Structural Blog

В прошлый раз я писал про типовой случай расчета общей устойчивости железобетонного здания средней этажности. Коэффициент запаса устойчивости (КЗУ) в этом случае может находиться в пределах 7-15, что говорит о более чем достаточном запасе. Для определения КЗУ обычно ограничиваются линейным расчетом без учета влияния работы основания. Сами формы потери устойчивости в этом случае являются локальными, т.е. до предельного состояния доходит один наиболее нагруженный осевой силой элемент.

Но что, если мы будем иметь дело с высоткой, для которой соотношение высоты к поперечному размеру значительно вырастает? Произойдет ли качественное изменение картины?

Проведенные мной недавно расчеты показали, что да. Количественное изменение пропорций в сторону увеличения высотности приводит к качественно иной картине в вопросах устойчивости.

Во-первых, на передний план выходит общая форма вместо локальных. Такую форму можно сравнить с потерей устойчивости вертикального стержня, защемленного в основании.

Определенный в линейном расчете КЗУ оказывается более низким (порядка 9 в моем случае), что по опыту нельзя назвать такой уж большой цифрой для железобетонной конструктивной схемы.

Чтобы оценить запас устойчивости с большей точностью, можно выполнить следующие расчеты:

1. Тот же линейный расчет форм потерь устойчивости (LBA), только с учетом упругого основания (получен КЗУ≈5)
2. Геометрически-нелинейный расчет с учетом упругого основания (получен КЗУ ≈ 2.8)
3. Геометрически-нелинейный расчет с учетом упругого основания и начальных несовершенств (получен КЗУ ≈ 2.7)

Способы 2 и 3 еще называют методами прямого анализа. Для них я использую шаговый метод с постепенным приращение нагрузки вплоть до критической (при которой программа не может найти состояние равновесия схемы в деформированном состоянии). Таким образом, из геомнелин расчетов можно вывести свои значения КЗУ.

Из всей этой истории я могу сделать следующий вывод:

При оценке устойчивости важен характер ее формы. Если форма общая, как в случае с высоткой, то кроме базового расчета форм потери устойчивости нужно использовать методы 1-3. Такие схемы оказываются очень чувствительными как к эффектам деформированной схемы, так и к податливости основания.

Когда речь заходит об устойчивости, то первым делом на ум приходят металлоконструкции. Для них есть метод расчетных длин и альтернативные численные методы, такие как линейный расчет форм потерь устойчивости (LBA) и метод прямого анализа (DAM).

Вся эта тема довольно сложная, но большинство проектировщиков, которых я встречал, так или иначе понимают, как с этим работать.

Что касается расчетов железобетона, то в них устойчивость формы уходит на второй (или третий) план в силу того, что сами конструкции и конструктивные схемы являются более жесткими и массивными. Но это имеет обратную сторону. По моим наблюдениям, многие специалисты не имеют четкого представления о том, как ее проверять.

Давайте разберемся с этим вопросом!

Единственное упоминание в нормах, которое приходит в голову, это требование п. 6.2.11 СП 430. В нем сказано: «Запас по устойчивости формы конструктивной системы должен быть не менее чем двукратным». При этом в нормах нет указаний, каким образом этот коэффициент нужно определять.

Давайте посмотрим, как обычно это делается на практике. В 95% случаев бывает достаточно выполнить линейный расчет форм потери устойчивости (LBA). Это очень базовый метод, который есть в каждом расчетном комплексе. Он позволяет найти несколько первых форм потери устойчивости и соответствующие им коэффициенты запаса.

При этом согласно п. 6.2.11 СП 430 в настройках расчета нужно учесть:

• влияние работы основания (этим на практике чаще пренебрегают ввиду малого влияния или программных ограничений)
• пониженные жесткости железобетонных конструкций (с помощью коэффициентов, как и в обычных статических расчетах)
• расчетные значения вертикальных и горизонтальных нагрузок

Для правильно запроектированных конструктивных схем, которые имеют достаточное количество диафрагм и ядер жесткости, получаемые таким методом КЗУ обычно находятся в диапазоне 10...20. Самые низшие формы представляют собой локальную потерю устойчивости наиболее нагруженных осевой силой элементов, обычно это пилоны или колонны. Если оценивать результат формально, то 10>2 (двукратный запас), значит все ОК. Но нужно помнить, что метод является крайне идеализированным.

В следующий раз покажу случай, когда описанный выше метод не может быть использован. Разберем еще несколько более сложных и точных методов.

Подборка полезных постов по актуальной тематике канала

Решил собрать актуальную подборку, в который каждый любитель конструктива сможет найти что-то интересное и полезное. Посты разбил по темам / сериям. Буду обновлять список с выходом новых!

Обо мне:
• Пост-знакомство

Конструктивные решения уникальных зданий:
• Merdeka 118 — второй после Burj Khalifa

Общие вопросы расчета железобетонных конструкций:
• Расчёт торцов и углов стен на продавливание
• Триангуляция в SOFiSTiK
• Гипотеза Бернулли, B- и D-области

Нелинейная пониженная жесткость ж/б конструкций:
• Понятия и суть вопроса
• Применение условных понижающих коэффициентов
• Физическая нелинейность
• Как (не) ошибиться при расчете прогибов
• Про «‎авторские методики расчета»

Фриланс. Расчет моста:
• Начало истории
• Расчетная модель
• Проверка прочности, напряжения и концентраторы
• Влияние этапности монтажа
• Устойчивость пластин

Моделирование и методы расчета монолитных балочных перекрытий:
• Работа монолитной балки в составе перекрытия. Понятие эффективной ширины
• 6 способов моделирования совместной работы монолитных балок с плитой
• Подробнее о способе с использованием стержневых элементов с тавровым сечением

Моделирование фундамента объемными КЭ:
• Предпосылки и построение расчетной модели
• Анализ напряжения и армирования в объемных КЭ

Обо мне

Канал растет, вот уже прошли 2К, что не может не радовать! В связи с этим хочу представиться перед теми читателями, кто тут недавно. Рассказать немного о себе и целях ведения этого блога.

Всем привет! Меня зовут Миша. Я — практикующий инженер-конструктор, блогер и преподаватель.

Я выпускник СПбПУ 2020 года, и в течение 6 лет работы в сфере проектирования прошел путь от младшего инженера-конструктора до главного специалиста по автоматизации расчетов конструкций в крупнейшем архитектурном бюро Москвы.

Все это время предметом моего увлечения был конструктив зданий. А если точнее — физическая суть процессов и законов, на которых строятся проектирование конструкций и их расчеты. Понять суть работы материалов и того, как возведенные из них конструкции сопротивляются внешним нагрузкам, понять и научиться строить модели этих процессов. Вот в чем я нахожу свое профессиональное призвание.

В то же время мне нравится делиться своими осознаниями и той информацией, что удалось структурировать и осмыслить. Так родились мои личные образовательные проекты и этот блог.

Тут я транслирую свои ценности.

Во-первых, честность перед собой и другими в том, что все мы многого не знаем и во многом некомпетентны. Я не пытаюсь прятаться за маской «эксперта» в чем бы то ни было. И если вы назовете меня самозванцем, я охотно соглашусь.

Во-вторых, критическое отношение ко всему, что окружает нас в профессии. В частности — к написанному в сводах правил, к тому, что говорят старшие опытные коллеги. К тому, как и что «принято» делать.

И, наконец, позитивный взгляд в сторону познания нового. Я глубоко убежден, что инженеру нужно учиться всю жизнь. Только так можно поддерживать на протяжении времени интерес к профессии и становиться в итоге востребованным специалистом.

На этом канале будут выходить посты на следующие темы:

• методы расчетов конструкций
• расчетные модели и конечно-элементный анализ
• профессия инженера-конструктора и карьерный путь

Всем недавно подписавшимся — welcome! И привет всем, кто со мной уже давно. Я не пропал. Сентябрь был очень сложным для меня месяцем. Почти выпал из блога как и прочих сфер жизни. Теперь встали, отряхнулись и продолжаем топить! Вперед и в светлое будущее!)

Вчера смотрел вебинар Андрея Голенкина. Он с коллегами показывал новый проект — PlayCad.pro. Я был впечатлен: чувствуется, что ребята делают то, что любят и умеют. Буду с интересом следить за развитием этого проекта.

В теоретической части мне понравилось объяснение разницы между методом предельных усилий и НДМ, а также их сравнение.

Кто пропустил — вот запись. Советую глянуть, особенно тем, кто занимается расчетами железобетона.

Друзья, в бюро АПЕКС нужны специалисты по дисциплинам АР/КР/ВИС/ГП, а также ГИПы. Формат работы преимущественно офисный/гибридный. Офис находится в Москве, метро Павелецкая.

Компания занимаемся генпроектированием жилых и общественных зданий (новое строительство), а также работой с объектами культурного наследия (реконструкции).

Некоторые из проектов компании, строительство которых уже закончено, или ведется:

• ЖК Бадаевский
• Кампус Яндекс
• ГЭС 2
• RED 7
• Центральный телеграф

Если вам интересно это предложение — пишите в личку ( @mikenazarow ). Я смогу подробнее рассказать о компании, процессе трудоустройства и о многих деталях (сам работаю тут 4 года), а также ответить на ваши вопросы.

p.s. хорошей всем недели!

Недавно поймал себя на мысли, что еще не научился как положено работать с нормативными документами.

Когда что-то нужно найти, гуглю и открываю первую попавшуюся pdf-ку. Проблема в том, что в документе из рандомной ссылки может не быть всех последних изменений, и пару раз я на этом словил факап.

К слову, совсем недавно вышла инфа про новые изменения к СП 16.13330. И как это все отслеживать?

Знаю, что есть специальные платформы для работы с нормативами, которые позволяют быстро в них ориентироваться и всегда иметь актуальную версию. А вы пользуетесь ими? Что можете порекомендовать?

Гипотеза Бернулли, B- и D-области

Если название поста выглядит для вас как набор непонятных слов — не пугайтесь. Давайте разберемся с этими понятиями и узнаем, как это связано с созданием расчетных моделей железобетонных конструкций!

Начнем со знакомого многим подхода — идеализации реальной конструкции с превращением ее в стержневую модель. Есть ли у него ограничения? Все ли можно превратить в стержень? Очевидно, что нет. А что можно? Давайте разберемся.

Есть один тезис, который я тут озвучу, но доказывать не буду:

Переход от реальной конструкции к стержневому аналогу обоснован лишь в том случае, когда к ней применима гипотеза плоских сечений (гипотеза Бернулли). Это справедливо как для ручных расчетов, так и для конечно-элементных моделей.

В англоязычной литературе принято делить конструктивные элементы на 2 категории:

1. В-области (от «‎beam») характеризуются тем, что распределение деформаций в них согласуется с гипотезой Бернулли
2. D-области (от «‎discontinuity») характеризуются тем, что гипотеза плоских сечений к ним не применима

Характерные примеры D-областей:

• высокие балки-стенки с соотношением h/l>2
• короткие консоли (часто встречаются в сборных каркасах)
• конструкции с проемами
• опорные сечения балок и другие области действия больших сосредоточенных нагрузок

B-области мы имеем право рассматривать как стержневые элементы и применять к ним все известные формулы сопромата, которые используются для расчетов балочных элементов.

Для D-областей такой подход не применим, и если решать задачу в лоб, то нужно использовать на порядок более сложную математику теории упругости и расчетные модели с большим количеством измерений. Такой подход не годится для строительных норм, поэтому придуман альтернативный подход, который существенно упрощает задачу для D-областей и по сути тоже сводит ее к стержневой модели.

Подход называется каркасно-стержневая модель (Strut-and-Tie Model, STM). На эту тему я хочу написать еще 2-3 поста, если вам она интересна и вы хотите видеть продолжение этой — оставляйте 🔥

В прошлом посте писал о создании расчетной модели толстого плитного фундамента (толщиной 3 м), на которую будет опираться здание высотой около 250 м. Грунты на площадке очень прочные, поэтому без свай.

На текущий момент я выполнил предварительные расчеты на грунтовом основании и сделал первые выводы относительно удобства такой комбинированной модели.

Во-первых, я начал с анализа главных напряжений (растягивающих и сжимающих). Для просмотра напряжений в объемных элементах удобно использовать разрезы. Один из них привел на карточке 2. Картина распределения главных растягивающих и сжимающих напряжений выглядит логично.

Рассеивание сжимающих напряжений от опор вертикальных конструкций вниз происходит по призме, образующие угол около 45 градусов.

Главные растягивающие напряжения концентрируются у опор (у нижней грани плиты) и в пролетах (у верхней грани плиты). Как у перекрытий, только все наоборот.

Во-вторых, армирование в объемных элементах тоже удалось подобрать (карточка 3). Его распределение хорошо коррелирует с траекторией растягивающих напряжений (карточка 4).

Главная сложность — это приведение полученного армирования к привычном виду (плоские изополя для верхней и нижней зоны). Полученные в см2/м2 значения нужно преобразовать в погонную интенсивность в см2/м.

Первая мысль, как это сделать «на коленке» (карточка 5):

1. в нескольких наиболее загруженных сечениях определить среднюю по высоте интенсивность армирования в см2/м2
2. умножив полученное значение на высоту плиты, мы получим значение в см2/м, которое нужно разложить у грани.

Но я понимаю, что это довольно грубое приведение с приличным запасом. Если вы встречали более изящные примеры и методы, — буду благодарен за идеи)

Пока вопроса о детальном конструировании плиты не стоит (стадия П), но по полученным результатам я уже считаю, что объемная модель справляется со своей задачей. По крайней мере, фон принять можно. Будущие планы — по полученному результату задаться фоном и проверить его достаточность в режиме физнелина.

Моделирование фундамента объемными КЭ

Сейчас на работе встретился интересный случай. Делаю расчетную модель высотного здания. Его фундамент имеет толщину 3 метра при характерных пролетах опирающихся на него конструкций — порядка 6-8 метров.

Если задуматься, такую конструкцию с соотношением толщины к пролету 1:2 было бы неправильно заменять плоской моделью. Такой толщиной просто нельзя пренебрегать, поэтому стоит переходить от плоской модели к объемной.

При стыковке конечных элементов разных размерностей между собой есть нюансы (в моем случае — это объемный фундамент и плоские стены). Если просто соединить их между собой в узлах, то соединение будет работать как шарнирное.

Объясняется это следующим образом. В плоских КЭ, кроме 3-х поступательных степеней свободы узлов (ux, uy, uz) есть еще 3 степени свободы, соответствующие углу поворота узла (φx, φy, φz). За счет последних моделируется изгиб пластин и передается момент.

В объемных КЭ узлы имеют только поступательные степени свободы (ux, uy, uz). Изгиб элемента происходит за счет поступательных смещений узлов.

Чтобы обеспечить жесткое соединение, я завел стены вглубь фундамента на высоту одного КЭ так, чтобы нижние узлы стен совпали с узлами объемных элементов. В таком виде соединение получилось практически абсолютно жестким.

Для моделирования объемной модели я экспортировал обычный плоский фундамент из Revit в SOFiSTiK и далее с помощью CADiNP выдавил плоские элементы фундамента вниз, разбив на 6 слоев с толщиной по 0.5м. Получились 8-узловые объемные КЭ, все узлы которых расположены ровно друг над другом по вертикали. Далее по тому же принципу я выдавил нижние грани стен на 0.5м вниз, таким образом их узлы совпали с узлами объемников. В плане сетка остается нерегулярной.

После однократной настройки алгоритма в CADiNP процесс превращения плоской плиты в объемную получился быстрым и удобным.

Дальше буду анализировать поведение такой модели на упругом полупространстве. Если тема интересна и вам было бы интересно увидеть продолжение — накидайте 🔥!

Сегодня проводил для ЛШ2024 лекцию, посвященную обзору конструктивных схем и их применению в рамках выполнения архитектурных проектов и макетов.

В выступлении я опирался на классификацию конструктивных систем, описанную в книге «Несущие системы» Энгеля Хайно.

Идея автора в том, чтобы различать системы по механизму их сопротивления внешним силовым воздействиям.

Всего выделяется 4 основополагающих механизма:

1. Адаптация к действующим силам (активные по форме системы)
2. Разложение сил (активные по вектору системы)
3. Сопротивление силам (активные по сечению системы)
4. Рассеивание сил (активные по поверхности системы)

Энгель Хайно преподавал конструкции на архитектурном факультете американского университета. В основу книги легли материалы, которые он готовил и систематизировал для своих студентов.

Я бесконечно уважаю профессионализм и самоотверженность этого человека и всем рекомендую к ознакомлению его произведение!

p.s. книгу в .pdf выложил в комментариях