Исследование напряжённо-деформированного состояния несущих конструкций монолитного железобетонного здания с учётом последовательности возведения



В статье автор рассматривает влияние параметра учёта постепенного возведения на напряжённо-деформированное состояние монолитных железобетонных колонн здания.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, процесс постепенного возведения здания, монолитное строительство, расчетная модель.

При расчётном обосновании объектов строительства редко используют технологии многостадийного расчета с учётом последовательности возведения. Необходимость учёта постепенного возведения обусловлена тем, что применяемая в настоящее время классическая расчетная модель не всегда точно отражает действительную работу, как всего здания, так и отдельных его элементов. Непосредственно из-за рассмотрения только лишь одного эксплуатационного состояния, классическая модель не может показать изменения напряжённо-деформированного состояния его элементов при возведении и в результате этого не способна гарантировать прочность и устойчивость несущих конструкций.

Во многие расчетные программные комплексы были внесены дополнения, позволяющие смоделировать процесс последовательного возведения, которое является нелинейной статической формой анализа, где реализуется концепция ступенчатого загружения расчетной схемы.

Ввиду того, что в настоящее время согласно нормативной документации не стоит четких требований для расчетов с учетом последовательности возведения, большинство расчетов зданий и сооружений производят по традиционной методике, что, в свою очередь, может привести к большим погрешностям в получаемых результатах. Следовательно, задача исследования напряжённо-деформированного состояния с учетом последовательности возведения является актуальной.

Расчетные модели для исследования

Изучение характера напряжённо-деформированного состояния железобетонных несущих конструкций выполнялось на примере монолитного 30-этажного здания (рис. 1) с тремя аутригерными и одним подземным этажами, а также с ядрами жесткости в виде двух лестничных клеток и лифтовой шахты.

Рис. 1. Пространственная модель здания (а), аутригерный этаж (б) и типовой этаж (в)

Выбор такой конструктивной схемы здания обусловлен необходимостью создания наиболее оптимальной системы с точки зрения прочности и устойчивости.

В качестве исследования влияния на формирование напряженно- деформированного состояния высотного здания был выбран такой параметр как учет истории его возведения. Для этого рассмотрено 5 расчётных схем:

1. Традиционная;
2. С учётом постепенного возведения без задания монтажных групп и дополнительных нагрузок;
3. С учётом постепенного возведения с заданными монтажными группами с коэффициентами 0,3; 0,6; 0,8; 1;
4. С учётом постепенного возведения с заданными монтажными группами с коэффициентами 0,3; 0,7; 0,9; 1;
5. С учётом постепенного возведения с заданными монтажными группами с коэффициентами 0,3; 0,7; 0,9; 1 и монтажными нагрузками от телескопических стоек и складирования строительных материалов (арматуры).

Данные об общих сведениях о модели здания приведены в таблице 1.

Таблица 1

Общие сведения о модели здания

Параметр	Значение
Общая высота здания, м	93,0
Высота подземного этажа, м	3,0
Высота подземного этажа, м	4,0
Габариты в осях, м	36,0 х 36,0
Тип конструктивной системы	Каркасно-стеновая
Класс бетона	В30

Несущие конструкции здания представлены в виде:

1) Монолитных железобетонных колонн сечением 600х600 мм с шагом 6 метров;

2) Монолитных железобетонных стен толщиной 300 мм, являющихся диафрагмами жесткости;

3) Монолитных железобетонных стен подвального этажа толщиной 600 мм;

4) Монолитных железобетонных балок сечением 600х600 мм;

5) Монолитных железобетонных стен двух лестничных клеток и лифтовых шахт, выполняющих роль ядер жесткости;

6) Монолитных железобетонных плит перекрытия и покрытия толщиной 250 мм;

7) Железобетонной фундаментной плиты толщиной 1500 мм.

Модель была создана в ПК САПФИР, после триангулирована и передана в ПК ЛИРА-САПР, где рассчитывается методом конечных элементов. В рамках исследования расчету подлежат только монолитные железобетонные несущие конструкции здания (стены, колонны, балки и перекрытия). Работа свайного фундамента не учитывалась, поэтому ростверк у основания закреплен условно «жестко». Для расчетов с учётом постепенного возведения было задано 66 стадий, где 66-ая является эксплуатационной.

При расчёте на эксплуатационной стадии учитывались снеговая, ветровая, полезные и от давления грунта нагрузки. Собственный вес несущих конструкций был учтен в программном комплексе автоматически с учётом коэффициента надежности по нагрузке γ _f = 1,1. В рамках данной работы веса полов не учитывались.

Для расчетов № 3, № 4 и № 5 были заданы коэффициенты к модулю деформаций и прочности бетона для каждой из групп элементов схемы в соответствии с номерами стадий возведения. Для расчёта № 3 использовались коэффициенты 0,3, 0,6, 0,8 и 1, а для расчётов № 4 и № 5–0,3, 0,7, 0,9 и 1. Понижающие коэффициенты прочности и модуля деформаций бетона используемые в данной работе для расчета № 3–0,3, 0,6, 0,8 и 1, равные 30, 60, 80 и 100 процентов набранной прочности соответственно, а для № 4 и № 5 коэффициенты 0,3, 0,7, 0,9 и 1, равные 30, 70, 90 и 100 процентам, которые задаются для групп элементов схемы в соответствии с номерами стадий возведения.

Коэффициенты в расчетной схеме № 3 взяты для анализа, поскольку зависят от сроков выполнения монтажных работ. Согласно [1] п. 5.7.11 при достижении бетоном 70-процентной прочности разрешается распалубка и последующая обработка бетона, поэтому для расчётов № 4 и № 5 схемы был указан коэффициент 0,7, соответствующий этой прочности бетона, при которой возводились несущие конструкции на новой стадии.

В расчёте № 5 были заданы дополнительные монтажные загружения от действия телескопических стоек в виде сосредоточенных сил величиной 15 кН и складирования материалов (арматуры) в виде распределенной нагрузки на 12 метров, исходя из максимальной длины арматурного стержня 11700 мм, величиной 15 кН/м ² с коэффициентом «1» при приложении или установке опалубки и с «-1» при законченном действии или разборке (рис. 2). Опалубка снималась при условии набора бетоном 70-процентной прочности бетона.

Рис. 2. Монтажная нагрузка: а — от телескопических стоек; б — от складирования материалов

Анализ результатов расчёта

По результатам расчётов при сравнительном анализе изополей вертикальных деформаций здания (по оси Z) по традиционной методике видно, что максимальные деформации сосредоточены на верхних этажах модели, величина которых составляет 31,53 мм (рис. 3, а). Вертикальные деформации при расчёте с учетом стадийности демонстрируют другую картину деформирования. Здесь максимальные деформации локализованы в средней зоне наиболее жесткой части модели (рис. 3, б, в, г). Значения максимального вертикального перемещения для расчётных схем, с учётом постепенного возведения для расчета № 2 равно 28,08, а для № 3, № 4 и № 5–20,64. Такой же характер деформирования показывали расчетные схемы в научной литературе [2, 3, 4], где при этом учитывалось влияние только собственного веса.

Рис. 3. Вертикальные деформации (по оси Z): а — результаты по расчёту № 1; б — то же по расчёту № 2; в — то же по расчёту № 3; г — то же по расчёту № 4; д — то же по расчёту № 5

Рис. 4. Горизонтальные деформации (по оси X): а — результаты по расчёту № 1; б — то же по расчёту № 2; в — то же по расчёту № 3; г — то же по расчёту № 4; д — то же по расчёту № 5

При анализе изополей горизонтальных перемещений (по оси X) можно увидеть отличающиеся схемы деформирования по величине деформаций (рис. 4). Максимальные деформации у схем локализованы в верхней части модели. Величина горизонтальных деформаций по традиционной методике составляет 4,97 мм, а по схеме с учётом постепенного возведения расчета № 2 4,82 мм, для № 3, №;4 и № 5–3,83 мм.

Полученные результаты показывают, что в традиционном расчете значения перемещений получились больше, чем в многостадийном. Разница в полученных результатах при сравнительном анализе деформационных схем 30-этажного здания обусловлена несимметричным распределением жесткостей в пределах этажа и тем, что расчеты деформаций несущих конструкций по традиционному методу формируют накопление ошибки, связанной с неизменяемыми геометрическими параметрами модели. При этом величина накопленной ошибки может существенно превысить приемлемые пределы и привести к недопустимому искажению расчетного деформированного состояния модели здания.

Поскольку в расчете № 5 в отличие от № 3 и № 4, помимо учета эксплуатационных нагрузок на последней стадии и набора прочности бетоном, учитывались монтажные нагрузки от телескопических стоек и складирования материалов (арматуры) можно сказать, что влияние на деформации, полученные в конечном результате, то есть при рассмотрении эксплуатационной стадии, крайне мало.

Для верифицирования расчета был произведен анализ продольных усилий колонн на нагрузки от собственного веса несущих конструкций.

На рис. 5 приведено сравнение результатов продольных усилий колонн по традиционной методике и с учётом постепенного возведения, где в первом случае ясно видна концентрация продольных растягивающих усилий достаточно большой величины на верхних этажах здания. Такой результат иллюстрируют большинство научных источников [4, 5, 6 и др].

Рис. 5. Значения продольного усилия N, кН, поэтажно для расчётов № 1 по традиционной методике (а) и № 2 с учётом постепенного возведения (б) от действия собственного веса несущих конструкций

Рис. 6. Значения продольного усилия N, кН, поэтажно для расчётов № 1 по традиционной методике (а) и № 2 с учётом постепенного возведения (б) от собственного веса несущих конструкций с учётом эксплуатационных нагрузок

Однако результаты получаются иными при учете действия эксплуатационных нагрузок. На рис. 6 видно, что при рассмотрении продольных усилий в колоннах по всем этажам от РСН растягивающие усилия при традиционном методе расчета увеличились по величине на 25 %, а при расчете по второму методу появились растягивающие усилия. Это обусловлено тем, что последний этаж — аутригерный, то есть обладает большей жесткость, чем типовые, а это означает, что чем жестче конструкция, тем больше она берет на себя усилий. Из сравнительного анализа результатов также видно, что при моделировании здания с учетом стадийности возведения наблюдается сглаженный характер распределения напряжений и усилий по несущим элементам каждого этажа, что приводит к экономии бетона и арматуры. В расчётах № 3, № 4 и № 5 также присутствуют растягивающие продольные усилия на последних этажах здания.

Выводы:

По результатам расчетов можно сказать, что возникающие деформации и напряжения в конструкциях монолитного железобетонного 30-этажного здания по традиционной методике и с учётом постепенного возведения имеют разные значения и характер поведения. При учете последовательности возведения учитывается начальная деформированность системы, которая отсутствует в традиционной модели. Следовательно, отрицание начального напряженно-деформированного состояния конструкций, при расчете по традиционной расчетной модели является одним из основных ее недостатков.

Расчет с учётом постепенного возведения здания оказался более точным, поскольку был максимально приближен к реальным условиям работы и стадийность возведения значительно влияет на формирование напряжённо-деформированного состояния несущей системы конструкций. Однако значительно увеличивается время, трудоемкость расчета и требуется мощная вычислительная техника.

С увеличением количества этажей в здании и при наличии этажей повышенной жесткости, использование традиционной методики расчёта ведет к расхождению в результатах по сравнению с результатами, полученными с использованием системы «Монтаж» для учёта постепенного возведения. Сравнив 4 схемы с учётом постепенного возведения, в которых учитывались различные факторы (набор прочности бетоном, монтажные нагрузки), можно сделать вывод о том, что на значения полученных усилий наибольшее влияние оказал набор прочности бетона. Монтажная нагрузка оказала незначительное влияние.

Литература:

1. СП 70.13330.2012 Несущие и ограждающие конструкции. Актуализированная редакция СНиП 3.03.01–87 (С изменением N 1, 3).

2. Кабанцев, О. В. Расчет конструкций многоэтажных и высотных железобетонных зданий с учетом изменения основных параметров расчетной модели в режимах возведения и эксплуатации / Научные труды III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону (Москва, 12–16 мая 2014 г.). Т. 1. — С. 282–292.

3. Семенов, А.А., Порываев, И.А., Кузнецов, Д.В., Нгуен, Т.Х., Саитгалина, А.С., Трегубова, Е. С. Напряженно-деформированное состояние высотного здания с учётом последовательности возведения / Строительство уникальных зданий и сооружений, 2017. ISSN 2304–6295. 12 (63). — С. 49–70.

4. Перельмутер, А. В. Анализ конструкций с изменяющейся расчетной схемой / А. В. Перельмутер, О. В. Кабанцев — М.: Изд-во СКАД СОФТ, Издательский дом АСВ, 2015. — 148 с.
5. Канев, Д.В., Применение модуля Монтаж для расчета высотных зданий в ПК ЛИРА 10 / Д. В. Канев — Текст: электронный // Лира-Софт, 2015. — URL: https://lira-soft.com/forum/forum8/topic87/.
6. Мкртычев, О.В., Андреев, М.И., Сидоров, Д. С. Анализ изменения усилий в конструкциях при учете стадийности возведения / Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, 2018. 14(4). — С. 293–298.