2 - 2008

Расчет монолитных железобетонных конструкций в APM Structure3D

Андрей Алехин, Владимир Сидоренко

APM Structure3D — основной расчетный модуль

Реализация расчета железобетонной конструкции

Расчет фундаментов

Подготовка модели к расчету

Задание нагрузок

Задание опор и расчет оснований

Реализация расчета

Выводы

Научно-технический центр АПМ продолжает развивать систему автоматизированного расчета и проектирования конструкций для промышленного и гражданского строительства APM Civil Engineering. Среди основных ее возможностей:

  • проектирование металлических конструкций при различных видах нагружения и закрепления с возможностью автоматического подбора поперечных сечений и генерацией стандартных узлов соединений металлоконструкций;
  • проверочный расчет железобетонных конструкций по первой и второй группам предельных состояний, а также автоматизированный подбор армирования бетонных плит, ригелей и колонн;
  • проектирование деревянных конструкций, включающее как прочностной расчет конструкции, так и расчет соединений металлическими зубчатыми пластинами и нагелями. Получение схем распиловки на все элементы конструкции;
  • расчет соединений металлоконструкций с оценкой статической и усталостной прочности (в форме проектировочного и поверочного расчетов);
  • использование при проектировании поставляемых баз данных стандартных сечений, параметрических моделей и материалов; создание пользовательских баз данных.

APM Structure3D — основной расчетный модуль

Основным расчетным модулем APM Civil Engineering является система конечно-элементного анализа APM Structure3D. Она имеет сертификат соответствия № РОСС RU.СП 15.Н00086 требованиям следующих нормативных документов: СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах», СНиП II-23-81 «Стальные конструкции», СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения», СП 52-101-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры».

Основные методы расчета неметаллических строительных конструкций, в том числе железобетонных, подробно изложены в книге «Неметаллические строительные конструкции» В.В. Шелофаста и Е.Г. Стайновой. Данная книга является теоретическим пособием, позволяющим осознанно применять технические возможности системы APM Civil Engineering. Для лучшего восприятия теоретического материала приводятся примеры решений. Содержащийся в книге материал соответствует действующим на данный момент нормативным документам (СП и СНиП).

Отличительной особенностью системы APM Structure3D является возможность расчета по СНиП комбинированных конструкций: стальных, железобетонных, деревянных, а также фундаментов. Критерии расчета по СНиП учитываются для конструктивных элементов: стальных (СНиП II-23-81) или железобетонных (СНиП 52-01-2003, СП 52-101-2003). Об одном таком примере расчета комбинированной конструкции здания и пойдет речь в данной статье.

Здание магазина промышленных товаров в г.Туапсе состоит из трех этажей (рис. 1), причем третий этаж — мансардный. Крыша представляет собой стальную ферменную конструкцию. Каркас здания и перекрытия выполнены из монолитного железобетона. Фундаменты под наружные стены и колонны — ленточные. Учитывая, что прочностному расчету металлоконструкций в APM Structure3D посвящено большое количество статей в журнале «САПР и графика», основной акцент в данной статье сделан на расчете железобетонной конструкции.

Рис. 1

Рис. 1

В начало В начало

Реализация расчета железобетонной конструкции

При помощи модуля APM Structure3D выполнен как проектировочный, так и поверочный расчет железобетонных конструкций. Проектировочный расчет проводят с целью подбора армирования для наиболее неблагоприятного сочетания нагрузки. Автоматизированный подбор армирования осуществляется с использованием всей номенклатуры арматуры или пользовательского диапазона диаметров и количества. Поверочный расчет проводят, как правило, для существующих конструкций при изменении действующих на них нагрузок, условий эксплуатации и объемно-планировочных решений, а также в случае, если предварительно задан вариант армирования. На основании поверочного расчета определяется, достаточен ли уровень армирования для восприятия нагрузок.

В начало В начало

Расчет фундаментов

С использованием APM Sturcture3D реализован расчет одиночного, ленточного или сплошного фундаментов либо различных их комбинаций (рис. 2). Расчет фундамента начинается с выбора конструктивного решения и назначения предварительных параметров, таких как размер подошвы и глубина заложения. Проверка пригодности принятых размеров, а также выбор размеров отдельных частей фундамента выполняется исходя из расчета несущей способности грунта.

Рис. 2

Рис. 2

 

При расчете деформаций оснований, согласно СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений», регламентируются предельные деформации оснований (относительная разность осадок, крен и максимальная осадка). Данные параметры также могут быть получены по результатам расчета.

В начало В начало

Подготовка модели к расчету

Модель здания (см. рис. 1) была полностью построена средствами APM Structure3D. Отметим, что APM Structure3D поддерживает также импорт модели из формата *.dxf. Для задания сечений металлоконструкции использовался встроенный редактор сечений, который позволяет создавать произвольные пользовательские сечения. Задание сечений железобетонного каркаса осуществлялось из библиотеки стандартных сечений, а фундамента — параметрически (см. рис. 2). Конструктивно ленточные фундаменты представляют собой железобетонные балки таврового сечения, установленные на упругом основании.

Особенностью расчетной модели является необходимость единого армирования, присущего группе объектов: плиты, квадратные колонны, круглые колонны, ригели, элементы фундамента одного сечения и т.д. Поэтому группы объектов для удобства работы были размещены по отдельным слоям: крыша, колонны, ригели, плиты, фундаменты.

В начало В начало

Задание нагрузок

Нагрузки задавались в полном соответствии со СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». Предварительно были созданы отдельные загружения для каждого вида нагрузок. Это позволяет в дальнейшем формировать расчетные сочетания нагрузок (комбинацию загружений) и расчетные сочетания усилий. Расчет проводился на основное и особое сочетание нагрузок.

К зданию приложены следующие нагрузки:

  • постоянные нагрузки — собственный вес конструкции, наружных стен и внутренних стен, настила крыши, витражей, лестничных маршей;
  • временные длительные нагрузки — от эскалаторов;
  • кратковременные нагрузки — от людей на перекрытия, лестничные марши, снеговая и ветровая нагрузки;
  • особая нагрузка — сейсмическая (сейсмичность площадки строительства — 8 баллов).

Для задания нагрузок специального вида — снеговых, ветровых (по СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия») и сейсмических (по СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах») используются инструментальные средства. При определении нагрузок принято, что нагрузки от людей на пол 1-го этажа (отметка +0,000) воспринимаются грунтом, что вытекает из конструкции пола. Множитель собственно веса принимаем равным 1,2.

APM Structure3D позволяет настраивать единицы измерения задаваемых нагрузок и учитывать коэффициенты надежности по нагрузке, регламентированные СНиП 2.01.07-85*. Коэффициенты надежности по нагрузке могут быть заданы отдельно при создании расчетной комбинации загружения или формирования расчетного сочетания усилий. При таком подходе задание нагрузок может быть сведено к вводу нормативных значений, что сокращает дополнительные операции пересчета.

В начало В начало

Задание опор и расчет оснований

Для ограничения перемещения по горизонтали (в плоскости XY) заданы опоры по внешнему фундаменту. Опоры ограничивают перемещения по направлению, перпендикулярному к фундаменту, что характеризует опору фундамента на боковой грунт.

Опоры по вертикали (по оси Z) упругие, их жесткость зависит от коэффициентов пропорциональности, называемых коэффициентами постели. Коэффициенты постели зависят от структуры и физико-механических характеристик грунтов, а также от нагрузки на основание. Исходя из данных инженерно-геодезических изысканий, APM Structure3D позволяет задать структуру грунта в виде слоев и определить коэффициенты постели, а также выполнить расчет оснований по несущей способности и предельным деформациям. Основными параметрами грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, являются прочностные и деформационные характеристики (угол внутреннего трения j, удельное сцепление с, модуль деформации грунтов Е). Следует отметить, что коэффициенты постели определяются в каждом узле точки основания. Это позволяет проводить расчет при неоднородной структуре грунтов по площадке строительства и/или несимметричной нагрузке на основание. Поскольку коэффициенты постели зависят от глубины продавливания, которая, в свою очередь, определяется нагрузкой на основание, то их расчет осуществляется в два этапа. Первоначально коэффициенты постели определяются исходя из постоянной нагрузки на все основания. Далее, после проведения статического расчета, производится их перерасчет в зависимости от нагрузки, приложенной к каждому элементу основания.

В начало В начало

Реализация расчета

Для сокращения времени расчета сначала была создана модель крыши и выполнен ее статический расчет. Анализ результатов расчета металлоконструкции показал, что в узле балки верхнего пояса фермы возникают повышенные напряжения. Для увеличения запаса прочности в модель были добавлены монтажные пластины (фасонки), а в конструкцию раскосов ферм введены дополнительные стержни, монтаж которых должен осуществляться нормально по отношению к верхнему поясу ферм. В результате модернизации произошло перераспределение напряжений в элементах металлоконструкции и максимальный уровень напряжений понизился до 167 МПа, а коэффициент запаса прочности по пределу текучести материала составил 1,46. Далее вниз от крыши была достроена модель железобетонного каркаса здания. Таким образом, получена полная модель здания.

Для расчета железобетонных элементов используется следующий порядок выполнения расчета: статический расчет, уточнение коэффициентов постели от приложенной нагрузки, повторный статический расчет с учетом упругого основания, определение расчетных сочетаний усилий. После статического расчета и определения расчетных сочетаний усилий можно провести подбор/проверку армирования железобетонных конструктивных элементов в соответствии с СП 52-101-2003. Для этого выделяем группу железобетонных стержней или пластин и помещаем их в отдельные конструктивные элементы. Система автоматически определяет тип элемента: оболочка, колонна или ригель. Далее задаем единые параметры армирования для всей группы элементов одного сечения, что позволит провести поверочный расчет единого армирования. Такую операцию необходимо повторить для плит, колонн круглых, колонн квадратных, ригелей, а также для каждого сечения фундамента.

Расчет по первой и второй группам предельных состояний производится в точном соответствии с разделами 6 и 7 СП 52-101-2003 и определяется классом бетона, классом арматуры, характером армирования, типом поперечного сечения элемента и совокупностью действующих на него нагрузок. В случае неудовлетворительной прочности по причине малого размера сечения, а также при внесении иных изменений в конструкцию весь порядок расчета, начиная со статического, необходимо повторить.

Рис. 3

Рис. 3

 

Рис. 4

Рис. 4

Автоматизированный подбор армирования возможен для выбранных или для всех конструктивных элементов. В общем случае нагружения конструкции сразу получить единое армирование удается не всегда. Тогда порядок подбора единого армирования для группы элементов осуществляется в два этапа. Во-первых, выполняется проектировочный расчет группы элементов. Далее в рамках поверочного расчета по максимальному армированию осуществляется единый подбор диаметров и количества арматуры для удовлетворения всех критериев прочности по первой и второй группам предельных состояний. Для получения полного представления об армировании элементов служит объемная визуализация железобетонных элементов (рис. 3). Основными критериями проверочного расчета выступают коэффициенты использования арматуры — они должны быть меньше единицы. Пример карты коэффициентов использования продольного армирования стержней при косом изгибе показан на рис. 4. Одним из критериев расчета по второй группе предельных состояний выступает ширина непродолжительного раскрытия трещин (рис. 5). В данном случае максимальное значение непродолжительной ширины раскрытия трещин составляет 0,37 мм по ригелям на отметке +4,010, что меньше 0,4 мм — предельно допустимого значения ширины раскрытия трещин из условия сохранности арматуры.

Рис. 5

Рис. 5

В ходе выполнения прочностного расчета здания магазина проведен подбор армирования всех железобетонных элементов. Для обеспечения прочности потребовалось дополнительное увеличение первоначальных размеров сечений фундамента на 100 мм.

В начало В начало

Выводы

В чем же преимущество APM Structure3D по сравнению с другими системами? Ее отличительной особенностью является расчет по СНиП и СП одновременно всех плит, колонн и ригелей — конструктивных элементов. При этом отпадает необходимость отдельной проверки каждого элемента или определения наиболее нагруженного.

Реализация комплексного расчета в рамках одного модуля позволяет избежать лишних операций по передаче данных из одной расчетной среды в другую. Кроме того, единая модель обладает гораздо большей гибкостью для представления различных вариантов конструктивного исполнения заказчику или при проведении серии расчетов.

В начало В начало

САПР и графика 2`2008