одним интересным примером расчета в SCAD может столкнуться инженер: определение несущей способности деревянного каркаса. Как мы знаем, ввиду ряда причин расчетные программы МКЭ (метод конечных элементов) не имеют в своем арсенале модули расчета деревянных конструкций по российским нормативным документам. в связи с этим расчет может производится вручную или в другой программе. Программный комплекс SCAD предлагает инженеру программу ДЕКОР.
Помимо данных по сечению, программа ДЕКОР потребует от инженера ввода расчетных усилий, получить которые поможет ПК ЛИРА 10. Собрав расчетную модель, можно присвоить стержням параметрическое сечение дерева, задать модуль упругости дерева и получить усилия по деформационной схеме:
Полученные усилия далее необходимо задать в программе ДЕКОР для расчета сопротивления деревянного сечения.
В данном примере расчета в SCAD, критическим значением оказалась гибкость элемента, запас по предельному моменту сечений «солидный». Вспомнить предельное значение гибкости деревянных элементов поможет информационный блок программы ДЕКОР:
Пример расчета несущей способности фундамента в SCAD
Неотъемлемой частью моделирования свайно-плитного фундамента является расчет несущей способности и осадки сваи. Справится с задачей подобного рода, инженеру поможет программа ЗАПРОС. В ней разработчики реализовали расчет фундаментов согласно нормам «оснований и фундаментов» и «свайного фундамента» (в расчетных программах МКЭ таких возможностей не встретишь). Итак, чтобы смоделировать сваю, необходимо вычислить жесткость одноузлового конечного элемента. Жесткость измеряется в тс/м и равна отношению несущей способности сваи к ее осадке. Моделирование рекомендуется выполнять итерационно: в начале задавать приближенную жесткость, затем уточнять значение жесткости по вычисленным параметрам сваи. Построенная модель расчета методом конечных элементов позволит нам не только точно найти нагрузку на сваю, но и рассчитать армирование ростверка:
После расчета конструкции пользователь ПК ЛИРА 10 сможет вычислить требуемую нагрузку на сваю по выводу мозаики усилий в одноузловом конечном элементе. Полученное максимальное усилие будет являться требуемой расчетной нагрузкой на сваю, несущая способность выбранной сваи должна превышать требуемое значение.
В качестве исходных данных в программу ЗАПРОС вводиться тип сваи (буровая, забивная), параметры сечения сваи и грунтовые условия согласно данным геологических изысканий.
Пример расчета узловых соединений в SCAD
Расчет узловых соединений – важная часть анализа несущей способности зданий. Однако, зачастую, конструктора пренебрегают данным расчетом, результаты могут оказать крайне катастрофическим.
На рисунке приведен пример отсутствие обеспечения несущей способности стенки верхнего пояса подстропильной фермы в точке крепления стропильной фермы. Согласно СП «Стальные конструкции» подобные расчеты производятся в обязательно порядке. В программа расчета методом конечных элементов и такого расчета тоже не встретишь. Выходом из ситуации может стать программа КОМЕТА-2. Здесь пользователь найдет расчет узловых соединений согласно действующих нормативных документов.
Наш узел – ферменный и для его расчета необходимо выбрать советующий пункт в программе. Далее пользователь выбривает очертание пояса (наш случай V-образный), геометрические параметры панели, усилия каждого стержня. Усилия, как правило, вычисляются в расчетных программах МКЭ. По введенным данным программа формирует чертеж для наглядного представления конструкции узла и вычисляет несущую способность по всем типам проверки согласно нормативным документам.
Пример построения расчета МКИ в SCAD
Построение моделей расчета методом конечных элементов не обходится без приложения нагрузок, вычисленные вручную значения присваиваются в расчетных программах МКЭ на элемент. Помощь в сборе ветровых и снеговых нагрузках инженеру окажет программа ВЕСТ. Программа включает в себя несколько расчетных модулей, позволяющих по введенном району строительства и очертанием контура здания вычисляет ветровую и снеговую нагрузку (самые распространенные расчетные модули программы ВЕСТ). Так, при расчете навеса, конструктор должен указать высоту конька, угол наклона и ширину ската. По полученным эпюрам нагрузка вводится в расчетную программу, например, ПК ЛИРА 10.4.
В качестве вывода, могу сказать, что программный комплекс SCAD и его сателлиты позволяют пользователю существенно снизить трудозатраты при вычислении локальных задач, а также формировать точные расчетные модели, а также содержат справочные данные, необходимые в работе инженеров - строителей. Автономность программ позволяет конструкторам использовать их в сочетании с любыми расчетными комплексами, основанных на расчете методом конечных элементов.
Также рекомендую посмотреть вебинар по совместному использованию ПК ЛИРА 10 и программы ЗАПРОС (SCAD office) на примере расчета свайного основания.
Коэффициенты линейного расширения строительных материалов
В таблице рассмотрены: алюминий Al, медь Cu, сталь, гранит, базальт, кварцит, песчаник, известняк, стеновой кирпич, клинкерный кирпич, силикатный кирпич, легкобетонные камни, газобетонные блоки, бетон, железобетон, цементный раствор, известковый раствор, сложные штукатурки, дерево, параллельно волокнам, стекло.
Из указанных строительных материалов наиболее низким коэффициентом теплового линейного расширения обладает клинкерный кирпич (его КТЛР равен 3,5·10 -6 1/град), а также древесина, штукатурки, стеновой кирпич и базальт. Следует отметить, что высокий коэффициент теплового расширения свойственен металлам таким, как алюминий, медь или сталь. Например, коэффициент линейного расширения алюминия равен 24·10 -6 1/град, что в 2 раза больше, чем у стали.
Коэффициент теплового линейного расширения показывает на сколько (относительно размера тела) удлинится материал при увеличении его температуры на 1 градус.
Чтобы вычислить увеличение линейных размеров материала за счет теплового расширения, необходимо умножить значение температурного коэффициента линейного расширения на линейный размер материала и на разность температур в градусах Цельсия или Кельвина. Например, стеновой кирпич (КТЛР= 0,000006 град -1 ) длиной 240 мм при нагревании на 100 градусов удлинится на 0,144 мм.
По значениям коэффициентов теплового расширения в таблице видно, что указанные строительные материалы и металлы имеют положительный коэффициент линейного расширения, то есть увеличивают свои размеры (расширяются) при нагревании.
Использование SCAD для расчета кирпичных зданий
Возникла проблема при расчете кирпичного здания в скаде. Суть в том, что
1 характеристики кирпичной кладки в разных направлениях разные а в снипе есть только в одном направлении
2 я делал каркас из пластин, но какое они имеют сопряжение и как его задать
3 плиты перекрытия и покрытия они обязательно должны иметь все 4 общих узла с несущей стеной? я просто выделял четыре узла, делал одну большую пластину и потом ее делил на нужное количество
Технологии построения расчетных моделей кирпичных зданий в системе SCAD.
Описание слайда:
Технологии построения расчетных моделей кирпичных зданий в системе SCAD.
Теплых А.В. - главный конструктор ООО «КБТ» г. Самара.
Описание слайда:
План презентации.
Обзор кирпичных зданий, рассчитанных с применением МКЭ в различных системах.
Требования нормативных документов к выполнению расчетов кирпичных зданий.
Методика построения расчетных моделей в Scad.
Особенности анализа напряженного состояния здания.
Применение откорректированной модели для расчета по раскрытию трещин смежных участков стен.
Демонстрация возможности применения специализированного ПО интегрированного с системой Scad через API.
В переводе с языка программистов на русский
API – интерфейс взаимодействия приложений
Описание слайда:
Обзор кирпичных зданий, рассчитанных с применением МКЭ в различных системах.
Расчет выполнен в 1998 г.
в системе «Полина»
Описание слайда:
Обзор кирпичных зданий, рассчитанных с применением МКЭ в различных системах.
Расчет выполнен в 2002 г.
в системе «STARK_ES»
Описание слайда:
110925 степ. своб.
Время решения 15 мин.
1800 МГц
512 МБ ОЗУ
Обзор кирпичных зданий, рассчитанных с применением МКЭ в различных системах.
Расчет выполнен в 2004 г.
в системе «SCAD»
Описание слайда:
113503 степ. своб.
Время решения 20 мин.
1800 МГц
512 МБ ОЗУ
Обзор кирпичных зданий, рассчитанных с применением МКЭ в различных системах.
Расчет выполнен в 2004 г.
в системе «SCAD»
Описание слайда:
Требования нормативных документов к выполнению расчетов кирпичных зданий.
Перечень необходимых проверок представлен в п. 6.11 СНиП II-22-81*.
Описание слайда:
В качестве результатов расчета имеет смысл использовать только мембранные составляющие напряжений Nx или Ny, а также для определения поперечных сил приходящихся на отдельные участки стен результаты расчета нагрузок от фрагмента схемы от расположенной выше рассматриваемого сечения части здания для расчета и на главные растягивающие напряжения согласно п. 6.12 СНиП II-22-81*.
Моменты от опирания перекрытий с эксцентриситетом, изменения толщины стен и от ветровой нагрузки учитываются отдельно и добавляться к полученным мембранным составляющим напряжений в соответствии с правилами изложенными в СНиП II-22-81* и пособим к нему.
На участках между простенками над и под проемами возможно образование трещин, учет которых не представляется возможным, и эти участки исключаются из силовой работы. Участки стен между оконными проемами в расчетной модели работают либо независимо друг от друга, либо могут быть связаны только монолитными железобетонными поясами или армопоясами. Следует отметить, что придумать методику расчета монолитных железобетонных поясов средствами Scad достаточно просто, а вот задача по расчету армопоясов пока решить не удалось, и во всех проектах они назначались конструктивно с учетом реализованных ранее проектов.
Аналогично предыдущему пункту необходимо исключить работу на сдвиг сборных перекрытий в направлении, перпендикулярном плоскости перекрытия, что может быть достигнуто уменьшением модуля упругости перекрытия на порядок.
Необходимо обеспечить шарнирное сопряжение перекрытий со стенами.
При применении сборных перекрытий необходимо исключить передачу нагрузки на стены по продольной стороне плит, примыкающих к стенам.
Смежные участки стен считаются соединенными между собою идеально упруго при выполнении условия (38) СНиП II-22-81* и п. 7.19 пособия к СНиП II-22-81* по ограничению разности свободных деформаций смежных участков стен.
Основные положения для построения расчетных моделей.
Описание слайда:
Рассмотрим реализацию представленных на предыдущем слайде положений на примере выполненной расчетной модели.
Материалы к презентации\16-ти этажный дом на 22 партсъезда\Модели Scad\16 эт на 22 партсъезда Фунд на Винклеровском основании ветер 30 м-с.SPR
Презентация, доклад Технологии построения расчетных моделей кирпичных зданий в системе SCAD
Вы можете изучить и скачать доклад-презентацию на тему Технологии построения расчетных моделей кирпичных зданий в системе SCAD. Презентация на заданную тему содержит 49 слайдов. Для просмотра воспользуйтесь проигрывателем, если материал оказался полезным для Вас - поделитесь им с друзьями с помощью социальных кнопок и добавьте наш сайт презентаций в закладки!
Презентации » Информатика » Технологии построения расчетных моделей кирпичных зданий в системе SCAD
CADmaster
Использование вычислительного комплекса SCAD Office при реконструкции зданий и сооружений
Стремление многих фирм иметь офисы и представительства в центре городов приводит к тому, что рано или поздно возникает необходимость расширять имеющийся фонд сдаваемых в аренду площадей или строить новые здания. Но внутри плотной городской застройки, как правило, отсутствуют подходящие строительные площадки, а получение разрешительных документов на новое строительство сопряжено с определенными трудностями. Выход зачастую видится в надстройке дополнительных этажей над существующим зданием.
В статье представлен опыт применения вычислительного комплекса SCAD Office при проектировании надстройки трех дополнительных этажей.
Главная » CADmaster №6(61) 2011 » Архитектура и строительство Использование вычислительного комплекса SCAD Office при реконструкции зданий и сооружений
тремление многих фирм иметь офисы и представительства в центре городов приводит к тому, что рано или поздно возникает необходимость расширять имеющийся фонд сдаваемых в аренду площадей или строить новые здания. Но внутри плотной городской застройки, как правило, отсутствуют подходящие строительные площадки, а получение разрешительных документов на новое строительство сопряжено с определенными трудностями. Выход зачастую видится в надстройке дополнительных этажей над существующим зданием.
Надстройка может выполняться как без усиления конструкций существующего здания, так и с усилением — возможно, даже с устройством для надстройки самостоятельного фундамента, независимого от существующего. Экспериментальное проектирование показывает, что существующие пятиэтажные здания можно надстраивать на 2−3 этажа — как правило, без усиления фундаментов, но с усилением простенков нескольких этажей или только первого. При этом удается существенно увеличить общую эксплуатируемую площадь.
Выполнение надстроек, опирающихся на самостоятельный каркас, иногда позволяет довести высоту зданий до 8−15 этажей. При надстройке кирпичных зданий чаще применяют внутренний каркас, а крупнопанельных — наружный.
Следует отметить, что в конструктивном плане надстройки могут быть чрезвычайно разнообразны, при том что стены надстраиваемой части, как правило, повторяют несущие стены существующего здания:
- внутренние несущие стены иногда заменяют в надстройке колоннами (столбами);
- возможно устройство самостоятельной каркасной системы по верху надстраиваемой части;
- иногда надстройку выполняют на самостоятельных опорах (метод «Фламинго»);
- существуют решения, при которых промежуточные опоры в возводимой надстройке не возводят, а нагрузка передается только на наружные стены через систему мощных прогонов или ферм, спрятанных в толще перегородок;
- реализованы варианты подвески перекрытий в надстройке к стропильным фермам;
- наконец, встречаются комбинации всех перечисленных решений.
Возьмем в качестве примера здание по Новоконстантиновской улице, д. 18 в Киеве и покажем, как с помощью вычислительного комплекса SCAD Office было выполнено обоснование конструктивных решений при проектировании надстройки трех дополнительных этажей. Реконструкция осуществлена в соответствии с полученной проектной документацией.
Объект реконструкции представлял собой четырехэтажное административнопроизводственное здание с неполным железобетонным каркасом и несущими продольными и поперечными стенами из кирпича (рис. 1).
Здание имеет габаритные размеры в осях 19,6×134 м и состоит из трех деформационных блоков — в осях 1−8, 8−15, 15−22. В поперечном направлении имеет три пролета по 6,0 м (рис. 2).
Высота существующих этажей колеблется в пределах от 4,35 до 4,5 м. Колонны первого этажа имеют сечение 300×600 мм; второго, третьего и четвертого этажей — 300×450 мм. Колонны опираются на монолитные железобетонные столбчатые фундаменты размерами в плане 4,0×4,0 м.
Толщина несущих простенков продольных стен — 640 мм в уровне первого этажа и 510 мм на вышележащих.
Внешние кирпичные стены опираются на ленточные фундаменты из сборных бетонных блоков шириной 0,7 м и железобетонных подушек шириной 2,1 м. (рис. 3)
В конечном итоге заказчиком было принято решение надстроить три полноценных этажа с использованием облегченного металлического каркаса, монолитного железобетонного перекрытия по опалубке из профнастила (который выступает в качестве несъемной опалубки) и внешнего стеклянного ограждения.
Вначале рассматривались три возможных варианта опирания надстройки на существующее здание (рис. 4):
- вариант 1 — с полным опиранием (внутри — на существующие внутренние колонны, по внешнему периметру — на существующие внешние стены);
- вариант 2 — с частичным опиранием (по внутренним колоннам — на существующее здание, по наружным стенам — на нововозведенные стойки);
- вариант 3 — с полностью независимым опиранием надстройки (на самостоятельном каркасе).
Ужесточение диска перекрытия здания обеспечивалось размещением металлических балок перекрытия в различных направлениях (рис. 5).
Расчетные модели надстроек здания были просчитаны с помощью программы SCAD. Изображения двух рассматриваемых вариантов расчетных схем показаны на рис. 6.
В результате заказчик предпочел первый вариант надстройки — с полным опира-нием на существующее здание и предварительным усилением его простенков на всех этажах (рис. 7).
В процессе выполнения предварительных расчетов и принятия проектных решений приходилось параллельно решать немало различных инженерных задач, а полученные результаты во многом определяли сильные и слабые стороны того или иного варианта надстройки.
Заметим, что не вся работа, связанная с расчетом, подбором сечений и проектированием, осуществлялась непосредственно в программе SCAD: в составе SCAD Office представлена целая линейка малых инженерных программ-сателлитов, которые призваны решать конкретные локальные задачи расчета в рамках действующих нормативов в области строительства (СНиП, СП
Так, например, с задачами определения расчетного сопротивление грунта, несущей способности сваи успешно справляется программа ЗАПРОС. Подобрать арматуру в сечении железобетонного элемента, выполнить экспертизу существующего армирования, проверить условие продавливания помогает программа АРБАТ. Необходимость усиления кирпичного простенка, несущую способность кирпичной стены подвала можно определить в программе КАМИН. С помощью программы КРИСТАЛЛ рассчитываются металлические фермы, а также болтовые и сварные соединения. Деревянные конструкции можно запроектировать в программе ДЕКОР. Но в этой статье мы лишь очень кратко коснулись основных элементов технологии использования программных модулей, входящих в состав вычислительного комплекса SCAD Office. С их помощью был выполнен проверочный расчет надстройки, проверены элементы существующего здания и сделан обоснованный вывод о возможности возведения трех дополнительных этажей
Вид здания после завершения реконструкции с применением представленных проектных решений и расчетов показан на рис. 8.
Autodesk и Gehry Technologies совместными усилиями совершенствуют методы проектирования и строительства зданий
«Совместные консалтинговые услуги Autodesk и Gehry Technologies должны оказать значительную помощь организациям архитектурно-строительной отрасли, принявшим решение о внедрении технологии BIM, — утверждает Джей Бхатт, старший вице-президент Autodesk по решениям для архитектуры и строительства. — Цель нашего партнерства — с максимальной отдачей использовать сильные стороны обеих компаний, каждая из которых является мировым лидером в своей области. Это придаст дополнительный импульс переходу отрасли на BIM-технологию и вызовет у клиентов интерес к решениям Autodesk на основе данной технологии, которые в совокупности полностью охватывают весь цикл проектирования».
CADmaster
Расчетная и экспериментальная оценки динамических характеристик здания с безригельным каркасом с использованием ВК SCAD Office
Главная » CADmaster №5(50) 2009 » Архитектура и строительство Расчетная и экспериментальная оценки динамических характеристик здания с безригельным каркасом с использованием ВК SCAD Office
Введение
За последнее время в Иркутске было возведено большое количество жилых домов в конструкциях серии 1.120с. Серия представляет собой сборный железобетонный безригельный каркас с применением высокопрочных предварительно напряженных канатов в уровне перекрытий. В 2008 году Институт земной коры СО РАН провел инженерно-техническое обследование шестидесяти блок-секций этой серии. Предварительно были проанализированы результаты динамических расчетов, выполненных различными организациями, которые осуществляют проектирование блок-секций в конструкциях указанной серии. Анализ выявил значительный разброс расчетных периодов собственных колебаний идентичных блок-секций: интервал составил от 0,4 до 1,0 секунды. От достоверности расчетного значения периода колебаний напрямую зависит величина коэффициента динамичности и, следовательно, уровень расчетной сейсмической нагрузки на блок-секцию. В связи с этим было принято решение провести экспериментальные исследования динамических характеристик на одном из построенных объектов. Таким объектом стала 9-этажная блок-секция по улице Баррикад.
Опытный объект представляет собой «лучевую» девятиэтажную блок-секцию с выраженной асимметрией плана типового этажа, с цокольным этажом и двухэтажной надстройкой. Основу каркаса обследуемого здания составляют конструктивные ячейки 4,2×4,2 м, образуемые колоннами и панелями перекрытия. Высота этажа 3,0 м. Высота здания от дневной поверхности составляет 33,0 м. В качестве несущих конструкций рамно-связевого каркаса используются сборные колонны, диафрагмы жесткости и ребристые плиты перекрытия с высотой ребер 200 мм и толщиной полки 60 мм. Сборные железобетонные колонны из тяжелого бетона класса В25 запроектированы сечением 400×400 мм. Диафрагмы жесткости представляют собой железобетонные панели толщиной 160 мм и также выполнены из тяжелого бетона класса В25. Следует отметить непропорциональную жесткость ребристых плит перекрытия по сравнению с принятыми сечениями колонн и толщиной диафрагм жесткости. Стыки колонн приняты в соответствии с модернизированной конструкцией, где устранены некоторые недостатки прототипа — стыка «штепсельного» типа.
Уязвимым местом обеих конструкций стыка является риск возникновения «плоскости скольжения» в уровне верха плит перекрытия через каждые три монтажных яруса. Если горизонтальный шов между торцами стыкуемых колонн ненадежно заполнен раствором инъецирования, в этом сечении будут работать на срез только четыре арматурных стержня колонны диаметром 25−28 мм, поскольку проектный размер «выступа» верха колонны над плоскостью перекрытия 30 мм находится в пределах точности монтажа каркаса. Конструкции лестничных клеток запроектированы с применением сборных железобетонных маршей. Наружные стены представляют собой многослойную конструкцию: внутренний слой из кирпичной кладки толщиной 250 мм, наружный — из кирпичной кладки толщиной 120 мм и слой утеплителя толщиной 150 мм. Внутренние стены и перегородки — кирпичные, их толщина соответственно составляет 250 и 120 мм. Стены шахты лифта — кирпичная кладка толщиной 250 мм. Наружные стены цокольного этажа — сборные железобетонные панели толщиной 300 мм из тяжелого бетона класса В15.
Сейсмичность площадки строительства составляет 8 баллов.
Методика проведения инструментальных измерений динамических характеристик здания при микросейсмических воздействиях
Здание представляет собой систему с дискретными массами, которая обладает фильтрационными свойствами. Такая система способна пропускать упругие волны с определенными длинами, зависящими от конструкции и размеров здания. Под воздействием микросейсмических колебаний грунта в здании возникают установившиеся микроколебания. На этом основана методика определения динамических характеристик зданий. В процессе обработки производятся спектрально-корреляционные преобразования регистрируемых сигналов. Указанная методика известна как «метод стоячих волн» [8].
Для регистрации микросейсмических колебаний использовались восемь трехканальных автономных цифровых станций ANG-06. Все станции были синхронизированы с абсолютным временем по сигналам GPS.
В процессе обследования выполнены трехкомпонентные наблюдения в 320 точках каркаса. Результаты позволили определить все основные характеристики динамической модели здания.
Сравнительный анализ расчетных и инструментальных динамических характеристик исследуемого здания
С помощью программного комплекса SCAD Office версии 11.1 были проведены динамические расчеты опытной блок-секции. Формирование конечноэлементной модели исследуемого здания выполнено при помощи препроцессора Форум. При моделировании конструктивных элементов здания использовались конечные элементы: тип 5 (пространственный стержень); тип 42, 44 (3-, 4-угольные КЭ-оболочки) и 55 КЭ (упругая связь). Количество элементов расчетной модели — 26 981; количество узлов — 12 851.
При формировании расчетной модели здания авторы столкнулись с двумя основными проблемами:
- учет податливости соединения диафрагм жесткости с колоннами каркаса;
- учет жесткости кирпичного заполнения каркаса.
Существует несколько вариантов учета податливости соединения сборных конструкций при вычислениях динамических характеристик каркаса с заполнением. Один из них заключается в искусственном уменьшении жесткости самих конструкций путем снижения модуля упругости с помощью понижающих коэффициентов.
В 2004 году Институт земной коры совместно с ЦНИИСК им. и ИрГТУ провел вибрационные испытания каркаса серии 1.120с, которые показали, что наибольшие повреждения получили не сами диафрагмы, а их шпоночные соединения с элементами каркаса и сварные стыки. Поэтому при формировании адекватной конечно-элементной модели основное внимание уделялось оценке жесткостей не столько диафрагм, сколько их соединений с элементами каркаса.
При расчетах податливость закладных деталей учитывалась с помощью конечного элемента КЭ 55 (упругой связи). При изменении линейной жесткости упругих связей в диапазоне от 9×108 т до 1 т наблюдались изменения форм и периодов колебаний здания (таблица 1). В результате установлено, что решающую роль в формировании жесткости динамической модели каркаса играет подбор жесткостей закладных деталей соединения диафрагм с элементами каркаса.
Крепление диафрагм жесткости, а также цокольных железобетонных панелей моделировалось с помощью стержневых КЭ:
- L100×63×8 (ГОСТ 8510−86*) — закладная деталь в верхней части цокольной железобетонной панели;
- 100×8 (ГОСТ 19903−74) — закладная деталь в нижней части цокольной железобетонной панели;
- 200×10 (ГОСТ 19903−74) — закладная деталь диафрагмы жесткости.
Вторая проблема заключалась в учете приведенной жесткости кирпичного заполнения. Были выполнены динамические расчеты с изменением модуля упругости кирпичного заполнения от минимальной величины до расчетного значения, соответствующего случаю монолитного (то есть абсолютно жесткого) крепления кирпичного заполнения к элементам каркаса.
Анализ расчетных динамических характеристик здания (таблица 2) позволил подобрать приведенное значение модуля упругости кирпичного заполнения с точки зрения совпадения расчетных данных с результатами инструментальных измерений:
- для внутренних кирпичных стен толщиной 250 мм E усл кл = 2·105 т/м2;
- для наружных стен слоистой конструкции E усл кл = 2,5·105 т/м2.
Как результат подбора жесткости кирпичного заполнения и учета податливости закладных деталей получены динамические характеристики здания, согласующиеся с результатами экспериментальных исследований (таблица 3).
Оценка прочности конструктивных элементов безригельного каркаса и узлов их соединения
Анализ данных таблицы 4 показывает, что при сейсмическом воздействии 8 баллов армирование основных несущих элементов каркаса «лучевой» блоксекции соответствует расчетным показателям и его конструктивная реализация не вызывает затруднений. При 9-балльном воздействии расчетное армирование диафрагм жесткости следует признать чрезмерным из-за значительного насыщения изделия арматурой. Кроме того, при модифицированной конструкции стыка колонн, принятой в проекте, размещение арматуры диаметром 40 мм в канале диаметром 50 мм с учетом неизбежных погрешностей монтажа приведет к затруднениям при выполнении операции инъецирования каналов, от качества которой в существенной мере зависит надежность конструкции стыка колонн.
Наиболее напряженным конструктивным узлом каркаса является монолитная железобетонная шпонка понизу диафрагмы жесткости (ДЖ). Она находится под воздействием нормальных усилий сжатия-растяжения N и соответствующих усилий сдвига T по горизонтальному шву.
Прочность шпонки определялась в соответствии с нормативными документами [9] и [10] по формулам, приведенным ниже. При этом рассматривались три случая.
- Сопротивление сдвигу Vs в условиях сжатия N < 0.
где Nc - действующая на стык сжимающая сила; As - площадь сечения ненапрягаемой арматуры; Rsw - расчет ное сопротивление поперечной арматуры растяжению; Vk,b - сопротивление сдвигу бетонной шпонки; Rbt - расчетное сопротивление бетона осевому растяжению для предельных состояний первой группы; Ash - площадь сечения шпонки.
Основной вклад в несущую способность шпонки на сдвиг дает учет сил трения в горизонтальном шве, создаваемого за счет усилий сжатия при значении коэффициента трения бетона по бетону, который с учетом сейсмического воздействия принят равным η=0,7×0,7 ≈ 0,5. Корректное использование этой формулы предполагает четкую передачу усилий сжатия через растворный шов между диафрагмами жесткости. На практике же монтаж диафрагм зачастую ведется «насухо» — по маякам, без заполнения горизонтального шва раствором, что вносит существенные коррективы в расчетную схему каркаса.
- Сопротивление сдвигу V o s при N = 0.
Для определения V o s в приведенных формулах принимается Nc = 0.
Данный случай является граничным. Несущая способность шпонки на сдвиг определяется работой на срез контурной арматуры и бетона шпонки на срез. Довольно близкой к этому случаю оказалась комбинация расчетных усилий для варианта растягивающих усилий в шпонке при 7 баллах (таблица 5).
Физический смысл этой формулы заключается в способности контурной арматуры работать на срез до тех пор, пока не исчерпаны ее резервы сопротивления растяжению. Однако с увеличением растягивающего усилия в шпонке эти резервы снижаются в соответствии с квадратичной зависимостью и несущая способность шпонки на сдвиг обращается в нуль.
Таким образом, анализ результатов конструктивных расчетов каркаса «лучевой» блок-секции показывает, что по условиям прочности основных несущих элементов каркас удовлетворяет нормативным требованиям в случаях сейсмических нагрузок 7 и 8 баллов. В то же время условия прочности наиболее напряженного конструктивного узла каркаса (монолитных железобетонных шпонок диафрагм жесткости) удовлетворяются лишь для 7 баллов.
Основная причина этого проектного дефекта заключается в недостаточном количестве диафрагм жесткости при принятом несимметричном плане типового этажа блок-секции. Существенным фактором также является ограниченная способность монолитных железобетонных шпонок воспринимать усилия сдвига в случае вертикальных растягивающих усилий, возникающих в диафрагмах жесткости. Контроль качества замоноличивания шпонок выявил также характерные дефекты их исполнения в натуре: несовпадение арматурных выпусков из диафрагм жесткости и образование щели поверх шпонок из-за оседания монолитного бетона, что ставит под сомнение их реальную надежность.
Эти выводы полностью согласуются с результатами натурных испытаний фрагмента безригельного каркаса серии 1.120с (Иркутск, 2004 г.), при которых 90% шпонок в диафрагмах жесткости получили повреждения 4−5 степени (разрушение) по шкале MSK-64 [11]. Что касается сварных соединений диафрагм жесткости с колоннами, то при испытаниях фрагмента каркаса был зафиксирован срез сварного шва лишь в отдельных узлах — в 5% случаев. Тем не менее, прочность сварных соединений также нуждается в дополнительной проверке, особенно с точки зрения надежности анкеровки закладных деталей в бетоне.
Модули упругости и деформаций кладки при кратковременной и длительной нагрузке, упругие характеристики кладки, деформации усадки, коэффициенты линейного расширения и трения
В формулах (2) и (4) Rsku — временное сопротивление (средний предел прочности) сжатию армированной кладки из кирпича или камней при высоте ряда не более 150 мм, определяемое по формулам:
для кладки с продольной арматурой
для кладки с сетчатой арматурой
μ — процент армирования кладки;
для кладки с продольной арматурой
где Аs и Аk — соответственно площади сечения арматуры и кладки, для кладки с сетчатой арматурой μ определяется по п. 4.30;
Rsn — нормативные сопротивления арматуры в армированной кладке, принимаемые для сталей классов А-I и А-II в соответствии с главой СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций, а для стали класса Вр-I — с коэффициентом условий работы 0,6 по той же главе СНиП.
3.21. Значения упругой характеристики α для неармированной кладки следует принимать по табл. 15.
2. Приведенные в табл. 15 (пп. 7 — 9) значения упругой характеристики а для кирпичной кладки распространяются на виброкирпичные панели и блоки.
3. Упругая характеристика бутобетона принимается равной α = 2000.
4. Для кладки на легких растворах значения упругой характеристики α следует принимать по табл. 15 с коэффициентом 0,7.
3.22. Модуль деформаций кладки Е должен приниматься:
а) при расчете конструкций по прочности кладки для определения усилий в кладке, рассматриваемой в предельном состоянии сжатия при условии, что деформации кладки определяются совместной работой с элементами конструкций из других материалов (для определения усилий в затяжках сводов, в слоях сжатых многослойных сечений, усилий, вызываемых температурными деформациями, при расчете кладки над рандбалками или под распределительными поясами) по формуле
где, e0 — модуль упругости (начальный модуль деформаций) кладки, определяемый по формулам (1) и (2).
б) при определении деформаций кладки от продольных или поперечных сил, усилий в статически неопределимых рамных системах, в которых элементы конструкций из кладки работают совместно с элементами из других материалов, периода колебаний каменных конструкций, жесткости конструкций по формуле
3.23. Относительная деформация кладки с учетом ползучести определяется по формуле
где σ — напряжение, при котором определяется ε;
ν — коэффициент, учитывающий влияние ползучести кладки;
v = 1,8 ‑ для кладки из керамических камней с вертикальными щелевидными пустотами (высота камня 138 мм);
v = 2,2 ‑ для кладки из глиняного кирпича пластического и полусухого прессования.
v = 2,8 — для кладки из крупных блоков или камней, изготовленных из тяжелого бетона;
v = 3,0 — для кладки из силикатного кирпича и камней полнотелых и пустотелых, а также из камней, изготовленных из бетона на пористых заполнителях или поризованного и силикатных крупных блоков:
v = 3,5 — для кладки из мелких и крупных блоков, изготовленных из автоклавного ячеистого бетона вида А;
v = 4,0 — то же, из автоклавного ячеистого бетона вида Б.
3.24. Модуль упругости кладки Е0 при постоянной и длительной нагрузке с учетом ползучести следует уменьшать путем деления его на коэффициент ползучести v.
3.25. Модуль упругости и деформаций кладки из природных камней допускается принимать по специальным указаниям, составленным на основе результатов экспериментальных исследований и утвержденным госстроями союзных республик в установленном порядке.
3.26. Деформации усадки кладки из глиняного кирпича и керамических камней не учитываются.
Деформации усадки следует принимать для кладок:
из кирпича, камней, мелких и крупных блоков, изготовленных на силикатном или цементном вяжущем, — 3•10-4;
из камней и блоков, изготовленных из автоклавного ячеистого бетона (вида А), — 4•10-4;
то же, из неавтоклавного ячеистого бетона (вида Б) — 8•10-4;
3.27. Модуль сдвига кладки следует принимать равным G = 0,4 Е0, где Е0 — модуль упругости при сжатии.
3.28. Величины коэффициентов линейного расширения кладки следует принимать по табл. 16.
Шарнирное примыкание пластинчатых элементов в SCAD 21
Продолжая серию заметок про SCAD, хочу рассказать о том, как смоделировать шарнирное примыкание пластинчатых конечных элементов в SCAD 21 на примере расчета панельного здания.
За шарнирное примыкание пластинчатых элементов отвечает команда объединения перемещений узлов, которая способна создать связь по перемещениям и поворотам. Такой же командой, например, можно создать и шарнирное примыкание для стержней (эта команда менее удобна, чем команда «назначение шарниров»).
Итак, для создания шарнирности примыкания плит, вам необходимо расшить элементы конструкций на стыке конструктивных элементов. Одним из способов может стать создание контура плиты с небольшим зазором (например, на величину опирания). После этого Вам придется выделять попарно узлы и объединять их, «оставляя» свободным поворот модели. При больших габаритах объединить вручную узлы – довольно затратная операция. Поэтому разработчики предусмотрели команду «объединять перемещения в совпадающих узлах».
Данная команда выделяет в схеме совпадающие узлы и создает группы из двух (совпадающих) узлов, что нам и нужно. Осталось научиться создавать те самые совпадающие узлы, которые, кстати, подсвечиваются с помощью кнопки на панели инструментов.
Для создания совпадающих элементов можно воспользоваться командой «сдвига элемента», которая находится во вкладке элементы.
Направление смещение задается в любом произвольном направлении, главное - сдвигать его в область, не занятую другими конструкциями, т.к. нам придется еще вернуть элементы на место. Так, можно для плиты перекрытия задать смещение по Z на произвольное расстояние. Подтвердив выполнение команды при отображении узлов Вы обнаружите, что в схеме появились свободные узлы в плоскости предыдущего расположения пластинчатых элементов. От этих узлов мы избавляемся или командой удаления, или упаковкой, где в настройках вы укажете «удалять узлы не принадлежащие элементам» (если в схеме уже созданы группы объединения перемещений на основе совпадающих узлов, то упаковкой Вы можете снова сшить элементы. Чтобы этого не произошло, снимите галочку «объединять совпадающие узлы, для которых задано объединение перемещений»):
Далее мы пользуемся командой «переноса узла» во вкладке «узлы»
Выделяем узлы рассматриваемой конструкции и смещаем их на расстояние противоположное по знаку расстоянию сдвига элементов.
Конструкция становится в исходное положение, но теперь на месте стыка мы можем обнаружить совпадающие узлы, на основании которых мы и создаем группы объедения перемещений. Нам нужна вкладка «назначения», команда «объединение перемещений», в настройках который мы закрепляем перемещения и освобождаем повороты).
Далее можно выделить хоть все узлы в модели, т.к. с поставленной галочкой программа воспринимает только совпадающие узлы.
Теперь ваша конструкция имеет шарнирное примыкание.
Пример расчётной схемы в которой задано шарнирное примыкание пластинчатых ЭР.
Читайте также: