Свервысокопрочный сталефибробетон (СВФБ) — это относительно новый вид композиционного материала на основе цемента, который, помимо сверхвысоких прочностных характеристик, обладает сверхнизкой проницаемостью и, соответственно, высокой долговечностью. Основной особенностью СВФБ, отличающего его от бетона обычной прочности или высокопрочного бетона, является однородная мелкодисперсная структура матрицы, которая предопределена повышенным содержанием вяжущего, под которым подразумеваются цемент и высокоактивные микронаполнители, отсутствием крупного заполнителя, и низким водо-вяжущим отношением (В/В), которое обеспечивается повышен- ным содержанием суперпластификатора [7]. Для улучшения прочностных характеристик на изгиб, растяжение при изгибе и осевое растяжение, мелкодисперсная высокопрочная матрица армируется стальными волокнами — фиброй, которая, способствует повышению прочности на растяжение и, соответственно, трещиностойкости [8]. Представленные преимущества СВФБ позволяют предположить целесообразность его применения в конструкциях, эксплуатируемых в агрессивных средах, с повышенными динамическими и изгибающими нагрузками.
Целью опытного применения СВФБ являлась оценка возможности замещения стальных упоров преднапряженных конструкций балок и стен резервуаров на бетонные. Информация о зарубежном опыте применения таких фибробетонов в транспортном строительстве это подтверждает [9].
Следует отметить, что технология получения СВФБ, предлагаемая НИИЖБ им А.А. Гвоздева, отличается от зарубежных аналогов особенностями используемых компонентов [6], что делает этот новый вид бетонов более экономичным. Впервые разработанный в НИИЖБ им. А.А. Гвоздева СВФБ использован для изготовления упоров преднапряженных конструкций пролетного строения – сборной железобетонной балки автодорожного путепровода на км 1002 автодороги М-4 «Дон» и стен резервуаров диаметром 50 м в г. Волжске, Республика Марий Эл.
Характеристики конструкций, условия их усиления и изготовления упоров приведены далее.
Свойства бетонной смеси и бетона
Состав СВФБ для производства упоров был определен по результатам ранних исследований [1, 6], которые позволили оценить влияние компонентов бетона на реологические свойства свежеприготовленной бетонной смеси (удобоукладываемость и сегрегационная устойчивость), а также на физико-механические свойства (прочность на сжатие, растяжение при изгибе, осевое растяжение, начальный и динамические модули упругости, деформативность и морозостойкость).
Для изготовления фибробетонных упоров на лабораторном оборудовании НИИЖБ им. А.А. Гвоздева и ООО «Предприятие Мастер Бетон» было изготовлено 0,5 м3 СВФБ из самоуплотняющейся фибробетонной смеси.
Изготовление фибробетонных упоров производилось в два этапа. На первом этапе было заформовано 12 упоров объемом 0,18 м3 для усиления сборной железобетонной балки автодорожного путепровода на км 1002 автодороги М-4 «Дон». На втором этапе было заформовано 20 упоров объемом 0,32 м3 для усиления двух резервуаров-отстойников диаметром 50 м в г. Волжске Республики Марий Эл. Общий вид фибробетонных упоров представлен на рис. 1.
Из фибробетонных смесей на каждом этапе было изготовлено 6 образцов-кубов размером 100×100×100 мм для определения прочности при сжатии в возрасте 3, 7 и 28 суток, 4 образца-призмы размером 70×70×280 мм для определения прочности на растяжение при изгибе в возрасте 7 и 28 суток, а также 4 образца-галтели с размером рабочего сечения 70×70 мм для определения прочности на осевое растяжение в возрасте 7 и 28 суток. Общий вид заформованных образцов представлен на рис. 2.
Определение пределов прочности проводилось в соответствии с ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Все образцы до испытаний хранили в камере нормального твердения с температурно-влажностным режимом (t = 20±2 °С, W = 98%) в соответствии с ГОСТ 10180.
Удобоукладываемость фибробетонных смесей, определенная по расплыву нормального конуса (РК) в соответствии с ГОСТ 10181-2014 «Смеси бетонные. Методы испытаний», находилась в диапазоне 670-730 мм, что позволяет отнести их к категории самоуплотняющихся.
Рис. 1. Общий вид фибробетонных упоров после распалубки
Рис. 2. Общий вид заформованных образцов
Средняя прочность на сжатие составила 152,3 МПа для упоров на первом этапе и 150,6 МПа для упоров на втором этапе работ. Средняя прочность на растяжение при изгибе составила 21,3 МПа для упоров на первом этапе и 20,6 МПа для упоров на втором этапе работ. Средняя прочность на осевое растяжение составила 8,46 МПа для упоров на первом этапе и 8,54 МПа для упоров на втором этапе работ.
Результаты определения прочностных параметров СВФБ представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1. Физико-механические характеристики СВФБ для фибробетонных упоров на первом этапе работ
Таблица 2. Физико-механические характеристики СВФБ для фибробетонных упоров на втором этапе работ
Реализованные проекты
Усиление балки путепровода
Первым реализованным примером использования в России СВФБ для несущих мостовых конструкций можно считать усиление сборной железобетонной балки автодорожного путепровода на км 1002 автодороги М-4 «Дон».
На автодорожном путепроводе автодороги М-4 «Дон» по проекту АО «ИТП» (ГИП Марченко М.С.) предстояло усилить 44 автодорожные балки длиной 18 м. Усиление выполняли с помощью внешнего предварительно-напряженного армирования, принципы которого и возможности для автодорожного и железнодорожного мостового строительства известны инженерной общественности [2].
Для анкеровки концов напрягаемой арматуры усиления в 43 балках было предусмотрено распространенное техническое решение, основанное на использовании стальных сварных упоров (фото установленных упоров приведено на рис. 3).
Рис. 3. Фото установленных стальных упоров
Как видно из рис. 3, стальной упор является сложным составным изделием, для производства которого необходимо выполнить трудоемкие операции механической обработки и сварки.
Для одной балки (была выбрана наименее нагруженная крайняя балка в сечении) проектом было предусмотрено опытно-экспериментальное применение упоров из СВФБ в количестве 4 шт. на балку. Форма упора была выбрана наиболее простой из возможных, для акцентирования внимания на отсутствие сложных технологических операций по изго- товлению. Крепление к балке предусмотрено с двух сторон на высокопрочных шпильках с контролируемым усилием натяжения, т. е. накладные упоры работают на сдвиг за счет сил трения между стенкой балки и гранями упора (рис. 4).
Рис. 4. Схема усиления мостовой балки длиной 18 м
Специалистами АО «ИТП» были выполнены расчеты упора из СВФБ в пространственной постановке с применением объемных конечных элементов. В связи с отсутствием национальных норм для материалов такого класса расчетные характеристики были взяты «в запас» как для бетона кубиковой прочностью на сжатие 140 МПа из швейцарских рекомендаций [3]. Принимая во внимание опытный характер мероприятия, работа упоров была ограниченна упругими деформациями.
По результатам расчета были обоснованы принятые геометрические характеристики упора, а также было принято решение об опирании обоймы анкера фирмы СТС непосредственно на упор, без опорной стальной плиты, что значительно снизило стоимость и сроки изготовления упора в дальнейшем.
Проведение натурных испытаний
Учитывая опытно-экспериментальный характер конструкции, было принято решение о проведении натурных испытаний упоров на сдвиг. Согласно разработанной программе планировалось испытать 8 упоров.
Натурные испытания были выполнены на специальном стенде в лаборатории АО «ИТП» совместно со специалистами ООО «СТС», НИИЖБ им. А.А. Гвоздева и ООО «Предприятие Мастер Бетон» (рис. 5).
Усилие натяжения высокопрочных шпилек было подобрано, исходя из коэффициента трения между бетоном балок и упором, равного 0,6. Усилия на домкратах были доведены до значения разрыва канатов, выдержаны в течении 30 мин, и далее канаты были доведены до разрыва. После этого упоры были обследованы и сделан вывод, что ни один из 8 упоров не получил смещений.
Таким образом, учитывая, что расчетные усилия на упоры по проекту составляют не более 56% от разрывного, надежность упоров по результатам испытаний обеспечена с коэффициентом «запаса» 1,78.
На основании успешных испытаний 4 дополнительно изготовленных упора из СВФБ со средней кубиковой прочностью на сжатие 152,3 МПа были установлены в 2018 г. на объекте и показывают надежную работу (рис. 6).
Достоинства накладных анкеров (упоров) из СВФБ – это, в первую очередь, простота и сроки изготовления, готовность материала к восприятию нагрузки уже на 3 сутки (набор более 70% прочности) и, как следствие, общее снижение стоимости работ по усилению балочных пролетных строений.
Рис. 5. Общий вид стенда натурных испытаний
Рис. 6. Упор из СВФБ на балке после натяжения
Усиление резервуаров-отстойников
Вторым примером использования накладных упоров из СВФБ стали два резервуара-отстойника диаметром 50 м в г. Волжске Республики Марий Эл, которые были усилены в 2019 г. внешним предварительным напряжением системой ООО «СТС» по проекту АО «ИТП» (ГИП Марченко М.С.). Для анкеровки пучков в районах технологических проходок были установлены накладные упоры из СВФБ средней прочностью на сжатие не менее 150 МПа в количестве 20 штук на два резервуара.
Схема расположения накладных упоров на стенах резервуара и общий вид приведены на рис. 7 и 8.
Таким образом, получен успешный опыт использования СВФБ отечественного производства со средней прочностью на сжатие 150 МПа и выше, что при характерных для высокопрочных бетонов значениях коэффициента вариации (не более 10%) соответствует классам В125 и выше.
Однако трех объектов явно недостаточно для убеждения специалистов отрасли в перспективе рассматриваемого материала.
К примеру, по состоянию на 2018 г. в международной практике строительства уже было известно о более чем 20 объектах с использованием СВФБ с прочностью на 140 МПа и выше [4].
В АО «ИТП» были продолжены работы по различным вариантам применения СВФБ, в частности, разработан проект (автор Марченко М.С.) на пролетное строение длиной 33 м из СВФБ со средней прочностью на сжатие 140 МПа, которое имеет хорошие экономические показатели по сравнению с имеющимися проектами автодорожных балок [5]. В частности, по сравнению с наиболее распространённым в настоящее время техническим решением автодорожных пролетных строений для пролетов 33 м расход СВФБ (а значит, и собственный вес) будет в 1,7 раза меньше расхода сборного и монолитного бетона, расход арматуры станет в пять раз меньше, а расход высокопрочных прядей получится в два раза меньше, что в итоге приведет к общему снижению стоимости пролетных строений не менее чем на 20% по пессимистическому прогнозу.
При этом в числе самых главных достоинств нового материала – необходимо отметить его по- вышенные водонепроницаемость и морозостойкость, которые составляют не менее W20 и F21000 соответственно, что несомненно снизит эксплуатационные затраты и повысит экономическую целесообразность пролетных строений из СВФБ. Если же совсем отказаться от гидроизоляции, защитного слоя и нижнего слоя асфальтобетонного покрытия, заменив перечисленные слои на слой СВФБ толщиной 25-40 мм, то экономия будет гораздо более значительной.
Рис. 7. Схема усиления резервуаров в районе технологического отверстия
Рис. 8. Накладные упоры для усиления резервуаров
Выводы
Перспективы применения СВФБ очевидны как при производстве простых изделий типа упоров, так и более сложных балочных конструкций.
Существует потребность в проведении дополнительных исследований и научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) для разработки нормативной документации, необходимой для проектирования конструкций и сооружений.
Также для запуска массового применения необходимо увеличивать количество опытных объектов с эксплуатацией в России.
Моделирование предварительно напряженных конструкций является одной из наиболее актуальных проблем для расчета зданий и сооружений. Данные конструкции отличаются натяжением арматуры в сжатой зоне бетона для улучшения трещиностойкости и сокращения деформаций.
Важный аспект расчета конструкций с предварительно напряженной арматурой — расчет потерь напряжения. Потери, возникающие от ползучести и усадки бетона, могут оказать значительное влияние на величину обжатия и, следовательно, жесткость конструкции в целом [1]. Проводились экспериментальные исследования по вычислению потерь, которые показали занижение значений, вычисляемых аналитически [2].
Существуют различные способы создания преднапряжения — с натяжением на упоры и на бетон, с трением в каналах и без него [3]. Технологии натяжения арматуры постоянно развиваются, что сопровождается многочисленными экспериментальными исследования [4]. Так, работа Н.Д. Рябенко посвящена анализу передачи усилий обжатия бетону и изучению свойств сцепления арматуры [5]. Созданная им установка позволила определить изменение деформаций арматуры в зависимости от длины заделки.
В условиях увеличивающихся объемов возведения сооружений с предварительным напряжением важно иметь и соответствующие средства проектирования. Классические для расчета зданий и сооружений программные комплексы — SCAD и Lira [6]. Согласно принятым методам расчета моделирование предварительно напряженных конструкций сопровождается большим количеством ручных расчетов. Влияние от преднапряжения прикладывается к элементам обычными продольными и распределенными нагрузками. Методика расчета этих эквивалентных нагрузок представлена в работе Д.В. Портаева [7].
Учитывая вышеизложенное, можно отметить, что для моделирования и расчета предварительно напряженных конструкций необходимо применение новых актуальных методов.
Проектирование зданий и сооружений помимо расчета на обычные постоянные, длительные и кратковременные нагрузки зачастую требует учета особых воздействий. В зависимости от назначения здания и возможных последствий частичного или полного его разрушения определяют уровень ответственности здания. Объекты повышенной ответственности, оказывающие значительное влияние на экологические, социальные и экономические аспекты, предполагают защиту от экстремальных воздействий с достаточно низкой вероятностью возникновения.
Экстремальные нагрузки могут быть разделены по природе возникновения на техногенные и естественные. Последние связаны с многообразным влиянием окружающей среды, зависят от региона строительства и его сейсмической активности, экстремальных температур, пожарной опасности прилегающих залесенных территорий, особенностей ближайших акваторий, климатических и ураганных явлений.
Техногенные экстремальные нагрузки подразделяют на внутренние и внешние. Первые возникают соответственно внутри предприятий при неправильной эксплуатации, разрушении оборудования и возникновении аварийных ситуаций. Внешние техногенные факторы — воздействия, возникающие в результате действия человека, такие как распространение опасных выбросов, взрывы и падения летательных аппаратов. Падение самолета представляет собой ударную нагрузку и оказывает на конструкцию наиболее значительное влияние, вызывая большие усилия и деформации [8–9].
Большое число работ посвящено расчету сооружений на динамические воздействия [10] и, в частности, на сейсмические. Описаны и обсуждены расчеты согласно современным нормативным документам [11]. Проведены аналитические расчеты в расчетном комплексе Lira [12, 13]. Однако расчет нестационарных воздействий, случайно изменяющихся во времени, не заложен в классические расчетные комплексы [14]. К такому типу нагрузок относится и ударная нагрузка от падения самолета. Описать ее можно только путем задания дискретной функции с вводом значений нагрузки для каждого интервала времени [15]. Проводились исследования и предложены аналитические методы расчета задач с нелинейной нагрузкой, установлены зависимости точности расчетов от интервалов интегрирования [16]. Способы моделирования таких воздействий в расчетных комплексах представлены не были. При выборе подходящего инструмента важно учесть интеграцию в нормативные базы, доступность потенциальным пользователям, а также совместимость с технологиями информационного моделирования (BIM).
С самого начала проектирования существовала проблема большого количества ошибок и неточностей в рабочих чертежах строительных проектов. Весомая причина таких недочетов — человеческий фактор. Сложность координации работы команды над практически независимыми разделами и невнимательность проектировщиков ведут к дорогостоящим нестыковкам и коллизиям в проектах. Возможностью решения такой проблемы начали заниматься еще в 1970-х годах в Америке. Ученый Чарльз Истман предложил внедрение способа описания проекта в виде информационного хранилища данных, относящихся к проектированию, так называемую систему описания строительства BDS (Building Description System). Такая система положила начало стремительно развивающемуся на сегодняшний день информационному моделированию BIM [17].
Дальнейшее развитие информационного внедрения получило отклик на государственном уровне [18], а именно произошло образование Совета по строительной информации FIC (Facility Information Council), который с 2008 г. преобразовался в Национальный комитет Соединенных Штатов Америки по BIM стандартизации NBIMS-US PC (National BIM Standard-United States Project Committee).
В Российской Федерации заявления о BIM на уровне Правительства сделаны в 2017 г. Были введены первые своды правил по информационному моделированию, и ожидается появление национальных стандартов для каждого этапа жизненного цикла (ЖЦ) проекта. В 2018 г. Президент РФ В. Путин дал поручение Правительству создать условия для перехода всей строительной отрасли на цифровые технологии. В течение пяти лет ожидается рост доли объектов с применением BIM до 80 % от общего объема строительства, а для государственных структур использование информационных моделей станет обязательным [19, 20].
Идея такой BIM-стандартизации заключается в том, чтобы получить полное отображение всех характеристик проекта в информационном виде с возможностью их отслеживания в любой момент времени.
На всех фазах строительства — большое количество участников и у каждого из них свои интересы. Проявляются такие тенденции, как технологическое усложнение объектов, увеличение количества систем для реализации в рамках объекта и сокращение сроков строительства. Все это приводит к росту параллельных процессов, повышению стоимости ошибки и усложнению управления такими проектами. Возникает понимание, что традиционный подход последовательной реализации уже не срабатывает, и проектами необходимо управлять иначе [21]. Вместе с развитием IT возникла идея создания единого информационного пространства, объединяющего участников строительного процесса, которые смогут закладывать свои интересы и требования в проект. В рамках проекта будет формироваться информационная модель объекта, представляющая управляемую среду, к которой привязаны все необходимые данные. Для реализации BIM в полной мере должно быть две составляющие — софт и методология, задающая правила для взаимодействия участников. Идея заключается в том, что все участники объединены в рамках одной информационной модели, и эта модель меняется по мере реализации ЖЦ [22]. Это позволяет на ранней стадии оценить экономическую привлекательность объекта, стандартизировать процесс проектирования и сформировать библиотеки элементов для создания объемной модели. Инженерно-технические работники в свою очередь могут использовать эту модель для подсчета объемов работ при возведении объекта и эксплуатации.
С самого начала BIM-моделирование стремилось упростить весь процесс проектирования, сделать проект более полным, охватывая все его разделы и области. Сегодня уже существуют понятия 3D, 4D и 5D моделирования. Они отличаются полнотой охватываемой информации о проекте. Так, первое представляет собой модель с геометрическими характеристиками, соответствующими проекту. Второе отличается от первого тем, что помимо трех взаимно перпендикулярных направлений плоскостей добавлена еще функция времени, которая привязывается к срокам строительства и позволяет увидеть весь ЖЦ проекта с детализацией требуемых этапов. Последнее, самое передовое моделирование учитывает организацию строительного процесса, к модели подключается смета и календарный план. Современное BIM-моделирование продолжает совершенствоваться, добавив к проекту расчеты инсоляции, анимации, текстуры и характеристики материалов, а также подбор строительных машин.
Упомянутым критериям выбора расчетного комплекса в полной мере соответствует ПК SOFiSTiK. Его отличает двусторонняя связь с BIMсредой, широкая нормативная база и гибкий функционал. Последнее достигается благодаря открытому языку программирования CADINP. Используя текстовый ввод, можно решать практически любые пользовательские задачи, не ограничиваясь графическим интерфейсом.
Подытоживая вышесказанное, тема расчета конструкций на нестационарные нагрузки достаточно освещена, однако остается открытым вопрос автоматизации расчета на ударную нагрузку. Подходящим инструментом для решения задач может выступать программный комплекс ПК SOFiSTiK.
Таким образом, целью данной работы является разработка методики расчета предварительно напряженных конструкций на ударную нагрузку в ПК SOFiSTiK.
Из поставленной цели вытекают задачи:
Описание методики моделирования преднапряженных конструкций в ПК SOFiSTiK.
Описание методики задания динамической ударной нагрузки в ПК SOFiSTiK.
Создание расчетной модели реального сооружения.
Анализ результатов расчета.
Методика
Описание расчетной схемы рассматриваемого сооружения
Для наглядного описания методики моделирования предварительного напряжения и расчета на ударную нагрузку рассмотрим железобетонное покрытие здания особого функционального назначения.
Конструктивная схема состоит из железобетонного покрытия и стен нижележащего этажа (рис. 1). Толщина покрытия составляет 400 мм. Балки покрытия имеют шаг 1800 мм, сечение 500 х 1100 мм. Общая длина сооружения — 66 600 мм, ширина — 27 400 мм.
К одной стороне покрытия приложены вес вентиляционной трубы и поддерживающего каркаса. Балки с этой стороны выполнены с применением предварительного напряжения. Граничные условия приняты в виде жесткой заделки стен.
Ударная нагрузка от падения самолета приложена к наиболее нагруженной стороне. Изменение величины нагрузки принято по графику для марки самолета Learjet 23 (рис. 2).
Рис. 1. Общий вид расчетной модели
Рис. 2. Величина нагрузки Learjet 23
Моделирование предварительного напряжения в ПК SOFiSTiK
Для создания расчетной схемы в ПК SOFiSTiK существует несколько препроцессоров. Один из них — SOFiPLUS, работает на основе AutoCAD и позволяет создавать конструктивные элементы при помощи привычных инструментов среды.
Интерфейс SOFiLPUS — доступное средство для создания конструкций с предварительным напряжением. Для оптимизации процесса непосредственному созданию схемы предшествует формирование систем преднапряжения. Инструмент «Системы преднапряжения» состоит из нескольких вкладок:
Nominal force (номинальная сила)
Immediate Losses (немедленные потери)
Duct Geometry (геометрия канала)
Системы с заданным набором параметров будут присваиваться конструкциям, что ускорит процесс создания расчетной схемы.
Вкладка Nominal force (рис. 3) посвящена вводу основных параметров натяжения:
Prestressing steel — марка стали для изготовления канатов
Number of strands — число проволок. Напрягаемые элементы представляют собой канаты, состоящие в свою очередь из проволок
Strand area — площадь одной проволоки
Area per tendon — автоматически вычисляемое значение площади каната.
Далее представлен автоматический расчет допустимых напряжений:
k1 и k2 — коэффициенты допуска, зависящие от нормативных документов
ft, fy — соответственно предел прочности и предел текучести применяемой стали. Напряжения умножаются на соответствующие коэффициенты допуска.
Рис. 3. Основные параметры натяжения
Согласно методике расчета программа выбирает наименьшее из полученных напряжений и умножает на вычисленную ранее площадь каната. Таким образом вычисляется допустимое усилие в канате.
В поле Nominal force per tendon пользователем должно быть введено фактическое усилие натяжения каната, не превышающее расчетное допустимое.
Вкладка Immediate Losses посвящена вычислению моментальных потерь напряжения. Данный тип потерь возникает в конструкции еще до передачи напряжения на бетон. Величина потерь зависит от следующих регулируемых факторов (табл. 1).
Параметр
Назначение
Проскальзывание при посадке анкера
Величина проскальзывания каната при посадке анкера
Коэффициент трения
Коэффициент трения каната о стенки канала
Коэффициент отклонения
Коэффициент отклонения каната от оси канала
Вкладка Duct geometry посвящена описанию каналов для протяжки канатов. В зависимости от принятого типа канатов, следует выбирать каналы определенной геометрии. Редактированию подлежат следующие параметры (табл. 2).
Параметр
Назначение
Внешний диаметр канала
Внешний диаметр канала
Максимальное отклонение от оси канала
Характеризует максимально допустимое значение отклонения от оси канала
Минимальный радиус кривизны канала
Характеризует допустимое значение кривизны канала
Длина прямого участка
Длина прямого участка в опорных точках
После формирования систем предварительного напряжения следует приступить к описанию геометрии напрягаемого элемента. Для этой задачи в зависимости от типа конструкции, содержащей предварительно напряженные элементы, доступны следующие инструменты: Beam PT, Shell PT и Slab PT. Работая с балочными элементами, геометрию каната можно создать функцией Tendon (Draw) по нанесенным линиям AutoCAD.
В рассматриваемом проекте был применен альтернативный способ создания функцией PT Editor. Ее применение требует предварительного ввода опорных осей. Созданный канат повторяет геометрию оси в плане, но при этом доступны параметры для ввода отклонений по нескольким направлениям в контрольных точках. В зависимости от формы раскладки напрягаемой арматуры доступны два варианта: Spline Geometry, Polygonal Geometry. В первом варианте арматура будет иметь плавную раскладку, а соответственно во втором раскладка с такими же отклонениями будет представлена в виде прямых отрезков. Для балок покрытия была принята часто применяемая параболическая форма канатов (рис. 4).
Размещенным канатам помимо типа системы преднапряжения задаются их частные характеристики, которые можно разделить на несколько групп:
Construction Sequence — группа свойств, определяющих технологическую последовательность монтажа напрягаемого элемента, его натяжения и экструзии канала раствором.
Prestressing — группа свойств применяемой технологии натяжения, включая направление натяжения, число канатов в одном канале и описание процедуры анкеровки.
Также доступны дополнительные пользовательские настройки.
Сформированная с применением преднапряжения расчетная схема экспортируется в структурный рабочий стол SOFiSTiK (SSD) для дальнейшего приложения нагрузок, формирования комбинаций и вывода усилий.
Рис. 4. Форма раскладки канатов
Задание ударной нагрузки в ПК SOFiSTiK
Ударная нагрузка — нетипичное для программных комплексов воздействие, и при помощи пользовательского интерфейса расчет схем с таким типом воздействий невозможен. Для решения таких проблем ПК SOFiSTiK позволяет использовать внутренний язык программирования CADINP. Оболочка для ввода данных носит название TEDDY. Благодаря динамической справке нет необходимости запоминать всевозможные команды, достаточно лишь знать общую структуру ввода программного кода.
Как уже было сказано, ударная нагрузка относится к нестационарным воздействиям. Нестационарная нагрузка может быть задана функцией в дискретном виде. Для ввода нагрузок будет задействован модуль SOFiLOAD и его функции. Описание ударной нагрузки состоит из двух частей — приложения номинальной нагрузки и задания дискретных значений функции.
Первая часть осуществляется вызовом функции Quad. Ее запись включает место приложения нагрузки, направление и величину. Запись на рис. 5 обозначает приложение вектора нагрузки величиной 919 МН к группе элементов 100. Данная группа пластин покрытия была выбрана предварительно как место удара самолета.
Рис. 5.
Рис. 6.
Рис. 7.
Чтобы превратить статическую введенную нагрузку в нестационарную, применим команду FUNC. К вводу доступны параметр времени T и коэффициент включения нагрузки F (рис. 6). Описанию подлежат 11 временных интервалов от момента удара самолета до 0.1 с. В табличной форме каждому интервалу в соответствие ставится коэффициент силы.
Для решения задачи с дискретно заданной нагрузкой необходимо выполнить настройку процесса интегрирования функции. Подобные вычисления и динамический анализ выполняются за счет модуля DYNA (рис. 7). Для решения нашей задачи было принято интегрирование по методу Ньюмарка. Запись функции STEP означает разбиение области интегрирования на 1000 участков длиной 0.0001 с и вывода значений функции на каждом 100-м участке.
Стадии возведения сооружения и расчетные сочетания нагрузок
После создания расчетной схемы и описания нагрузок важным этапом описания задачи является описание стадий возведения сооружения. Данный аспект — особенно актуальный в силу применения систем с предварительным напряжением. Благодаря работе модуля CSM (Construction Stage Manager) возможно не только проанализировать напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкций на различных этапах возведения, но и рассчитать вторые потери предварительного напряжения. Причиной таких потерь становится усадка и ползучесть бетона, и учет их необходим. Аналитическое вычисление значений по нормативным документам производится с большим количеством допущений, что может привести к ошибкам при анализе работы конструкций.
Основные вкладки интерфейса CSM – это «Стадии», «Группы» и «Нагрузки». Вкладка «Стадии» описывает общие параметры этапов возведения, такие как длительность, тип воздействия, влажность и температура окружающей среды. В данной задаче созданы следующие стадии (табл. 3).
Стадия
Назначение
Собственный вес
Активация собственного веса
Предварительное натяжение
Натяжение канатов
Ползучесть 1
Ползучесть до стадии эксплуатации
Кровля
Активация длительных нагрузок на кровлю
Ползучесть 2
Ползучесть на стадии эксплуатации
Натяжение канатов согласно технологии постнатяжения производится после твердения бетона и соответственно после активации стадии собственного веса.
Активация длительных нагрузок на кровлю выделена в отдельную стадию. Это сделано для корректного разделения ползучести на этапы до и после ввода в эксплуатацию.
Вкладка «Группы» позволяет замоделировать процесс возведения конструкции. Но для решения данной задачи принята единовременная активация всех конструктивных элементов.
Вкладка «Нагрузки» описывает появление тех или иных воздействий в расчетной схеме, а также период их существования. Помимо особой нагрузки от удара самолета к покрытию приложены следующие длительные воздействия (табл. 4). Помимо указанных параметров возможна корректировка величины воздействия при помощи коэффициента включения.
Воздействие
Стадия ввода нагрузки
Время действия
Вес кровли
Кровля
Неограниченное
Вес металлического каркаса на кровле
Кровля
Неограниченное
Вес дымовой трубы
Кровля
Неограниченное
Для выполнения расчета из заданных загружений необходимо сформировать расчетные сочетания нагрузок. Соответствующий инструмент называется Combination rules (рис. 8). Для анализа НДС рассматриваемого сооружения были сформированы сочетания для проверки по двум предельным состояниям. Следующий необходимый этап перед расчетом — формирование суперпозиций. В инструменте Superposition Commands выбору подлежат типы конструктивных элементов и виды внутренних усилий для расчета (рис. 9).
Рис. 8. Расчетные сочетания нагрузок
Рис. 9. Суперпозиции загружений
Результаты и обсуждение
Для графического вывода данных расчета применяется программный модуль WinGRAF. Графический модуль дает возможность представить усилия в элементах и перемещения узлов в наглядном виде. Возникающие внутренние моменты для наглядного отображения возможно представить в виде изополей и других альтернативных видах. Для анализа НДС конструкции выведены изополя внутренних моментов покрытия (рис. 10, 11) и перемещения узлов (рис. 12).
Рис. 10. Изополя внутренних моментов Му
Рис. 11. Изополя внутренних моментов Мх
Рис. 12. Изополя перемещений узлов покрытия
Полученные эпюры внутренних усилий могут быть использованы для конструирования армирования покрытий особого назначения. На основе изополей перемещений был получен график зависимости развития деформаций от ударной нагрузки. На график нанесены максимальные значения перемещений для каждого из 11 интервалов приложения нагрузки (рис. 13). Полученные данные соответствуют ожиданиям и в целом не противоречат инженерной логике. Значения перемещений узлов по краям зоны удара развивались одинаково, а максимальное значение смещения по вертикали для центральных узлов составило 36,4 мм. Согласно СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» предельное допустимое значение прогиба перекрытия пролетом более 24 м вычисляется по формуле: l/250, где l — длина пролета. Для рассматриваемого сооружения l = = 27 400 мм, а допустимый прогиб соответственно 27 400/250 = 109,6 мм. Таким образом, расчетное значение прогиба покрытия не превышает нормативно допустимых.
Для общего понимания принципа работы конструкции модуль Animator позволяет увидеть анимированную объемную модель (рис. 14).
Рис. 13. График развития деформаций покрытия
Рис. 14. Визуализация деформирования конструкции
Рис. 15. Эпюра изгибающих моментов от воздействия предварительного напряжения
В ходе расчета предварительно напряженных балок перекрытия были вычислены усилия от натяжения канатов. В расчет усилий также входит расчет потерь напряжения, произведенный автоматически и в соответствии с нормативными документами. На рис. 15 представлена эпюра моментов в балке покрытия от независимого воздействия предварительного напряжения.
Заключение
На примере железобетонного ребристого преднапряженного покрытия пошагово описано моделирование и расчет на ударное воздействие в ПК SOFiSTiK.
Время, затраченное на ввод систем предварительного напряжения, составило не более часа, а непосредственное создание конструкций происходило с высокой степенью автоматизации. Потери напряжения были вычислены автоматически и в соответствии с СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции». Стандартные методы моделирования таких конструкций требуют ручных расчетов потерь напряжения для каждого отдельно взятого элемента, выполняются со значительными допущениями и высокой трудоемкостью. Расчет в ПК SOFiSTiK позволяет оценить НДС конструкции в любой момент времени, а также учесть стадийность возведения сооружения с учетом технологических особенностей монтажа конструкций с преднапряженной арматурой.
Для решения задачи по расчету на динамическое ударное воздействие был задействован язык программирования CADINP. Открытая и доступная пользователю структура кода демонстрирует гибкость программного комплекса для решения нестандартных инженерных задач. Из-за невозможности описания воздействия удара самолета конкретной функцией, расчет в классических программных комплексах не представляется возможным без значительных упрощений. В данном расчете результирующий код на CADINP занял не более 26 строчек кода, половина из которых являются стандартными и не требуют изменений. В результате проведен временной анализ ударной нагрузки, а также сформирована суперпозиция результатов для дальнейшего анализа, подбора армирования и локальных проверок.
По результатам расчета был составлен график развития деформаций покрытия от удара самолета. Полученные данные будут использованы для проектирования сооружений особого назначения. Описанные способы расчета конструкций могут применяться при разработке оболочек атомных электростанций и других сооружений повышенной ответственности.
Принимая во внимание все указанное выше, можно характеризовать методику моделирования и расчета предварительно напряженных конструкций на ударное воздействие в ПК SOFiSTiK как высокоэффективную, не трудоемкую и дающую точные результаты.
Об авторах
Владимир Владимирович Лалин — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Высшей школы промышленно-гражданского и дорожного строительства; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ); 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29; РИНЦ ID: 536375, Scopus: 56091980300; vllalin@yandex.ru
Ольга Николаевна Перцева — специалист отдела САПР; ПСС ГРАЙТЕК; 191040, г. Санкт-Петербург, Лиговский пр., д. 56-г; SPIN-code: 3534-3621, ORCID: 0000-0003-3185-2970; olya_perceva@mail.ru
Владимир Рафаильевич Камалтдинов — специалист по расчетам строительных конструкций; Институт технологий преднапряжения (ИТП); 117545, г. Москва, ул. Подольских курсантов, вл. 22, стр. 5; olya_perceva@mail.ru
Глеб Вадимович Мартынов — студент; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ); 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29; SPIN-code: 5046-0475, ORCID: 0000-0002-2179-8811; martynovgleb@rambler.ru
Дарья Евгеньевна Монастырева — студентка; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ); 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29; SPIN-код: 3376-6249; 02dm12@rambler.ru
Роман Сергеевич Тихонов — студент; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ); 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29; SPIN-код: 5030-1678, ORCID: 0000-0002-9247-6537; tikhonovrs96@mail.ru
