«Расчётные исследования напряжённо-деформированного состояния, прочности и устойчивости несущих конструкций реконструируемых зданий объекта „Оздоровительный комплекс «Бор“ Управления делами Президента Российской Федерации, по адресу: Московская обл., Домодедовский район… при статических и ветровых нагрузках и гипотетических локальных разрушениях с учётом фактического состояния несущих конструкций и основания»

Были проведены расчетные исследования реконструируемого объекта «Оздоровительный комплекс „Бор“ (рис. 1) с учетом его фактического состояния. Расчетные конечноэлементные модели были построены на основе соответствующих данных Заказчика –чертежей объекта в формате «dwg» и электронных копиях проекта 80-х годов. Использованные в работе программные продукты: «Лира-САПР» (основной ПК выбранный для расчетов), «АРМ-САПР», «АРБАТ» (оценка несущей способности и подбор арматуры в элементах ж/б конструкций), «КАМИН» (оценка несущей способности каменных конструкций), «Abaqus» (верификация и идеализация отдельных элементов каркаса).

На основании переданных Заказчиком файлов в формате «dwg» с комплектом чертежей, в программном комплексе «Лира-САПР» были построены «проектные» оболочечно-стержневые конечноэлементные модели корпусов «А», «Б», «В» и центральной части оздоровительного комплекса.

Плиты перекрытий, несущие стены моделировались плоскими треугольными и четырехугольными оболочечными КЭ постоянной толщины (КЭ №    44 и №    42). Колонны, подбалки, ригели моделировались универсальными стержневыми элементами №    10.

При расчёте на прогрессирующее обрушение было необходимо учесть возможную работу кирпичных перегородок. Для моделирования возможного контакта или отрыва перегородок использовался КЭ №    255 – двухузловой КЭ упругой связи с учётом предельных усилий (геометрически нелинейный расчёт). Для вертикальных конструкций применялись физически нелинейные плоские треугольные и четырехугольные оболочечные КЭ постоянной толщины (КЭ №    241 и №    242) описанные кусочно-линейной диаграммой деформации-напряжения, идеализированно описывающие работу кирпича под нагрузкой.

Для получения корректной картины деформаций перекрытия использовался метод расшивки узлов с последующим объединением перемещений по оси Z в местах опирания плит на вертикальные несущие конструкции и ригели и по осям X и Z

В качестве расчётных моделей были приняты следующие типы:

Модель №    1: Расчётная модель актуального состояния при эксплуатационных нагрузках (расчёт на первое предельное состояние вертикальных несущих конструкций, расчёт на второе предельное состояние объекта в целом). Модель не содержит перегородки и стены, опирающиеся непосредственно на плиты перекрытия.

Модель №    2: Расчётная модель типовых плит в многовариантной постановке (расчёт на первое и второе предельное состояние типовых плит. Анализ приведённой жёсткости).

Модель №    3: Расчётная модель актуального состояния при прогрессирующем обрушении (расчёт на первое предельное состояние с учётом физической и конструктивной нелинейности, кинематический анализ конструкций зданий). Модель содержит перегородки и стены, опирающиеся непосредственно на плиты перекрытия. В местах где необходимо произвести проверку работы ключевых ненесущих элементов (например, поперечных стен типового этажа корпуса «В») производилось ослабление вертикальных несущих конструкций в местах кладки оконных проёмов и заменой её на эквивалентную линейную нагрузку. В местах отсутствия подобных ключевых элементов, кирпичная кладка в проёмах не удалялась. 

 Расчетные конечноэлементные модели в ПК «Лира-САПР» показаны на рис. 2-5. 

Рис. 2. Общий вид конечноэлементной модели корпуса «А»/»Б». Количество конечных элементов: 106 125; количество узлов: 116 712

Рис. 6. Балочно-оболочечная «фактическая» модель на жёстком основании. 1-я форма колебаний f₁=1.534 [Гц]

 

Были выполнены расчеты по первому и второму предельному состояниям. Некоторые результаты показаны на рис. 9,10.

 

Рис. 9. Мозаика напряжений Nx по фрагменту №   2 (простенок), т/м²

Рис. 10. Вертикальные перемещения расчётной модели, [мм]

 

Для проверки на смятие участков кирпичных стен в месте стыка с железобетонными колоннами проводился уточненный расчет контактных напряжений в ПК ABAQUS (рис. 11)

Рис. 11 Вертикальные напряжения в элементах конструкций, S22, Па  (min +4.0•10⁵ Па; max -1.3•10⁷ Па)

В результате анализа корпуса «А» / «Б» были выявлены, рассчитаны и проанализированы следующие характерные случаи особого воздействия, приводящие к разрушению одного из несущих элементов (расчётные случаи):

1. Удаление стальной колонны по оси «12» – «Б»;

2. Удаление стойки железобетонной сборной арки первого этажа по оси «14»– «В»;

3. Удаление армированного кирпичного простенка второго этажа по осям «12»– «Е»;

4. Удаление армированного кирпичного простенка второго этажа по осям «14»– «В»;

Расчет выполнялся в статической постановке в ПК Лира. Некоторые результаты для расчетного случая №   4 (удаление армированного кирпичного простенка) показаны на рис. 12, 13.

Рис. 12 Вертикальные перемещения расчётной модели, [мм]

Рис. 13. Изополя вертикальных напряжений Nx, [т/м²]. 100% реализация нагрузок. Фрагментация участка по оси «В».

Для корпуса «В» были рассмотрены следующие расчётные случаи:

1. Удаление бетонной колонны первого этажа по осям «6»-»Д»;

2. Удаление армированного кирпичного простенка первого этажа по осям  «6»- «В»;

3. Удаление стойки железобетонной сборной арки первого этажа по оси «6»- «Б»;

4. Удаление пересечения несущей стеной толщиной 510 мм с кирпичной стеной толщиной 250 мм по осям «7»- «Е» на первом этаже;

5. Удаление бетонной колонны первого этажа по осям «6»- «Ж» (нагрузка передаётся непосредственно с несущих стен вышестоящих этажей) ;

6. Удаление бетонной колонны первого этажа по осям «5»- «Ж» (нагрузка передаётся только через балку МБ-1).

Некоторые результаты для случая 3 показаны на рис. 14-16.

 

Рис. 14 Схема первого этажа после разрушения по случаю №   3.

Рис. 15 Вертикальные перемещения расчётной модели, [мм]. Фрагментация участка по оси «6». Масштаб перемещений – 500.

 

Рис. 16. Изополя вертикальных напряжений Nx [т/м²]. 100% реализация нагрузок после разрушения простенка. Участок разрушения стойки арки по осям «6»– «Б»

 

 Основные результаты и выводы

В соответствии с техническим заданием по договору  «Расчётные исследования напряжённо-деформированного состояния, прочности и устойчивости несущих конструкций реконструируемых зданий объекта „Оздоровительный комплекс «Бор“ Управления делами Президента Российской Федерации, по адресу: Московская обл., Домодедовский район… при статических и ветровых нагрузках и гипотетических локальных разрушениях с учётом фактического состояния несущих конструкций и основания» в ходе НИР решены следующие основные задачи и получены значимые результаты:

Выполнен анализ и обобщены данные изыскательской и проектной документации и результаты визуально-инструментальных обследований по объекту исследований.

Разработаны и верифицированы пространственные оболочечно-стержневые конечноэлементные модели: 

1) корпуса «А» и  «Б», 

2) центральной части корпуса «В», 

3) центральной части комплекса.

Модели созданы с учётом специфики конструкций и НИР в многовариантной постановке: 

– выполнена расшивка и объединение перемещений многопустотных железобетонных сборных плит перекрытий в соответствии с их конструктивными особенностями опирания на вертикальные и горизонтальные несущие конструкции.

– выполнен учёт в расчётной схеме ненесущих элементов конструкций комплекса при расчёте на особое воздействие – прогрессирующее обрушение

– для ненесущих элементов, созданы специальные нелинейные элемента, реализующие при сжатии — контакт, а при растяжении — отрыв от основной расчётной схемы.

– произведена верификация и идеализация приведённой модели многопустотной плиты к оболочечной модели по жёсткости и нагрузке от собственного веса.

– выполнено моделирование физически нелинейного материала с возможностью отключения конечного элемента, при достижении критических напряжений для кирпичной кладки.

– реализован учёт и неучёт несущих и ненесущих элементов при необходимости учёта ключевых элементов конструкций комплекса: учёт участков кирпичной кладки в проёмах (между кирпичными несущими простенками), где нет ненесущих поперечных кирпичных стен, и неучёт данных участков, при анализе поперечных стен как ключевого момента при повышении устойчивости против прогрессирующего обрушения.

– выделены характерные зоны при прогрессирующем обрушении с соответствующим редуцированием модели. При необходимости контроля решения произведено редуцирование второго уровня.

– в характерных зонах выделены основные расчётные случаи особого воздействия.

 При создании моделей учитывались актуальные физико-механические характеристики материалов несущих конструкций, согласно обследованиям. Геометрические характеристики несущих и ненесущих конструкций приняты согласно 

В ходе анализа результатов по первому предельному состоянию было выявлено:

– для корпуса «А» и  «Б»: полное соответствие несущих конструкций требованиям по обеспечению сохранности по первому предельному состоянию при основных расчётных сочетаниях нагрузок с кратковременной частью, за исключением стоек железобетонных сборных арок по оси  «В» корпуса «А» и  «Б», по причине неизвестного имеющегося армирования и сопутствующего расчёта стоек как бетонных. 

– для корпуса «В»: полное соответствие несущих конструкций требованиям по обеспечению сохранности по первому предельному состоянию при основных расчётных сочетаниях нагрузок с кратковременной частью, за исключением всех имеющихся бетонных колонн первого этажа корпуса – коэффициент использования прочности по продольной силе при классе бетона В10 составляет 1.35 (превышение допустимых значений на 35%). При подтверждении класса бетона В15 в колоннах, значение коэффициента использования является близким к предельному 0.998.

– для центральной части комплекса: несоответствие несущих конструкций требованиям по обеспечению сохранности по первому предельному состоянию при основных расчётных сочетаниях нагрузок с кратковременной частью, для колонн первого (квадратного сечения 500 мм) и второго (круглого сечения Ø500 мм) этажа центральной части по предельной продольной силе и предельному моменту сечения. Так же, основываясь на данные обследования, неизвестна арматура в кольцевых балках и монолитных плитах перекрытия по верхней грани. Отсутствие арматуры в верхней грани у опорной части колонн, приводит к разрушению сечения по предельному моменту при полной реализации нагрузок основного сочетания.

 В ходе анализа результатов по второму предельному состоянию было выявлено:

– для корпуса «А» и «Б»: полное соответствие несущих конструкций эстетико-психологическим требованиям по первому предельному состоянию при основных нормативных сочетаниях нагрузок с длительной частью. 

– для корпуса «В»: полное соответствие несущих конструкций эстетико-психологическим требованиям по первому предельному состоянию при основных нормативных сочетаниях нагрузок с длительной частью.

– для центральной части комплекса: полное соответствие несущих конструкций эстетико-психологическим требованиям по первому предельному состоянию при основных нормативных сочетаниях нагрузок с длительной частью.

На основании анализа результатов на особое воздействие (анализ устойчивости конструкции к прогрессирующему обрушению) рекомендованы следующие дополнительные конструктивные мероприятия для предотвращения прогрессирующего обрушения и снижения риска:

– в общей картине: устройство неразрезной системы из имеющихся и при необходимости дополнительных балок, усиление низа несущих и ненесущих стен, предотвращение растяжение кладки по перевязанному и неперевязанному сечению в уровне перекрытия первого этажа. Запрещено создание жёсткого примыкания горизонтальных конструкций к вертикальным несущим элементам: данное решение может привести к прогрессирующему обрушению не только по высоте здания, но и в плане. 

– для корпуса «А» и «Б»: усиление ряда арок по оси «В», для стоек – увеличение сечения с равнопрочным по сечению и высоте стойки примыканием железобетонной рубашки, для верхней части арки – устройство стальных элементов по низу арочного очертания, для передачи растягивающих напряжений от арки, и устройство стального пояса по верху арки, для предотвращения разрушения верхней зоны по смежной опорной зоне от обрушения арки.В случае участков поперечных стен, необходимо создание из имеющихся балок неразрезной системы, усиление низа поперечных стен для предотвращения локальных разрушений при растяжении кладки, увеличение ширины стойки ряда арок и опорной части вышестоящих конструкций второго этажа по оси «Ж»

– для корпуса «В»: в первую очередь усиление бетонных колонн, посредством увеличения сечения с помощью железобетонной рубашки. В случае участков поперечных стен (основной случай данного корпуса), необходимо создание из имеющихся балок в продольном и поперечном направлении создание неразрезной системы. При этом стоит отметить, примыкание поперечных балок к продольным конструкциям должно быть шарнирным, для предотвращения осевых моментов в продольных горизонтальных несущих конструкциях). Для ряда сборных железобетонных арок в осях «В» и «Ж» необходимо увеличение сечения по ширине и сопутствующее увеличение опорной части верхстоящих несущих конструкций второго этажа посредством железобетонной рубашки или наращивания дополнительной стальной стойки с равнопрочным примыканием к стойке.

– для центральной части комплекса: усиление железобетонных кольцевых балок в уровне перекрытий первого и второго этажа и сопутствующее усиление железобетонных колонн первого и второго этажа центральной части. Также необходима инструментальная проверка (вскрытие) и подтверждение имеющейся арматуры в верхней грани балок и плит перекрытий в опорной зоне колонн.