Москва. Жилой дом "ПИК"
«Уточненные расчетные исследования статического и динамического НДС, прочности и устойчивости несущих конструкций 25-этажной блок-секции крупнопанельного жилого дома серии… и конструктивных узлов при основных и особых сочетаниях нагрузок и воздействий»
Введение
Научно-технический отчет содержит основные результаты НИР по теме «Уточненные расчетные исследования статического и динамического напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости несущих конструкций 25-этажной блок-секции крупнопанельного жилого дома ПИК 2.0 и конструктивных узлов при основных и особых сочетаниях нагрузок и воздействий».
В соответствии с техническим заданием, календарным планом и рабочими соглашениями в отчете представлены:
– краткое описание несущих железобетонных конструкций 25-этажной блок секции крупнопанельного жилого дома, нагрузок (расчётных и нормативных) и их сочетаний, постановка задач расчетных исследований;
– описание численных методик, алгоритмов и реализующего программного комплекса (ANSYS), расчета статического и динамического напряженно-деформированного состояния;
– разработанные и верифицированные подробные пространственные оболочечно-стержневые конечноэлементные модели (в верифицированном программном комплексе ANSYS Mechanical) комбинированной системы «свайное основание — железобетонные конструкции здания», а также трехмерная упругопластическая модель конструктивного узла 1/2Н2 (также в ANSYS Mechanical), адекватно отражающие их геометрико-жесткостные, инерционные и нагрузочные характеристики и результирующее напряженно-деформированное состояние;
– результирующие параметры напряженно-деформированного состояния (перемещения системы, усилия и напряжения), прочности, устойчивости и динамики несущих конструкций при нормативно регламентированных основных и особых сочетаниях нагрузок и воздействий.
В рамках проведенной работы были поставлены и успешно решены следующие задачи:
– анализ и обобщение исходной проектной документации, включая результаты расчетов, постановка задач расчетных исследований;
– разработка и верификация адекватных пространственных КЭ-моделей блок-секции с учетом особенностей конструктивных решений швов и монтажных связей;
– выполнение расчетных исследований НДС, прочности, устойчивости и динамики пространственной системы несущих железобетонных конструкций блок-секции и конструктивного узла при нормативно регламентированных основных и особых сочетаниях нагрузок и воздействий;
– определение параметров напряженно-деформированного состояния (перемещения, усилия), динамических характеристик (значимых собственных частот и форм колебаний) здания, расчетной оценки несущей способности наиболее нагруженных стальных связей (узлов) стеновых панелей.
– сравнительный анализ с результатами альтернативных расчетов, заключение об устойчивости здания в целом.
Программное обеспечение расчетов
Определение напряженно-деформированного состояния, динамических характеристик и устойчивости несущих конструкций блок-секции выполнены по верифицированному лицензионному программному комплексу ANSYS Mechanical, реализующему развитые схемы методов конечных элементов и суперэлементов для статических и динамических расчетов пространственных комбинированных систем. ANSYS Mechanical поддерживает все необходимые типы расчетного анализа НДС, динамики, прочности и устойчивости зданий и сооружений.
Расчетная КЭ-модель блок-секции
В программном комплексе ANSYS Mechanical была построена и верифицирована пространственная оболочечно-стержневая конечноэлементная модель системы «свайное основание – железобетонные конструкции здания» (рис. 1)
Размерность и типы используемых элементов построенных КЭ-моделей приведены в таблице 1.
Таблица 1
Параметры расчетной КЭ-модели несущих конструкций здания
|
КЭ-модель
|
Узлов
|
КЭ
|
Типы КЭ
|
|
«свайное основание – железобетонные конструкции — стальные связи» дома
|
284 294
|
268 373
|
SHELL181
BEAM188
COMBIN14
|
Расчетная трехмерная нелинейная КЭ-модель узла 1/2Н2
В программном комплексе ANSYS Mechanical была разработана трехмерная КЭ-модель узла 1/2Н2 (соединение стеновых панелей) Геометрическая и КЭ модели узла показаны на рис.3.
Для учета физически нелинейной работы сварного соединения, учитывая свойства материалов узла, строились диаграммы истинных напряжений с использованием модели материала с опцией мультилинейного изотропного упрочнения (Multilinear Isotropic Hardening, MISO), которая использует критерий пластичности фон Мизеса совместно с предположением об изотропном деформационном упрочнении. Железобетон моделировался упругим материалом.
Результаты расчётных исследований НДС несущих конструкций блок-секции
Результаты расчетных исследований трехмерного упругопластического НДС узла 1/2Н2 (соединение стеновых панелей)
Выводы
При анализе напряженно-деформированного состояния и прочности верхнего узла ферм покрытия на заданное заказчиком сочетание нагрузок (перемещений торцев) проводился расчет в трехмерной физически и геометрически нелинейной конечноэлементной постановке по программному комплексу ANSYS с учетом пластического деформирования отдельных конструктивных элементов.
Пластические деформации начинают возникать при 75% нагрузки на внутренней стороне в верхней центральной зоне узла.
Максимальное значение пластической деформации при полной нагрузке составило 0.63% для загружения 1 и 1,03% для загружения 31, что значительно меньше предельных деформаций для строительных сталей (для большинства марок составляют 15-20%). Зона пластичности при этом нигде не развивается на всю толщину. Пластика образуется на внутренней стороне в центральной части узла и на внешних сторонах в примыкающих трубах.
В соответствии с расчетом несущая способность конструкции узла покрытия обеспечивается. Для дополнительной оценки запаса выполнен расчет вплоть до исчерпания несущей способности путем пропорционального увеличения заданных перемещений сверх расчетных значений. Разрушающие пластические деформации в отдельных зонах возникают более чем при 200%-й нагрузке от расчетной, и даже при этой величине не распространяются на всю толщину труб.
Выводы
В результате выполненных разработок и расчетных исследований статического и динамического напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости несущих конструкций 25-этажной блок-секции крупнопанельного жилого дома ПИК2.0 и конструктивных узлов при основных и особых сочетаниях нагрузок и воздействий можно сформулировать нижеследующие выводы:
1 Разработана и верифицирована пространственная оболочечно-стержневая конечноэлементная модель комбинированной системы «свайное основание – железобетонные конструкции здания» с учетом платформенных стыков и стальных связей стеновых панелей, адекватно отражающие их геометрико-жесткостные, инерционные и нагрузочные характеристики и результирующее напряженно-деформированное состояние, параметры прочности и устойчивости. Разработана трехмерная упругопластическая КЭ-модель и выполнен расчет в физически нелинейной постановке узла 1/2Н2 (соединение стеновых панелей).
2 По разработанной КЭ-модели в верифицированном ПК ANSYS Mechanical определены параметры напряженно-деформированного состояния несущих конструкций (перемещения, усилия, напряжения) при расчетных сочетаниях нагрузок и воздействий, вычислены динамические характеристики (собственные частоты и формы колебаний), критические нагрузки и формы потери устойчивости.
3 Для трехмерной КЭ-модели узла 1/2Н2 (соединение стеновых панелей) выполнены расчетные исследования по определению значения предельной (разрушающей) продольной силы в нелинейной постановке.
4 Анализ результатов расчетных исследований показал в целом достоверную картину распределения параметров НДС в несущих ж/б конструкциях крупнопанельного жилого дома. Разработанные модели и полученные результаты будут положены в основу последующих этапов данной НИР.
