Исследование несущих конструкций зданий и сооружений в условиях юга Кыргызстана

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 624.07                                        

Масштабное строительство, которое ведется в Кыргызстане, является важнейшей отраслью народного хозяйства. Объемы строительства явно показывают уровень экономики любой страны. Снижение стоимости и обеспечение необходимой надежности сооружений является одним из наиболее важных направлений в области капитального строительства. Южный регион известен своей сейсмической активностью, а это значит, что здания и сооружения должны быть спроектированы таким образом, чтобы выдерживать землетрясения и другие стихийные бедствия. Одним из основных факторов, который необходимо учитывать инженерам и архитекторам при проектировании зданий и сооружений на юге Кыргызстана, является высокий уровень сейсмической активности региона. Одной из главных стратегий, используемых при проектировании и строительстве зданий и сооружений, является использование железобетона [1].

Этот материал невероятно прочен и долговечен, и из него можно создавать конструкции, устойчивые как к землетрясениям, так и к другим видам повреждений. В настоящее время при проектировании строительных конструкций большая часть расчетов выполняется с помощью специальных программно-вычислительных комплексов (ПВК). Применяемые в инженерной практике проектирования строительных конструкций ПВК отличаются друг от друга методическими и сервисными разработками, но все они включают в себя статические и динамические расчеты конструкций и отдельных их частей, выполняемые методами строительной механики. Алгоритмы численных расчетов в этих программах в основном строятся на методе конечных элементов (МКЭ) [2], реализуемом в форме метода перемещений.

Целью исследования является поиск новых конструктивных решений многоэтажного жилого здания с использованием пилонов вместо колонн с диафрагмами жесткости, с применением актуальных компьютерных программ, основанных на методе конечных элементов [3-5], для исследования и расчетов, оптимизации конструкций многоэтажного жилого здания. С помощью актуальных компьютерных программ можно максимально точно высчитывать конструкции многоэтажного жилого здания.

Методы исследования.

В расчетной практике используются в основном три ПВК, основанных на МКЭ: Лира-САПР, Лира-Софт и SCAD. Более доступным для изучения считается Structure construction automatic design ( SCAD ). Проектно-вычислительный комплекс Structure CAD реализован как интегрированная система прочностного анализа и проектирования конструкций на основе МКЭ и позволяет определить напряженно-деформированное состояние конструкций от статических и динамических воздействий, а также выполнить ряд функций проектирования элементов конструкций. В основу комплекса положена система функциональных модулей, связанная между собой единой информационной средой. Эта среда называется проектом и содержит полную информацию о расчетной схеме. Расчетная схема — это описание конструкции в виде узлов, линий, связей, назначений жесткостей, нагрузок. С появлением ЭВМ и средств программирования МКЭ получил мощный импульс к развитию, что привело к появлению универсальных программных комплексов для расчета любых строительных конструкций. При этом современные системы позволяют не только определять перемещения и усилия в конструкциях, но и выполнять динамические расчеты, составлять расчетные сочетания усилий и перемещений, выполнять конструктивные расчеты для железобетонных и металлических конструкций.

Результаты и обсуждение исследования

С помощью современных компьютерных программ стало возможным относительно просто и максимально точно высчитывать строительные конструкции. В настоящее время на Юге Кыргызстана проектируются и строятся многоэтажные жилые здания наряду с другими конструктивными схемами рамно-связевые с использованием пилонов вместо колонн с диагфрагмами жесткости, это позволяет сэкономить расход строительных материалов, времени на строительно-монтажные работы, за счет упрощения сечения несущей конструкции. Расчёт выполнен на примере 12-этажного жилого здания (рис. 1), на программе SCAD 21.1 с использованием трёхмерной (пространственной) расчётной модели 12-этажного здания [6-8].

Рисунок 1. Общий вид 12-этажного жилого здания

Задачи расчета 12-этажного жилого здания: 1. Формирование расчетной пространственной конечно-элементной модели. 2. Определение напряженно-деформированного состояния модели от заданной нагрузки. 3. Подбор сечения для конструктивных элементов. Создание модели для расчета 12-этажного жилого здания производиться с помощью конечных элементов в ПК SCAD (Рисунок 2-7). Далее необходимо присвоить жесткостные характеристики всем элементам (Рисунок 8).

Рисунок 2. Расчетная схема здания

Рисунок 3. Схема расположения пилонов

(ос) CD

Рисунок 4. Общий вид фундаментов

Рисунок 5. Схема расположения стен подвала

Рисунок 6. Плита перекрытия на отм. 0,000

Рисунок 7. Схема расположения       Рисунок 8. Жесткостные характеристики конечных ядер жесткости                       элементов расчетной схемы

Далее задаем нагрузки в ПК SCAD. В нашем примере расчета 12-этажного жилого здания в ПК SCAD приложим линейно-равномерно распределенную нагрузку. Загружения необходимо упаковать в РСУ (расчетное сочетание усилий) с соответствующими коэффициентами (Таблица 1).

ЗАГРУЗКА

Таблица 1

Загружения	Тип загружения	Вид нагрузки	Коэффициент надежности по нагрузке	Доля длительности	Нормативное загружение
Соб вес ЖЕ	Постоянные нагрузкт	Вес бетоннь 1,1
Полы, Кровля	Постоянные нагрузка Вес бетоннь 1,2			1	-1
Стены	Постоянные нагрузкт	Вес бетоннь	1,2	1	-1
Эксплуат крат	Кратковременные на	Полные наг	1,2	0,35	-1
Снег	Кратковременные на	Полные сне	1,4	0,3	-1
Давл Грунта	Постоянные нагрузкт	Грунты нась	1,15	1	-1
Сейсмика X	Особая нагрузка	Сейсмическ	1	0
СейсмикаY	Особая нагрузка	Сейсмическ	1	0
Сейсмика Z	Особая нагрузка	Сейсмическ	1	0

Вес конструкций и грунтов. Нормативное значение веса конструкций заводского изготовления следует определять на основании стандартов, рабочих чертежей или паспортных данных заводов-изготовителей, других строительных конструкций и грунтов по проектным размерам и удельному весу материалов и грунтов с учетом их влажности в условиях возведения и эксплуатации сооружений.

Собственный вес конструкций каркаса. Собственный вес монолитных железобетонных конструкций вычислен программно по геометрическим размерам и плотности материала и учитывается автоматически в загружении 1.

Ветровая нагрузка. Согласно СНиП КР 20-02:2009 п. 5.2.2 при учете сейсмической нагрузки в расчёте ветровую нагрузку допускается не учитывать.

Сейсмическая нагрузка. Согласно техническому заданию, площадка строительства относится к зоне с сейсмичностью 8 баллов. Сбор сейсмической массы и загружение на соответствующие участки, т. е. приложения выполняется программно. Все коэффициенты для вычисления усилий и напряжений от сейсмического воздействия приняты согласно СНиП КР 20-02:2009.

Расчет 12-этажного жилого здания в среде SCAD Office начинается с того, что в первом приближении задают предполагаемые сечения элементов конструкции [9, с. 124; 10, с. 166].

После определения расчетных усилий выполняется проверка и подбор сечений. Если результаты проверки не удовлетворительны, необходимо заменить сечения и пересчитать задачу с последующей проверкой сечений. В некоторых случаях может понадобиться несколько таких итераций, чтобы добиться приемлемого результата.

Обработка результатов расчета приведена в графической форме. При назначении конструктивных параметров ориентируемся на локальные оси, на Рисунке 9 и 10 показаны соответсвенно максимальные перекосы этажа по оси Х и по оси Y.

Рисунок 10. Максимальный перекос этажа по оси Y

Рисунок 9. Максимальный перекос этажа по оси Х

В данной работе проведены исследования 12-этажного жилого здания в ПК SCAD. На первый взгляд, кажется, что расчет многоэтажного жилого здания кажется очень легкий, но расчет в ПК SCAD обладает рядом сложностей, поэтому относится к такому расчету нужно предельно внимательно. Использование пилонов вместо колонн с диагфрагмами жесткости позволяет сэкономить 15% на расход строительных материалов, времени на строительномонтажные работы, за счет упрощения сечения несущей конструкции. Принятые сечения основных конструкций здания приведены в Таблице 2.

Таблица 2

ПРИНЯТЫЕ СЕЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ

Наименование	Материалы	Сечение, мм.
Фундаментная лента	ЖБ класс В25	2400х1500
Стена подвала	ЖБ класс В25	t=400
Пилоны	ЖБ класс В25	1100х300
Пилоны	ЖБ класс В25	1100х400
Ядро жесткости	ЖБ класс В25	t=400
Колонна	ЖБ класс В25	500х500
Ригель	ЖБ класс В25	400х500
Плита перекрытия	ЖБ класс В25	t=180

В результате исследования 12-этажного жилого здания сделаны следующие выводы :

• 1.    Стремление использовать железобетонных пилонов вместо колонн с диафрагмами жесткости, при этом, добившись максимально оптимального веса и формы данных конструкций, приводит к созданию новейших материалов и поиску новых конструктивных решений в условиях сейсмики.

• 2.    Были решены задачи формирования расчетной пространственной модели многоэтажного жилого здания.

• 3.    Определены напряженно-деформированные состояния модели от заданной нагрузки. Произведен подбор сечения для конструктивных элементов многоэтажного жилого здания.