Материал: Строительная механика и конструкции. Сафронов В.С., Козлов А

сооружения. Ряд работ посвящены оптимизации подходов к учету совместному сопротивлению транспортных несущих систем с гидроупругим основанием [13-15].

Современные представления о расчете и проектировании конструктивных систем, подразумевающие выполнение обязательного совместного расчета системы «основание – фундамент – здание» базируются на фундаментальных работах М. И. Горбунова-Посадова, . Н. Клепикова, А. С. Городецкого, В. М. Улицкого.

Цели исследования. При выполнении исследований ставилась задача подбора оптимальных размеров грунтового основания для расчётного моделирования напряженнодеформированного состояния здания повышенной этажности и определения границ применимости упрощенного подхода к учету грунтового основания. При этом последовательно выполнялись следующие задачи:

1.Создание КЭ модели здания повышенной этажности.

2.Моделирование грунтового основания в составе общей расчетной схемы.

3.Оценка НДС здания повышенной этажности с выбором оптимальных размеров грунтового массива по ряду критериев для получения достоверных результатов.

4.Выбор критериев оценки.

5.Получение формулы для определения оптимальных размеров грунтового основания для выполнения практических расчетов.

Объект исследования. Исследования выполнены для 26-этажного многоквартирного дома с двумя диафрагмами жесткости. Высота сооружения составляет 75,5 м. Геометрические размеры конструкций здания следующие: размеры плит перекрытия сооружения: 37 м х 45 м, толщина плит перекрытия 300 мм, плиты перекрытия выполнены из бетона В25. Типовой этаж имеет высоту 3 м, высота первого этажа равна 4.5 м. Конструкция здания представляет собой монолитный каркас. Размеры фундаментной плиты составляют 38,5х46,5 м, толщина фундаментной плиты 1.2 м. Фундаментная плита выполнена из бетона В30. Диафрагмы жесткости, представленные лифтовой шахтой и стеной, выполнены из бетона класса В25, размеры колонн составляют 400х400 мм. Они выполнены из бетона В25. Ниже на рис. 1 и 2 показаны план и каркас здания, созданный в программном комплексе Лира-САПР, при помощи подложки импортированной из среды AutoCAD.

После создания надземной части здания в программных комплексах Лира-САПР и AutoCAD полученная заготовка конечно-элементной модели была импортирована в рабочую среду программного комплекса Midas GTS NX для создания КЭ схемы с выбором типов конечных элементов и присвоения свойств надземной части здания и грунтового основания.

90

Загружение 1

Общее описание расчетной модели. КЭ расчетная схема создана в среде программного комплекса Midas GTS NX. При создании конечно-элементной модели использованы следующие типы конечных элементов: элементы колонн, которые заданы 1D элементом (колонна), перекрытия были созданы 2D элементом (пластина), фундаментная плита представлена 2D элементом (пластина). У каждой колонны, примыкающей к плите перекрытия, есть общий узел с перекрытием, через который напряжения в вышестоящих элементах передаются ниже, на фундаментную плиту. Соединение плит перекрытий с колонной моделируется жесткой соединением. Совместность работы фундаментной плиты и колонн здания обеспечивается благодаря жесткому закреплению. Свойства были заданы в соответствии с описанием исходной модели. Заданные граничные условия на нижней поверхности фундаментной плиты запрещают перемещения в узлах по осям Х, У, Z в автоматическом режиме. Для представления этапов построения КЭ модели на рис. 3 показана промежуточная модель без заданных свойств и типов элементов, а на рис. 4 - КЭ модель высотного здания без грунтового основания. Варианты общей КЭ расчетной модели совместно с грунтовым основанием разных размеров показаны на рис. 5-7 (варианты размеров будут приведены ниже).

Рис. 3. Импортированная модель

91

Рис. 4. Расчетная модель без грунтового основания

Рис. 5. Расчетная модель здания совместно с грунтовым основанием первого варианта размеров

Рис. 6. Расчетная модель совместно с грунтовым основанием второго варианта размеров

92

Рис. 7. Расчетная модель совместно с грунтовым основанием третьего варианта размеров

Порядок выполнения численных исследований с выбором критериев. Численные исследования выполнены с целью подбора оптимальных размеров грунтового основания. Для разработки рекомендаций по подбору первоначальных размеров грунтового основания при расчете НДС зданий повышенной этажности из практических соображений и с учетом опыта ряда проектировщиков для исследования были использованы три типоразмера грунтового основания. Грунтовое основание имеет характеристики незамоченного лессового грунта, взятые по рекомендациям Я. Д. Гильмана для лессовых суглинков, полученные по результатам штамповых испытаний грунта с учетом прогнозируемой его влажности. В общем случае, значения модуля деформации лессового грунта изменяются в широком интервале. Это обусловлено тем, что они существенно зависят от исходной влажности и пористости грунта. При моделировании грунта использовался метод модифицированного Мора-Кулона. Данная модель является усовершенствованной версией модели Мора-Кулона, созданной путем объединения нелинейно-упругой и упругопластической модели с целью создания новой модели, подходящей для моделирования пылеватых и песчаных грунтов. Модифицированная модель Мора-Кулона позволяет моделировать двойное упрочнение (double stiffening), не подверженное влиянию сдвигового разрушения и текучести при сжатии.

Использованы соотношения для назначения начальных размеров грунтового

93

Руководствуясь этими соотношениями, назначены три размера грунтового основания (рис. 6): 1 размер грунтового основания принят равным 120х120 м (схема на рис. 8) с глубиной основания 60 м; 2 размер грунтового основания принят из соотношения 5Ах5В равным 200х200х80 м; 3 размер грунтового основания выбран из соотношения 7Ах7В со

следующими размерами: 280х280х100 м.

Рис. 8. Схема определения ширины и длины массива грунта:

А – ширина фундамента, B – длина фундамента

Для определения оптимальных размеров грунтового массива под многоэтажным зданием были созданы три расчетные схемы, с тремя различными основаниями, которые отличаются друг от друга назначенными размерами. Для задания массивов грунтового основания была создана геометрия массива (Пространственный

куб 3D), пространственному элементу были назначены свойства и тип, была назначена сетка конечных элементов грунту основания и последним этапом в создании модели было задание стадийности возведения сооружения. В процессе создания общей КЭ расчетной модели здание было объединено с грунтом следующим образом: на заданном основании был создан «отпечаток» фундаментной плиты, далее были объединены узлы сеток конечных элементов здания с узлами сеток грунтового основания, после чего в расчетной модели осуществляется совместная работа массива в связке с фундаментной плитой. Все параметры назначенных массивов грунта сведены в табл. 1.

Таблица 1 Таблица назначенных размеров грунтового основания и их свойств

Как результат, была выполнена серия расчетов для трех заданных расчетных схем на воздействие собственного веса здания.

Для иллюстрации выполненных расчетов приведем ниже некоторые результаты. На рис. 9 приведены эпюры распределения продольных напряжений в колоннах, на рис. 10 и 11 показаны эпюры изгибающих моментов, возникающие в фундаментной плите и на рис. 12 приводятся значения вертикальных перемещений по подошве фундаментной плиты и грунтовом массиве.

94