Лекция 8. Проектирование рамного каркаса здания методом численного эксперимента

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 6Следующая ⇒

Здание пятиэтажное с рамным каркасом. Колонны размером 400х400мм, ригеля 400х400мм, перекрытия монолитные железобетонные толщиной 200мм.

Расчет выполнен на следующие загружения:

Загружение 1 – постоянное

Загружение 2 – длительное

Загружение 3 – кратковременное

Загружение 4 – сейсмическое по оси Х

Загружение 5 – сейсмическое по оси Y.

Процесс формирования расчетной модели

Согласно разработанным рекомендациям был выполнен расчет модели, затем сейсмические загружения были преобразованы в нагрузки (инерционные силы) и выполнен расчет армирования в ЛирАрм.

Армирование во всех конечных элементах разное. Технологически такое армирование не возможно. Требуется унификация. Не унифицированное армирование применяется для выбора зон унификации.

Унификация армирования достигается унификацией расчетных сочетаний усилий. Программа выбирает максимальные значения в заданной зоне унификации и по этим значениям рассчитывает единое армирование в зоне унификации – колоннах, на приопорных участках ригелей, в средней части пролетов.

Унификация армирования необходима и по требованию методики расчета ПК ЛИРА. Преобразование жесткостей из постоянных линейных в переменные нелинейные невозможно для всех конечных элементов из-за большого объема информации и выполняется только для ограниченного количества (не более 50) унифицированных групп.

Обратим также на непривычный характер максимумов расчетного армирования в нижней зоне плиты – не в средине пролетов, а у опорных зон ригелей. Это объясняется тем, что плита работает не отдельно, а в монолитной конструкцией с ригелями и усилия распределяются по другому, чем в отдельной плите.

Во время приложения статической нагрузки наблюдается появление трещин сначала в опорных сечениях ригелей и в верхней части колонн последнего этажа. После загружения системы вертикальной нагрузкой наблюдаем следующую картину трещинообразования. Трещины появляются на опорах и в пролетах ригелей и в пролетах и на опорах плит.

График обобщенных деформаций остается близким к линейному. Следовательно существенного перераспределения усилий на этой стадии не происходит.

Первые повреждения появляются при коэффициенте к сейсмической нагрузке 1.66. Происходит образование пластических шарниров в основании колонн первого этажа. График деформаций начинает искривляться. Начинается существенное перераспределение усилий на менее нагруженные зоны. Распространяются также зоны трещинообразования. В целом система продолжает оставться достточно надежной.

При дальнейшем приложении нагрузки наблюдается накопление повреждений. Происходит образование пластических шарниров в ригелях
(рис. 5.14), колоннах второго этажа (рис. 5.15), элементах плиты перекрытия первого этажа (рис. 5.16). При уровне горизонтальной нагрузки 2.016 по отношению сейсмической система приближается к разрушению. Такое состояние не допустимо.

Проявляется явная нелинейность.

При уровне нагрузки 2.16 происходит разрушение. Расчетный процессор останавливается при суммарном коэффициенте к сейсмической нагрузке равном 2.16 (рис. 5.17). Запас прочности составляет 116%. Разрушение происходит в крайних зонах плиты перекрытия первого этажа и в примыкающих к ним ригелях. Перемещение перекрытия последнего этажа составило 707мм (рис. 5.18). Максимальные напряжения по Мх составили 98.6 КН*м/м (рис. 5.19).По результатам расчёта данной модели можно сделать вывод, что пространственная модель обладает большим запасом прочности чем модель плоской рамы (рис. 5.23).

Наибольший интерес был вызван при проектировании опорного узла. По расчету было принято следующее армирование:

- колонна: 4ø 32+4ø 28 А400С;

- ригель: верхнее 6ø 28, нижнее 3ø 28 А400С;

- плита перекрытия: верхнее ø 16 s=200мм, нижнее ø 14 s=200 мм А400С.

При проектировании данного узла с большим количеством армирования зачастую возникают проблемы с размещением арматуры в теле бетона. Если для уменьшения количества стержней применять арматуру большего диаметра, то возникают проблемы с анкеровкой. Для более подробного рассмотрения данного узла была разработана объёмная модель узла с указанием в масштабе арматурных стержней (рис. 5.20-5.22). Поперечное и косвенное армирование условно не показано.

График зависимости уровня сейсмической нагрузки от уровня армирования: модель 1 – плоская рама; модель 2 – пространственная модель

На графике уровня сейсмической нагрузки от уровня армирования
(рис. 5.23) видно что пространственная модель имеет гораздо больший запас прочности чем плоская рама. Пространственная модель нуждается в дальнейших исследованиях, поэтому к графику следует относится с осторожностью. Поведение графика зависит от количества элементов в системе между которыми может происходить перераспределение усилий.

В нашем случае можно уменьшить армирования на 30%. Уменьшаем армирование ригелей в верхней зоне опорных сечений. Для примера были разработаны 2 варианта уменьшения армирования: 1 – за счёт уменьшения количества стержней; 2 – за счёт уменьшения диаметра арматуры.

В первом варианте принимаем 4ø 28 А400С вместо 6ø 28 А400С. Снижение количества стержней способствует лучшему бетонированию и уплотнению узла (рис. 5.24).

Во втором варианте принимаем 6ø 22 А400С вместо 6ø 28 А400С. Требуемая длина анкеровки согласно ДСТУ 3760: 2006 составляет: для ø 28 - 1120мм, а для ø 22 - 880мм. Длину анкеровки можно уменьшить на 240мм, что составляет 21%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе научно-исследовательской работы было установлено, что запас прочности пространственной модели при унифицированном расчетном армировании значительно выше запаса прочности плоской модели. Также было установлено, что плоская модель двухэтажной рамы не способна к перераспределению. Величина запаса прочности зависит от количества элементов в системе между которыми может происходить перераспределение усилий.

Результаты исследованиясоответствуют результатам физической модели и аналитическим моделям НИИСП. В процессе исследования верификационной модели были получены более близкие к реальным результатам расчетов, чем у авторов статьи.

На основе проведенных исследований были разработаны рекомендации по проектированию несущих систем зданий на основе численного эксперимента с учетом управляемого перераспределения усилий и армирования. Также разработан пример проектирования пространственного рамного каркаса.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒