Возможные перемещения и деформации плиты перекрытия и расчет армирования в программном комплексе СтаДиКон

Железобетонные перекрытия плоского типа – конструкции, которые наиболее распространены в гражданских зданиях и сооружениях [1–3]. Плоские перекрытия используются в монолитных каркасных сооружениях для пролетов длиной от 6 до 8 метров [4].

Нормативные требования к расчету конструктивных элементов монолитных каркасных зданий предполагают определение жесткости конструкций с учетом нелинейной работы материалов [5]. Программные комплексы для расчета элементов конструкций становятся неотъемлемой частью инженерного проектирования, позволяя проектировщикам эффективно моделировать и анализировать поведение строительных конструкций в различных условиях нагрузок [6–8].

Перед началом физического строительства объекта следует разработать его модель, включающую подробную информацию о проектируемом сооружении [9, 10]. Эти данные необходимы для выполнения расчетов, которые обеспечивают соответствие здания или сооружения требованиям надежности, согласно строительным нормам.

Необходимый уровень надежности достигается за счет расчетных параметров, определенных нормами проектирования, и зависит от методик расчета, выбранной конструктивной схемы, типов соединений элементов, правил конструирования и условий приемки при изготовлении и монтаже конструкций здания [1].

В рамках процесса моделирования объекта планируется создание цифровой трехмерной модели, которая будет тщательно отражать как геометрические параметры, так и свойства материалов, применяемых в конструкции [11, 12]. Программные комплексы, такие как AutoCAD, Revit и СтаДиКон, служат хорошим инструментом для моделирования, так как обеспечивают высокую точность создаваемой модели [13, 14]. СтаДиКон предлагает широкий спектр возможностей для анализа деформаций конструктивных элементов, что позволяет инженерам и проектировщикам глубже понимать поведение конструкций под воздействием различных нагрузок [15].

После моделирования элемента выполняются следующие действия [16, 17]:

• 1)    проводится интеграция ЦИМ конструктивного элемента с программным комплексом;

• 2)    модель плиты делится на конечные элементы для более точного анализа ее поведения при заданных нагрузках;

• 3)    решаются уравнения, описывающие прочность и деформацию элементов плиты;

• 4)    выводится детальная информация о необходимой площади армирования плиты перекрытия при установленных условиях нагружения.

Цель работы – исследование варианта возможных перемещений узлов плиты перекрытия и расчет ее армирования в программе СтаДиКон.

Возможные перемещения и деформации плиты перекрытия и расчет армирования

Рассмотрим особенности расчета монолитной плиты перекрытия многоэтажного здания с размерами 21,825 × 33,925 м. Общая схема плиты с ее габаритами показана на рис. 1.

Для снижения размерности дискретных моделей применяется метод разбиения конструкции на конечные элементы [18].

Анализ перемещений, включая физическую нелинейность, позволяет проводить всестороннюю оценку работы конструкции. Вертикальные перемещения в узлах плиты перекрытия представлены на рис. 2. При этом максимальное смещение приходится на узел № 6567 и составляет Uz = 0,03705 мм, минимальное смещение узла № 36616, Uz = – 15,49610 мм.

Предельный прогиб для плиты составляет

[Uz] = 5900/200 = 29,5 мм.

Рис. 1. Общая схема плиты перекрытия

Рис. 2. СтаДиКон. Вертикальные перемещения плиты перекрытия от комбинации нормативных нагрузок

Предельный прогиб для консольного участка составляет

[Uz] = 2060 • 2/150 = 27,5 мм.

Таким образом, прогиб плиты перекрытия не превышает предельно допустимого значения.

Возможности программы СтаДиКон включают дополнительные виды расчетов, которые значительно упрощают процесс проектирования и анализа конструкций. Одной из ключевых функций является возможность подбора арматуры для элементов кон- струкции [19]. Программа позволяет пользователю установить необходимые параметры, такие как диаметр арматуры и шаг между стержнями, что обеспечивает гибкость в проектировании и оптимизацию использования материалов. При этом СтаДиКон автоматически рассчитывает необходимое количество арматуры, учитывая нагрузки и характеристики бетона, что позволяет достичь требуемых прочностных и деформационных показателей.

Кроме того, программа поддерживает различные виды армирования, включая продольное и поперечное, и предоставляет возможность учитывать специфику конструктивных решений. Например, приняв фоновое армирование плиты перекрытия, которое представляет собой сетки арматурных стержней, размещенные вдоль каждой стороны плиты с равномерным интервалом [20, 21]. Значительно уменьшает расход арматуры на участки, где не нужна большая площадь армирования. Это, в свою очередь, делает процесс проектирования более эффективным и снижает риск ошибок, которые возникают при ручном расчете.

Так, фоновая арматура плиты в программе задается следующим образом:

– основная нижняя арматура 10-А500C (шаг 250×250 мм As = 3,14 см2/м);

– основная верхняя арматура 12-A500С (шаг 250×250 мм, As = 4,52 см2/м).

Определяем участки плиты, где необходимо установить дополнительные стержни армирования. Принимаем шаг арматуры дополнительного армирования равным 250 мм.

• 1.    По результатам вычислений в программе СтаДиКон определяем, что максимальная необходимая площадь дополнительного нижнего армирования плиты в узле № 50669 по направлению r локальных осей элементов составляет Asru = 2,54 см²/м (рис. 3).

• 2.    По результатам вычислений в программе СтаДиКон определяем, что максимальная необходимая площадь дополнительного верхнего армирования плиты в узле 20066 по направлению r локальных осей элементов составляет Asro = 8,74 см²/м (рис. 4).

Для участка 1 требуемая площадь дополнительного армирования составляет Аsтреб = 2,54 см2. Принимаем дополнительное армирование: ø10 Asпр = 3,14 см2. Запас площади армирования составляет 19,1 %.

Для участка 1 требуемая площадь дополнительного армирования составляет Аsтреб = 3,81 см2. Принимаем дополнительное армирование: ø12 Asпр = 4,52 см2. Запас площади армирования составляет 15,7 %.

Для участка 2 требуемая площадь дополнительного армирования составляет Аsтреб = 7,26 см2. Принимаем дополнительное армирование: ø16 Asпр = 8,04 см2. Запас площади армирования составляет 9,7 %.

Для участка 3 требуемая площадь дополнительного армирования составляет Аsтреб = 2,28 см2. Принимаем дополнительное армирование: ø12 Asпр = 4,52 см2. Запас площади армирования составляет 49,6 %.

Рис. 3. СтаДиКон. Нижнее дополнительное армирование (ASRU)

Рис. 4. СтаДиКон. Верхнее дополнительное армирование (ASRO)

Самой критической частью конструкции безбалочного монолитного перекрытия является область, где плита опирается на колонну (пилон) [22, 23]. Поэтому для обеспечения необходимых прочностных характеристик плиты необходимо определить поперечное армирование. По результатам вычислений программы определяем, что максимальная необходимая площадь армирования в узле № 30509 составляет Asw = 42,91 см2/м2 (рис. 5).

Принимаем сварную сетку из арматуры 4-Вр-I As = 0,126 мм2 с шагом стержней 50×50 мм, которая, в свою очередь, обеспечивает площадь армирования Asw = 400·0,126 = 50,4 см2/м2.

0.01  4.30  8.59  12.88 17.17 21.46 25.75 30.04 34.33 38.62 42.91

Рис. 5. СтаДиКон. Поперечное армирование A sw

Результаты и обсуждения

На основании вышеизложенного можно сделать заключение о том, что применение программы СтаДиКон представляет собой современный инструмент, который эффективно применяет передовые методы вычислительной механики для анализа строительных конструкций. Благодаря своим мощным функциям она позволяет инженерам и проектировщикам проводить детализированные расчеты, учитывающие различные нагрузки и деформации. Кроме того, СтаДиКон предоставляет возможности для расчета армирования, что гарантирует достижение необходимых прочностных характеристик элементов. Это делает программу незаменимым помощником в процессе проектирования, обеспечивая надежность и безопасность конструкций на всех этапах их жизненного цикла. Использование СтаДиКон способствует повышению качества проектирования и оптимизации ресурсов, что, в свою очередь, ведет к созданию более устойчивых и долговечных сооружений.

Выводы

По итогам исследования можно сделать следующие заключения:

• 1.    При исследовании перемещений узлов выявлено, что узлы плиты перекрытия подвержены значительным перемещениям в зависимости от распределения нагрузок и геометрических характеристик конструкции. Однако данные перемещения не превышают предельно допустимых значений.

• 2.    На основе полученных данных были разработаны рекомендации по оптимальному армированию плиты, учитывающие выявленные перемещения и нагрузки.