Расчет зданий с напрягаемой арматурой. Особенности определения расчетных усилий

Постановка задачи. Особенности определения расчетных усилий. По напряженному состоянию крупнопанельные здания бывают трех категорий: 1) растягивающие напряжения в бетоне несущих стен-диафрагм не возникают; 2) в несущих стенах возможны незначительные растягивающие напряжения, не превышающие прочности бетона на растяжение; 3) в несущих стенах возникают значительные растягивающие напряжения.

Приведенный перечень в определенной мере условен, так как принадлежность здания к той или иной категории напряженного состояния в конечном счете определяется расчетом с учетом конкретных реальных силовых воздействий, в том числе ветровых или сейсмических.

Бескаркасные крупнопанельные здания второй и третьей категорий, в несущих стенах которых возникают растягивающие напряжения, целесообразно возводить с предварительным напряжением вертикальных стен- диафрагм, поскольку в горизонтальных стыках возникают трещины. Что же касается зданий первой категории, то их стены не нуждаются в предварительном обжатии, однако наиболее ответственные элементы — стыки панелей наружных стен для повышения трещиностойкости — также следует конструировать предварительно напряженными.

К стыкам наружных стеновых панелей предъявляются более жесткие требования, чем к стыкам внутренних панелей. Кроме прочности и жесткости стыки наружных панелей должны обеспечивать трещиностойкость соединений, а также их влаго-, тепло- и звуконепроницаемость. Конструкция стыка зависит от конструкции и конфигурации соединяемых элементов. При этом напряженно- деформированное состояние стыков существенно влияет на совместную работу элементов, что должно быть отражено в расчетных схемах.

Как уже указывалось, вертикальная напрягаемая арматура в зданиях второй и третьей категорий назначается исходя из двух условий — прочности вертикальных несущих стен-диафрагм и обеспечения необходимой трещиностойкости стыков между панелями этих стен. Горизонтальные и вертикальные стыки наружных стен следует относить ко II категории трещиностойкости с допустимой шириной раскрытия трещин а_т.кр = 0,015 мм, а те же стыки внутренних стен — к III категории трещиностойкости с а_т.кр = 0,4 мм, а_т.дл =0,1—0,3 мм (табл. 1 СНиП 2.03.01—84). В соответствии с этим степень натяжения вертикальной арматуры для наружных и внутренних стыков может быть различной.

В зданиях для районов с высокой сейсмичностью (до 9 баллов) количество вертикальной арматуры из условий прочности может достигать значительной величины. Уровень ее натяжения не обязательно достигает максимального значения 0,76 R_s,ser и может быть определен исходя из указанных требований трещиностойкости. Расчет крупнопанельного здания сводится в конечном итоге к определению прочности, жесткости и трещиностойкости составляющих его элементов. Поэтому конструктивным расчетам обычно предшествует этап определения расчетных усилий, т. е. нахождение невыгодной комбинации усилий, действующих на каждый элемент здания от воздействия постоянных, временных и особых нагрузок.

Наибольшее распространение получили расчеты на основе метода конечных элементов. Этот метод реализован в таких широко распространенных прикладных программах, как «Гамма» (КиевЗНИИЭП), «Лира» (НИИАС), «Здание» (ИСМиС АН ГССР) и др.

Что касается расчета здания на сейсмические воздействия, то в перечисленных программах может быть реализована лишь методика расчета, рекомендуемая СНиП II-7-81, т. е. определяется- сейсмическая сила на основе спектрального метода и соответствующих эмпирических зависимостей.

При расчете сейсмостойких крупнопанельных зданий с напрягаемой арматурой определение расчетных усилий осложняется необходимостью учета напрягаемой арматуры в конструкции здания и в соответствующих расчетных схемах. Конечно, идеальной была бы реализация решения такой задачи с учетом пластических деформаций и соответствующим перераспределением усилий в элементах. Однако на данном этапе развития ЭВМ и программного обеспечения такое решение пока не получено, поэтому приходится идти по линии упрощения расчетных схем и создания приближенных методов, разумеется, в ущерб точности конечных результатов.

Например, в программах «ПАРАД» и «РАЗГОН» (ЦНИИЭП жилища) при расчете крупнопанельных зданий с напрягаемой арматурой действие последней реализуется методом суперпозиции, т. е. имитацией напрягаемой арматуры соответствующими внешними воздействиями (системой сосредоточенных внешних сил). Расчеты, выполненные таким способом, видимо, достаточно пригодны для практических целей, поскольку динамические испытания крупнопанельного экспериментального здания с напрягаемой арматурой, построенного в Кутаиси в соответствии с упомянутыми расчетами, показали его достаточную сейсмостойкость.

Однако описанная методика пригодна для относительно невысоких (до девяти этажей) зданий и небольшой (до 8 баллов) сейсмичности. При большой этажности и сейсмичности роль изменения динамических параметров в зависимости от степени напряжения арматуры будет существенно больше, поэтому картина напряженного состояния, определенная изложенными приближенными методами, может не соответствовать реальному напряженному состоянию.

Для определения точной картины необходимо программное обеспечение, реализующее динамический расчет здания с учетом напрягаемой арматуры, пластических деформаций и воздействия реальных землетрясений. Такие расчеты при современном быстродействии ЭВМ могут быть выполнены лишь в том случае, когда будет реализована возможность уменьшения количества неизвестных и уравнений без ущерба для точности конечного результата. Составлению таких программ должны предшествовать:

- вывод функции обобщенной реакции фрагментов здания в зависимости от обобщенного перемещения для разных типов стыковых соединений и оценка продольных перемещений, которые соответствуют исчерпанию несущей способности. Построение диаграммы деформирования;

- решение динамической задачи колебания нелинейных систем n-конечным числом степеней свободы и построение огибающих максимальных реакций, ускорений и перемещений;

- сравнительный анализ нелинейных расчетов с результатами расчета по существующим «упругим» методам и составление рекомендаций по расчету, основанных на этом анализе;

- с учетом упомянутых рекомендаций определение прочности, жесткости и трещиностойкости основных узлов сопряжения (стыков и шпонок) зданий с напрягаемой арматурой.

Решение этих задач позволит учесть влияние напрягаемой арматуры на характер работы конструкций здания.

Крупнопанельное здание представляет собой пространственную систему взаимосвязанных пластинчатых элементов — стеновых панелей (с проемами и глухих) и плит перекрытия. Она относится к классу нелинейных систем, даже если составляющие ее отдельные элементы — панели работают в упругой стадии. Конструктивная нелинейность в этом случае обусловлена разницей модулей упругости бетона стыков на растяжение и сжатие, а также пластическими деформациями в стыках и узлах.

При небольшом уровне сейсмических воздействий и соответствующих горизонтальных динамических составляющих напряженно-деформированное состояние сооружения, определенное в линейной постановке, можно считать достаточно достоверным. Это главным образом относится к зданиям первой категории напряженного состояния, в которых напрягаемая связевая арматура устанавливается конструктивно.

При интенсивных сейсмических воздействиях или высокой этажности, т. е. в зданиях первой и второй категорий напряженного состояния, в конструкциях и стыках возникают неупругие деформации. Это явление благоприятно сказывается на работе здания в целом, снижая сейсмическую силу. В настоящее время в соответствии с нормами нелинейная работа конструкций учитывается введением понижающего коэффициента, который зависит от степени допускаемых повреждений и от назначения здания. Хотя такой метод обоснован многолетним опытом проектирования, строительства и эксплуатации сооружений в сейсмических районах, он не учитывает многообразия явлений, характерных для зданий с напрягаемой арматурой и шпоночным соединением элементов.

Определение напряженного состояния конструкций здания, заключающееся в рассмотрении его как динамической системы, когда возбуждающая функция (внешние воздействия) определена статистическими характеристиками на основе реальных акселерограмм, позволит повысить надежность и снизить расход материалов. Блок-схема такого расчета представлена на рис. 28, из которой видно, что в основу положено применение теории неупругих деформаций. В качестве вычислительных комплексов для расчета железобетонных конструкций (блоки I и II) с учетом их нелинейной работы целесообразно использовать разработанную в НИИАСе Госстроя УССР программу «ЛИРА N», в которой реализованы три варианта теории неупругих деформаций бетона. В этих комплексах решение нелинейных задач строится на шаговом и шагово-итерационных методах с уточнением на шагах. Благодаря такому подходу осуществляются нагрузка и разгрузка, что дает возможность построить циклическую диаграмму деформирования (петлю гистерезиса).

Рис. 28. Блок-схема расчета крупнопанельного здания с напрягаемой арматурой с учетом неупругих деформаций

Исследование нелинейной динамической системы затруднительно, что объясняется сложностью решения систем нелинейных уравнений, а также тем, что внешнее воздействие характеризуется реальными или модельными акселерограммами. В результате анализа существующих программ, пригодных для расчета крупнопанельного здания с учетом упомянутых особенностей, можно сделать вывод, что наибольшие возможности, в этом направлении имеют программа «ФРОНТ» и ее разновидности «ФОЛИД» и «ЛИДИС».

Совместно с авторами этих программ удалось добиться их модификации таким образом, чтобы имелась возможность выполнить динамический расчет крупнопанельного здания с напрягаемой арматурой в линейной постановке. Возможности этой программы достаточно высоки, чтобы при наличии диаграммы нелинейного деформирования реализовать и нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями и учесть пластические деформации, возникающие при сейсмическом воздействии.

Сведения об авторе и источнике:

Автор: Л. С. Махвиладзе

Источник: Сейсмостойкое крупнопанельное домостроение