CC BY
138
-т
SCIENCE TIME
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО КАРКАСА ЗДАНИЯ
Кравченко Галина Михайловна, Ростовский государственный строительный университет, г. Ростов-на-Дону
E-mail: [email protected]
Коробкин Александр Петрович, Ростовский государственный строительный
университет, г. Ростов-на-Дону
E-mail: [email protected]
Труфанова Елена Васильевна, Ростовский государственный строительный университет, г. Ростов-на-Дону
E-mail: [email protected]
Лукьянов Вячеслав Игоревич, Ростовский государственный строительный университет, г. Ростов-на-Дону
E-mail: [email protected]
Аннотация. В статье рассмотрены динамические модели каркаса здания по пространственной плитно-стержневой схеме. Разработаны критерии оценки динамических моделей железобетонного каркаса здания. По результатам расчета сделаны выводы и даны рекомендации по учету сейсмической нагрузки.
Ключевые слова: критерии оценки; динамические модели; сейсмическая нагрузка; расчет каркаса здания; метод конечных элементов.
Сейсмическая нагрузка одно из самых опасных воздействий, которое способна воспринять сооружение. Воздействия природного происхождения представляют поле движения грунта в основании сооружения. Одной из важных задач строительной механики является разработка методов расчета зданий и сооружений с учетом сейсмических нагрузок.
В настоящее время расчет зданий и сооружений с учетом сейсмики производится в соответствии со СНИП 11-7-81* (СП 14.13330.2011). Расчет ведется в предположении упругого деформирования конструкций, при этом образование остаточных деформаций, трещин, пластических зон учитывается условными эмпирическими коэффициентами, которые не зависят от интенсивности землетрясения и свойств самого сооружения. Отсутствие учета зависимости сейсмической нагрузки от особенностей жесткостных и динамических характеристик зданий и сооружений требует разработки современных инновационных принципов расчета, которые максимально точно будут предсказывать поведение здания или сооружения при сейсмическом воздействии. Одним из таких методов является расчет с учетом дилитации и ротации массы грунта основания на основе применения интегральной модели воздействия.
Рекомендуется рассмотреть:
- два ортогональных направления горизонтального воздействия и вертикального сейсмическое воздействие, соответствующие ориентации основных форм собственных колебаний сооружения;
- направление, при котором получены максимальные динамические реакции сооружения;
- наиболее вероятное направление в соответствии с местностью расположения очага возможного землетрясения.
В расчете 10-этажного монолитного железобетонного каркаса жилого здания в г. Ессентуки Ставропольского края на сейсмическое воздействие согласно проектному заданию учтено:
- фундамент - монолитная железобетонная плита толщиной 900 мм по грунтовому основанию, усиленному армирующими элементами, бетон класса В25;
- диафрагмы жесткости - монолитные железобетонные толщиной 200мм, бетон класса В25;
- ядра жесткости (стены лестнично-лифтового узла) - монолитные железобетонные толщиной 250 мм, бетон класса В25;
- плиты перекрытия - монолитные железобетонные, толщиной 200 мм, бетон класса В25;
- колонны подвала сечением 450х450 мм, 1 этажа и выше сечением 400х400 мм, бетон класса В25;
- балконы - сборные железобетонные плиты по монолитным железобетонным консольным балкам.
Сейсмичность площадки строительства 9 баллов, категория грунта вторая.
Конечно-элементная модель выполнена в программном комплексе 81агк_ЕБ 2009 и представляет собой пространственную плитно-стержневую
систему. Плитный ростверк, стены, плиты перекрытий и покрытий моделируются треугольными изопараметрическими конечными элементами с 18-ю степенями свободы и четырехугольными оболочечными конечными элементами с 24 степенями свободы. Колонны моделируются пространственными стержнями с 12-ю степенями свободы (рис.1).
В расчетной схеме учтены постоянные нагрузки (вес несущих и ненесущих конструкций, давление грунта), длительные нагрузки и кратковременные нагрузки (полезные нагрузки, снеговая нагрузка, ветровые нагрузки).
Рис. 1 Конечно -элементная модель каркаса здания
Для создания динамической модели определены параметры собственных колебаний: спектр частот и форм главных колебаний (рис.2). Для расчета сейсмических нагрузок по методике СНиП 11-7-81* использована диагональная матрица масс с учетом только линейных степеней свободы.
Рис. 2. Главные формы колебаний: а) 1 форма; б) 2 форма; в) 3 форма
Расчет сейсмических нагрузок выполнен по двум вариантам:
- в соответствии со СНиП 11-7-81* «Строительство в сейсмических районах» на горизонтальное поступательное сейсмическое воздействие, имеющее произвольное направление в горизонтальной плоскости;
- нагрузки определены по интегральной модели сейсмического воздействия.
Так как СНиП 11-7-81* не нормирует направление угла к оси Х и количество учитываемых форм колебаний, то при расчете по первому варианту учтены только три главные формы колебаний и два угла между направлением сейсмического воздействия и осью Х 90о и 180о. По каждому варианту дополнительно получено три нагружения (в соответствии с количеством учтенных форм колебаний).
Учет пространственного характера интегральной сейсмики позволяет определить опасные направления от поступательных и вращательного воздействий. По результатам расчета программа 81агк_Е8 формирует таблицу направляющих косинусов по каждому опасному направлению, производит оценку вклада форм и суммарный вклад учтенных форм колебаний по каждому направлению. Использована диагональная матрица масс с учетом линейных и угловых степеней свободы.
При учете трех главных форм колебаний получены факторы участия в диапазоне от 66,77% до 70,48%, что недостаточно для динамической массы здания по нормам. При рассмотрении 12 форм колебаний факторы участия превышают минимальный нормативный диапазон.
Каждое сейсмическое побуждение характеризуется формами колебаний с фактором участия больше 1%, направляющими косинусами воздействия и
SCIENCE TIME
амплитудой (масштабный коэффициент, вводимый к заданному спектру, зависящий от сейсмичности площадки и категории грунтов) Амплитуда при расчете сейсмических нагрузок от поступательного воздействий рассчитывается по формуле 1:
I = g х A х%(В) х ^ х K2 , (1)
где § - ускорение свободного падения,
А - коэффициент, зависящий от сейсмичности площадки (для 9 баллов
-0,4);
К1 - коэффициент, учитывающий допускаемые разрушения сооружения; К2 - коэффициент, зависящий от конструктивного решения сооружения;
х(В\ = еа(Я"25) , (2)
-з
где а - зависит от категории грунтов (а=-4,8*10 для второй категории); В - меньший размер сооружения в плане;
В результате сейсмических расчетов получены значения перемещений несущих конструкций здания. Получены формы деформированной схемы каркаса (рис.3). По СНиП получено максимальное горизонтальное перемещение 3,32 мм, по второму - 21,69 мм.
Рис. 3 Горизонтальные перемещения от сейсмических нагрузок: а) 1-й вариант расчета, б) 2-й вариант расчета
При рассмотрении задач движения пространственной динамической системы оценка результатов расчета производится по следующим критериям:
- учет дилитации и ротации массы грунта основания при определении напряженно-деформированного состояния каркаса здания;
- вклад участия форм колебаний по каждому направлению сейсмического воздействия;
- надежность принятой конструктивной схемы;
- состояние сооружения не достигает предельного значения, при котором оно может превратиться в механизм или разрушиться.
Литература:
1. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Долженко А.В. Уточнение норм проектирования при динамическом расчете зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки: Х Международная научно-практическая конференция «Интеграционные процессы развития мировой научной мысли в ХХ1 веке», Казань, Общество Науки и Творчества, 2014 г.
2. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Долженко А.В. Влияние учета пульсационной составляющей ветровой нагрузки на напряженно-деформированное состояние здания: Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы технических наук», Уфа, РИЦ БашГУ, 2014 г.
3. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Долженко А.В. Динамический расчет зданий на ветровые нагрузки с учетом пульсационной составляющей: Электронный научный журнал АРМОМ. Серия: Естественные и технические науки. Краснодар, 2013 г.
