Работа с программными комплексами
Вопросы, возникающие при создании и анализе расчетных схем
На сайте СНиП «Железобетон» и на ряде семинаров дискутируется вопрос о том, что выбор РСУ (расчетные сочетания усилий), по критериям максимальных фибровых напряжений не всегда корректны, т.к. могут быть пропущены усилия от нагружения дающего большее количество арматуры. Какие критерии выбора РСУ наиболее правильны?
Имеется в виду, что если есть несколько взаимоисключающих нагружений (например, ветровая нагрузка от различных направлений действия ветра), то нагружение, дающее максимальное напряжение в определенной фибре может обуславливать меньшее количество арматуры, чем другое нагружение.
Действительно можно подобрать несколько примеров, которые подтверждают этот эффект, однако:
- Критериев максимальных фибровых напряжений для включения в РСУ усилий от различных нагружений достаточно много. Так для простейшего прямоугольного сечения их 8 – максимальные напряжения сжатия и растяжения в четырех угловых зонах сечения. Так что если усилия от какого-либо нагружения не были включены по какому-либо критерию, то с большой вероятностью они будут включены в другое РСУ по другому критерию.
- Как правило, взаимоисключающие нагружения не вносят большой вклад в РСУ. Так для каркасных конструкций зданий основной вклад в РСУ вносят усилия от собственного веса и полезной нагрузки, которые всегда войдут в РСУ. В РСУ всегда войдут усилия от различных направлений сейсмического и ветрового воздействия, так как критериев достаточно много. В этом смысле практически невозможно подобрать набор взаимоисключающих нагружений, что бы сработал эффект, указанный в вопросе.
- При расчете конструкций с использованием РСУ, которые основаны на принципе суперпозиции, всегда имеется противоречие: статический расчет ведется в линейно-упругой постановке, арматура подбирается на основе предельных состояний, т.е. с учетом нелинейной работы материала. И этот алогизм всегда будет присутствовать вне зависимости от способов составления РСУ (рис. 1).
Рис. 1
- Выбор РСУ по критериям максимальной арматуры очень энергозатратен в смысле затраты машинного времени.
Таким образом, критерий выбора РСУ по максимальной арматуре хотя и логичен на первый взгляд, но с другой стороны может оказаться целесообразным в крайне редких случаях. Но самое главное не устраняет алогизма в цепочке расчетов представленной на рис. 1.
В перспективе, по-видимому, будет происходить отказ от расчетов в линейно-упругой постановке с использованием РСУ. Тенденции к переходу на расчеты в нелинейной постановке проявляются уже сейчас достаточно явно. В этом случае схема расчетов, которая будет свободна от многих алогизмов представляется такой:
- Расчет конструкции с учетом физической и геометрической нелинейности на различные РСН (расчетные сочетания нагружений). Указания по составлению РСН имеются в Еврокоде и новых нормативных документах России и Украины.
- Подбор арматуры по усилиям от всех РСН.
Наверх
Уход от восприятия неугодных усилий конструкция, если это возможно, организует сама за счет пластических деформаций в стальных конструкциях или микротрещин в железобетонных. Бояться возникновения микротрещин не надо, так как для ухода от неугодного усилия достаточно небольших микротрещин, размеры которых значительно меньше допустимых трещин в растянутых рабочих зонах бетона. Аналогичным образом конструктор может поступать в отношении диафрагм, считая, что они воспринимают усилия только в своей плоскости, т.е. работают как балки-стенки.
Специалисты склонные к исследованиям могут провести такой численный эксперимент: для реального или гипотетического, но достаточно представительного, каркаса провести два расчета. В одном из них смоделировать диафрагму оболочечными элементами (ПК ЛИРА, КЭ №№ 41, 42, 44), в другом – смоделировать диафрагмы как элементами балки-стенки (ПК ЛИРА, КЭ №№ 21, 22, 24). С большой степенью вероятности деформативность каркаса на вертикальные и горизонтальные нагрузки будет практически одинаковой, изгибные усилия в плите во втором случае будут несколько выше – на 5–10 %, но это не так критично, так как плита призвана работать на изгиб. Зато армирование диафрагм во втором случае будет значительно ниже, т.е. принцип «безопасность – экономичность» будет удовлетворен.
Наверх
Этот вопрос очень характерен, хотя и возник в результате ознакомления с материалом помещенным на сайте www.hexa.ru. Вот выдержки из этого материала: «К настоящему времени был выполнен ряд экспертных работ, в которых анализировалась конструктивная прочность здания аквапарка «Трансвааль». Ни в одной из этих работ не было однозначно указано на истинную причину обрушения данного сооружения. В качестве основного инструмента для определения напряженно-деформированного состояния (НДС) и динамических характеристик конструкции при различных видах воздействия в этих работах используется численный метод конечных элементов, реализованный в различных программных системах: ЛИРА, SCAD, ANSYS, СТАДИО. Для проведения расчетного анализа результаты которого приводятся на сайте www.hexa.ru использовалась программа ABAQUS при построении модели было решено: «…создать КЭ модель покрытия с моделированием объемными элементами опорного контура и прилегающих к опорному контуру зон оболочки, имеющих переменную толщину; задать балочными элементами всю арматуру, установленную в объеме бетона, в соответствии с чертежами; арматуру ребер задать балочными элементами; для бетона учесть нелинейное поведение материала с различными характеристиками на сжатие и растяжение; конструкцию опорных колонн со связями моделировать оболочечными элементами с подробной проработкой соединений и опорных узлов. В результате была получена расчетная модель, размерность которой составила порядка 2 миллионов элементов, что превзошло детализацию конструкции в 20 раз по сравнению с представленными ранее моделями в расчетах экспертных организаций».
В выводах содержится такая фраза: «Если бы такой анализ прочности конструкции, как мы вам представили, был проведен на стадии проектирования и принятия окончательных решений, то с большой вероятностью можно утверждать, что все ошибки проектирования были бы обнаружены. И данное сооружение не было бы построено или проект претерпел бы серьезные доработки».Во-первых экспертизу по указанным программам проводили очень компетентные организации, такие как ЦНИИСК, НИИЖБ, МГСУ, НИИАСС. При этом использовались достаточно подробные расчетные схемы. Причины аварии были однозначно указаны, и ничего нового с тех пор не появилось. В указанном материале (имеется в виду www.hexa.ru) выводы носят скорее эмоциональный, чем профессиональный характер.
Во-вторых, ответ по существу: для избегания подобных ситуаций необходимо, прежде всего, подробное и адекватное осмысление работы конструкций. И для этого использование «многомиллионных» расчетных схем далеко необязательно. Более того, оно в ряде случаев может носить вредоносный характер так как «за деревьями можно не увидеть леса». К такому выводу приходят многочисленные дискуссии на эту тему на различных конференциях и семинарах специалистов по строительной механике. Подробно эта тема обсуждается в публикациях:
- А.В. Перельмутер, В.И. Сливкер. «Расчетные модели сооружений и возможность их анализа»;
- А.С. Городецкий, И.Д. Евзеров. «Компьютерные модели конструкций».
Вывод такой:
- Большеразмерные «многомиллионные» схемы надо использовать только в крайних случаях. Более целесообразно: использовать набор упрощенных схем, каждая из которых моделирует то или иное свойство конструкции.
- По возможности проводить компьютерное моделирование процессов жизненного цикла, например, процесса возведения конструкции.
- Широко использовать приемы фрагментации, «вырезая» определенные фрагменты конструкции (плиты перекрытий, отдельные элементы, узлы и др.) и исследовать их НДС на более подробной (в том числе трехмерной) модели. Или наоборот исследовать физико-механические характеристики отдельного фрагмента (например, податливость узла) и использовать эти характеристики в общей модели.
Ну а самое главное – осмыслить имеющуюся информацию и сделать правильные выводы.
Наверх
 Рис.1 |
 Рис.2 |
На рис. 1 жесткость балки очень мала по сравнению с жесткостью основания и момент в балке практически отсутствует.
На рис. 2 жесткость балки значительно превосходит жесткость основания, поэтому напряжение в основании практически равномерное и момент в балке достигает предельной величины.
Первая схем (рис. 1) неблагоприятна для грунтового (свайного основания) из-за неравномерного распределения отпора грунта (усилия в сваях). Вторая схема (рис. 2) неблагоприятна для фундаментной конструкции. При недостаточной информации о свойствах грунтового (свайного) основания желательно провести несколько расчетов, варьируя жесткостью грунтового (свайного) основания, выявив неблагоприятные случаи для фундаментной конструкции и грунтового (свайного) основания.
Работа фундаментных конструкций высотных зданий больше приближается к работе второй схемы (рис. 2), так как фундаментная плита совместно с перекрытиями нижних этажей представляет очень жесткую конструкцию. Поэтому, как правило, обеспечивается равномерное распределение отпора грунта (усилий в сваях).
Наверх
Наверх
Наверх
Наверх