isicad: Возможности проектирования армокаменных конструкций в среде APM Civil Engineering

В настоящее время российская экономика идет по пути интенсивного развития отдельных отраслей народного хозяйства. Это, в первую очередь, относиться области промышленного и гра-жданского строительства. Иначе говоря, в строительстве наблюдается настоящий «бум», а, в свя-зи с дефицитом жилья, темпы роста строительства в ближайшее время должны существенно воз-расти.

Необходимо отметить, что гражданское строительство развивается как в направлении воз-ведения высотных зданий, так и малоэтажного строительства. Россия, с ее огромными простора-ми, по заявлению правительства страны, делает ставку на малоэтажное строительство, которое предоставляет более комфортные условия для проживания в городах и в сельской местности.

Для того чтобы выполнить всевозрастающие задачи малоэтажного строительства с наи-меньшими затратами необходимо иметь полный комплекс инструментов для расчета и проектиро-вания объектов малой этажности, большая часть которых изготавливается из кирпичей и блоков с армированием и без. Кроме армокаменных, в малоэтажном строительстве широко используются деревянные и металлические конструкции, а также сэндвич - панели.

Для удовлетворения потребностей строительного проектирования в НТЦ АПМ создан про-дукт под названием APM Civil Engineering, в котором имеются инструменты, позволяющие выпол-нить весь комплекс проектировочных и проверочных расчетов как армокаменных, так и деревян-ных конструкций. Подробная информация о возможностях APM Civil Engineering в части проекти-рования деревянных конструкций было опубликовано в номере 02/2007 журнала. Пример расчета железобетонной конструкции рассмотрен в номере 02/2008 «САПР и графика». В этой статье речь пойдет о проектировании каменных и армокаменных строительных объектов.

Возможности APM Structure3D по расчету армокаменных конструкций

Функциональными возможностями системы конечно-элементного анализа APM Structure3D является выполнение расчета армокаменных конструкций в соответствии со СНиП II-22-81* Ка-менные и армокаменные конструкции. Подготовка модели традиционно включает в себя следую-щие этапы:

Создание геометрической модели здания в соответствии с заданием на расчет.
Установка опор.
Задание сечений стержней. Для этого могут использоваться стандартные и параметриче-ские библиотеки сечений APM Construction или специализированный редактор сечений для создания произвольного пользовательского сечения.
Задание материала с помощью библиотеки APM Material с возможностью редактирования характеристик используемых материалов.
Приложение нагрузки. APM Structure3D предусматривает задание нормативной нагрузки а также специализированной снеговой, ветровой в соответствии со СНиП 2.01.07-85* Нагруз-ки и воздействия, а также сейсмической с последующим учетом коэффициентов надежно-сти по нагрузке и формировании линейной комбинации наиболее неблагоприятного соче-тания для определения реакций в опорах или расчетного сочетания усилий (РСУ) для кон-структивного расчета элементов модели здания.
Создание конструктивных элементов.

Особенности создания армокаменных конструктивных элементов

конструктивный элемент необходимо создавать в пределах высоты этажа.
конструктивный элемент задается равным ширине простенка.
конечные элементы одного конструктивного элемента не должны содержать проемов, же-лезобетонных элементов или примыкания поперечной несущей стены.

APM Structure3D позволяет выполнять расчет согласно [1] из всех предопределенных СНиП материалов:

силикатные пустотелые камни, H<150;
силикатные пустотелые камни с круглыми вертикальными пустотами диаметром до 35мм, толщиной 88мм и 138мм;
керамический пустотелый кирпич, Н<150;
керамический сплошной кирпич, Н<150;
керамический пустотелый кирпич с щелевидными вертикальными пустотами шириной 8-10 мм или с квадратными вертикальными пустотами размером 20x20;
природный камень правильной формы, Н < 150;
керамические камни с щелевидными вертикальными пустотами шириной 8-10 мм высота ряда 200-250мм;
природный камень правильной формы высотой ряда 200-300мм;
природный камень правильной формы, Н > 500мм;
бетонные пустотелые камни высота ряда 200-300мм;
бетонные сплошные камни, 200 < Н < 300мм;
бетонные крупные пустотелые блоки, Н > 500мм;
бетонные крупные сплошные блоки, Н > 500мм;
шлакобетонные пустотелые камни, высота ряда 200-300мм;
шлакобетонные сплошные камни, высотой ряда 200-300мм;
гипсобетонные пустотелые камни, высотой ряда 200-300мм;
гипсобетонные сплошные камни, высотой ряда 200-300мм;
рваный бутовый камень;
постелистый бутовый камень;
бутобетон.

При этом параметры материала «Кладка» соответствуют приведенным в разделе 3 [1] с возможностью их редактирования. Для дополнительного информирования пользователя значения измененных параметров материала выделяются в диалоговом окне синим цветом (рис. 1).

Рис. 1 Диалоговое окно параметров материала Кладка.

Расчет армокаменных конструктивных элементов по аналогии с железобетонными реали-зован в виде проектировочного и проверочного. Проектировочный расчет позволяет подобрать армирование каменной кладки, если оно требуется. Проверочный расчет может быть использован как для расчета неармированной кладки, так и кладки с предопределенным армированием.

Рис. 2 Армокаменная колонна - столб

В APM Structure3D используются два типа армокаменных конструктивных элементов: ко-лонна (столб) (рис. 2) и оболочка (стена) (рис. 3-4). Для моделирования армокаменных колонн ис-пользуются стержневые конечные элементы, а для стен – пластины.

Рис. 3 Модель здания с выдленными армокаменными конструктивными элементами - стенами

Рис. 4 Диалоговое окно армокаменный конструктивный элемент - стена

Параметры конструктивного элемента, такие как тип (колонна или оболочка), материал и размеры определяются автоматически. Выбор коэффициентов условий работы или расчетной длины может быть осуществлен из вспомогательного информационного окна (рис. 5-6).

Рис. 5 Коэффициент условий работы

Рис. 6 Коэффициенты расчетной длины

Задание нагрузок для конструктивного элемента (рис. 7) может осуществляться из выбранного загружения, расчетного сочетания усилий или, так называемого, «ручного ввода». Предусмотрена возможность ускоренного задания параметров для группы конструктивных элементов.

Рис. 7 Нагрузки на конструктивный элемент

Постановка задачи

В качестве примера рассмотрим выполнение расчета пятиэтажного здания общежития. Место строительства – пос. Новомихайловский Краснодарского края. Сейсмичность площадки строительства 8 баллов. Конструкция крыши здания – стальная рама с деревянной стропильной системой. Пятый этаж выполнен в виде мансарды. Основные несущие элементы – комбинирован-ная конструкция, включающая каменные стены с железобетонными включениями.

Кирпичная кладка характеризуется сравнительно невысоким сопротивлением действию динамических нагрузок. Для равномерного распределения и восприятия сейсмических нагрузок между несущими элементами предусматривают антисейсмические пояса по периметру несущих стен, а также железобетонные включения, существенно повышающие несущую способность ка-менных конструкций. Для обеспечения совместной работы железобетонных элементов устраивают выпуски арматуры в кладку примерно на 50 см, а сами железобетонные элементы замоноличивают в антисейсмические пояса и обвязки [2]. Армирование антисейсмического пояса и железобетонных включений устанавливают по расчету не менее регламентированного [3].

Таким образом, рассматриваемая конструкция является комплексной, включающая желе-зобетонные, кирпичные, стальные и деревянные элементы (рис. 3), требующие выполнения расчета по соответствующему СП или СНиП. Построение модели осуществлялось полностью в среде APM Structure3D. Учитывая симметрию расположения основных несущих элементов модели, для построения широко использовались команды «Копирование» и «Зеркало». Каждое перекрытие одного уровня и каждый этаж располагаются в отдельном слое, что позволяет эффективно рабо-тать с моделью одного этажа или перекрытия.

Задание материала

Параметры материала типа «Кладка» (рис. 1) выбираются автоматически для камня и рас-твора в соответствии с таблицей 2, 15 [1]. Модуль деформаций кладки Е (модуль Юнга) при опре-делении деформаций кладки от продольных или поперечных сил, усилий в статически неопреде-лимых рамных системах, в которых элементы конструкций из кладки работают совместно с эле-ментами из других материалов в соответствии с п. 3.22 [1] снижен и определяется по формуле:

Е = 0,8Е₀ = 0.8∙2600 = 2080 Па.

Особенности задания нагрузки

Помимо учета собственного веса, полезной нагрузки на перекрытия, снеговой и ветровой нагрузки конструкции из штучной кладки необходимо рассчитывать на одновременное действие горизонтальных и вертикальных сейсмических сил [3]. Значение вертикальной сейсмической на-грузки при сейсмичности 7-8 баллов следует принимать равным 15% соответствующей вертикаль-ной статической нагрузки. Направление действия вертикальной сейсмической нагрузки (вверх или вниз) принимается более невыгодным для напряженного состояния рассматриваемого элемента.

Особенности подготовки модели к расчету задания

Антисейсмический пояс, расположенный по основным несущим стенам выполнен заедино с железобетонными включениями и монолитным перекрытием. Соединение стен с антисейсмическим поясом осуществляется посредством выпуска арматуры. Для моделирования такого соединения необходимо шарнирное опирание антисейсмических поясов на кирпичные стены верхнего этажа. Это обеспечено использованием коротких стержней достаточно большой жесткости (например, стальных) с шарниром на конце.

Критерии расчета

Расчет армокаменных элементов осуществляется по предельным состояниям первой груп-пы (по несущей способности) по следующим критериям [1]:

центральное-сжатие (п. 4.1);
внецентренное сжатие (п. 4.7, 4.10);
центральное-растяжение (п. 4.19);
срез (п.4.20).

Прочностной расчет и подбор армирования железобетонных перемычек может быть осу-ществлен как для железобетонных ригелей прямоугольного сечения.

Результаты расчета выводятся в виде коэффициентов использования по моменту и по продольной силе для каждого критерия (рис. 2-3). Если для всех конструктивных элементов коэф-фициенты использования меньше 1, то условие прочности кирпичных стен выполнено. Фильтры диалогового окна конструктивных элементов позволяют отобразить в списке только те элементы, прочность которых не обеспечена. Такие элементы можно выделить и на расчетной модели.

В рассматриваемом примере расчета армирование каменных конструктивных элементов не требуется. При этом необходимо выполнить конструктивное армирование, предусмотренное п. 7.6.13 [3].

Выводы: APM Structure3D позволяет выполнять расчет пространственной схемы, определить усилия в элементах и осуществить проверки конструктивных элементов комплексных конструкций (стальных, железобетонных, каменных, деревянных), к которым относится большинство проекти-руемых зданий.

Литература

СНиП II-22-81* Каменные и армокаменные конструкции
Сейсмостойкое строительство зданий. Под ред. И.Л. Корчинского Учебное пособие для вузов. М., Высшая школа, 1971 г., 320 с.
СП 31-114-2004 Правила проектирования жилых и общественных зданий для строительства в сейсмических районах.