Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы решения научно-технических задач в строительстве. Учебное пособие.pdf
• сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин;
• чувствительность стали к тепловому воздействию сварки;
• окисляемость стали при сварочном нагреве;
• прочность при статическом растяжении;
• ударная вязкость металла шва или сварного соединения в целом;
• стойкость против коррозии и искусственного старения.
Холодные трещины могут возникнуть после полного остывания сварного соединения. На них оказывают влияние остаточные сварочные напряжения, закалочные явления и другие факторы.
3.2. ОРГАНИЗАЦИЯ, ПРОВЕДЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Экспериментальные исследования проводят с древних времен и до сих
пор. В настоящее время работы ведутся в большинстве стран мира, во всех
высших учебных заведениях, научных центрах, лабораториях. Поэтому одним
из первых этапов работы является изучение результатов экспериментов, полученных другими учёными.
Дать краткую классификацию экспериментов не представляется возможным. Приведём лишь краткие сведения.
Целями экспериментов являются:
• проверки теории, гипотез, функций, методов расчёта, расчётных
моделей, конструктивных и технологических решений;
• получение функциональных зависимостей между влияющими пара-
метрами и использование их для корректировки принятых методов расчёта;
• определение жёсткости, трещиностойкости, прочности, устойчиво-
сти, технического состояния и эксплуатационных качеств, остаточного
ресурса конструкций, узловых соединений фрагментов и объектов (здания,
мосты, элеваторы, башни; стержневые, плоские, массивные, оболочечные
конструкции и т.д.);
• переменными параметрами могут быть: форма, размеры, конструк-
тивные решения, граничные условия, физико-механические характеристики;
режимы нагружения, деформирования; воздействия (взрывы, пожары, коррозия, обрушения, отступления от проектов и норм и др.);
• моделирование процессов, явлений, технологий, расчётных схем,
воздействий;
• мониторинг напряжённо-деформируемого состояния объекта и соседних.
В строительной отрасли имеем дело с материалами, обладающими ярко
выраженными реологическими свойствами (грунты основания, полимеры,
твердеющие бетоны и др.).
В связи с этим опережение запланированных графиков производства работ может быть опасным. Использование экспериментальных данных должно
соответствовать условиям испытаний. Изменение условий эксплуатации
(температура, влажность, агрессивность, динамика, применение материалов и
технологий не по назначению) может резко снизить долговечность и эксплуатационные качества объекта.
51
4. ПРИМЕРЫ КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА
К РЕШЕНИЮ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Введение. Отмечается беспрецедентный рост строительства небоскребов в мире высотой более 150 м. По данным СТВИН (2008) в 1980 г. было
построено около 300 зданий, 1990 – 600, 2000 – 1750. Рост почти в геометрической прогрессии.
Много зданий построено на Ближнем Востоке. В эмирате Дубай строится (на тот период) здание «Бурж Дубай» высотой 800 м и башня Нахиель
(Аль-Бюрдж), запроектированной высотой более 1000 м.
Здания высотой более 300 м (супервысокие) проектируют и строят
с учётом возникающих новых повышенных требований, отличающихся от
традиционных. Требуются более сложные методы расчёта и проектирования.
4.1. ВЫСОТНЫЕ ЗДАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ ГЛУБОКОГО
ЗАЛОЖЕНИЯ – СЛОЖНЫЕ ЗАДАЧИ СТРОИТЕЛЬСТВА
Процесс проектирования фундаментов. Ключевые вопросы проек-
тирования:
• предельная несущая способность и устойчивость фундаментной
системы при разных сочетаниях нагрузок;
• влияние циклических нагрузок от ветра и землетрясений;
• абсолютные осадки и разность осадок между фундаментами и сосед-
ними зданиями;
• возможные воздействия от внешних подвижек грунта на систему
фундаментов, землетрясений, разжижения грунта основания;
• динамическая реакция системы «здания–основания» на ветровую
нагрузку;
• проектирование фундаментной системы с учётом распределения
нагрузок между компонентами этой системы, проектировщиками подземной
и надземной частей здания;
Этапы проектирования фундаментов:
• полевые и лабораторные исследования геологических и гидрогеоло-
гических условий строительной площадки;
• формирование геотехнической модели площадки;
• предварительная оценка требований к фундаментам с учётом опыта
проектирования, строительства и эксплуатации; обоснование относительно
простых методов расчёта и проектирования;
• усовершенствование проекта на основании уточнения конструктив-
ной схемы, нагрузок и грунтовых условий;
• детальное проектирование и сотрудничество с проектировщиком
подземных конструкций;
52
НА БЛИЖНЕМ ВОСТОКЕ (Г. Г. ПОУЛОС)
• полевые испытания фундаментов и сопоставление с предпосылками
,
/ FSRP
uall
=
all
P
u
R
,;
****
SRSR
gs
≥≥
*
s
R
uss
Rϕ
us
R
ug
R
s
ϕ
*
S
,
**
cgs
S
R ≥
η
*
gs
R
*
c
S
проектирования;
• мониторинг работы здания во время и окончания строительства.
Основные процедуры и критерии проектирования. Традиционный
метод проектирования по коэффициентам надёжности. Геотехнический
критерий представляют в виде:
где
– допустимая нагрузка;
– предельная несущая способность; FS –
общий коэффициент надёжности.
Метод проектирования по первому предельному состоянию. Прове-
ряют условия:
где
ность конструкций;
способность);
– проектная прочность конструкций –
– предельная геометрическая прочность (несущая
– понижающий коэффициент;
;
– предельная проч-
– коэффициент сочетания
нагрузок.
Оба критерия применимы к системе фундаментов в целом, первый –
к каждой отдельной свае.
Проектирование на циклическую нагрузку. Вводят дополнительный
критерий:
где
– проектная несущая способность ствола сваи в кусте;
– макси-
мальная амплитуда ветровой нагрузки; η – коэффициент, получаемый в лаборатории.
Для эмиратского проекта η принят равным 0,5.
Вопросы взаимодействия подземных конструкций здания и его
основания. Наихудшая ситуация не может возникнуть при применении по-
нижающих коэффициентов несущей способности сваи и плиты. Возможны
дополнительные расчёты.
Монолитные железобетонные фундаментные плиты. Основными
графическими материалами являются:
• опалубочный план;
• планы арматурных каркасов, верхнего и нижнего армирования, арма-
турных выпусков;
• узлы и детали;
• арматурные изделия (каркасы, сетки, отдельные стержни);
Если плита опирается на сваи, то необходимы:
• план свайного поля;
• конструкций свай;
• материалы испытания свай.
53
Предельное состояние по эксплуатационной пригодности. Принима-
,,
maxmax
allall
θ≤θρ≤ρ
all
ρρ ,
max
all
θθ ,
max
ют следующие критерии:
где
– максимальная расчётная и допустимая осадка фундамента;
– максимальное местное угловое смещение и допустимое.
Динамическая нагрузка. Принципы проектирования:
• собственная частота колебаний фундаментов должна быть больше
собственной частоты конструкций, на них опирающихся;
• амплитуда динамических перемещений системы «наземные кон-
струкции–фундаменты» должна находиться в допустимых пределах;
Учёт перемещений грунта при проектировании для высотных зданий:
• осадки массива при отсыпке дополнительных объёмов грунта или
при водопонижении;
• подъём грунта при отрывке котлована; возможно возникновение рас-
тягивающих усилий в сваях и боковые перемещения грунта, сдвиги в сваях;
• боковые и вертикальные перемещения при устройстве новых свай
вблизи существующих;
• динамические перемещения грунта при сейсмических воздействиях,
что может привести к развитию дополнительных моментов и сдвигов в сваях.
Методы и инструменты проектирования. Процесс проектирования
включает этапы:
• предварительные расчёты, оценка и проектирование;
• основной процесс проектирования;
• детальные расчёты, которые остаются неучтенными на стадии основ-
ного проектирования.
Некоторые значимые характеристики высотных зданий. Общие
характеристики:
• существенный вес здания;
• высотные здания часто окружены малоэтажными;
• высотные здания подвергаются большим ветровым нагрузкам, созда-
ющим значительные моменты на систему фундаментов, в том числе дополнительные вертикальные нагрузки на сваи, расположенные по контуру;
• ветровые нагрузки вызывают циклические вертикальные и горизон-
тальные нагрузки на систему фундаментов, снижение несущей способности
конструкций и расчёт осадок;
• сейсмические воздействия приводят к:
• горизонтальным перемещениям грунта основания;
• вибрационным возбуждениям конструкций здания, силам инерции
и моментам;
• воздействию на сваи перемещений грунта;
54
Динамические характеристики. Рассмотрен пример расчёта методом
Исходная модель:
Расчётное армирование;
Деформации (прогибы)
Редуцированная модель:
Z ≤ [Z]
Z > [Z]
Конструкция принята
Корректировка конструктивного
конечных элементов (Ирвин, 2008) собственного периода колебаний бетонной башни высотой 1600 м, массой 1,5 миллиона тонн, диаметром основания
120 м и верхним диаметром 30 м.
Геологические и геотехнические особенности некоторых стран
ближневосточного региона. Приведены типичные геологические разрезы.
Территория отличается незначительной высотой относительно уровня моря.
Для приповерхностной геологии характерны отложения подвижные золовые
дюнные пески, отложения эвапоритов и морских песков.
В работах Гарри Г. Поулоса профессора университета в г. Сидней
(Австралия) приведены примеры проектирования трёх высотных зданий в г.
Дубай на плитно-свайных фундаментах. Проводилось численное моделирование и натурные испытания свай.
Назначение толщин перекрытий:
• Min 1/25 – 1/33 L – [деформации – прогибы];
• продавливание [Q
Нагрузки и воздействия определяют в соответствии со СП 20.13330.
2011. Необходимо вычислить расчётные сочетания нагрузок (РСН), комбинации загружений с учётом коэффициентов сочетания. Каждая комбинация
действует на всю систему одновременно. Сочетания отдельных загружений
должны создать экстремальные напряжения в характерных точках сечения
стержня или на характерных площадках пластин. Возможны разные характерные точки или площадки возможных разных комбинаций, вызывающих
разные экстремальные напряжения.
E0 + расчётные нагрузки
и расчётных проверок моделей перекрытий (О. Б. Кабанцев, 2013)
< 1,8 (2,0) Qb].
max
Зоны трещинообразования
E×К + нормативные нагрузки
решения:
– увеличение толщины плиты;
– сокращение пролёта (введение
капителей; введение дополнительных опор) и т.п.
Рис. 11. Технология конструирования
55
;
z
k
z
y
k
y
k
I
yM
I
zM
F
N
±
±
=σ
( )
;
22
21 yy
kpy
y
l
l
MQ
F
+⋅
±=
τ
( )
.
22
21 zz
kp
z
y
ll
M
Q
F
+⋅
±
=τ
2
/
6hM
N
x
x
BH
x
±=σ
2
/
6hM
N
y
y
BH
y
±=σ
2
/
6hM
T
xy
xy
BH
y
±=τ
Исходная модель
SCAD (C1 = const)
Модель геологии
Модель SCAD C1
RZ
С101
RZ
Модель геологии
Модель SCAD C1
RZ
Модель геологии
Модель
RZ
Модель геологии
Модель SCAD C1
С102
С103
«КРОСС»
«КРОСС»
редуцирована 01
редуцирована 02
«КРОСС»
SCAD C1
редуциро-
вана 03
редуцирована 04
Рис. 12. Итерационная технология уточнения С1 (О. В. Кабанцев, 2013)
"КРОСС"
Экстремальные значения нормальных и касательных напряжений в контрольных точках стержня определяются по формулам:
определения экстремальных значений нормальных и касательных напряжений
на различных ориентированных площадках. Нормальные и касательные
напряжения на нижней и верхней поверхностях плит вычисляют по формулам:
56
Для пластин и оболочек расчётные сочетания усилия выбирают для
;
Рис. 13. Условное прямоугольное сечение
;
.
Расчётные сочетания загружений определяют для каждого элемента и
для каждого его сечения. Сочетания загружений не действуют одновременно.
Метод конечных элементов (МКЭ). Заключается в разбивке (дискретизации) рассматриваемой системы на отдельные конечные элементы, объединённые узлами.
Этапы расчёта методом конечных элементов (МКЭ) (А. В. Перельмутер,
В. И. Сливкер, 2011):
• создание модели;
• выбор программного обеспечения для реализации расчёта;
• проверка модели;
• расчёт;
• верификация результатов.
Вопросы, возникающие на перечисленных этапах, рассмотрены в [MacLeod, 1995].
Так, при создании модели можно поставить такие вопросы:
• каковы истинные условия опирания;
• должны ли узлы воспринимать моменты;
• взаимодействует ли рама с другими конструкциями;
• какие истинные нагрузки и воздействия;
• каково влияние эффектов второго порядка: выпучивания стоек, изги-
бно-крутильной формы потери устойчивости.
В библиотеку КЭ входят стержни, пластины, массивные тела. Необходим учёт совместного деформирования сложных систем, состоящих из различных конструктивных элементов, сложной структуры элементов, наличия
геометрических и силовых особенностей.
Для пластин (плиты, оболочки) решают следующие задачи теории упругости:
• анализ плоского напряжённого состояния;
• анализ плоской деформации;
• изгиб тонких пластин;
• изгиб пластин по теории Рейсснера–Миндлина;
• расчёт упругого основания;
• расчёт пологих оболочек.
Рис. 14. Плоское напряженное состояние
57
Производится учёт упругого основания вдоль оси Z1.
,
2
2
2
2
21
∂
∂
+
∂
∂
−=
y
S
x
S
cScp
1
c
2
c
В узлах конечных элементов пластин выделяют по шесть степеней
свободы U, V, W, UX, UY, UZ (три линейных смещения вдоль координатных
осей и три угла поворота). Значения U, V соответствуют мембранным,
а W, UX, UY – изгибающим деформациям. UZ = 0 для местной системы координат. Угол поворота UZ необходим для учёта пространственной работы
конструкций.
Кабанцев О. В. (2013) описывает технологию формирования модели
МКЭ на основе комплекса «SCAD»:
1 этап – построение ветки разбивочных осей и высот этажей;
2 этап – формирование конечноэлементной модели перекрытия типового этажа;
3 этап – формирование конечноэлементной модели вертикальных несущих конструкций этажа;
4 этап – назначение жёсткостей конечных элементов несущих конструкций этажа.
4.2. ВЫСОКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ДЕФОРМАТИВНЫХ
СВОЙСТВ ГРУНТА КАК ОСНОВНАЯ ПРИЧИНА ПОВРЕЖДЕНИЙ
КАМЕНЫХ ЗДАНИЙ В ТАМБОВЕ (А. Б. ДАНИШ, В. В. ЛЕДЕНЁВ,
Я. В. САВИНОВ, А. Я. АЛЬ-БУХЕЙТИ)
Модели грунтовых оснований. В грунтовых моделях должны учиты-
ваться (Г. К. Клейн, 1982):
• дискретное или зернистое строения грунта, разрывность и неизменя-
емость деформаций, неоднородность, анизотропия, ползучесть и др.
В настоящее время известны следующие модели: Винклера, Н. И. Фусса,
линейно-деформированного полупространства, линейно-деформируемого
слоя (К. Е. Егоров), зернистой среды (Н. И. Кандауров), комбинированные
(В. З. Власов, Н. Н. Леонтьев, М. М. Филоненко-Бородяч, П. Л. Пастернак и др.),
учитывающие изменения сжимаемости грунтов по глубине (Г. К. Клейн),
в плоскости x, y (А. П. Пшеничкин, Б. А. Гарагаш, А. А. Кржижановский и др.).
К примеру, в модели П. Л. Пастернака (1962) учитываются распределительные способности грунта:
где p – среднее давление под подошвой фундамента; S – его осадка;
и
–
коэффициенты пропорциональности.
Модель П. А. Пастернака используется в настоящее время, в том числе
за рубежом.
По предложению А. П. Пшеничкина и Б. А. Гарагаша (2012), механические свойства грунтового основания следует принимать в виде двухмерного
поля.
58
Так, модуль деформации грунта:
(
)
(
)
,
,
1
0,
y
x
y
x
EEE +=
( )
yxE,
0
E
0
E
0
1
0
E
K
E
σ
=
( ) (
) (
)
( )
,,
,0
yx
i
j
yj
i
ixi
c
yA
xAcy
xc +
ϕ±ϕ
±=
∑∑
0
c
i
ϕ
j
ϕ
yj
xi
AA ,
( ) ( ) ( )
.
,
,
,,, ηξηξηξ
=
∫∫
ddpyxwyxw
F
( ) ( )
,/
111
,,,
4
1
22
2
1
1
2
+
π
ν−
=ηξ
∑
=k
k
bkRRa
RRE
yxw
( )
ηξ,,, yx
w
где
лярной неоднородности;
– уровень фона, оставшегося после выделения компонента регу-
– среднее значение модуля деформации.
Отклонения от
оцениваются интегральным коэффициентом вариации:
.
Случайное поле коэффициента жёсткости сильно сжимаемых оснований:
где
– среднее значение коэффициента жёсткости основания, соответствую-
щее средней осадке здания;
,
– коэффициенты функции, описывающие
детерминированную часть коэффициента жёсткости основания по напряжениям осей x, y;
– амплитудные коэффициенты.
Подробное описание моделей грунтовых оснований можно найти в работах: Н. А. Цитовича (1963), М. И. Горбунова-Посадова (1979), А. А. Мустофаева (1989), Э. М. Доброва (2008), В. В. Леденёва, А. В. Худякова (2011),
Б. А. Гарагаша (2012) и др.
Пространственная деформация поверхности упругого слоя переменной толщины (С. М. Алейников, 2000).
Рассматривается однородный упругий континуум D, имеющий форму
пространственного клина 0 ≤ x ≤ ∞, −∞≤ y ≤ 0, 0 ≤ z ≤ x tgα с центральным
углом при ребре 0 ≤ σ ≤ 90°.
Наклонная плоскость S
на. К горизонтальной поверхности клина S
приложена распределённая нагрузка p
Требуется определить осадку W(x, y) поверхности S
Решение представлено в виде:
, ограничивающая D снизу, полностью защемле-
1
в пределах конечной области F
2
(ξ, η). Массовые силы не учитываются.
.
2
(∗)
В качестве функции Грина использован приближённый алгебраический
аналог:
где
– осадка поверхности S2 в точке N(x, y) от нормально прило-
женной к этой поверхности в точке М(ξ, η) единичной сосредоточенной
силы; а, k, b – зависящие от α и ν табличнозаданные коэффициенты.
59
( ) ( )
( ) ( )
.,
22
1
22
η−+ξ+=η−+ξ−= yxRyxR
(
)
nj
F
j
...,
,2,
1=∆
2
1
,
l
l
( ) ( )
( )
( )
,
,
,
,,
,,
21
21
1
211
dldl
l
lD
D
ll
yxwyxw
n
j
ηξ
=
∑
∫
∫
=
Ω
1
Ω
21
,ll
( )
1
, Ω∈yxN
( )
yxN ,→
( )
( )
.1
12−
πν−= ERV
( ) ( )
[ ]
( )
( )
( )
.,
,
,
,,
21
21
21
1
∫∫ ∫
∆
Ω
ηξ
ρ+
ηξ
ρ−ρ
j
F
R
dd
yxdldl
llD
D
R
yxll
( ) ( )
[ ]
yxll ,,21ρ−ρ
( )
yxN ,
( )
yxN
,
jk
F∆
mk
...,,1
=
.
1
∑
∫ ∫∫ ∫
=
∆
∆
ηξ
=
ηξ
m
k
F
F
jk
j
R
dd
R
dd
jk
F∆
( )
111
, y
xM
( )
222
,
yxM
( )
333
, yxM
321
,, MMM
32
, MM
Рассмотрен наиболее общий случай, когда область F неравномерно
загружена и имеет произвольное очертание.
Плоская область F разбита на n элементарных треугольных или четырёхугольных фрагментов
так, чтобы ошибка при таком
представлении была в соответствии с требуемой точностью к результатам
расчётов. В пределах каждого фрагмента введена система локальных координат
. С учётом этого:
где
угольного фрагментов; D(ξ, η)
– стандартный квадрат или симплекс для четырёхугольного и тре-
При N(x, y)
D(
/
интеграл (*) становится несобственным. Для его
) – якобиан преобразования.
вычисления применим численно-аналитический метод, основанный на выделении особенности. Её существование обусловлено стремлением к нулю при
D(ξ, η)
Несобственные интегралы представлены в виде:
знаменателя первого слагаемого
Подынтегральное выражение первого слагаемого этого представления за
счёт множителя
, обращающегося в нуль в точке
особенности не содержит и эффективно интегрируется с помощью кубатурных формул наивысшей степени точности. Второе слагаемое сводится
к набору простейших алгебраических функций после выполнения следующих аналитических преобразований.
Точку сингулярности
где
. Рассматриваемый несобственный интеграл заменяется суммой:
соединяют с вершинами фрагмента
Отдельные слагаемые этой суммы вычисляются по единой методике.
Вершинам очередного рассматриваемого фрагмента
в порядке обхода
против часовой стрелки ставится в соответствие точки
,
и точкой сингулярности. В плоскости треугольника
так, чтобы первая из них являлась одновременно
вводится
полярная система координат, ось которой направлена перпендикулярно стороне
, как показано на рис. 15.
,
,
,
60