isicad: Расчет монолитных железобетонных конструкций в APM Structure3D

Научно-технический центр АПМ продолжает развивать систему автоматизированного расчета и проектирования конструкций для промышленного и гражданского строительства APM Civil Engineering. Среди основных возможностей системы APM Civil Engineering:

проектирование металлических конструкций при различных видах нагружения и закрепления с возможностью автоматического подбора поперечных сечений и генерацией стандартных уз-лов соединений металлоконструкций;
проверочный расчет железобетонных конструкций по первой и второй группам предельных состояний, а также автоматизированный подбор армирования бетонных плит, ригелей и колонн;
проектирование деревянных конструкций, включающее как прочностной расчет конструкции, так и расчет соединений металлическими зубчатыми пластинами и нагелями. Получение схем распиловки на все элементы конструкции;
расчет соединений металлоконструкций с оценкой статической и усталостной прочности (в форме проектировочного и проверочного расчетов);
использование при проектировании поставляемых баз данных стандартных сечений, пара-метрических моделей и материалов; создание пользовательских баз данных.

APM Structure3D – основной расчетный модуль

Основным расчетным модулем APM Civil Engineering является система конечно-элементного анализа APM Structure3D. APM Structure3D имеет сертификат соответствия № РОСС RU.СП 15.Н00086 требованиям следующих нормативных документов: СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия; СНиП II-7-81 Строительство в сейсмических районах; СНиП II-23-81 Стальные конструкции; СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения; СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры.

Основные методы расчета неметаллических строительных конструкций, в том числе железобетонных, подробно изложены в книге В.В. Шелофаст, Е.Г. Стайнова «Неметаллические строитель-ные конструкции». Книга является теоретическим пособием, позволяющим осознанно применять технические возможности системы APM Civil Engineering. Для лучшего восприятия теоретического материала приводятся примеры с решениями. Содержащийся в книге материал соответствует действую-щим на настоящий момент нормативным документам (СП и СНиП).

Отличительной особенностью системы APM Structure3D является возможность расчета по СНиП комбинированных конструкций: стальных, железобетонных, деревянных, а также фундаментов. Критерии расчета по СНиП учитываются для конструктивных элементов: стальных (СНиП II-23-81) или железобетонных (СНиП 52-01-2003, СП 52-101-2003). Об одном таком примере расчета комбини-рованной конструкции здания и пойдет речь в данной статье.

Здание магазина промышленных товаров в г. Туапсе содержит три этажа (рис. 1). Третий этаж выполнен в виде мансарды. Крыша сделана в виде стальной ферменной конструкции. Каркас здания и перекрытия выполнены из монолитного железобетона. Фундаменты под наружные стены и колонны – ленточные. Учитывая, что прочностному расчету металлоконструкций в APM Structure3D посвящено значительное число статей в «САПР и графика», основной акцент сделан на расчете железобетонной конструкции.

Рис. 1. Общий вид модели

Реализация расчета железобетонной конструкции

Расчет железобетонных конструкций реализован в APM Structure3D в форме проектировочно-го и проверочного. Проектировочный расчет проводят с целью подбора армирования для наиболее неблагоприятного сочетания нагрузки. Автоматизированный подбор армирования осуществляется из всей номенклатуры арматуры или из пользовательского диапазона диаметров и количества. Поверочный расчет проводят, как правило, для существующих конструкций при изменении действующих на них нагрузок, условий эксплуатации и объемно-планировочных решений, а также, если предвари-тельно задан вариант армирования. На основании поверочного расчета определяется, достаточно ли армирования для восприятия нагрузок.

Расчет фундаментов

Расчет фундаментов (рис. 2) в APM Sturcture3D реализован в виде расчета одиночного, лен-точного или сплошного фундаментов или различных их комбинаций. Расчет фундамента начинается с выбора конструктивного решения и назначения предварительных параметров, таких как размер по-дошвы и глубина заложения. Проверка пригодности принятых размеров, а также выбор размеров отдельных частей фундамента выполняется исходя из расчета несущей способности грунта.

Рис. 2. Фундамент на упругом основании

При расчете деформаций оснований, согласно СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений регламентируются предельные деформации основа-ний (относительная разность осадок, крен и максимальная осадка). Данные параметры могут быть также получены по результатам расчета.

Подготовка модели к расчету

Модель здания (рис. 1) была полностью построена средствами APM Structure3D. Следует заметить, что APM Structure3D поддерживает также импорт модели из формата *.dxf. Для задания се-чений металлоконструкции использовался встроенный редактор сечений, который позволяет созда-вать произвольные пользовательские сечения. Задание сечений железобетонного каркаса осуществлялось из библиотеки стандартных сечений, а фундамента – параметрически (рис. 2). Конструктивно ленточные фундаменты представляют собой железобетонные балки таврового сечения, установлен-ные на упругом основании.

Особенностью расчетной модели является необходимость единого армирования присущего группе объектов: плиты, квадратные колонны, круглые колонны, ригели, элементы фундамента одного сечения и т.д. Поэтому для удобства работы группы объектов были размещены по отдельным слоям: крыша, колонны, ригели, плиты, фундаменты.

Задание нагрузок

Нагрузки задавались в полном соответствии со СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия. Были предварительно созданы отдельные загружения для каждого вида нагрузок. Это позволяет форми-ровать в дальнейшем расчетные сочетания нагрузок (комбинацию загружений) и расчетные сочетания усилий. Расчет проводился на основное и особое сочетание нагрузок.

К зданию приложены следующие нагрузки:

Постоянные нагрузки: собственный вес конструк-ции, наружных стен и внутренних стен, настила крыши, витражей, лестничных маршей;
временные длительные нагрузки: от эскалаторов;
кратковременные нагрузки: от людей на перекрытия, лест-ничные марши, снеговая и ветровая нагрузки;
особая: сейсмическая (сейсмичность площадки строительства – 8 баллов).

Для задания нагрузок специального вида – снеговых, ветровых (по СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия) и сейсмических (по СНиП II-7-81 Строительство в сейсмических районах) используются инструментальные средства. При определении нагрузок принято, что нагруз-ки от людей на пол 1-го этажа (отметка +0,000), воспринимается грунтом. Что вытекает из конструк-ции пола. Множитель собственно веса принимаем равным 1.2.

APM Structure3D позволяет настраивать единицы измерения задаваемых нагрузок и учитывать коэффициенты надежности по нагрузке, регламентированные СНиП 2.01.07-85*. Коэффициенты на-дежности по нагрузке могут быть заданы отдельно при создании расчетной комбинаций загружения или формирования расчетного сочетания усилий. При таком подходе задание нагрузок может быть сведено к вводу нормативных значений, что сокращает дополнительные операции пересчета.

Задание опор и расчет оснований

Для ограничения перемещения по горизонтали (в плоскости XY) заданы опоры по внешнему фундаменту. Опоры ограничивают перемещения по направлению, перпендикулярному к фундаменту, что характеризует опору фундамента на боковой грунт.

Опоры по вертикали (по оси Z) упругие, жесткость которых зависит от коэффициентов пропор-циональности, называемых коэффициентами постели. Коэффициенты постели зависят от структуры и физико-механических характеристик грунтов, а также от нагрузки на основание. На основании данных инженерно-геодезических изысканий APM Structure3D позволяет задать структуру грунта в виде слоев и определить коэффициенты постели, а также выполнить расчет оснований по несущей спо-собности и предельным деформациям. Основными параметрами грунтов, определяющими несущую способность оснований и их деформации, являются прочностные и деформационные характеристики (угол внутреннего трения , удельное сцепление с, модуль деформации грунтов Е). Следует отме-тить, что коэффициенты постели, определяются в каждом узле точке основания. Что позволяет про-водить расчет при неоднородной структуре грунтов по площадке строительства и/или несимметрич-ной нагрузке на основания. Так как коэффициенты постели зависят от глубины продавливания, кото-рая в свою очередь определяется нагрузкой на основание, то их расчет осуществляется в два этапа. Первоначально коэффициенты постели определяются исходя из постоянной нагрузки на все основа-ния. Далее, после проведения статического расчета, проводится их пересчет в зависимости от на-грузки, приложенной к каждому элементу основания.

Реализация расчета

Для сокращения времени расчета сначала была создана модель крыши, выполнен ее статиче-ский расчет. Анализ результатов расчета металлоконструкции показал, что в узле балки верхнего пояса фермы возникают повышенные напряжения. Для повышения запаса прочности в модель были добавлены монтажные пластины («фасонки»), а также в конструкцию раскосов ферм введены допол-нительные стержни, монтаж которых должен осуществляться нормально по отношению к верхнему поясу ферм. В результате модернизации произошло перераспределение напряжений в элементах металлоконструкции и максимальный уровень напряжений понизился до 167 МПа, а коэффициент запаса прочности по пределу текучести материала составил 1,46. Далее вниз от крыши была до-строена модель железобетонного каркаса здания. Таким образом, получена полная модель здания.

Для расчета железобетонных элементов используется следующий порядок выполнения расчета: статический расчет, уточнение коэффициентов постели от приложенной нагрузки, повторный статический расчет с учетом упругого основания, определение расчетных сочетаний усилий. После статического расчёта и определения расчетных сочетаний усилий можно провести подбор/проверку армирования железобетонных конструктивных элементов в соответствии с СП 52-101-2003. Для этого выделяем группу железобетонных стержней или пластин и помещаем в отдельные конструктивные элементы. Система автоматически определяет тип элемента: оболочка, колонна или ригель. Далее задаем единые параметры армирования для всей группы элементов одного сечения, что позволит провести проверочный расчет единого армирования. Такую операцию необходимо повторить для плит, колонн круглых, колонн квадратных, ригелей, а также для каждого сечения фундамента.

Расчет по первой и второй группе предельных состояний производится в точном соответствии с разделом 6 и 7 СП 52-101-2003 и определяется классом бетона, классом арматуры, характером армирования, типом поперечного сечения элемента и совокупностью действующих на него нагрузок. В случае неудовлетворительной прочности по причине малого размера сечения, а также при внесе-нии иных изменений в конструкцию весь порядок расчета, начиная со статического, необходимо по-вторить.

Автоматизированный подбор армирования возможен для выбранных или для всех конструктивных элементов. В общем случае нагружения конструкции получить единое армирование сразу не всегда удается. Тогда порядок подбора единого армирования для группы элементов осуществляется в два этапа. Во-первых, выполняется проектировочный расчет группы элементов. Далее в рамках проверочного расчета по максимальному армированию осуществляется единый подбор диаметров и количества арматуры для удовлетворения всех критериев прочности по первой и второй группе предельных состояний. Для получения полного представления об армировании элементов служит объемная визуализация железобетонных элементов (рис. 3).

Рис. 3. Пример объемного отображения армирования стержней

Основными критериями проверочного расчета выступают коэффициенты использования арматуры. Коэффициенты использования арматуры должны быть меньше единицы. Пример карты коэффициентов использования продольного армирования стержней при косом изгибе показан на рисунке 4.

Рис. 4. Коэффициент использования продольного армирования стержней при косом изгибе

Одним из критериев расчета по второй группе предельных состояний выступает ширина непродолжительного раскрытия трещин (рис. 5). В данном случае максимальное значение непродолжительной ширины раскрытия трещин составляет 0,37 мм по ригелям на отметке +4,010, что меньше 0,4 мм – предельно допустимого значения ширины раскрытия трещин из условия сохранности арматуры.

Рис. 5. Непродлжительная ширина раскрытия трещин

В ходе выполнения прочностного расчета здания магазина проведен подбор армирования всех железобетонных элементов. Для обеспечения прочности потребовалось дополнительное увеличение первоначальных размеров сечений фундамента на 100 мм.

Выводы

В чем же преимущество APM Structure3D по сравнению с другими системами? Отличитель-ной особенностью является расчет по СНиП и СП одновременно всех плит, колонн и ригелей – конструктивных элементов. При этом отпадает необходимость отдельной проверки каждого эле-мента или определения наиболее нагруженного.

Реализация комплексного расчета в рамках одного модуля позволяет избежать «лишних» операций по передаче данных из одной расчетной среды в другую. Кроме того, единая модель об-ладает гораздо большей гибкостью для представления различных вариантов конструктивного исполнения заказчику или при проведении серии расчетов.