10 - 2009

ЭСПРИ (Электронный СПРавочник Инженера). Проектирование фундаментов

Евгений Стрелец-Стрелецкий, Роман Водопьянов

Наряду с крупными программными комплексами, такими как ЛИРА и МОНОМАХ, на современном рынке программного обеспечения широкой популярностью пользуются программы­спутники. Эти программы предоставляют инженеру и исследователю возможность выполнять компьютерные расчеты множества частных задач, которые возникают в процессе работы над проектом сооружения и обычно не вписываются в структуру больших программных комплексов. Необходимость в решении указанных задач возникает как при выработке расчетной модели конструкции, так и при анализе результатов расчета целостной модели сооружения, как при экспертной оценке проектов, так и при техническом надзоре за возведением здания, а также во многих других ситуациях, имеющих место при проектировании и строительстве. Программы­спутники необходимы инженеру в повседневной работе и обеспечивают поддержку в принятии оптимального конструктивного решения.

Полная конфигурация ЭСПРИ версии 1.0 содержит более 60 программ, которые тематически структурированы по десяти разделам: «Математика», «Статика­Динамика­Устойчивость», «Сечения», «Нагрузки», «Сталь», «Железобетон», «Камень», «Дерево», «Фундамент», «Мосты». В каждом разделе содержатся программы, выполняющие расчетные и справочные функции. В какой­то мере ЭСПРИ можно сравнить с широко известным (и давно не переиздававшимся) расчетно­теоретическим справочником проектировщика.

Здесь представлены программы, относящиеся к разделу «Фундамент». В настоящее время этот пакет содержит девять программ. Далее приведены их краткое описание и возможности.

Программа «Определение параметров упругого основания»

Программа предназначена для определения осадки и коэффициентов постели С1 и С2 под центром фундамента или фундаментной плиты по заданным грунтовым условиям и нагрузке.

Вычисление осадки производится по схемам линейного полупространства и линейно деформированного слоя. В расчетах реализованы положения, изложенные в СП 50­101­2004 и СНиП 2.02.01­83*.

В соответствии с вычисленной осадкой определяются коэффициенты постели С1 и С2 по нескольким методикам для моделей грунта Винклера и Пастернака. Реализована возможность определения коэффициентов постели при динамических воздействиях.

Вычисление коэффициентов постели

Вычисление коэффициентов постели

Программа «Определение С1 и С2 на основе модели грунтового массива»

Программа предназначена для расчета фундаментных конструкций на грунтовом основании. Трехмерная модель грунтового массива создается программой автоматически на основании инженерно­геологических условий площадки строительства.

Для описания площадки строительства задается база характеристик слоев грунта (ИГЭ), указываются расположение и отметки устья скважин, характеристика слоев грунта, составляющего ту или иную скважину.

По заданным нагрузкам на грунт от проектируемой фундаментной конструкции, а также по нагрузкам от близлежащих сооружений определяются переменные по области проектируемой конструкции, глубина сжимаемой толщи и осадка по схеме линейно­упругого полупространства. На основании полученных осадок по нескольким методикам вычисляются коэффициенты постели упругого основания С1 и С2 для моделей Винклера и Пастернака.

Полученные результаты отображаются в виде изополей осадок, усредненных модулей деформации и коэффициентов Пуассона, а также изополей глубин сжимаемой толщи и коэффициентов постели.

Вычисление переменных коэффициентов постели

Вычисление переменных коэффициентов постели

Программа «Расчет одиночной сваи»

Программа позволяет определить несущую способность одиночной сваи прямоугольного или кольцевого сечения. Рассчитываются сваи­стойки и висячие сваи в соответствии с положениями СНиП 2.02.03­85 «Свайные фундаменты», МГСН 2.07­01 и «Руководства по проектированию свайных фундаментов».

Результатами вычислений являются несущая способность сваи, ее осадка, в том числе с учетом взаимовлияния в группе свай, а также погонная жесткость сваи.

Расчет одиночной сваи

Расчет одиночной сваи

Программа «Расчет сваи на совместное действие вертикальной, горизонтальной сил и момента»

Программа предназначена для расчета одиночной сваи по деформациям и на устойчивость от совместного действия вертикальной и горизонтальной сил и момента согласно приложению 1 СНиП 2.02.03­85 «Свайные фундаменты». Предполагается, что в процессе нагружения система «свая — грунт» проходит две стадии напряженно­деформированного состояния. На первой стадии грунт, окружающий сваю, работает как упругая линейно­деформируемая среда. Упругие свойства грунта характеризуются коэффициентом постели, линейно возрастающим по глубине. На второй стадии в верхней части грунта, окружающего сваю, образуется область предельного равновесия (пластическая зона). Жесткость грунта в пределах области предельного равновесия характеризуется прочностным коэффициентом пропорциональности, ниже грунт работает упруго, как в первой стадии. За предельное состояние системы «свая — грунт» принимается момент образования в свае плас­тического шарнира в пределах или на границе области предельного равновесия грунта.

В результате расчета определяются горизонтальное перемещение и угол поворота головы сваи. В случае расчета по одной стадии производится проверка устойчивости грунта согласно п. 13 приложения 1 СНиП 2.02.03­85. При учете развития второй стадии напряженно­деформированного состояния грунта производится расчет несущей способности сваи в соответствии с условием H ≤ Fd / γk, где H — расчетное значение поперечной силы, действующей на сваю; Fd — несущая способность сваи, определяемая в соответствии с требованиями п. 10; γk — коэффициент надежности, принимаемый равным 1,4.

Расчет сваи на совместное действие нагрузок

Расчет сваи на совместное действие нагрузок

Программа «Определение осадки условного фундамента»

Программа позволяет рассчитать осадку куста свай в соответствии со СНиП 2.02.03­85 «Свайные фундаменты». Осадка в данном случае определяется как для условного фундамента на естественном основании с использованием расчетной схемы в виде линейно­деформируемого полупространства в соответствии с требованиями СНиП 2.02.01­83*. Результатом расчета является значение осадки куста свай. Полученные размеры условного фундамента, его собственный вес, глубина сжимаемой толщи и величина осадки помещаются в отчет.

Расчет «Определение осадки фундамента»

Расчет «Определение осадки фундамента»

Программа «Определение главных и эквивалентных напряжений в грунте»

Программа предназначена для вычисления главных и эквивалентных напряжений σ1, σ2, σ3 по заданным значениям тензора напряжений: σx, σy, σz, τxy, τxz, τyz.

Помимо главных напряжений для заданных расчетных характеристик грунта определяются предельные и эквивалентные напряжения по одному из заданных условий предельного равновесия — условия Кулона — Мора или модифицированные условия Кулона — Мора. Кроме того, вычисляются углы наклона главных напряжений к текущим осям, а также модуль полных деформаций в соответствии с теорией упругости линейно­деформируемого полупространства.

Программа «Проверка устойчивости склона»

Программа предназначена для определения устойчивости однородного грунтового склона по плоской (1­й тип) или цилиндрической (2­й тип) поверхности скольжения.

В результате вычисляются координаты оползневой поверхности, оползневое давление и предельные характеристики склона — критическая высота, критический угол площадки скольжения, суммарный вес грунтового массива над плоскостью разрушения, суммарная сдвиговая сила от веса грунта по плоскости разрушения, предельная сила устойчивости склона, длина плоскости или цилиндрической поверхности разрушения. Вычисляются также критическое расстояние от подошвы склона до верхней точки безопасного (относительно безопасного) удаления, коэффициент запаса устойчивости (устойчивой прочности) и средние нормальное и сдвиговое напряжения на площадке скольжения, а также другие параметры.

Устойчивость многослойного склона

Устойчивость многослойного склона

Программа «Проверка устойчивости многослойного склона»

Программа предназначена для определения устойчивости многослойного грунтового склона по цилиндрической поверхности скольжения. Расчет производится методом, разработанным Шведским обществом геомеханики. Данный метод представлен в работе А.В. Шаповала «Оптимизация алгоритма расчета устойчивости откосов и склонов».

В результате определяются координаты оползневой поверхности, оползневое давление, а также коэффициенты запаса при статическом и динамическом нагрузкам, суммарная активная нормальная сила, активная составляющая сдвиговых сил, реактивная составляющая от сцепления и радиус поверхности скольжения.

Программа «Расчет ограждения котлована»

Программа предназначена для расчета подземной части сооружений, возводимых методом «стена в грунте». Расчетная модель является плоской и состоит из грунтового массива, элементов стенового ограждения и анкерных креплений стен. Задаются размеры грунтового массива и характеристики грунтов в нем, размеры котлована и уровни его отрывки, нагрузки на поверхность грунта, размеры и параметры материала и сечения стеновых элементов и анкеров, а также силы натяжения в анкерных креплениях.

В текущей версии программы допускается не более четырех анкеров с каждой стороны стенового ограждения и не более четырех уровней отрывки котлована.

После ввода исходных данных выполняется автоматическая триан­­гуляция области грунтового массива с соответствующей разбивкой элементов стен и анкеров. Массив моделируется треугольными конечными элементами грунта, а стены и анкеры — стержневыми элементами.

Расчет ограждения котлована

Расчет ограждения котлована

Расчет ограждения котлована

Расчет производится последовательно по стадиям. На первой стадии производится расчет полной модели (без анкеров) на собственный вес и заданную нагрузку. Дальнейшее количество стадий определяется автоматически и зависит от заданных уровней выемки грунта и отметок установки анкеров. То есть пока не вынут грунт (демонтаж), анкер не может быть установлен (монтаж).

По ходу расчета выполняется накопление перемещений в узлах, напряжений в элементах грунта и усилий в элементах стен и анкеров по стадиям.

Результаты расчета представляются в графическом виде — эпюры усилий в стенах и изополя напряжений в грунте по стадиям.

Результаты оформляются в виде отчета.

Представленный раздел ЭСПРИ «Фундаментные конструкции и основания» насыщается новыми программами. Расширяются функциональные возможности программ, учитываются предложения, пожелания и замечания пользователей. Программы пакета снабжены контекстной справкой. Реализована возможность одновременной работы в локальной сети нескольких пользователей.

Сопровождение ЭСПРИ осуществляет группа специалистов высокой квалификации, имеющих многолетний опыт расчета конструкций и обеспечивающих поддержку пользователей по всему спектру возникающих вопросов.

САПР и графика 10`2009