Компьютерное моделирование многоэтажных зданий с учетом ветрового воздействия

Строительство многоэтажных зданий в Карелии и других регионах развивается по пути усложнения объемно-планировочных решений на основе комбинированных конструктивных систем с нерегулярной структурой по высоте, использования легких долговечных материалов для ограждающих конструкций. Вариантное проектирование в программных средах рассматривается специалистами как одно из главных направлений в создании эффективных конструктивных систем многоэтажных зданий [1], [2], [5].

Цель исследования – изучение возможностей применения компьютерных программ при вариантном проектировании многоэтажных зданий минимальной материалоемкости.

Метод исследования. Исследование выполнено в программном комплексе «Мономах 4.5». С помощью программы «Компоновка» реализован сбор и расчет конечно-элементных моделей. Варьируемыми параметрами являлись: тип несущих конструкций и их шаг, высота здания, величина и направление нагрузок.

Нагрузки. Вертикальные нагрузки рассмотрены для двух вариантов: при полной величине временной нагрузки и ее пониженном значении [3]. Направление ветровой нагрузки рассмотрено при угле атаки 90° (ветер 1) и при угле атаки 135° (ветер 2) [3].

Характеристика несущих конструкций зданий. Несущие вертикальные и горизонтальные конструкции запроектированы из монолитного бетона. Толщина стен цокольного этажа 400 мм, толщина стен вышележащих этажей 250 мм. Же лезобетонные плиты междуэтажных перекрытий и покрытия толщиной 160 мм. Рассмотрены шесть моделей компоновки несущих стен.

Характеристика наружных стен. Наружные стены двух типов: из монолитного железобетона и из газобетонных блоков, использована система вентилируемого фасада. Теплоизоляция: плиты ROCKWOOL марки ЛАЙТ БАТТС толщиной 130 мм и плиты ВЕНТИ БАТТС D толщиной 100 мм [4]. Наружная отделка стен плитами КраспанКолор и профилированными листами; отделка цокольной части запроектирована камнями «Меликонполар» толщиной 120 мм, утеплитель – «Техноплекс» марки 35 толщиной 120 мм.

Характеристики моделей здания. Исследованы шесть моделей здания (рис. 1). Модель здания № 1 постоянной высоты, модели № 2–6 имеют перепады по высоте. На 1–3-м этажах размещены помещения торгового и социального назначений, поэтому для этой части здания размеры в плане и высота этажей, а также временные нагрузки больше, чем на верхних (жилых) этажах [7].

Характеристики моделей (рис. 1) представлены в таблице.

В модель здания № 1 включены 6 вариантов, которые отличаются: шагом несущих конструкций (варианты 1, 2, 3, 4 – шаг несущих конструкций 3,55 м; варианты 5, 6 – шаг несущих конструкций 7,1–7,325 м) и величиной нагрузок (варианты 1, 2, 5 – полные значения вертикальной временной нагрузки; варианты 3, 4, 6 – пониженные значения [7]).

Рис. 1. Модели зданий

Общие характеристики моделей здания

№ модели здания	Высота, м	Перепад по высоте (отметка), м	Размеры, м
			Нижняя часть (1–3-й этажи)	Средняя часть (от 3-го этажа до перепада)	Верхняя часть
1	38,02	нет	43,23 х 20,53	32,64 х 20,53 (с 3-го до верхнего этажа)	–
2	38,02	29,02	43,23 х 20,53	32,64 х 20,53	32,64 х 12,055
3	68,02	53,02	43,23 х 20,53	32,64 х 20,53	32,64 х 12,055
4	68,02	53,02	43,23 х 20,53	32,64 х 20,53	21,765 х 20,53
5	68,02	47,02	43,23 х 20,53	32,64 х 20,53	32,64 х 12,055
6	68,02	47,02	32,64 х 21,73	32,64 х 20,53	32,64 х 12,055

Характер изменения пульсационной составляющей по высоте здания. Результаты исследования изменения пульсационной составляющей по высоте здания представлены на рис. 2 для двух моделей с одинаковыми поэтажными планами, но различной высоты: модель здания № 2 высотой 38,02 м, модель здания № 3 высотой 68,02 м.

Анализ выполнен на основании результатов расчета в программе «Компоновка» для ветровой нагрузки, приведенной в узлы здания. Линия пульсационной составляющей на верхнем этаже

Рис. 2. Характер изменения пульсационной составляющей по высоте здания уходит резко вниз (рис. 2). Это связано с тем, что, в отличие от всех предыдущих этажей, высота грузовой площади на верхнем в два раза меньше (равна половине высоты этажа). Прогибы линии пульсационной составляющей ветровой нагрузки объясняются разной высотой этажей зданий: высота цокольного этажа – 3,27 м, высота первого этажа – 4,0 м, остальных этажей – 3 м.

Значения пульсационной составляющей при направлении «ветер 1» больше, чем при направлении «ветер 2». Во внимание принимались верхние, наиболее значительные величины пульсационной составляющей.

Влияние жесткости несущих вертикальных конструкций

Значения перемещений взяты по модулю. Для модели здания № 1 максимальные перемещения по оси X получены в варианте 2 – 0,0095 м, максимальные перемещения по оси У в варианте 5 – 0,021 м.

Ветровое загружение было принято одинаковым для всех моделей. С помощью программы «Компоновка» заданы два направления ветра: ветер 1, действующий под углом 90°, ветер 2 – 135° [5]. Ветровой район – II, тип местности – А.

Модель № 1

Перемещения верха здания (варианты 1–6) по оси У больше, чем по оси Х, на 45,24 %, что связано с большой жесткостью здания в направлении оси Х (шаг поперечных стен составляет 3,55 м).

Ось Х направлена вдоль буквенных осей зданий, ось У – вдоль цифровых осей зданий.

Из всех вариантов расчета модели № 1 варианты с максимальными значениями перемещений по оси Х – вариант № 2 и по оси У – вариант № 5.

Перемещения по оси Х: модель № 1 – 0,0095 м; модель № 2 – 0,0087 м; модель № 3 – 0,048 м; модель № 4 – 0,051 м; модель № 5 – 0,064 м; модель № 6 – 0,11 м.

Перемещения по оси Y: модель № 1 – 0,021 м; модель № 2 – 0,027 м; модель № 3 – 0,12 м; модель № 4 – 0,14 м; модель № 5 – 0,2 м; модель № 6 – 0,64 м.

Перемещения верха здания (варианты 1–6) по оси У больше, чем по оси Х, так как жесткость вертикальных конструкций здания в направлении оси Х больше, чем в направлении оси У.

Исследования показали, что на перемещения значительное влияние оказывает высота здания и площадь этажа (то есть жесткость несущих конструкций). Рассмотрим это на примере моделей № 1 и 6.

Высота модели № 6 составляет 68,02 м, что в 1,789 раза больше высоты модели № 1. Перемещения верха здания модели № 6 больше перемещения модели № 1 в 23,704 раза. Это объясняется влиянием пульсационной составляющей ветровой нагрузки, а также размерами зданий в плане: модель № 1 – 43,23 х 20,58 м; модель № 6 – 32,6 х 21,78 м.

Нормативным требованиям (см. табл. Е. 4 [6]) отвечают модели здания № 1, 2 и 3. Модели № 4, 5 и 6 не отвечают нормативным и конструктивным требованиям: обеспечения целостности заполнения каркаса стенами, перегородками, оконными проемами и дверными элементами. Жесткость моделей № 4, 5 и 6 не обеспечена. Перемещения по оси У для моделей больше, чем по оси Х, несущих конструкций в этом направлении недостаточно.

Влияние расхода материалов на перемещения верха здания

Рассмотрим модели здания № 1 и 6. Модель № 1 – высота здания 38,02 м, без перепада по высоте. Модель № 6 – высота здания 68,02 м, перепад на отметке 44,02 м.

Максимальные перемещения при минимальном расходе бетона получены при расчете модели № 6.

Перемещения верха здания зависят от того, насколько рационально распределены бетон и арматура в конструкциях здания. Модель № 1 – шаг несущих конструкций составляет 3,55 м. Модель № 6 – шаг вертикальных несущих конструкций в среднем 7,1 м. Расход бетона модели № 6 (2993,72 куб. м) меньше, чем модели № 1 (3267,35), в 0,916 раза. Расход арматуры для модели № 6 больше, чем для модели № 1, в 1,668 раза (2993,72 / 3267,35 = 1,668). Перемещения модели № 6 больше, чем модели № 1, в 23,704 раза.

Соотношение статической и пульсационной составляющих ветровой нагрузки

• 1.    Модель здания № 1. На рис. 3 представлены графики изменения статической и пульсационной составляющих ветровой нагрузки.

• 2.    Модель здания № 6

Рис. 3. Соотношение статической и пульсационной составляющих ветровой нагрузки для модели № 1

На цокольном этаже статическая составляющая превышает пульсационную в 1,72–1,73 раза. С ростом по высоте эта разница увеличивается до 2,3–2,37 раза.

На цокольном этаже статическая составляющая превышает пульсационную в 21,59–25,72 раза (рис. 4). На других этажах соотношение уменьшается в 1,09–1,308 раза. Прогиб линий статической и пульсационной составляющих ветровой нагрузки появляется при уменьшении площади здания (перепад высоты на отметке 44,02 м, а следовательно, и уменьшение площади этажа на этой отметке в 1,703 раза).

Рис. 4. Соотношение статической и пульсационной составляющих ветровой нагрузки для модели № 6

Таким образом, для всех рассмотренных моделей здания обе составляющие ветровой нагрузки больше для направления «Ветер 2».

Результаты исследования показали, что пульсационная составляющая ветровой нагрузки по высоте здания изменяется по линейному закону.

На перемещения верха здания значительное влияние оказывает шаг несущих вертикальных конструкций, величина временной вертикальной нагрузки – в меньшей степени.

Перемещения верха здания во всех случаях больше в направлении меньшей изгибной жесткости.

Горизонтальные перемещения верхних точек здания достигают наибольших по модулю значений при угле атаки ветровой нагрузки 135°.

Статическая составляющая ветровой нагрузки больше пульсационной для всех исследованных моделей.

Приемлемыми по критерию материалоемкости и жесткости являются модели № 1, 2, 3.

* Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития ПетрГУ в рамках реализации комплекса мероприятий по развитию научно-исследовательской деятельности на 2012–2016 гг.

COMPUTER SIMULATION OF MULTISTORY BUILDINGS

WITH ALLOWANCE FOR WIND IMPACT