Робота з програмними комплексами
Питання, що виникають при створенні та аналізі розрахункових схем
На сайті СНиП «Залізобетон» і на ряді семінарів дискутується питання про те, що вибір РСЗ (розрахункові сполучення зусиль), за критеріями максимальних фібрових напружень не завжди коректні, тому що можуть бути пропущені зусилля від навантаження, що дає більшу кількість арматури. Які критерії вибору РСЗ найбільш правильні?
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.
Вгору
Відхід від сприйняття небажаних зусиль конструкція, якщо це можливо, організує сама за рахунок пластичних деформацій у сталевих конструкціях або мікротріщин у залізобетонних. Боятися виникнення мікротріщин не треба, тому що для уникнення небажаного зусилля достатьньо невеликих мікротріщин, розміри яких значно менше допустимих тріщин у розтягнутих робочих зонах бетону. Аналогічним чином конструктор може вчиняти відносно діафрагм, вважаючи, що вони сприймають зусилля лише у своїй площині, тобто, працюють як балки-стінки.
Фахівці схильні до досліджень можуть провести такий чисельний експеримент: для реального чи гіпотетичного, але досить представницького каркасу провести два розрахунки. В одному з них змоделювати діафрагму оболонковими елементами (ПК ЛІРА, КЕ №№ 41, 42, 44), в іншому – змоделювати діафрагми як елементи балки-стінки. (ПК ЛІРА, КЕ №№ 21, 22, 24). З великим ступенем ймовірності деформативність каркаса на вертикальні та горизонтальні навантаження буде практично однаковою, згинальні зусилля в плиті у другому випадку будуть дещо вищими – на 5–10 %, але це не так критично, оскільки плита покликана працювати на вигин. Натомість армування діафрагм у другому випадку буде значно нижчим, тобто. принцип «безпека – економічність» буде задоволений.
Вгору
Це питання дуже характерне, хоч і виникло в результаті ознайомлення з матеріалом, розміщеним на сайті www.hexa.ru. Ось витяги з цього матеріалу: «До цього часу було виконано низку експертних робіт, в яких аналізувалася конструктивна міцність будівлі аквапарку «Трансвааль». У жодній з цих робіт не було однозначно вказано на справжню причину обвалення цієї споруди. В якості основного інструменту для визначення напружено-деформованого стану (НДС) та динамічних характеристик конструкції при різних видах впливу в цих роботах використовується чисельний метод скінченних елементів, реалізований у різних програмних системах: ЛІРА, SCAD, ANSYS, СТАДІО» Для проведення розрахункового аналізу результати якого наводяться на сайті www.hexa.ru використовувалася програма ABAQUS при побудові моделі було вирішено: «…створити КЕ модель покриття з моделюванням об'ємними елементами опорного контуру та прилеглих до опорного контуру зон оболонки, які мають змінну товщину; задати балочними елементами всю арматуру, встановлену в об'ємі бетону, відповідно до креслень; арматуру ребер задати балочними елементами; для бетону врахувати нелінійну поведінку матеріалу з різними характеристиками на стиск та розтяг; конструкцію опорних колон зі зв'язками моделювати оболонковими елементами з докладним опрацюванням з'єднань і опорних вузлів. В результаті було отримано розрахункову модель, розмірність якої склала близько 2 мільйонів елементів, що перевершило деталізацію конструкції в 20 разів у порівнянні з представленими раніше моделями в розрахунках експертних організацій».
У висновках міститься така фраза: «Якби такий аналіз міцності конструкції, як ми вам представили, був проведений на стадії проектування та прийняття остаточних рішень, то з більшою ймовірністю можна стверджувати, що всі помилки проектування були б виявлені. І дана споруда не була б побудована або проект зазнав би серйозних доопрацювань». По-перше експертизу за вказаними програмами проводили дуже компетентні організації, такі як ЦНДІБК, НДІЗБ, МДБУ, НДІАСБ. У цьому використовувалися досить докладні розрахункові схеми. Причини аварії були однозначно вказані, і нічого нового з того часу не з'явилося. У вказаному матеріалі (мається на увазі www.hexa.ru) висновки носять скоріше емоційний, ніж професійний характер.
По-друге, відповідь по суті: для уникнення подібних ситуацій необхідне передусім докладне та адекватне осмислення роботи конструкцій. І для цього використання «багатомільйонних» розрахункових схем далеко необов'язкове. Більше того, воно в ряді випадків може мати шкідливий характер, оскільки «за деревами можна не побачити лісу». До такого висновку приходять численні дискусії на цю тему на різних конференціях та семінарах фахівців з будівельної механіки. Детально ця тема обговорюється у публікаціях:
- А.В. Перельмутер, В.І. Слівкер. «Розрахункові моделі споруд і можливість їх аналізу»;
- О.С. Городецький, І.Д. Євзеров. «Комп'ютерні моделі конструкцій».
Висновок такий:
- Більшерозмірні «багатомільйонні» схеми треба використовувати лише в крайніх випадках. Більш доцільно: використовувати набір спрощених схем, кожна з яких моделює ту чи іншу властивість конструкції.
- По можливості проводити комп'ютерне моделювання процесів життєвого циклу, наприклад, процесу зведення конструкції.
- Широко використовувати прийоми фрагментації, «вирізаючи» певні фрагменти конструкції (плити перекриттів, окремі елементи, вузли та ін.) та дослідити їх НДС на більш докладній (у тому числі тривимірній) моделі. Або навпаки дослідити фізико-механічні характеристики окремого фрагмента (наприклад, піддатливість вузла) та використовувати ці характеристики у загальній моделі.
Ну а найголовніше – осмислити наявну інформацію та зробити правильні висновки.
Вгору
 Рис.1 |
 Рис.2 |
На рис. 1 жорсткість балки дуже мала в порівнянні з жорсткістю основи і момент у балці практично відсутній.
На рис. 2 жорсткість балки значно перевищує жорсткість основи, тому напруження в основі практично рівномірне і момент у балці досягає граничної величини.
Перша схема (рис. 1) несприятлива для ґрунтової (пальової основи) через нерівномірний розподіл відсічі ґрунту (зусилля у палях). Друга схема (рис. 2) несприятлива для фундаментної конструкції. При недостатній інформації про властивості ґрунтової (пальової) основи бажано провести кілька розрахунків, варіюючи жорсткістю ґрунтової (пальової) основи, виявивши несприятливі випадки для фундаментної конструкції та ґрунтової (пальової) основи.
Робота фундаментних конструкцій висотних будівель більше наближається до роботи другої схеми (мал. 2), так як фундаментна плита спільно з перекриттями нижніх поверхів представляє дуже жорстку конструкцію. Тому, як правило, забезпечується рівномірний розподіл відсічі ґрунту (зусиль у палях).
Вгору
Вгору
Вгору
Вгору