Конечноэлементная модель крупно- панельного здания Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНАЯ МОДЕЛЬ КРУПНОПАНЕЛЬНОГО ЗДАНИЯ

THE FINITE-ELEMENT MODEL OF LARGE-STOREY BUILDINGS

B.B. Данель V.V. Dane!

МГСУ

Предложенная модель даёт возможность её расчёта с помощью различных программных комплексов: STARK ES, LIRA и др., определять усилия по периметру каждой панели, плиты перекрытия: в любом нужном месте, в любой соединительной детали по любому направлению.

The proposed model give a possibility for it calculation by different program complex: STARK ES, LIRA and other, to determine the efforts on the perimeter of each panel, the floor slab: in every right place, at any adapter for any directions.

Повышение этажности крупнопанельных зданий, строительство их в сейсмоактивных районах повышает степень ответственности, требует использования расчётных схем, максимально достоверно отражающих их работу. Расчётная схема должна давать возможность определять усилия по периметру каждой панели, плиты перекрытия: в любом нужном месте, в любой соединительной детали по любому направлению. Такая модель разработана автором [1] в 2008 г. и реализована в 2009 г. в ООО «Еврософт», в ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко с помощью программного комплекса STARK ES для расчёта 18-этажной блок-секции 121-Т1, создаваемой на базе выпускаемой ОАО «Челябинский завод железобетонных изделий №1» 10-этажной серии 121-Т, и выработки соответствующих рекомендаций. Предложенная модель отличается от ранее применявшихся, разработанных в ЦНИИпроект для ПК STARK ES, наличием 3D-cвязeй по всему периметру элементов и возможностью использования её в ПК STARK ES ив ПК LIRA.

На рис.1 показана новая КЭ-модель и фрагмент КЭ-модели 18-этажного здания с платформенными стыками.

Расчётная схема получила одобрение на Международной конференции в ноябре

2009 г. [1] на секции «Математическое моделирование в расчётах зданий и сооружений». А уже в декабре 2009г. с ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко были заключены

договора на создание КЭ- моделей и расчёте более 12 крупнопанельных зданий различной планировки и этажности для строительства в Петербурге, Челябинске и др.

городах.

Пространственная расчётная конечноэлементная модель крупнопанельного здания- это совокупность плоских оболочек, моделирующих его сборные несущие элементы, и связей, соединяющих эти оболочки между собой в местах, предусмотренных

2/2011 ВЕСТНИК _2/2011_МГСУ

проектом, которую дополняют КЭ модель основания и модели нагрузок и рассматриваемого воздействия. КЭ модель должна быть технологичной с точки зрения трудоёмкости и удобства ввода всех её элементов с использованием программного комплекса. По геометрическим и жёсткостным характеристикам расчётная схема должна максимально соответствовать моделируемым зданию и основанию под ним.

Рис.1. КЭ-модель и фрагмент КЭ-модели 18-этажного здания с платформенными стыками

Количество конечных элементов, узлов должно быть достаточным для расчёта с помощью используемых программного комплекса и компьютера. С целью уменьшения количества конечных элементов и узлов в конечноэлементной модели размеры конечных элементов в горизонтальных плоских оболочках можно принимать в 2 раза большими, чем в вертикальных. Например, 0,4 X 0,4м для вертикальных и 0,8 X 0,8м для горизонтальных позволяет сократить количество конечных элементов на 40^45 %.

И, наконец, расчётная модель должна давать возможность определять усилия по периметру каждой панели, плиты перекрытия: в любом нужном месте, в любой соединительной детали по любому направлению. Учёт нелинейности резко увеличивает трудоёмкость расчётной схемы и сроки её создания. Поэтому учёт её должен оправдываться ценностью получаемых результатов.

Обычно в крупнопанельном здании более 150 типов узлов соединений. Однако при оценке их жёсткостей выясняется, что жёсткость большинства из них, например, монтажных связей между внутренними стеновыми панелями и ряда других, на порядок меньше жёсткостей связей, моделирующих жёсткости платформенных стыков. Поэтому при расчёте на основное сочетание воздействий связями с достаточно малой жёсткостью можно пренебречь и учитывать их только при расчёте на аварийное обрушение.

Каждую наружную и внутреннюю панель надо моделировать отдельной плоской изотропной оболочкой 1 (рис. 1), располагать в вертикальных плоскостях, совмещённых с продольными и поперечными осями здания. Толщину каждой наружной плоской оболочки (в дальнейшем оболочки) надо принимать равной толщине внут-

реннего несущего слоя наружной стеновой панели, а действительный вес этой панели учитывать соответствующим увеличением плотности её материала р. Толщины оболочек, моделирующих внутренние стеновые панели и плиты перекрытия, надо принимать равными их действительным толщинам: панелей и плит. Перемычки над дверными и оконными проёмами необходимо моделировать 3Б- стержнями, позволяющими учитывать сдвиговые деформации. Располагать эти стержни надо вдоль оси перемычки: посередине высоты вставок повышенной жёсткости. Высота этих вставок равна высоте перемычки. Поперечное сечение 3Б- стержня надо принимать прямоугольным с высотой, равной высоте перемычки и шириной, равной её толщине, т.е. толщине стеновой панели. Вставки повышенной жёсткости позволяют точнее моделировать взаимодействие перемычки с остальной частью панели. Можно использовать «эксцентриситеты» в узлах, принадлежащими торцам 3Б- стержней.

Плиты перекрытий размером на ячейку также надо моделировать плоской оболочкой 4. Самонесущие элементы зданий, например, лестничные марши, лучше моделировать соответствующими нагрузками. Необходимо обратить внимание на разбивку плоских оболочек на конечные элементы у мест установки связей, примыкания вставок, 3Б- стержней.

Для того, чтобы расчётная схема соответствовала моделируемому зданию, а программный комплекс в необходимых местах давал значения усилий, по периметру каждой оболочки, моделирующих стеновые панели и плиты перекрытия, устанавливают связи. Места установки связей должны быть согласованы с узлами КЭ - сетки и местами расположения соединительных деталей, шпонок. Размер КЭ - сетки - около 40*40см. В виду дискретности расчётной схемы связи над перемычками панелей можно не ставить. В случае упругой расчётной схемы такими связями могут быть защемлённые по торцам 3Б- стержни (связи), работающие либо на чистый сдвиг, либо только на изгиб (рис.2). Обозначены: Х- податливость, К, Кф- жёсткости, Е и О- модули упругости материала стержня при сжатии-растяжении и сдвиге, соответственно, А-площадь поперечного сечения, а- длина стержня.

х = = к = ^ К,-

О • А а а3 ' а

Рис.2. Виды связей с заделкой Можно использовать и жёсткие 3Б- стержни, жёстко защемлённые в одном

т. 3 • Е • I

торце и с элементным шарниром 10 на другом (рис.3). Для них К =-3—. В по-

а3

следнем случае увеличивается число вводимых элементов, зато не будет необходимости пересчитывать жёсткости стыков на параметры 3Б- связей (если размер стыка соответствует длине 3Б- связи).

2/2011

ВЕСТНИК

МГСУ

Рис.3. Использование стержней с элементными шарнирами

Нелинейность в стыках в программе STARK ES можно учитывать введением разрезных шарниров вместо элементных.

Устанавливать 3D- связи в FEA- проекте удобно с помощью растровой сетки. В POS- проекте для правильной генерации КЭ сетки необходимо установить временные произвольные короткие консоли в местах предстоящей установки 3D- связей. Можно заказать генерацию сетки с необходимыми размерами, например, 0,4*0,4м, 3D- связи ставить в её узлы, некоторые из которых после генерации при необходимости можно сместить в нужное место. Связи, моделирующие соединительные элементы, необходимо устанавливать отдельно. На рис.4 показана схема расположения связей во фрагменте КЭ- модели крупнопанельного здания с контактными стыками между стеновыми панелями. КЭ- сетка условно не показана. Для удобства восприятия условно отсутствуют наружные навесные стеновые панели и ряд других впереди стоящих элементов.

Рис.4. Расположение связей в КЭ-модели крупнопанельного здания с контактными стыками между стеновыми панелями

На рисунке обозначены:

1 - плоская оболочка, моделирующая внутренние поперечные стеновые панели:

2 - плоская оболочка, моделирующая внутренние продольные стеновые панели;

3 - плоская оболочка, моделирующая плиты перекрытия в комнатах;

4 - плоская оболочка, моделирующая плиты перекрытия в коридоре между продольны ми стеновыми панелями;

5 - ЗВ-стержень, моделирующий перемычку. Его длина равна ширине дверного проёма минус толщина шва (2см), сечение- поперечному сечению перемычки;

6 - жёсткие ЗБ-вставки длиной, равной высоте перемычки;

7 - жёсткие ЗБ-стержни длиной, равной толщине внутренней поперечной стеновой панели;

8 - ЗБ-связи, моделирующие неармированные контактные стыки между внутренними поперечными стеновыми панелями;

9 - ЗБ-связи, моделирующие неармированные контактные стыки между внутренними продольными стеновыми панелями;

10 - ЗО-стержени, моделирующие монтажные связи между внутренними продольными и поперечными стеновыми панелями;

11 - ЗО-стержени, моделирующие монтажные связи между внутренними продольными стеновыми панелями;

12 - ЗБ-связи между внутренними продольными стеновыми панелями, учитывающие жёсткости шпонок;

13 - ЗБ-связи между внутренними продольными и поперечными стеновыми панелями, учитывающие жёсткости шпонок;

14 - ЗБ-связи, моделирующие опирание плит перекрытий на внутренние стеновые панели;

15 - ЗП-стержени, моделирующие стыки между плитами перекрытия коридора (плит перекрытия между внутренними продольными стеновыми панелями).

Выводы

Появилась возможность выполнять расчёты крупнопанельных зданий с использованием как минимум двух независимых расчётных комплексов для получения более достоверных результатов. Программные комплексы LIRA и STARK ES имеют дополняющие друг друга опции. Благодаря этому расширяется круг возможных для решения задач.

Новая расчётная схема (рис.1, 4) позволила дать ответы на такие вопросы, как:

1. величины сдвигающих, сжимающих и растягивающих усилий в вертикальных стыках внутренних и наружных стеновых панелей,

2. величины усилий по периметру плит перекрытий,

3. величины усилий в горизонтальных стыках наружных и внутренних стеновых панелей,

4. величины усилий в горизонтальных стыках наружных и внутренних стеновых панелей с панелями цокольного этажа,

5. величины усилий в контактных стыках наружных и внутренних стеновых панелей на уровне пола цокольного этажа,

6. проверка прочности указанных стыков,

7. проверка несущей способности, устойчивости простенков наружных стеновых панелей, внутренних стеновых панелей,

8. величины раскрытия трещин в стыках,

9. разрушение защитного слоя бетона монтажных элементов и вызванное этим изменение жёсткости связей ,

10. образование трещин, начало скольжения, растягивающие напряжения в горизонтальных стыках,

11. устойчивость здания против прогрессирующего обрушения.

ВЕСТНИК

_2/20ГТ_МГСУ

Литература

1. Данель В.В., Кузьменко И.Н. Жёсткости стыков крупнопанельных зданий: анализ формул, рекомендации по их уточнению и использованию в конечноэлементных моделях // Актуальные проблемы исследований по теории сооружений. Доклады Международной конференции: Сборник научных статей в двух частях. Часть 2 / ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко.- М.: ОАО «ЦПП», 2009. - С. 261-274.

2.Данель В.В. Анализ формул для определения жёсткости при сжатии платформенных стыков крупнопанельных зданий //Стр. механика и расчёт сооружений. 2010. №1.- С. 2-5.

3.Данель В.В. Анализ формул для определения жёсткости при сдвиге платформенных стыков крупнопанельных зданий //Бетон и железобетон. 2010. №1.- С. 25-29.

4.Данель В.В. Анализ формул для определения жёсткости при растяжении монолитного бетонного стыка двух железобетонных панелей, пересекаемого непрерывными арматурными стержнями //Стр. механика и расчёт сооружений. 2010. №3.

5.Данель В.В.,. Кузьменко И.Н. Напряжённо-деформированное состояние платформенных стыков крупнопанельных зданий с учётом изгибающих моментов от плит перекрытий. // Бетон и железобетон. 2010. №4.

6.Руководство пользователя. Программный комплекс для расчета пространственных конструкций на прочность, устойчивость и колебания. STARK ES// М., ЕВРОСОФТ, 2008.

References

1. Danel V.V., Kuzmenko I.N. Rigidity of joints of large-panel buildings: the analysis of formulas, recommendations about their specification and use in finite-element models//Actual problems of researches under the theory of constructions. Reports of the International conference: the Collection of scientific articles in two parts. A part 2 / TsNIISK name V.A.Kucherenko. - M: Open Society "TsPP", 2009. - With. 261-274.

2. Danel V.V. Analysis of formulas for determine of hardtion by compression platform joints of the large-panel buildings. // Building constractions and calculation of buildings. 2010. №1.- P.2-5.

1. Danel V.V. Analysis of formulas for determine of hardtion by platform goints by shear horizontal platform goints of the large-panel buildings// Concrete and reinforced concrete. 2010. №1.-P.25-29.

4. Danel V.V. Analyze of formulas for rigidity definition at a stretching of a monolithic concrete joint of two reinforced concrete panels crossed continuous reinforcement by cores // Building constructions and calculation of buildings. 2010. №3.

5. Danel V.V., Kuzmenko I.N. A condition of platform joints of large-panel buildings with the account of the bending moments from plates of overlappings.//Concrete and reinforced concrete. 2010. №4.

6. The user's guide. A program complex for calculation of spatial designs on strength, stability and oscillations. STARK ES//M, the EUROSOFT, 2008.

Ключевые слова: расчётная схема, усилия, конечно-элементная модель, панель, плита перекрытия, расчёт, 3D- связь, 3D- стержень, плоская оболочка, соединения, нелинейность, стык платформенный, контактный, комбинированный, перемычка, параметры 3D- стержней.

Keywords : design scheme, the efforts of the finite-element model, panel, floor slab, calculation, 3D-relation, 3D-bar, flat shell connection, nonlinearity, joint platformention, contact, combined, jumper, the parameters of 3D-rods.

E-mail автора [email protected]

Рецензент: Смилянский А.Л., к.т.н., с.н.с. лаборатории №13 НИИОСП им. Н.М. Герсеванова.