ANSYS Mechanical

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. |Верификационныйvk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Распределение коэффициентов постели под фундаментной плитой неоднородного грунтового основания (Винклера) принимаются по результатам численных исследований, выполненных на КЭ-моделях “грунтовый массив (модель Ю.К.Зарецкого) – стенка в грунте – фундаментная плита – суперэлемент надфундаментных конструкций” для значимых стадий возведения и проектных вариантов здания ГДК.

Ранее был разработаны пространственные оболочечно-стержневые конечноэлементные модели здания, представленные в формате программного комплекса SCAD: существующая подземная часть здания; вариант здания с ж/б каркасом; вариант здания со стальным каркасом. Полученные после преобразования расчетные пространственные оболочечно-стержневые конечноэлементные ANSYS-модели подземной части здания, здания с ж/б каркасом, здания со стальным каркасом (модели 1, 2, 3 соответственно) показаны на рис.4,5. Для моделирования стальных ферм, колонн и балок использовались конечные элементы типа BEAM188, а для представления стен, фундаментных плит и плит перекрытий – КЭ оболочки SHELL63.

Рис. 2. Распределение коэффициентов постели (т/м3) под фундаментной плитой

Рис. 1. КЭ-аппроксимация области основания МФК “Профсоюзная” (ПК Земля)

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. |Верификационныйvk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Рис. 3. Общие виды конечноэлементных моделей МФК “Профсоюзная” (ПК ANSYS,СТАДИО)

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. |Верификационныйvk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Рис. 4. Расчетные стадии (этапы) возведения здания ГДК “Поклонная” СЭ-модели “основание-здание” (ПК Геос, ANSYS, СТАДИО)

Рис. 5. Здание ГДК “Поклонная” Распределение коэффициентов постели (т/м3) под фундаментной плитой

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. |Верификационныйvk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

4.3. Результаты расчетных исследований, выполненных для разработанных КЭмоделей системы “пространственный каркас – неоднородное винклеровское основание” высотных МФК “Профсоюзная” и ГДК “Поклонная” по программным комплексам ANSYS и СТАДИО (и подтвержденные выборочными расчетами по ПК SCAD и MicroFE), представлены в виде выборок максимальных значений параметров НДС, картин деформированного состояния и собственных форм колебаний, изополей/изолиний усилий (сил и моментов) и давлений для статических и ветровых нагрузок и их расчетных сочетаний (рис.6–8).

Блочным методом Ланцоша определены значимые собственные частоты (fi < 0,95 Гц) и формы колебаний системы “оболочечно–стержневые конструкции – динамическое винклеровское основание” высотного здания (рис.6, таблица 1).Тем самым установлено, что при каждом горизонтальном направлении ветрового воздействия значимо реализуется лишь одна форма с частотой, меньшей критериальной fi < 0,95 Гц.

Некоторые численные результаты при вертикальной и “полной” нагрузке для плитного и плитно-свайного вариантов фундамента МФК “Профсоюзная” представлены в таблица 2.

Давления под подошвой нижней плиты фундамента PZ (кПа)

Рис. 6. Сравнительный анализ НДС плитного и плитно-свайного фундаментов

Таблица 1 Низшие собственные частоты (Гц) и формы колебаний 40-этажного здания

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. |Верификационныйvk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Анализ перемещений, внутренних усилий (сил и моментов) и напряжений в несущих конструкциях здания показал, что все рассмотренные проектные варианты высотного здания удовлетворяет нормативным условиям деформативности и прочности, и критерии окончательного выбора варианта лежат “вне прочностного поля”.

4.4. Из результатов расчетных исследований высотных комплексов, выходящих за рамки объектовой конкретики, выделим подтвердившуюся необходимость и практическую осуществимость анализа системы “основание–небоскреб” в единой модели (с эффективным использование суперэлементной “технологии”) с учетом реальных распределительных и нелинейных свойств грунтового массива и всех значимых стадий строительства-эксплуатации для адекватного численного представления НДС грунта и строительных конструкций. Об этом говорят, в частности, видимые различия в распределении осадок и давления под подошвой фундаментной плиты, полученные по модели “коробчатый фундамент – трехмерный нелинейный грунтовый массив (модель Ю.К. Зарецкого)” и предполагавшейся эквивалентной ей “пространственный каркас – неоднородное винклеровское основание”. Возможный альтернативный расчетный путь – итерации “между” упомянутыми моделями до устранения этого различия – представляется бесперспективным в вычислительном плане.

Рис. 7. Низшие собственные частоты (Гц) и формы колебаний здания. (в скобках – значения при массе, отвечающей полной нагрузке)

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. |Верификационныйvk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Как показали результаты суперэлементного моделирования, учет жесткости верхнего 40-этажного строения оказывает наибольшее влияние на осадки здания при использовании плитного фундамента (максимальная осадка уменьшается ~ на 30%). При этом прогибы фундамента уменьшаются (рис.7) и распределение коэффициента постели основания под фундаментной плитой становится более равномерным.

Построенная единая суперэлементная модель должна быть положена и в математическую основу предусмотренной проектом системы мониторинга состояния высотного комплекса.

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. |Верификационныйvk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве. МГСН 4.19-2005. М.: ФГУП ЦПП, 2006.

2.ANSYS 9.0. User’s Guide. Canonsburg. 2004

3.Белостоцкий А.М. Построение эффективных пространственных моделей для статического и динамического расчета систем “сооружение–основание”. Труды ЦНИИСК им.Кучеренко, 1990, с.175-180.

4.Белостоцкий А.М., Белый М.В. Суперэлементные алгоритмы решения пространственных нелинейных статических и динамических задач большой размерности. Реализация в программном комплексе СТАДИО и опыт расчетных исследований. Труды XVIII Международной конференции BEM&FEM-2000, С-Петербург, 2000, с.65-69.

5.Белостоцкий А.М. Численное моделирование состояния высотных зданий и комплексов в контексте обеспечения техногенной безопасности мегаполиса. Труды конференции “Особенности проектирования и строительства жилых и общественных высотных зданий”, С-Петербург, ЛенНИИПроект, 2006, с.65-67.

6.Зарецкий Ю.К. Вязко-пластичность грунтов и расчеты сооружений. М: Стройиздат.

1988

7.Орехов В.В. Комплекс вычислительных программ “Земля-89”. Межвузовский сборник “Исследования и разработки по компьютерному проектированию фундаментов и оснований”. Новочеркасск.- 1990.

8.ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. – МНТКС. М. 1996.

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. |Верификационныйvk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

5. Расчет большепролетного здания на устойчивость против прогрессирующего обрушения с учетом физической и геометрической нелинейностей

5.1.Узкая “объектовая” цель представленных расчетных исследований – анализ последствий гипотетического локального разрушения опорного несущего элемента (ж/б колонны сечением 700×1200 мм) металлоконструкций покрытия выставочного павильона ВВЦ-ВДНХ (г. Москва) по критериям обеспечения устойчивости против прогрессирующего обрушения и, в случае выявленного невыполнения этих критериев, рассмотрение вариантов усиления несущих металлоконструкций. Более широкая, методическая – отработка алгоритмов расчета на прогрессирующее обрушение, реализованных в альтернативных конечноэлементных ПК, на представительной пространственной системе “колонны – фермы со связями”.

Поставлены следующие задачи:

– линейно-упругий статический расчет напряженно-деформированного состояния (НДС), прочности и устойчивости несущих конструкций при основных сочетаниях эксплуатационных нагрузок;

– линейно-упругий статический расчет НДС, прочности и устойчивости несущих конструкций при особом сочетании вертикальных (нормативных) нагрузок с удалением колонны;

– физически (пластичность металла) и геометрически (большие перемещения) нелинейные статические расчеты НДС, прочности и устойчивости несущих металлоконструкций отсека №4 при особом сочетании вертикальных (нормативных) нагрузок с удалением колонны в предположении жестких и шарнирных соединений “прогон – пояс фермы”, “связь – пояс фермы”, …

– в случае выявленного расчетами нарушения критериев устойчивости против прогрессирующего обрушения – предложение и нелинейный расчетный анализ вариантов усиления конструкций покрытия;

– выдача рекомендаций по эксплуатационному мониторингу состояния здания.

5.2.Построены и верифицированы подробные пространственно-стержневые КЭмодели (для ПК Лира [8] и ANSYS [9]), реалистично описывающие геометрикожесткостные и нагрузочные характеристики и НДС несущих конструкций рассматриваемого отсека павильона [5–8] (рис.1) для проектного варианта и ряда предложенных схем усиления металлоконструкций (для обеспечения устойчивости против прогрессирующего обрушения).

В КЭ-моделях представлены: опорные ж/б колонны (1200×700); верхний пояс В1

фермы ФС1 (св. двутавр hст= 630 мм, tст= 30 мм bп= 600 мм tп=30 мм); верхний пояс В2 фермы ФС1 (св. двутавр hст= 630 мм, tст= 20 мм bп= 600 мм tп=25 мм); нижний пояс Н1 фермы ФС1 (св. двутавр hст= 500 мм, tст= 30 мм bп= 600 мм tп=30 мм); нижний пояс Н2 фермы ФС1 (св. двутавр hст= 500 мм, tст= 20 мм bп= 600 мм tп=25 мм); раскосы Р1 (2∟200×16); раскосы Р2 - Р6 (□200×200×12); стойки С1 – С3 (□160×160×7); подкосы СВ2

(2∟90×7); связи ФВ1 поз. 2 (□120×120×7); связи СВ1 (□140×140×7); распорки Р2, Р4, связи ФВ1 (□160×160×7); распорки Р1 (□140×140×7); распорки Р3 (□120×120×7); связи СГ2 (□140×140×7); связи СГ1 (□180×180×8); прогоны П1 (I30Ш1); связи СГ3 (□120×120×7); связи СГ4 (∟90×7); распорки Р5 (∟75×6).

Возможная физическая нелинейность – пластическое деформирование – моделировалась заданием диаграммы работы стали (С255 и С345-3). Все сечения элементов дробились на 2 по ширине и 5 по высоте. При расчетах по ПК ANSYS использовалась теория течения с кинематическим упрочнением (критерии-поверхность текучести Мизеса).

Расчетная нагрузка на прогоны и на нижний пояс ферм (часть технологической нагрузки) включает собственный вес металлоконструкций и ж/б колонн (учитывается автоматически), технологическую и снеговую нагрузки.

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. |Верификационныйvk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Сопоставительные расчеты собственных частот и форм колебаний, выполненные по ПК Лира и ANSYS, выявили близость этих параметров, являющихся наиболее интегральным критерием соответствия модели натуре.

5.3.Результаты выполненных расчетов НДС, прочности и устойчивости несущих конструкций при основном сочетании нагрузок позволяют сформулировать следующие выводы:

– вычисленные перемещения и усилия в целом показали их ожидаемый характер, близкий к таковому, полученному ранее по ПК SCAD.

– прочность и устойчивость несущих металлоконструкций покрытия (пояса и раскосы стропильных ферм, горизонтальные и вертикальные связи, подкосы и прогоны) и железобетонных колонн при основном сочетании эксплуатационных нагрузок обеспечены по всем нормативных критериям [1–3] с приемлемым запасом.

Вчастности, максимальные прогибы ферм не превышают 20 см, а коэффициент использования по несущей способности – 85%.

5.4.Анализ результатов расчетных исследований проектируемого выставочного павильона при “особом” сочетаниях нагрузок (рис.2-4) показал следующее.

1)“Прикидочные” расчеты на прогрессирующее обрушение (удаление колонны, нормативные нагрузки) в линейно-упругой постановке для варианта шарнирной работы узлов соединения “прогоны-фермы” и “связи-фермы” дают картину напряженно-деформированного состояния, близкую ранее полученной по ПК SCAD. Не обеспечена нормативная прочность [2] прогонов, связей и подкосов в зоне локального разрушения, что, однако, не идентично утверждению о неизбежном обрушении двух пролетов покрытия, смежных с выключенной из работы колонной.

2). Расчеты на прогрессирующее обрушение (удаление колонны, нормативные нагрузки [4]), выполненные в необходимой физически (упруго-пластическое деформирование металла прогонов, связей и подкосов) и геометрически (значимые перемещения) нелинейной постановке, выявили:

– прогрессирующее разрушение прогонов и связей в 2-х пролетах, приуроченных к зоне локального разрушения, порождающее нарастающий неограниченный прогиб «обезноженной» фермы, для варианта шарнирной работы узлов соединения “прогоны-фермы” и “связи-фермы”;

– стабилизацию НДС на приемлемом уровне (максимальные прогиб фермы у удаленной колонны – 78 см по ПК Лира, 105 см по ПК ANSYS, пластические деформации в прогонах связях – не более 0,0485, упруго-пластическая потеря устойчивости распорок Р5 и связей СГ2, СГ3) для расчетного варианта жестких узлов соединения “прогоны-фермы” и “связи-фермы”; при этом нормативная прочность на срез болтовых соединений “прогоны-фермы” (3 болта М20 8,8) для наиболее нагруженного крайнего прогона не обеспечена, возникают значимые моменты в ж/б колоннах по ряду (оси) и в плоскости разрушенной колонны (до 204тс м), могущие привести к локальному разрушению внешних волокон крайних колонн.

5.5.С учетом вышеизложенных результатов предложены и проанализированы (на прогрессирующее обрушение, в нелинейной постановке с жесткими узлами) следующие варианты усиления конструкций покрытия:

1)продлены на длину всего отсека №4 W-образные связи соединения ФВ и треугольные связи СВ1;

2)продлены на длину всего отсека №4 W-образные связи соединения ФВ и треугольные связи СВ1, между существующими прогонами «вставлены» прогоны аналогичного сечения (30Ш1);

3)продлены на длину всего отсека №4 W-образные связи соединения ФВ и треугольные связи СВ1, со стороны удаляемой колонны к крайнему прогону “добавлены” ещё 2 прогона аналогичного сечения (30Ш1).

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. |Верификационныйvk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Все перечисленные варианты показали:

–слабую физическую (пластические деформации не более 0,15%) и геометрическую нелинейность (максимальные перемещения 19 см, у колонны – 11 см);

–отсутствие опасных моментов в ж/б колоннах;

–снижение усилий в прогонах, увеличение усилий в добавленных связях в зоне локального разрушения.

Прочность болтового соединения “прогоны-фермы” и, как следствие, достаточная линейная и угловая жесткости соединения гарантированно обеспечены для варианта 3 (рис. 5).

5.6.Подтвержденная выполненными расчетами «чувствительность» нелинейного поведения конструкций здания при рассмотренном гипотетическом локальном разрушении к характеристикам материалов и соединений, фактический разброс которых весьма велик, и неучет ряда важных факторов (среди которых – реальный динамический, а не принятый статический характер деформирования) делает необходимым организацию мониторинга состояния конструкций. В “минимальном” варианте предлагается с периодичностью, достаточной для выявления деструктивных процессов, контролировать прогибы ферм и горизонтальные перемещения узлов их опирания (оголовков колонн) при фиксируемых значениях эксплуатационных и климатических (снег, ветер) нагрузок.

5.7.Выполненные исследования в очередной раз затрагивают активно дискутируемые в научно-инженерных кругах вопросы о критериях и методах расчета «устойчивости против прогрессирующего обрушения» (инициирующее процесс локальное разрушение основной опорной конструкции – колонны) большепролетных зданий рассмотренного типа. Буквальное следование подходам, нормативно регламентированным для жилых каркасных зданий [4] и реализованным в представленной работе, ставит “вне закона” целые классы конструктивных решений зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения, повсеместно эксплуатируемых на протяжении многих лет.