Возможности проектирования армокаменных конструкций в среде APM Civil Engineering

Владимир Сидоренко, Николай Пряничников, Андрей Алехин, Александр Замрий

Возможности APM Structure3D по расчету армокаменных конструкций

Особенности создания армокаменных конструктивных элементов

Постановка задачи

Задание материала

Особенности задания нагрузки

Особенности подготовки модели к расчету задания

Критерии расчета

В настоящее время некоторые отрасли народного хозяйства России интенсивно развиваются. Это в первую очередь относится к области промышленного и гражданского строительства. Иначе говоря, наблюдается настоящий «строительный бум», а в связи с дефицитом жилья темпы роста строительства в ближайшее время должны существенно возрасти.

Необходимо отметить, что гражданское строительство развивается в направлении как возведения высотных зданий, так и малоэтажного строительства. Россия, по заявлению правительства страны, делает ставку на малоэтажное строительство, которое предоставляет более комфортные условия для проживания в городах и в сельской местности.

Для того чтобы выполнить всевозрастающие задачи малоэтажного строительства с наименьшими затратами, необходимо иметь полный комплекс инструментов для расчета и проектирования объектов малой этажности, большая часть которых изготавливается из кирпичей и блоков с армированием и без.

Кроме армокаменных, в малоэтажном строительстве широко используются деревянные и металлические конструкции, а также сэндвич-панели.

Для удовлетворения потребностей строительного проектирования в НТЦ АПМ создан продукт под названием APM Civil Engineering , в котором имеются инструменты, позволяющие выполнить весь комплекс проектировочных и проверочных расчетов как армокаменных, так и деревянных конструкций. Подробная информация о возможностях APM Civil Engineering в части проектирования деревянных конструкций была опубликована в «САПР и графика» № 02’2007. Пример расчета железобетонной конструкции рассмотрен в № 02’2008. В этой статье речь пойдет о проектировании каменных и армокаменных строительных объектов.

Возможности APM Structure3D по расчету армокаменных конструкций

Функциональные возможности системы конечно-элементного анализа APM Structure3D позволяют выполнять расчет армокаменных конструкций в соответствии со СНиП II-22-81* Каменные и армокаменные конструкции. Подготовка модели традиционно проходит по следующим этапам:

1. Создание геометрической модели здания в соответствии с заданием на расчет.

2. Установка опор.

3. Задание сечений стержней. Для этого могут использоваться стандартные и параметрические библиотеки сечений APM Construction или специализированный редактор сечений для создания произвольного пользовательского сечения.

4. Задание материала с помощью библиотеки APM Material с возможностью редактирования характеристик используемых материалов.

5. Приложение нагрузки. APM Structure3D предусматривает задание нормативной нагрузки, специализированной снеговой и ветровой нагрузок в соответствии со СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия, а также сейсмической нагрузки с последующим учетом коэффициентов надежности по нагрузке и формированию линейной комбинации наиболее неблагоприятного сочетания для определения реакций в опорах или расчетного сочетания усилий (РСУ) для конструктивного расчета элементов модели здания.

6. Создание конструктивных элементов.

Особенности создания армокаменных конструктивных элементов

• Конструктивный элемент необходимо создавать в пределах высоты этажа;
• конструктивный элемент задается равным ширине простенка;
• конечные элементы одного конструктивного элемента не должны содержать проемов, железобетонных элементов или примыкания поперечной несущей стены.

APM Structure3D позволяет выполнять расчет конструкций, изготовленных из всех указанных в СНиП материалов:

• силикатные пустотелые камни, H<150;
• силикатные пустотелые камни с круглыми вертикальными пустотами диаметром до 35 мм, толщиной 88 и 138 мм;
• керамический пустотелый кирпич, Н<150;
• керамический сплошной кирпич, Н<150;
• керамический пустотелый кирпич с щелевидными вертикальными пустотами шириной 8-10 мм или с квадратными вертикальными пустотами размером 20x20;
• природный камень правильной формы, Н<150;
• керамические камни с щелевидными вертикальными пустотами шириной 8-10 мм, высота ряда 200-250 мм;
• природный камень правильной формы, высота ряда 200-300 мм;
• природный камень правильной формы, Н>500 мм;
• бетонные пустотелые камни, высота ряда 200-300 мм;
• бетонные сплошные камни, 200<Н<300 мм;
• бетонные крупные пустотелые блоки, Н>500 мм;
• бетонные крупные сплошные блоки, Н>500 мм;
• шлакобетонные пустотелые камни, высота ряда 200-300 мм;
• шлакобетонные сплошные камни, высота ряда 200-300 мм;
• гипсобетонные пустотелые камни, высота ряда 200-300 мм;
• гипсобетонные сплошные камни, высота ряда 200-300 мм;
• рваный бутовый камень;
• постелистый бутовый камень;
• бутобетон.

Для дополнительного информирования пользователя значения измененных параметров материала выделяются в диалоговом окне синим цветом (рис. 1).

Для армокаменных конструктивных элементов по аналогии с железобетонными производятся проектировочный и проверочный расчеты. Проектировочный расчет позволяет подобрать армирование каменной кладки, если оно требуется. Проверочный расчет может применяться для расчета как неармированной кладки, так и кладки с предопределенным армированием.

Рис. 1. Диалоговое окно задания параметров материала — кладка

Рис. 2. Диалоговое окно армокаменного конструктивного элемента — колонна (столб)

Рис. 3. Модель здания с выделенными армокаменными конструктивными элементами — стенами

В APM Structure3D используются два типа армокаменных конструктивных элементов: колонна (столб) — рис. 2, и оболочка (стена) — рис. 3 и 4. Для моделирования армокаменных колонн используются стержневые конечные элементы, а для стен — пластины.

Рис. 4. Диалоговое окно армокаменного конструктивного элемента — оболочка (стена)

Рис. 5. Диалоговое окно задания коэффициента условий работы

Рис. 6. Выбор коэффициентов расчетной длины в зависимости от типов закрепления (опирания)

Параметры конструктивного элемента, такие как тип (колонна или оболочка), материал и размеры, определяются автоматически. Выбор коэффициентов условий работы или расчетной длины может быть осуществлен из вспомогательного информационного окна (рис. 5 и 6). Задание нагрузок для конструктивного элемента (рис. 7) может осуществляться из выбранного загружения, расчетного сочетания усилий или так называемого ручного ввода. Предусмотрена возможность ускоренного задания параметров для группы конструктивных элементов.

Рис. 7. Варианты задания нагрузок на армокаменный конструктивный элемент

Постановка задачи

В качестве одного из примеров рассмотрим выполнение расчета пятиэтажного здания общежития. Место строительства — пос. Новомихайловский Краснодарского края. Сейсмичность площадки строительства — 8 баллов. Конструкция крыши здания — стальная рама с деревянной стропильной системой. Пятый этаж выполнен в виде мансарды. Основные несущие элементы — комбинированная конструкция, включающая каменные стены с железобетонными включениями.

Кирпичная кладка характеризуется сравнительно невысоким сопротивлением действию динамических нагрузок. Для равномерного распределения и восприятия сейсмических нагрузок между несущими элементами предусматривают антисейсмические пояса по периметру несущих стен, а также железобетонные включения, существенно повышающие несущую способность каменных конструкций. Для обеспечения совместной работы железобетонных элементов устраивают выпуски арматуры в кладку примерно на 50 см, а сами железобетонные элементы делаются монолитными в виде антисейсмических поясов и обвязок. Армирование антисейсмического пояса и железобетонных включений устанавливают по расчету не менее регламентированного.

Таким образом, рассматриваемая конструкция является комплексной и включает железобетонные, кирпичные, стальные и деревянные элементы (рис. 3), требующие выполнения расчета по соответствующему СП или СНиП. Построение модели осуществлялось полностью в модуле APM Structure 3D. Учитывая симметрию расположения основных несущих элементов модели, для построения широко использовались команды Копирование и Зеркало. Каждое перекрытие одного уровня и каждый этаж располагаются в отдельном слое, что позволяет эффективно работать с моделью одного этажа или перекрытия.

Задание материала

Параметры материала типа Кладка (рис. 1) выбираются автоматически для камня и раствора. Модуль деформаций кладки Е (модуль Юнга) 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, снижен и определяется по формуле:

Е = 0,8Е₀ = 0.8·2600 = 2080 Па.

Особенности задания нагрузки

Помимо учета собственного веса, полезной нагрузки на перекрытия, снеговой и ветровой нагрузок конструкции из штучной кладки, необходимо предусматривать одновременное действие горизонтальных и вертикальных сейсмических сил. Значение вертикальной сейсмической нагрузки при сейсмичности 7-8 баллов следует принимать равным 15% соответствующей вертикальной статической нагрузки. Направление действия вертикальной сейсмической нагрузки (вверх или вниз) принимается более невыгодным для напряженного состояния рассматриваемого элемента.

Особенности подготовки модели к расчету задания

Антисейсмический пояс, расположенный по основным несущим стенам, выполнен единым с железобетонными включениями и монолитным перекрытием. Соединение стен с антисейсмическим поясом осуществляется посредством выпуска арматуры. Для моделирования такого соединения необходимо предусмотреть, чтобы антисейсмические пояса имели шарнирные опоры на кирпичные стены верхнего этажа. Это обеспечивается применением коротких стержней достаточно большой жесткости (например, стальных) с шарниром на конце.

Критерии расчета

Расчет армокаменных элементов осуществляется по предельным состояниям первой группы (по несущей способности) по следующим критериям:

• центральное сжатие;
• внецентренное сжатие;
• центральное растяжение;
• срез.

Прочностной расчет и подбор армирования железобетонных перемычек может быть осуществлен как для железобетонных ригелей прямоугольного сечения.

Результаты расчета выводятся в виде коэффициентов использования по моменту и по продольной силе для каждого критерия (см. рис. 2 и 3). Если для всех конструктивных элементов коэффициенты использования меньше 1, то условие прочности кирпичных стен выполнено. Фильтры диалогового окна конструктивных элементов позволяют отобразить в списке только те элементы, прочность которых не обеспечена. Такие элементы можно выделить и на расчетной модели.

В рассматриваемом примере расчета армирование каменных конструктивных элементов не требуется. При этом необходимо выполнить конструктивное армирование.

В качестве другого примера, выполненного с применением армокаменных элементов — стен, является домовая церковь — часовня, возводимая в Ульяновской области. Прототипом рассчитываемой церкви послужила деревянная церковь, внешний вид которой представлен на рис. 8. Деревянные стены исходной рубленой церкви заменялись кирпичными, перекрытия притворов первого этажа остались деревянными, а центральный купол колокольни выполнен металлическим.

Рис. 8. Исходный эскиз деревянной церкви, служащей прототипом создаваемой новой, каменной

Основные несущие элементы — каменные стены с железобетонными включениями в виде перемычек проемов. Конструкция крыши притворов первого этажа — деревянная стропильная система с покрытием стальным листом. Основной купол колокольни выполнен в виде сварной металлоконструкции, на поперечной балке которой подвешен колокол. Пол колокольни представляет собой деревянный настил. Таким образом, как и предыдущая, эта конструкция тоже является комплексной и включает кирпичные, железобетонные, стальные и деревянные элементы (рис. 9). Построение модели полностью выполнялось в модуле APM Structure3D версии v .9.5. Все расчеты были выполнены по соответствующим СНиПам или СП. С учетом того, что конструкция церкви также является симметричной, общая модель была создана путем использования, наряду с перечисленными в первом примере, инструмента Круговой массив. Как и в предыдущем примере, широко использовались слои, что хорошо видно по раскраске отдельных частей конструкции.

Рис. 9. Модель церкви с раскраской различных слоев разным цветом

Толщина кирпичных стен первого этажа была 50 см (в два кирпича), а восьмигранника колокольни — «в один кирпич» толщиной 25 см.

В качестве материала стен применялся керамический пустотелый кирпич марки 150 со щелевидными вертикальными пустотами, составляющими до 20% объема камня.

Нагрузкой на конструкцию, помимо учета собственного веса, полезной нагрузки на перекрытия, являлась также снеговая и ветровая нагрузки. Сейсмическую нагрузку в Ульяновской области допускается не учитывать. Кроме статического расчета конструкции в целом, проводился расчет сочетания усилий, являющийся исходными данными для расчета железобетонных и армокаменных конструктивных элементов.

Особенностью моделирования подобной конструкции стало то, что соединение металлоконструкции купола колокольни должно было обеспечивать передачу только вертикальной силы от веса колокола, снеговой, ветровой нагрузок, но не передавать нагрузку в виде моментов. Первоначальная модель обеспечивала жесткое соединение этих элементов, поэтому какие-то части кирпичных конструкций второго этажа начинали работать на растяжение, и, как следствие, коэффициент использования кирпичной кладки оказывался выше единицы.

Для проведения расчета конструкции церкви потребовалось провести статический расчет всей конструкции, по результатам которой (рис. 10) оценивалась работа металлоконструкции купола колокольни. Далее создавались конструктивные элементы железобетонных балок перекрытий проемов первого этажа и, наконец, конструктивные элементы армокаменных оболочек — кирпичных стен.

Рис. 10. Карта эквивалентных напряжений конструкции церкви, полученной в результате статического расчета

Расчет армокаменных элементов конструкции проводился, как и для предыдущего здания, по предельным состояниям первой группы (по несущей способности) по тем же критериям.

Результаты расчета выводятся в виде коэффициентов использования по моменту и по продольной силе для каждого критерия. Коэффициент использования для всех созданных армокаменных конструктивных элементов был значительно меньше единицы, из чего следовало, что арматура для армокаменных элементов конструкции церкви не нужна (рис. 11).

Рис. 11. Результаты проектировочного расчета одного из армокаменных конструктивных элементов стен церкви

Выводы: APM Structure3D позволяет выполнить расчет пространственной схемы, определить усилия в элементах и осуществить проверку конструктивных элементов комплексных конструкций (стальных, железобетонных, каменных, деревянных), к которым относится большинство проектируемых зданий и сооружений.

САПР и графика 8`2008