«Разработка специальных технических условий …, расчетные исследования несущих конструкций объекта: „Лечебно-диагностический корпус … в г. Краснодаре“ при особом сочетании нагрузок и воздействий (включая максимальное расчетное землетрясение)»
Заключение
По результатам выполненной НИР «Определение расчетных и пиковых ветровых нагрузок на конструкции проектируемого здания ж/д вокзала в г. Адлере на основе численного моделирования трехмерных задач аэродинамики» можно сформулировать следующие выводы и рекомендации:
Для ряда зданий и сооружений, схожих по сложности с рассматриваемым, выполнено сравнение результатов трехмерных расчетов по разработанной CFD-методике с данными испытаний в аэродинамических трубах и натурными замерами – фиксируется практически приемлемый уровень соответствия.
На основе анализа и обобщения исходных данных разработаны и верифицированы расчетные трехмерные численные модели ветровой аэродинамики проектируемого ж/д вокзала с учетом рельефа местности и в существующей окружающей застройке.
С использованием современных численных методов гидрогазодинамики, реализованных в программном комплексе ANSYS CFX, на верифицированных трехмерных моделях проведены нестационарные расчеты при 24-х направлениях ветра (через 15°), представленные в файлах CSV:
– средних и пульсационных составляющих ветровых нагрузок на несущие конструкции;
– минимальных и максимальных ветровых давлений на фасадные конструкции.
Средняя составляющая расчетных ветровых нагрузок варьируется от -2,6 кПа (разрежение на узкой полосе вдоль кромок) до 0,84 кПа. Максимальная пульсационная составляющая расчетной ветровой нагрузки достигает 0,9 кПа. Для конкретизации расчетных средних и пульсационных ветровых нагрузок на несущие конструкции при различных направлениях ветра необходимо воспользоваться развернутыми результатами расчетов, представленными в файлах CSV.
Определены расчетные «огибающие» максимальных и минимальных ветровых давлений (с учетом всех направлений ветра) на фасадные конструкции. Наименьшая отрицательная ветровая нагрузка на фасад вокзала составила -3.4 кПа и была отмечена на консоли покрытия. Для большей части фасадных конструкций наименьшие отрицательные ветровые давления превышают -1.5 кПа. Наибольшая расчетная положительная ветровая нагрузка на фасад составила 1.4 кПа на обращенной к морю части. Для большей части фасадных конструкций положительные ветровые давления не превышают 1 кПа.
При определении пиковых значений ветровых давлений принято, что конструктивные элементы ограждения и узлы их крепления к зданию являются достаточно жесткими и в них не возникает заметных дополнительных (аэроупругих, резонансных) динамических усилий и перемещений. В противном случае, значение этих нагрузок необходимо уточнить на основе результатов динамического расчета системы «элементы ограждения – их несущие конструкции – элементы их крепления».
Разработанные параметризованные модели и полученные результаты численного моделирования ветровой аэродинамики рекомендуется использовать при формировании и осуществлении системы мониторинга.
Разработанные модели и полученные нагрузки могут быть в дальнейшем использованы для проверочных расчетов прочности несущих и фасадных конструкций, для оценки максимальных ускорений на уровне верхних этажей, а также (после получения уточненных данных о близлежащей застройке и зеленых насаждениях) для оценки скоростей ветра в пешеходных зонах вокруг здания.
В расчетных исследованиях рассматривалась существующая на данный момент архитектурная ситуация. В случае строительства в окрестности объекта многоэтажных зданий результаты расчетов могут потребовать коррекции.
Заключение
В соответствии с техническим заданием [38] по договору в ходе третьего этапа НИР решены следующие основные задачи и получены значимые результаты:
а). Выполнен анализ и обобщены данные изыскательской и проектной документации по объекту исследований.
б). Разработаны и верифицированы пространственные оболочечно-стержневые конечноэлементные модели системы «винклеровское основание – несущие конструкции» зданий ЛДК: блок «А» (АЦК1, АЦК2, АЛК1, АЛК2, АПК1, АПК2), блок «Б» (БК1, БК2). Определение характеристик упругого основания производился с учётом взаимовлияния корпусов и «худших» физико-механических характеристик основания, используя 3D-модель грунтового массива, построенного по данным инженерно-геологических изысканий [37]. На основании полученных значений производился пересчёт «статического» основания в «динамическое» с сохранением качественной картины распределения коэффициентов постели.
в). Для всех корпусов проведены расчётные исследования на основное сочетание нагрузок. Получены варианты напряжённо-деформированного состояния с последующим их анализом.
Произведён анализ внутренних усилий и перемещений в КЭ расчётных моделей зданий ЛДК, на основании которого принимались решения по последующему анализу на динамические воздействия и выдвигались гипотезы о возможных процессах, связанных с физической или геометрической нелинейностью.
г). По результатам полученных НДС от основного сочетания нагрузок произведён подбор минимального требуемого рабочего армирования (класса А500С [9]) по первому предельному состоянию для фундаментных плит, вертикальных несущих конструкций (колонн и стен) и плит перекрытий (плиты перекрытия цокольного этажа, плиты перекрытия типового этажа):
– по фундаментным плитам: принять минимальное основное армирование стержнями Ø20 шагом 200 по верхней и нижней грани плиты, по цифровым и буквенным осям. В нижней грани плиты, под колоннами, принять минимальное дополнительное армирование в виде стержней Ø32 шагом 200. В верхней грани плиты, между колоннами, принять минимальное дополнительное армирование в виде стержней Ø16 шагом 200.
– по несущим стенам: принять минимальное основное армирование по вертикали и горизонтали в цокольном и первом этаже стержнями Ø16 шагом 200 по внешней и внутренней грани, с дополнительной арматурой в торцах стены Ø32 по два стержня на грань в местах отсутствия примыкания к колоннам (например, торец стены у шва по осям «4» и «10» корпуса АЦК1).
– по несущим колоннам (для блока «А»): принять минимальное основное армирование колонн цокольного и первого этажа сечением 600х600 и 500х500 в виде 8 стержней Ø25.
– по несущим колоннам (для блока «Б»): принять минимальное основное армирование колонн сечением 500х500 цокольного и первого этажа не входящие в состав несущих стен в виде 12 стержней Ø32. Для аналогичных колонн входящих в состав стен принять минимальное армирование в виде 8 стержней Ø25.
Стоит отметить, что принятые решения по сечению колонн в уровне цокольного этажа блока «А» и блока «Б» неравноправны: максимальная грузовая площадь для колонны блока «А» составляет 39.75 м2 (колонна сечением 600х600), максимальная грузовая площадь для колонны блока «Б» составляет 51.84 м2 (колонна сечением 500х500). Из этого следует большой разброс армирования для корпусов. Рекомендуется принять сечение колонн корпуса БК1 по осям «Б», «В» и «Д» (центральные колонны) равным 600х600 мм.
– по плитам перекрытиям: принять минимальное основное армирование стержнями Ø16 шагом 200 по верхней и нижней грани плиты, по цифровым и буквенным осям. В приопорной зоне колонн, дополнительное армирование по верхней грани принимается Ø20 шагом 200. В пролётах, дополнительное армирование стержнями Ø10 шагом 200. Данное армирование принималось без учёта требований СТО 36554501-006-2006 «Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций». Для плиты перекрытия цокольного этажа расчёт производился исходя из гипотезы о жёстком примыкании плиты к стенам цокольного этажа. При возможном образовании пластического шарнира требуемая площадь арматуры в крайних пролётах увеличиться в среднем на 20%. При такой постановке рекомендуется в нижней грани плиты в крайних пролётах использовать дополнительное армирование Ø16 шагом 200.
д). Проведены расчётные исследования для 4-х корпусов на особое сочетание нагрузок, включающее сейсмическое воздействие уровня МРЗ (динамический расчёт на трехкомпонентную акселерограмму, полученную по результатам СМР). Выполнен статистический анализ динамических внутренних усилий по времени, с определением числа проявления отклонений максимальных значений усилий в 5% и 10% диапазоне.
е). Выявлены процессы с существенной физической нелинейностью, в фундаментной плите корпуса АЦК1 в местах устройства шва надфундаментных конструкций. Также была выявлена возможность удара малоэтажной (с низкой жёсткостью) пристройки АЦК1 и центральной части каркаса.
Выявленные и согласно СТУ недопустимые процессы устранены внесением конструктивных изменений, согласованных с Заказчиком: устройством стены в уровне цокольного этажа корпуса АЦК1 как неразрезной, что исключает трудноразрешимые концентраторы напряжений и повышает жёсткость малоэтажных пристроек. Результаты полученные при перерасчёте указывают на отсутствие процессов связанных с физической нелинейностью, что удовлетворяет требованиям СТУ.
ж). Армирования, принятого для основного сочетания нагрузок, достаточно для обеспечения надёжности несущих конструкций по первому предельному состоянию при сейсмическом воздействии уровня «максимальное расчётное землетрясение». Результаты эквивалентности требуемого армирования можно объяснить следующим образом: при расчёте на сейсмическое воздействие уровня МРЗ результирующий коэффициент по нагрузке уменьшается в 1,3 – 1,4 раза (отсутствие коэффициентов надёжности по нагрузке больше 1, понижающие коэффициенты сочетания, перевод кратковременной части эксплуатационной нагрузки в длительную). При этом инерционные силы компенсируют уменьшение внутренних усилий.
з). Рассматривая деформированную картину корпусов в целом, можно говорить об отсутствии соударений несущих конструкций корпусов и их пристроек, а также о малых перемещениях, не требующих учёта геометрической нелинейности.
