Поддержка и обучение

Вопросы и ответы



Вопросы, возникающие при создании и анализе расчетных схем

  • Какие критерии выбора РСУ наиболее правильны?
  • При расчете каркаса здания из монолитного железобетона в диафрагмах возникают значительные изгибающие моменты из плоскости диафрагм, что требует установки большого количества арматуры. Возможны ли какие-либо конструктивные меры, чтобы избежать этого?
  • Насколько целесообразно применять расчетные схемы содержащие миллионы узлов и элементов?
  • Почему с увеличением толщины (жесткости) фундаментной плиты в ней увеличиваются усилия (моменты и перерезывающие силы)?
  • Почему в области отверстий в плите часто наблюдается снижение величин изгибающих моментов?
  • Почему нормальные силы в колоннах, полученные в результате расчета общей схемы здания, могут значительно отличаться от результатов оценочных расчетов, сделанных на основе сбора вертикальных нагрузок по грузовым площадям?
  • Почему при расчете здания в ПК МОНОМАХ-САПР в колоннах нижних этажей получены большие изгибающие моменты и перерезывающие силы? Расчет в ПК ЛИРА-САПР аналогичный.
  • Почему при расчете плит в составе общей схемы здания и при расчете их же, как отдельной плиты результаты, как правило, значительно отличаются.

  • Какие критерии выбора РСУ наиболее правильны?
    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:

    1. 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.
    2. 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.
    3. 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

    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.


    0  

    При расчете каркаса здания из монолитного железобетона в диафрагмах возникают значительные изгибающие моменты из плоскости диафрагм, что требует установки большого количества арматуры. Возможны ли какие-либо конструктивные меры, чтобы избежать этого?
    При расчете каркаса здания из монолитного железобетона в диафрагмах возникают значительные изгибающие моменты из плоскости диафрагм, что требует установки большого количества арматуры. Возможны ли какие-либо конструктивные меры, чтобы избежать такого переармирования? Основное назначение диафрагм – воспринимать горизонтальные нагрузки в своей плоскости. Работа диафрагм на различные (силовые и деформационные) воздействия из своей плоскости противоестественны. Одна из задач конструктора, если он стремится к рациональной конструкции, т.е. чтобы соблюдался принцип «безопасность – экономичность», заключается в том, чтобы поручать конструктивным элементам восприятие тех усилий, на которые они лучше всего работают. В инженерной практике таких примеров достаточно много. Так элементы фермы рассчитывают на нормальные усилия, хотя ферменные узлы, как правило, выполняют в натуре по жесткой схеме. Очень часто аналогичным образом поступают при конструировании балочных ростверков, которые рассчитывают исходя из того, что элементы ростверка не воспринимают крутильные усилия. Хотя и в этом случае узлы сопряжения балок конструируют жесткими, т.е. без организации какого-либо явно выраженного шарнира. Основное назначение балок – работа на изгиб, поэтому если есть возможность не поручать им работу на кручение, то это надо делать.
    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.
    0  

    Насколько целесообразно применять расчетные схемы содержащие миллионы узлов и элементов?
    Насколько целесообразно применять расчетные схемы содержащие миллионы узлов и элементов?

    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.
    0  

    Почему с увеличением толщины (жесткости) фундаментной плиты в ней увеличиваются усилия (моменты и перерезывающие силы)?
    Почему с увеличением толщины (жесткости) фундаментной плиты в ней увеличиваются усилия (моменты и перерезывающие силы)? Это связано с тем, что система «фундаментная плита – грунтовое (свайное) основание» относится к многократно статически неопределимой схеме. Характерной особенностью таких систем является их свойство перераспределения усилий: более жесткая часть системы берет на себя большие усилия. В данном случае это свойство удобно продемонстрировать на двух примерах (балка на упругом основании, нагрузка в виде сосредоточенной силы) с предельными соотношениями жесткости балки и упругого основания.

    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).


    0  

    Почему в области отверстий в плите часто наблюдается снижение величин изгибающих моментов?
    Почему в области отверстий в плите часто наблюдается снижение величин изгибающих моментов? Этот эффект объясняется тем, что отверстие ослабляет жесткость плиты в близлежащей области, и схема работы плиты, как многократно статически неопределимой системы изменяется, что сопровождается перераспределением усилий. Поэтому если отверстие расположено в пролете, то пролетные моменты будут несколько снижены, зато увеличатся опорные моменты у близлежащих опор, и, наоборот, если отверстие расположено у опоры, то снизятся соответствующие опорные моменты, зато произойдет увеличение пролетных моментов в близлежащих пролетах.
    0  

    Почему нормальные силы в колоннах, полученные в результате расчета общей схемы здания, могут значительно отличаться от результатов оценочных расчетов, сделанных на основе сбора вертикальных нагрузок по грузовым площадям?
    Почему нормальные силы в колоннах, полученные в результате расчета общей схемы здания, могут значительно отличаться от результатов оценочных расчетов, сделанных на основе сбора вертикальных нагрузок по грузовым площадям? Это связано с тем, что вертикальные несущие элементы – колонны являющиеся опорами плит перекрытий и стена имеют разную податливость, обусловленную различным укорочением, вызванным различными напряжениями бетона (в колоннах и пилонах эти напряжения, как правило, значительно выше, чем в стенах, и, следовательно, колонны являются более податливыми опорами, чем стены). Это приводит к тому, что более податливые опоры (колонны и пилоны) плит перекрытий воспринимают меньшую нагрузку, чем диафрагмы и стены ядер жесткости, на которых плиты перекрытий в какой-то степени зависают. Этот эффект подробно рассмотрен в книгах «Расчет и проектирование конструкций высотных зданий из монолитного железобетона» и «Компьютерные модели конструкций». Этот эффект может быть также обусловлен неравномерной жесткостью грунтового (свайного) основания.
    0  

    Почему при расчете здания в ПК МОНОМАХ-САПР в колоннах нижних этажей получены большие изгибающие моменты и перерезывающие силы? Расчет в ПК ЛИРА-САПР аналогичный.
    Мы выполнили расчет здания по ПК МОНОМАХ-САПР и в колоннах нижних этажей особенно находящихся на краях фундаментной плиты получим большие изгибающие моменты и перерезывающие силы, причем только от вертикальных нагрузок. Расчет в ПК ЛИРА-САПР аналогичный. Почему? Этот эффект объясняется тем, что фундаментная плита работает совместно с плитами перекрытий нижних этажей, создавая пространственную жесткую систему в виде «коробчатой плиты» или «пространственной фермы Веренделя». С одной стороны, это благоприятно влияет на работу грунтового (свайного) основания, так как выравнивает отпор грунта (усилия в сваях), с другой стороны, моменты в фундаментной плите уменьшаются за счет условно большей высоты (по сути это несколько нижних этажей). За эти благоприятные эффекты надо расплачиваться необходимостью восприятия больших сдвигающих сил. Особенно они велики в вертикальных элементах расположенных в периферийных зонах фундаментной плиты. Подробно эти эффекты рассмотрены в книгах «Расчет и проектирование конструкций высотных зданий из монолитного железобетона» и «Компьютерные модели конструкций».
    0  

    Почему при расчете плит в составе общей схемы здания и при расчете их же, как отдельной плиты результаты, как правило, значительно отличаются.
    Почему при расчете плит в составе общей схемы здания и при расчете их же, как отдельной плиты результаты, как правило, значительно отличаются. Этот эффект объясняется тем, что при расчете отдельной плиты как правило считают, что опоры не имеют вертикальных смещений, т.е. являются абсолютно жесткими. На самом деле, и этот эффект выявляется при расчете плиты в составе общей схемы здания, опоры плит имеют неравномерные перемещения. Колонны и пилоны имеют, как правило, вертикальные перемещения значительно большие, чем стены, так как сечение колонн подбирается из условия максимального использования прочности бетона (т.е. напряжения в них близки к предельным, а, следовательно, и относительные деформации, а значит и вертикальные перемещения достаточно велики). Сечения же стен назначаются из условия производства работ (условия вертикального бетонирования обуславливают толщину стены не меньше 18-20 см). поэтому напряжения (а следовательно и относительные деформации) в них значительно меньше, чем в колоннах. Влияние этого эффекта подробно рассмотрено в книгах «Расчет и проектирование конструкций высотных зданий из монолитного железобетона» и «Компьютерные модели конструкций».
    0