Электронная отчётность / 13.09.2020

Фундаменты на свайном основании. Проектирование и расчет. Расчет и экспертиза здания цехаконструктивные решения Расчет фундамента в scad пример

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Инженерно-строительный факультет

Кафедра технологии, организации и экономики строительства

Проектирование жилого здания из монолитного железобетона в режиме совместной работы Allplan - SCAD

Методические указания по курсовому проектированию

Рабочая версия от 10.03.2006 02:57

все замечания и предложения принимаются на [email protected]

Санкт-Петербург

Введение............................................................................................... 5

1. Начальное формирование модели объекта в Allplan.... 6

1.1. Особенности монолитных зданий.................................................................. 6

1.2. 3D модель объекта в Allplan............................................................................ 6

1.2.1. Построение параметрической модели в Allplan......................................... 6

1.2.2. Возможность экпорта из AutoCAD.............................................................. 6

1.2.3. Особенности построения модели в Allplan для последующего расчета 7

2. Экспорт модели из Allplan в ФОРУМ.................................... 8

2.1. Экспорт модели из Allplan................................................................................ 8

2.2. Контроль модели в ФОРУМе........................................................................... 9

2.3. Контроль модели в SCADе............................................................................. 10

2.4. Подготовка модели к расчету........................................................................ 10

2.4.1. Выравнивание осей для вывода напряжений.......................................... 10

2.4.2. Назначение связей в узлах........................................................................ 10

2.4.3. Пробный расчет.......................................................................................... 10

3. Задание воздействий и нагрузок........................................ 11

3.1. Виды воздействий и нагрузок....................................................................... 11

3.2. Постоянные нагрузки....................................................................................... 11

3.2.1. Собственный вес несущих конструктивных элементов........................ 12

3.2.2. Нагрузка от ограждающих стен................................................................. 12

3.2.3. Нагрузка от межкомнатных перегородок и от поверхностных (площадных) материалов и элементов строительных конструкций.................................................... 12

3.2.4. Давление грунтов обратной засыпки........................................................ 12

3.3. Длительные нагрузки...................................................................................... 12

3.3.1. Нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия.............. 12

3.3.2. Снеговые нагрузки...................................................................................... 12

3.4. Кратковременные нагрузки............................................................................ 13

3.5. Особые нагрузки............................................................................................... 13

3.6. Сочетания нагрузок.......................................................................................... 13

4. Нагрузки, загружения, их сочетания (комбинации) в SCAD 14

4.1.1. Нагрузки и загружения, их комбинации и сочетания в SCAD............... 14

4.1.2. Ввод нагрузок и загружений...................................................................... 14

4.1.3. Расчетные сочетания усилий, расчетные сочетания нагрузок............. 14

5. Конструирование и расчет фундаментов........................ 15

5.1.1. Конструирование фундамента.................................................................. 15

5.1.2. Несущая способность висячих свай........................................................ 16

5.1.3. Продольная жесткость свай...................................................................... 16

6. Расчет несущего каркаса здания и его элементов в SCAD на прочность и устойчивость.................................................................... 18

6.1. Перемещения..................................................................................................... 18

6.1.1. Правило знаков для перемещений........................................................... 18

6.1.2. Анализ перемещений.................................................................................. 18

6.2. Проверка общей устойчивости здания....................................................... 18

6.3. Усилия и напряжения....................................................................................... 18

6.3.1. Правило знаков для усилий (напряжений)............................................... 18

6.3.2. Анализ усилий и напряжений..................................................................... 19

7. Экспорт результатов подбора арматуры в плите в Allplan и последующее армирование................................................................. 20

8. Список использованных источников............................... 21

8.1. Нормативные материалы............................................................................... 21

8.2. Литература.......................................................................................................... 21

Методическое указание предназначено для студентов строительных специальностей вузов, а также для слушателей курсов повышения квалификации по направлению «Строительство».

В методическом указании проектирование многоэтажного монолитного здания поясняется на примере здания гражданского назначения, возводимого в Санкт-Петербурге, с фундаментом на свайном основании из забивных или буронабивных висячих свай и плитного ростверка.

Проект выполняется в соответствии с архитектурным заданием на проектирование, техническими условиями на проектирование конструкций и действующими СНиП.

В процессе проектирования разрабатывается объемно-планировочное и конструктивное решение многоэтажного здания, выбирается расчетная схема и метод расчета и выполняются расчеты армирования элементов монолитного сооружения, формируются рабочая документация (на часть элементов здания), выполняются сметные расчеты, разрабатывается календарный план, составляется пояснительная записка.

В составе чертежей приводятся планы основных неповторяющихся этажей, схема разреза, схемы фасадов, арматурные чертежи.

В настоящее время при застройке применяются различные конструктивные схемы зданий. Из них все чаще применяются монолитные здания.

Пространственная устойчивость здания обеспечивается жесткостью каркаса здания, состоящего из системы несущих элементов здания: продольных и поперечных стен, монолитных железобетонных перекрытий, работающих как жесткие диски.

Для многоэтажных жилых зданий перекрытия и несущие стены имеют малые толщины (от 130 мм). Перекрытия имеют сложную конфигурацию в плане, обусловленную наличием большого количества нерегулярно расположенных балконов, эркеров, лоджий, проемов; В пределах помещений перекрытия обычно безбалочные и бескапительные.

Ограждающие ненесущие стены обычно поэтажно опираются на край перекрытия.

Вертикальные несущие стены внутри квартир или внутри помещений гражданского назначения для обеспечения свободной планировки заменяются на колонны, пилоны либо выполняются с широкими проемами. Над широкими проемами в несущей стене выполняются скрытые балки и перемычки в виде усиления армирования.

Фундамент в большинстве случаев свайный с плитным ростверком, либо плитно-свайный.

Расчет монолитного здания сводится к анализу совместной работы всех несущих элементов: и фундамента с грунтовым основанием.

1.2.1. Построение параметрической модели в Allplan

Проектирование начинается с построения 3D модели в программе строительного проектирования Allplan (http://www.nemetschek.ru/products/allplan.html).

Модель в Allplan должна содержать данные о материале каждого конструктивного элемента здания (что определяет их жесткостные, теплотехнические, стоимостные и прочие характеристики, используемые в дальнейшем при проектировании). Эти данные вносятся изначально на этапе создания модели, либо после импорта планов из AutoCAD.

В курсовом проекте в качестве первого приближения рекомендуется задать:

В качестве материала для перекрытий и несущих стен бетон с классом по прочности В25;

Арматуру класса АIII,

Толщину несущих стен и перекрытий 160 мм.

Окончательный выбор толщин, классов бетона и арматуры определяется по результатам расчета.

Все графические материалы проекта (планы основных неповторяющихся этажей, чертежи или схемы разрезов, чертежи или схемы фасадов) строятся только по 3D модели объекта в Allplan. Это обеспечивает внутреннюю непротиворечивость материалов.

1.2.2. Возможность экпорта из AutoCAD

Если архитектурные решения заданы в виде 2D поэтажных планов в AutoCAD, то целесообразно импортировать их и построить («поднять») 3D модель на их основе. При этом в AutoCAD необходимо максимально упростить план объекта, оставив только те элементы (стены, перегородки), которые необходимо передать в Allplan для создания модели (как правило, достаточно отключить лишние слои), и пересохранить файл AutoCAD в формате.dxf. Импорт данных из AutoCAD в Allplan осуществляется в меню Файл/Импорт /Импорт/Импорт данных из AutoCAD .

1.2.3. Особенности построения модели в Allplan для последующего расчета

Модель объекта проектирования в Allplan, экспортируемую для расчетов в SCAD, следует строить с особой тщательностью. Особое внимание следует обращать на стыки стен и перекрытий между собой.

Для облегчения задачи в учебных проектах настоятельно рекомендуется использовать следующие приемы:

Работать с включенной сеткой, включенной привязкой к сетке (шаг сетки по координатам x и y рекомендуется задать по 300 мм);

Создавать координационные оси и несущие элементы только с привязкой к узлам сетки;

Создавать все несущие стены в режиме «утолщения по центру»;

Создавать перекрытия с привязкой к узлу сетки в месте пересечения стен,

а не с привязкой к углу стен;

Используя динамическую панель,

выбирать режим ограничения возможности построения только горизонтальными и вертикальными линиями;

Дуги окружности, непрямые линии в плане заменять отрезками прямых линий.

Эти приемы обеспечивает передачу модели из Allplan в SCAD с минимальными искажениями.

Для передачи модели из Allplan Junior в SCAD необходимо скачать (если этот файл отсутствует на установочном диске) и инсталлировать файл передачи test.exe. Из Allplan в SCAD (www.scadgroup.com) следует передавать архитектурную (не опалубочную) модель, и только несущие элементы. Модель передается в препроцессор ФОРУМ. Формирование модели выполняется по нажатию кнопки с изображением символа SCADа (стилизованной красной буквы S) на инструментальной панели.

Для использования функции экспорта в SCAD эту кнопку следует предварительно разместить на какой-либо панели инструментов Allplan. Для этого:

Запустите Allplan

Перейдите в меню "Вид" -> "Панели инструментов" -> "Настроить"

Перетащите символ "SCAD" на требуемую панель инструментов

Нажмите на кнопку "Закрыть".

После начала экспорта модели появляется диалоговое окно Сохранить как… , в котором задается имя файла с проектом с расширением opr. Затем появляется окно «Управления экспортом данныз в SCAD». В нем необходимо задать параметр привязки стен по их осям и задать автоматическое сведение стен и перекрытий. По данным окна «Результаты экспорта» рекомендуется проверить полноту передачи данных в SCAD. Желательно сверить количество переданных стен, перекрытий, колонн, балок с имеющимися в Allplan-модели.

В ФОРУМе необходимо проверить правильность формирования модели, по необходимости откорректировать ее. Контроль выполняется функцией Контроль модели на вкладке Управление, а также визуально.

При визуальном контроле следует проверить вертикальность и горизонтальность элементов и из граней, совпадение узлов модели ФОРУМа в местах сопряжения элементов. При несовпадении, отклонении узлов модели ФОРУМа производят «перенос узлов в заданном направлении» на вкладке Операции с узлами .

Далее приведен пример передачи в ФОРУМ стыка под прямым углом двух монолитных стен, накрытых монолитным перекрытием. В первом случае (слева) перекрытие создавалась, как мы рекомендуем, с привязкой к узлам сетки Allplan, во втором (справа) - с привязкой к наружному углу стен.

На правом рисунке видны последствия несоблюдения привязки перекрытия к узлам сетки Allplan. В ФОРУМе создается два узла модели ФОРУМа (вместо одного узла): узел стыка стен и узел угла перекрытия.

Затем на вкладке Схема производится генерация проекта SCAD (экспорт модели). На этом этапе задаются шаги разбиения модели на конечные элементы. Для учебного проекта рекомендуется начальный шаг разбиения 2 м, сгущение сеток под колоннами и минимальная площадь обрабатываемого элемента 0.2 м.

При генерации проекта SCAD, как видно на рисунках ниже, из модели ФОРУМ во втором случае создается «карнизик» из малых конечных элементов. Эти элементы искажают модель и могут явиться источником ошибок при расчетах в SCAD.

Подробное описание работы препроцессора ФОРУМ имеется в книге: SCAD Office. Вычислительный комплекс SCAD: Учебное пособие/ В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов, А.А.Маляренко, М.А.Микитаренко, А.В.Перельмутер, М.А.Перельмутер. - 592 стр.

В SCADе выполняется визуальный контроль модели, экспресс-контроль модели на вкладке Управление, удаление дублирующихся типов жесткостей (вкладка Назначение ), объединение совпадающих узлов и объединение совпадающих элементов (вкладка Узлы и Элементы ).

По необходимости производится выравнивание узлов по вертикали и по горизонтали.

2.4.1. Выравнивание осей для вывода напряжений

При первичном построении расчетной схемы каждый конечный элемент имеет свою собственную систему координат.

Необходимо задать оси вычисления напряжений элементов, отличные от местной системы координат элемента (на вкладке Назначения ). Это особенно важно, когда предполагается выполнять подбор арматуры.

2.4.2. Назначение связей в узлах

Граничные условия для модели задаются в форме назначение связей в узлах. Например, при предварительном расчете типового этажа с перекрытием предполагают его жесткое опирание на нижележащие конструкции. Это опирание моделируется запретом всех шести степеней свободы нижних узлов стен этажа. Иными словами, на узлы накладываются связи по x, y, z, Ux, Uy, и Uz.

2.4.3. Пробный расчет

С целью обнаружения ошибок модели рекомендуется сделать пробный расчет. Для этого необходимо задать какую-либо нагрузку. Проще всего задается нагрузка от собственного веса конструкций, которая в формируется автоматически. После этого проводится пробный линейный расчет и анализируется протокол расчета. При обнаружении ошибок их следует исправить, исправляя модель в Allplan.

При отсутствии ошибок следует переходить к заданию воздействий и нагрузок.

2.4.4. Проверки модели по мере ее построения

Построение модели обычно начинают с монолитных стен типового этажа. Стены типового этажа передаются в Форум, где контролируется отсутствие ошибок (несовпадение узлов и т.п.).

После построения перекрытия, накрывающего стены типового этажа, перекрытие и монолитные стены передают в Форум и далее в.

По результатам расчета в SCAD (предполагая его жесткое опирание на нижележащие конструкции) уточняют конфигурацию стен, обеспечивая разумные прогибы плиты перекрытия.

Затем выполняют проемы в плите для лестницы и лифтов. Качество выполнения проемов контролируют, передавая в Форум только перекрытие без стен.

СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» подробно описывает процесс задания нагрузок. Проиллюстрируем его на примере монолитного жилого здания, возводимого в Санкт-Петербурге.

Расчет начинается с задания нагрузок согласно СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» и ГОСТ 27751-88 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету».

Строительные конструкции и основания следует рассчитывать по методу предельных состояний. Предельные состояния подразделяются на две группы.

Первая группа включает предельные состояния, которые ведут к полной непригодности к эксплуатации конструкций, оснований (зданий или сооружений в целом) или к полной (частичной) потере несущей способности зданий и сооружений в целом;

Вторая группа включает предельные состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций (оснований) или уменьшающие долговечность зданий (сооружений) по сравнению с предусматриваемым сроком службы.

При проектировании следует учитывать нагрузки, возникающие при возведении и эксплуатации сооружений, а также при изготовлении, хранении и перевозке строительных конструкций.

Основными характеристиками нагрузок являются их нормативные значения. Нагрузка определенного вида характеризуется, как правило, одним нормативным значением.

Для нагрузок от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий, от мостовых и подвесных кранов, снеговых, температурных климатических воздействий устанавливаются два нормативных значения: полное и пониженное (вводится в расчет при необходимости учета влияния длительности нагрузок, проверке на выносливость и в других случаях, оговоренных в нормах проектирования конструкций и оснований).

Нормативные значения нагрузок определяются:

для нагрузок от собственного веса - по проектным значениям геометрических и конструктивных параметров и плотности;

для атмосферных нагрузок и воздействий - по наибольшим годовым значениям, соответствующим определенному среднему периоду их превышения;

для технологических статических нагрузок (например, от оборудования, приборов, материалов, обстановки, людей) - по ожидаемым наибольшим.

Возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную (большую или меньшую) сторону от их нормативных значений учитывается коэффициентами надежности по нагрузке . Значения коэффициентов могут быть различными для различных предельных состояний и различных ситуаций. Расчетное значение нагрузки следует определять как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке , соответствующий рассматриваемому предельному состоянию.

В зависимости от продолжительности действия нагрузок следует различать постоянные и временные (длительные, кратковременные, особые) нагрузки.

а) вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих строительных конструкций;

б) вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление.

Сохраняющиеся в конструкции или основании усилия от предварительного напряжения следует учитывать в расчетах как усилия от постоянных нагрузок.

3.2.1. Собственный вес несущих конструктивных элементов

Собственный вес несущих конструктивных элементов формировался в автоматическом режиме SCAD по объёмному весу и жесткостным характеристикам сечений элементов. Для всех железобетонных элементов принять коэффициент надежности по нагрузке = 1.1.

3.2.2. Нагрузка от ограждающих стен

Нагрузка от ограждающих стен, как погонная (т/м) по периметру одного этажа, определялась из объемного веса ограждающей стены и веса единицы площади облицовки. Коэффициенты надежности по нагрузке для веса строительных конструкций принять равными 1.3.

3.2.3. Нагрузка от межкомнатных перегородок и от поверхностных (площадных) материалов и элементов строительных конструкций

Нагрузки горизонтально распределенных поверхностных (площадных) материалов и элементов (стяжек, засыпок, гидроизоляции, «пирога» инверсной кровли и т.п.) строительных конструкций удобно определять в программе «ВеСТ» (http://www.scadgroup.com/prod_vest.shtml).

Общий поэтажный вес межкомнатных перегородок определяется в Allplan. Обычно этот вес учитывается как равномерно распределенная на перекрытие нагрузка.

Коэффициенты надежности по нагрузке для веса строительных конструкций принять по таблице 1 пункта 2.2 СНиП 2.01.07-85*. Нагрузку следует привести к горизонтальному диску перекрытия.

3.2.4. Давление грунтов обратной засыпки

Давление грунтов обратной засыпки по наружному контуру здания на стены заглубленных помещений учтем как линейное распределение по высоте. Коэффициенты надежности по нагрузке t для веса засыпаемых грунтов принять равными 1.15.

3.3.1. Нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия

Полезная нагрузка от людей и оборудования принимается равномерно распределенной по площади помещений и приложена к плитам перекрытий. Величина нормативной нагрузки принимается по СНиП 2.01.07-85*.

Понижающие коэффициенты сочетаний y А и y n принимаются в соответствии с п.п. 3.8 и 3.9 СНиП 2.01.07-85*.

3.3.2. Снеговые нагрузки

Все конструкции разрабатываются из условия воздействия нагрузок снегового районирования для Санкт-Петербурга (снеговой район III).

Полное расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия следует определять по формуле

где S g - расчетное значение веса снегового покрова на 1 м 2 горизонтальной поверхности земли, принимаемое в соответствии с п. 5.2 СНиП 2.01.07-85* равным180 кг/м 2 ;

m - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемый в соответствии с пп. 5.3 - 5.6 СНиП 2.01.07-85*.

Во многих случаях для определения расчетного значения снеговой нагрузки может быть использована программа «ВеСТ» (http://www.scadgroup.com/prod_vest.shtml) входящей в состав SCAD Office.

Переход к нагрузке с пониженным нормативным значением определяется умножением полного нормативного значения на коэффициент 0,5.

Из полного перечня кратковременных нагрузок (см. п. 1.8 СНиП 2.01.07-85*) учтем:

Нагрузки от людей, оборудования на перекрытия с полными нормативными значениями;

Снеговые нагрузки с полным нормативным значением;

Ветровые нагрузки.

Ветровые нагрузки для ветрового районирования Санкт-Петербурга учтем для ветрового района II, тип местности В или C, нормативное давление ветра 30 кг/м 2 .

Ветровая нагрузка вычисляется с использованием программы «ВеСТ» (http://www.scadgroup.com/prod_vest.shtml), входящей в состав SCAD Office.

Особые нагрузки, а именно:

а) сейсмические воздействия;

б) взрывные воздействия;

в) нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудования;

г) воздействия, обусловленные деформациями основания, сопровождающимися коренным изменением структуры грунта (при замачивании просадочных грунтов) или оседанием его в районах горных выработок и в карстовых районах

на проектируемое здание отсутствуют.

Сочетание нагрузок – это линейная комбинация нагрузок, взятых с некими числовыми коэффициентами.

Допустимые сочетания – это те, которые могут реализоваться, исходя из логики совместного действия нагрузок или некоторых ограничений по их количеству, но не сообразуясь с несущей способностью конструкции.

Неблагоприятные сочетания – такие сочетания нагрузок, при которых конструкция находится в предельном состоянии или оказывается ближе к предельному состоянию, чем при других допустимых сочетаниях нагрузок.

Согласно СНиП 2.01.07-85* расчет конструкций и оснований по предельным состояниям первой и второй групп следует выполнять с учетом неблагоприятных сочетаний нагрузок или соответствующих им усилий. Эти сочетания устанавливаются из анализа реальных вариантов одновременного действия различных нагрузок для рассматриваемой стадии работы конструкции или основания.

Поскольку в данном случае особые нагрузки отсутствуют, расчет следует производить на основные сочетания нагрузок.

Основные сочетания нагрузок состоят из определенных нами выше постоянных, длительных и кратковременных нагрузок. Их сочетания составляются по СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».

4.1.1. Нагрузки и загружения, их комбинации и сочетания в SCAD

В интерфейсе и документации SCAD используются термины «нагрузка», «группа нагрузок», «загружения», «комбинация загружений», «расчетное сочетание усилий».

Значение термина «нагрузка» в SCAD совпадает с его значением в СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки – это то, что имеет конкретный физический смысл и количественное определение: собственный вес, снег и т.п.

Отдельные нагрузки, действующие на одну группу узлов и элементов, иногда удобно объединять в «группы нагрузок».

Из нагрузок (и групп нагрузок) составляются «загружения». Загружения – это то, на что выполняется расчет конструкции с решением совместной системы линейных уравнений. В частном случае загружение может состоять из одной нагрузки (нагрузки одного вида, например собственного веса). Понятие «загружение» близко по смыслу термину «сочетания нагрузок» в СНиП 2.01.07-85*.

Загружения, взятые с некими коэффициентами и логическими связями, составляют «комбинацию загружений» и используются в режиме «расчетное сочетание усилий».

4.1.2. Ввод нагрузок и загружений

Перед созданием нового загружения (или группы нагрузок) необходимо сохранить текущее загружение (или группу нагрузок), и после этого очистить буферную память от нагрузок.

Создание загружения требует определенных размышлений, поскольку от того, как это сделано, зависят возможности дальнейшего анализа, в особенности при ориентации на нахождение расчетных сочетаний усилий (РСУ). Для этого, в частности, при формировании загружений следует помнить, что нагрузки одного загружения должны:

Всегда действовать одновременно;

Иметь одинаковый тип с точки зрения длительности действия;

Иметь одинаковые коэффициенты надежности по нагрузке;

Иметь одинаковые соотношения между полным и пониженным значениями нагрузки.

4.1.3. Расчетные сочетания усилий, расчетные сочетания нагрузок

В расчетной практике используются два похожих, но принципиально отличающихся понятия: расчетные сочетания усилий (РСУ) и комбинации загружений (расчетные сочетания нагрузок).

Их применение подробно рассматривалось в 2004 и 2005 гг. на семинарах «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office», организуемых разработчиками SCAD. С материалами семинаров можно ознакомиться по ссылкам:

Http://www.scadgroup.com/download/Load_2004.ppt,

Http://www.scadgroup.com/download/RSU.ppt.

Выполнить расчет на комбинацию загружений - это получить показатели напряженно-деформированного состояния системы, на которую одновременно действуют несколько загружений.

Здание подвергается воздействию многих перечисленных выше нагрузок и воздействий. Расчет выполняется на отдельные (элементарные) варианты нагружения в предположении, что любой реальный вариант нагружения системы может быть представлен как линейная комбинация элементарных. Этот подход оправдан при линейном подходе к расчету, поскольку только для линейных систем справедлив принцип суперпозиции.

Определить расчетные сочетания усилий – это значит найти те сочетания отдельных загружений, которые могут быть решающими (наиболее опасными) для каждого проверяемого элемента либо каждого сечения элемента (это касается стержня).

Поиск невыгодной комбинации загружений (например, для напряжения в определенном сечении или элементе) как раз и является задачей, решаемой в режиме «Расчетные сочетания усилий» комплекса SCAD.

Пример выбора значений коэффициентов расчетных сочетаний усилий представлены в таблице.

Вычисление расчетных сочетаний усилий производится на основании критериев, характерных для соответствующих типов конечных элементов, – стержней, плит, оболочек, массивных тел. В качестве таких критериев приняты экстремальные значения напряжений в характерных точках поперечного сечения элемента. При расчете учитываются требования нормативных документов и логические связи между загружениями.

Конструирование и расчет фундаментов ведется в соответствии с

СНиП 2.02.02-83* «Основания зданий и сооружений»,

СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты»,

ТСН 50-302-2004 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге».

Свайные фундаменты в зависимости от размещения свай в плане следует проектировать в виде:

Одиночных свай - под отдельно стоящие опоры;

Свайных лент - под стены зданий и сооружений при передаче на фундамент распределенных по длине нагрузок с расположением свай в один, два ряда и более;

Свайных кустов - под колонны с расположением свай в плане на участке квадратной, прямоугольной, трапецеидальной и другой формы;

Сплошного свайного поля - под тяжелые сооружения со сваями, равномерно расположенными под всем сооружением и объединенными сплошным ростверком, подошва которого опирается на грунт.

Расположение свай в плане и их количество определяют исходя из следующих критериев:

Нагрузка на сваю должна быть меньше ее расчетной несущей способности;

Перемещения плиты ростверка не должны превышать допустимых значений;

Сваи следует располагать под стенами следующего этажа;

Наличие свай обязательно в углах здания, под колоннами и в местах пересечения несущих стен;

Проекция центра тяжести здания и центр свайного поля должны примерно совпадать в плане.

5.1.1. Определения количества свай

Расчет свай, свайных фундаментов и их оснований по несущей способности выполняется на основные и особые сочетания нагрузок с коэффициентами надежности более единицы, а по деформациям - на основные сочетания расчетных нагрузок с коэффициентом надежности, равным единице. Расчеты свай всех видов выполняются на воздействия нагрузок, передаваемых на них от здания или сооружения, а забивных свай, кроме того, на усилия, возникающие в них от собственного веса при изготовлении, складировании, транспортировании свай, а также при подъеме их на копер за одну точку, удаленную от головы свай на 0,3l, где l - длина сваи.

В рассматриваемом случае фундамент рассчитывается на вертикальные нагрузки (включая полезную):

Постоянные нагрузки (собственный вес);

Длительные нагрузки (полезная нагрузка, снеговая нагрузка);

Кратковременные нагрузки (ветер).

Для жилых зданий оценочно можно определить вертикальную нагрузку, передаваемую на фундамент, как 0.5 тонны на м 3 объема здания. Десятиэтажная секция жилого дома передает нагрузку на фундамент примерно 10000 тс.

Для примерного определения количества свай в плане необходимо задаться предварительным значением несущей способности сваи исходя из грунтовых условий и опыта проектирования. Она может составлять примерно от 60 до 120 тс для многоэтажного дома.

Число свай определяется путем деления величины вертикальной нагрузки, передаваемой на фундамент, на несущую способность одиночной сваи. Несущую способность одиночной сваи определяется как расчетная несущая способность сваи, деленная на коэффициент надежности по нагрузке (обычно ). Сваи размещаются рядами или в шахматном порядке. Шаг свай в кусте выбирается кратным 5 см.

5.1.2. Несущая способность висячих свай

Несущая способность сваи принимается наименьшей из двух значений - несущей способности по грунту или по материалу сваи. Для выбранных свай несущая способность по материалу сваи является ее паспортной характеристикой.

Несущая способность сваи по грунту может быть определена по таблице Л.1 (Расчетные сопротивления под нижним концом забивных свай) и Л.2 (Расчетное сопротивление по боковой поверхности забивных свай) из ТСН 50-302-2004 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге».

5.1.3. Моделирование свай в SCAD

5.1.4. Продольная жесткость свай

Сложное нелинейное поведение сваи в ее взаимодействии с грунтом в SCAD моделируют специальными линейными конечными элементами (тип 51) – связями конечной жесткости. Для расчетов необходимо задаться продольной жесткостью свай в ее взаимодействии с грунтом. Величина жесткости численно равна отношению усилия на сваю к ее осадке. Жесткость сваи определяется нагрузкой на сваю, характеристиками самой сваи и грунтовыми условиями.

5.1.4.1. Определение осадки одиночной сваи

Определение осадки одиночной сваи производится по СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты». Рекомендуется также использовать программу «Фундамент».

5.1.4.2. Моделирование жесткости свай

Расчет выполняется в несколько итераций.

Рассчитывается нагрузка на каждую сваю и определяется ее осадка.

Назначается изначальная жесткость пружинам (моделям свай), как отношение расчетного усилия на сваю к ее осадке.

Затем производится расчет здания. После перерасчета усилия в сваях изменятся (как правило).

По новым усилиям вновь определяется осадка, рассчитываются жесткости и подставляются в расчетную схему и т.д. Расчет повторяется, пока величина усилий в свае между последними приближениями не будет отличаться на 10-15 %.

Коэффициент упругости (жесткость) модели сваи напрямую зависит от осадки, осадка от нагрузки, а нагрузка, в свою очередь, от жесткостей пружинок (моделей сваи).

5.1.4.3. Упрощенное моделирование жесткости свай

Для зданий с относительно равномерным распределением нагрузки на сваи и однородными в плане грунтовыми условиями применим упрощенный подход. Жесткость свай может быть задана как отношение несущей способности сваи к половине ее допустимой осадки сваи при статических испытаниях.

При статических испытаниях за предельную принимается нагрузка, вызывающая 20 % осадки от предельно допустимой для проектируемого здания или сооружения.

Допустимая осадка здания или сооружения определяется по таблице 4.1 (Средняя S и максимальная S¢ предельные осадки и относительные неравномерности осадок) из ТСН 50-302-2004 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге».

С учетом полученной ранее несущей способности свай получаем жесткость как отношение несущей способности к половине осадки сваи в виде . Обычно жесткость сваи имеет значение от 3000 до 10000 тс/м.

6.1.1. Правило знаков для перемещений

Правило знаков для перемещений принято таким, что линейные перемещения положительны, если они направлены в сторону возрастания соответствующей координаты, а углы поворота положительны, если они соответствуют правилу правого винта (при взгляде от конца соответствующей оси к ее началу движение происходит против часовой стрелки).

6.1.2. Анализ перемещений

Вычисленные значения линейных перемещений и поворотов узлов от комбинаций загружений анализируются по таблице результатов расчета «Перемещения узлов от комбинаций» по первой группе предельных состояний. Проводится сравнение максимальных перемещений с допустимыми.

В расчетах по деформациям коэффициент надежности по нагрузке принимается равным единице (если в нормах проектирования конструкций и оснований не установлены другие значения). Другими словами, расчет производится на нормативные (а не на расчетные) значения нагрузки. Прогибы перекрытий, полученные при расчете на нормативные значения нагрузки следует сравнить с предельно допустимыми по СНиП 2.01.07-85*.

SCAD позволяет выполнить такую проверку для здания (сооружения) произвольной формы. Проверка устойчивости может дать ответ на три вопроса:

Каков коэффициент запаса устойчивости, т.е. во сколько раз нужно увеличить нагрузку, чтобы произошла потеря устойчивости;

Какова форма потери устойчивости;

Чему равны расчетные длины стержневых элементов по Ясинскому, т.е. какова длина шарнирно опертого стержня, теряющего устойчивость при том значении продольной силы, при котором происходит потеря устойчивости рассматриваемой системы.

Задание параметров расчета производится на странице Устойчивость . Расчет следует производить по комбинациям загружений. Необходимо задать диапазон поиска значения коэффициента запаса устойчивости. Если коэффициент запаса превышает эту величину, то его поиск прекращается. Необходимо задать и точность вычислений (или принять предлагаемые по умолчанию величины).

По результатам вычислений получают коэффициент запаса общей устойчивости системы, а также наименьший коэффициент запаса местной потери и номер элемента, на котором он обнаружен.

6.3.1. Правило знаков для усилий (напряжений)

Правила знаков для усилий (напряжений) приняты следующими:

В конечных элементах оболочки вычисляются следующие усилия:

Нормальные напряжения NX, NY;

Сдвигающее напряжений TXY;

Моменты MX, MY и MXY;

Перерезывающие силы QX и QY;

Реактивный отпор упругого основания RZ.

6.3.2. Анализ усилий и напряжений

В постпроцессоре SCAD проводится определение расчетного армирования основных несущих конструкций. Анализ усилий и напряжений по первой группе предельных состояний сводится к анализу реализуемости армирования, соответствующего напряжениям в горизонтальных плитах.

1. ТСН 50-302-2004 Санкт-Петербург. «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге”.

2. СП 50-102-2003 «Проектирование и устройство свайных фундаментов (свод правил)».

3. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия”.

4. СНиП 2.02.03-85 «Свайные фундаменты».

5. Разорёнов В.Ф. Механические свойства грунтов и несущая способность свай.- Воронеж, 1987.

6. SCAD Office. Вычислительный комплекс SCAD: Учебное пособие/ В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов, А.А.Маляренко, М.А.Микитаренко, А.В.Перельмутер, М.А.Перельмутер. - 592 стр.

7. SCAD Office. Реализация СНиП в проектирующих программах: Учебное пособие/ Издание второе, дополненное и исправленное/В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов, А.А. Маляренко, М.А. Микитаренко, А.В. Перельмутер, М.А. Перельмутер, В.Г. Федоровский. - 288 с.

8. Некрасов А.В., Некрасова М.А. Allplan FT-17.0. Первый проект от эскиза до презентации.

9. Расчет и проектирование конструкций высотных зданий из монолитного железобетона / А.С. Городецкий, Л.Г. Батрак, Д.А. Городецкий, М.В. Лазнюк., С.В. Юсипенко. – К.: изд. «Факт», 2004 – 106 с.

10. А.В.Перельмутер, В.И.Сливкер. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. – Киев, ВПП «Компас», 2001. – 448 с.

Ключевые слова

СВАЙНО-ПЛИТНЫЙ ФУНДАМЕНТ / ЛИНЕЙНО-ДЕФОРМИРУЕМОЕ ОСНОВАНИЕ / МОДЕЛЬ ВИНКЛЕРА И ПАСТЕРНАКА / SCAD OFFICE / SMATH STUDIO / PILE-AND-SLAB FOUNDATION / LINEARLY ELASTIC FOUNDATION / WINKLER AND PASTERNAK GROUND BASE MODELS

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы - Нуждин Л.В., Михайлов В.С.

Приведен детальный обзор основных методов построения аналитических и численных моделей свайно-плитных фундаментов в соответствии с требованиями действующих норм в расчетном комплексе SCAD Office . Демонстрируются соотношения результатов аналитических методов с численными для двух случаев фундамента: с податливым ростверком и жестким ростверком, усиленным стенами подвального этажа. Анализ выполняется на однородном грунтовом основании, без учета обводнения грунта. На примере семи решенных задач авторами рассматриваются три аналитических метода моделирования свайного основания в соответствии с положениями СНиП 2.02.03-85 и СП 24.13330.2011, а также два численных метода моделирования упругого полупространства, основанных исключительно на использовании метода конечных элементов в линейной постановке. Реализация аналитических моделей расчета, регламентированных нормативными документами, выполнена в математическом пакете SMath Studio в дополнение к стандартному функционалу расчетного комплекса SCAD Office . Полная технология расчета предполагает использование стандартного функционала математического пакета для импорта и экспорта данных в общие форматы обмена данными в структурированном виде, доступном для импорта и экспорта в расчетно-аналитический комплекс SCAD. В статье подробно описаны технологии выполнения расчета с указанием границ применимости рассматриваемых моделей и рекомендации по их использованию в статической постановке. Все рассмотренные примеры демонстрируют достаточную для практических целей сходимость результатов расчета, за исключением модели основания Пастернака. Научно-прикладной характер исследования и его результаты могут представлять интерес для инженеров-проектировщиков, аспирантов и магистрантов.

Текст научной работы на тему «Численное моделирование свайных фундаментов в расчетно-аналитическом комплексе SCAD Office»

Нуждин Л.В., Михайлов В.С. Численное моделирование свайных фундаментов в расчетно-аналитическом комплексе SCAD Office // Вестник ПНИПУ. Строительство и архитектура. - 2018. - № 1. - С. 5-18. DOI: 10.15593/2224-9826/2018.1.01

Nuzhdin L.V., Mikhaylov V.S. Numerical modeling of pile foundations in the structural analysis software SCAD Office. Bulletin ofPNRPU. Construction and Architecture. 2018. No. 1. Pp. 5-18. DOI: 10.15593/2224-9826/2018.1.01

ВЕСТНИК ПНИПУ. СТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРА № 1,2018 PNRPU BULLETIN. CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE http://vestnik.pstu. ru/arhit/about/inf/

DOI: 10.15593/2224-9826/2018.1.01 УДК 624.154.1

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ В РАСЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ SCAD OFFICE

Л.В. Нуждин1, 2, В.С. Михайлов1

1 Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет, Новосибирск, Россия 2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

АННОТАЦИЯ

Ключевые слова:

свайно-плитный фундамент, линейно-деформируемое основание, модель Винклера и Пастернака, SCAD Office, SMath Studio

Реализация аналитических моделей расчета, регламентированных нормативными документами, выполнена в математическом пакете SMath Studio в дополнение к стандартному функционалу расчетного комплекса SCAD Office. Полная технология расчета предполагает использование стандартного функционала математического пакета для импорта и экспорта данных в общие форматы обмена данными в структурированном виде, доступном для импорта и экспорта в расчетно-аналитический комплекс SCAD. В статье подробно описаны технологии выполнения расчета с указанием границ применимости рассматриваемых моделей и рекомендации по их использованию в статической постановке. Все рассмотренные примеры демонстрируют достаточную для практических целей сходимость результатов расчета, за исключением модели основания Пастернака.

Научно-прикладной характер исследования и его результаты могут представлять интерес для инженеров-проектировщиков, аспирантов и магистрантов.

Leonid V. Nuzhdin - Ph.D. in Technical Sciences, Professor, e-mail: [email protected]. Victor S. Mikhaylov - Postgraduate Student, e-mail: [email protected].

NUMERICAL MODELING OF PILE FOUNDATIONS USING SCAD OFFICE STRUCTURAL ANALYSIS SOFTWARE

L.V. Nuzhdin1, 2, V.S. Mikhaylov1

Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering, Novosibirsk, Russian Federation Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

ARTICLE INFO ABSTRACT

The analytical modeling, which is regulated by standards, is carried out using the mathematical package SMath Studio. It is supposed that the complete analysis technology will use a standard mathematical package for import and export to and from the common data interchange format (DIF) in a structured view, which is acceptable for import and export in the SCAD system. A detailed description of the calculation technology is presented by the authors, thus indicating the applicability limits of these methods and recommendations for their use in static conditions. The demonstrated example testifies a fine precision of the considered methods.

The research could be of great interest for designing engineers, university postgraduates and undergraduates.

Актуальной проблемой при проектировании является выбор методики решения задачи, максимально близко отображающей поведение анализируемой конструкции фундамента. Современные расчетные комплексы в своем составе имеют множество численных инструментов для создания моделей основания как в линейной (упругой), так и в нелинейно-упругой или упругопластической постановке. Если учет физически-нелинейных свойств грунта представляет собой более сложную задачу, требующую проведения расширенных инженерно-геологических изысканий, то решение задачи расчета в упругой постановке в соответствии с требованиями норм является общепринятым в инженерной практике на основании стандартных изысканий. Это связано с тем, что в основе большинства современных нормативных документов лежат две модели основания: контактная модель Винклера с одним постоянным коэффициентом постели и линейно-деформируемого полупространства в аналитическом представлении, либо в виде контактной двухпараметрической модели Пастернака, либо в численном виде с объемными конечными элементами .

Для столбчатых и ленточных фундаментов в нормативных методах расчета жесткость свайного основания описывается контактной однопараметрической клавишной моделью Винклера, не учитывающей распределительный эффект основания . В СНиП 2.02.03-85 модель Винклера с одним коэффициентом постели является основной и при расчете висячих свай в кусте как условного фундамента. Такой подход к расчету осадки свайных фун-

pile-and-slab foundation, linearly elastic foundation, Winkler and Pasternak ground base models, SCAD Office, SMath Studio

даментов исключает учет взаимного влияния свай. Деформации куста свай по модели Винклера обеспечиваются путем присвоения каждой отдельной свае одинаковой постоянной жесткости С1, кН/м3, в виде распределенного коэффициента по площади плитного ростверка либо введением в конечно-элементную модель в каждый нижний узел сваи одинаковых одноузловых связей конечной жесткости Cz1, кН/м, которая равна отношению нагрузки на одну сваю к общей осадке фундамента:

где - - суммарное среднее нормативно-длительное давление в основании плитного ростверка, кПа; ^ - средняя осадка свайно-плитного фундамента, как условного; N - нормативно-длительная нагрузка, передаваемая на одну сваю, кН.

Действительно, при увеличении жесткости ростверка, объединяющего сваи, до бесконечно больших значений, например в составе монолитного столбчатого фундамента на свайном основании под одиночной колонной, ростверк стремится к жесткому штампу с синхронными деформациями свай. Тем не менее несущая способность каждой сваи не остается одинаковой и уменьшается к центру ростверка в связи с включением общего околосвайного грунта по мере роста напряжений в грунте в месте большей концентрации свай. При расчете свайных оснований актуальный нормативный документ СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» по сравнению с исходной редакцией СНиП.02.03-85 предлагает два более точных метода учета взаимного влияния свай в группе. Первый аналитический метод учитывает отмеченный эффект снижения несущей способности свай в кусте в соответствии с моделью линейно-деформируемого основания и регламентирует выполнение расчета в пп. 7.4.4-7.4.5 по методике, которая впервые была представлена в работах В.Г. Федоровского, С.Н. Левачева, С.В. Курилло и Ю.М. Колесникова . Реализация данного метода при расчете опор мостового перехода совместно с расчетным комплексом SCAD подробно рассмотрена Г.Э. Едигаровым . Принципы построения дискретной модели свайного куста, учитывающие жесткость ростверка, рассмотрены в монографии Д.М. Шапиро .

Вторая аналитическая методика, реализованная в СП 24.13330.2011 в пп. 7.4.6-7.4.9, предназначена для расчета большого свайного поля методом ячейки с учетом податливости ростверка как условного фундамента на естественном основании, но в отличие от прежней редакции СНиП учитывает дополнительную осадку от продавливания свай в грунтовом массиве с учетом густоты свайного поля, а также осадку за счет деформирования ствола свай. Решение этой задачи предложено в монографии Р.А. Мангушева, А.Л. Готмана, В.В. Знаменского, А.Б. Пономарева, Н.З. Готман . Расчет рекомендуется выполнять по графикам «нагрузка - осадка» либо по упрощенным формулам в центре тяжести симметричных трапециевидных участков плиты .

В качестве методов исследования авторами было выбрано математическое моделирование на основании аналитических и численных решений задачи. В таблице представлено семь рассмотренных численных и численно-аналитических моделей, на основании которых проводился анализ осадок и напряженно-деформированного состояния свайного фундамента. Для всех реализованных моделей производится сравнение осадок гибкого плит-

ного ростверка (Индекс «1» в первой графе таблицы) и ростверка, усиленного стенами подвала (Индекс «2»), Введение ребер в виде монолитных стен увеличивает общую жесткость ростверка и сокращает разность осадок,

Первые пять рассматриваемых моделей являются численно-аналитическими за счет введения в конечно-элементную модель жесткости основания, определенной аналитическим расчетом в соответствии с действующими нормами, Модели № 1 и № 2 отличаются только способом задания жесткости и базируются на первой аналитической методике по СНиП 2,02,03-85, в которой свайно-плитный фундамент рассматривается как условный на естественном основании, Модель № 3 свайного куста основана на аналитической методике СП 24,13330,2011, в которой фундамент рассматривается как жесткий штамп с переменной несущей способностью группы свай в кусте , Модель № 4 описывает аналитическую методику СП 24,13330,2011 для расчета больших свайных полей, Модель № 5 является расширенной методикой свайного поля с введением переменной жесткости свайного основания , Последние две модели - № 6 и № 7 - используют исключительно численные инструменты, реализованные в SCAD Office для линейно-деформируемого основания в виде контактной двухпараметрической модели и в виде модели упругого полупространства из объемных конечных элементов,

Сравнительный анализ результатов расчета моделей свайно-плитного фундамента Comparative analysis of calculation results for models of pile-and-slab foundation

Номер модели Тип основания и наименование модели Макс, осадка s, см Мин, осадка s, см Средняя осадка s, см As, % Mmax, кНм Продольная арматура, т

1,1 Модель Винклера. Условный фундамент по СНиП 2.02.03-85 со связями конечной жесткости 14,96 14,39 14,68 0,6 146 13,8

1,2 14,77 14,64 14,71 0,1 61 13,8

2,1 Модель Винклера. Условный фундамент по СНиП 2.02.03-85 с коэффициентом постели по плите 14,7 14,7 14,7 0 0 13,8

2,2 14,7 14,7 14,7 0 0 13,8

3,1 ЛДО. Свайный куст по СП 24.13330.2011 пп. 7.4.4-7.4.5 17,90 7,02 12,46 11 3 557 148,7

3,2 16,65 10,19 13,42 6,5 2 463 192,8

4,1 ЛДО. Свайное поле СП 24.13330.2011 п. 7.4.6-7.4.9 Кш* 11,93 11,93 11,93 0 0 13,8

4,2 11,93 11,93 11,93 0 0 13,8

5,1 Модель Винклера. Свайно-плитный фундамент СП 24.13330 пп. 7.4.6-7.4.9 с Куаг 11,06 9,81 10,43 1,2 457 19,1

5,2 10,73 10,35 10,538 0,4 153 14,2

6,1 Модель Пастернака. Условный фундамент на мнимой плите малой жесткости 6,53 4,51 5,52 1,1 538 36,1

6,2 6,06 5,66 5,26 0,8 287 17,7

7,1 ЛДО. Свайно-плитный фундамент с основанием в виде ОКЭ 14,98 12,07 9,16 5,8 1 525 67,0

7,2 13,27 12,13 10,99 19 782 91,4

В первую очередь при расчете свайных фундаментов следует рассматривать сравнительно простой аналитический метод определения жесткости свай в составе фундамента путем оценки их осадки как условного фундамента в соответствии с требованиями ранее действующего СНиП 2.02.03-85. Данный расчет выполняется для моделей № 1 и № 2 путем определения осадки условного фундамента как абсолютно жесткого столбчатого фундамента на естественном основании в программе-сателлите «ЗАПРОС» с последующим

анализом деформаций в расчетном комплексе SCAD. Такой простой расчет следует выполнять всегда в качестве оценочного на предварительном этапе до перехода к более сложным аналитическим и численным моделям .

В составе моделей № 3 и № 4 используемая авторами технология расчета свай в группе в соответствии с нормативными аналитическими методами построена на интегрированном применении расчетно-аналитической системы SCAD Office и свободно распространяемого математического пакета SMath Studio. Основной расчет выполняется на базе метода конечных элементов в расчетном комплексе SCAD. В математическом пакете SMath Studio производится дополнительный уточняющий расчет взаимного влияния свай в группе в соответствии с двумя регламентированными СП 24.13330.2011 методами на основании данных о геометрии и напряженно-деформируемом состоянии конструкций в SCAD Office. В модели № 3 результаты уточняющего расчета в математическом пакете экспортируются в виде простейшей расчетной подсхемы для расчетного комплекса SCAD с узлами по нижним концам свай и вычисленными в каждом узле дополнительными усилиями, позволяющими в линейно-деформируемой модели получить деформации в виде общей осадочной воронки свайного поля с учетом взаимного влияния соседних свай.

В математическом пакете в задаче № 4 реализована и аналитическая методика СП 24.13330.2011 на базе метода ячейки для свайного поля с податливым плитным ростверком. В SCAD стержневые конечные элементы свай со связями конечной жесткости по нижним концам заменяются распределенным коэффициентом постели, приложенным непосредственно к плитному ростверку. В модель № 5 вводится дополнительное отличие от модели № 4, при котором первый постоянный коэффициент постели K0 прикладывается в центре плиты, а переменные коэффициенты Kx и Ky - по полосовым областям постоянного шага по периметру плитного ростверка .

Верификация осадок, полученных аналитическими расчетами по СП 24.13330.2011, с достаточной степенью корреляции выполняется численными методами на основании прочностных характеристик грунта при предположении о его линейной деформации. Первый численный метод для модели № 6 предполагает создание условного фундамента на упругом полупространстве Пастернака в виде мнимой плиты с двумя назначенными постоянными коэффициентами пропорциональности при сжатии С1 и при сдвиге С2. Применение программы «КРОСС» с билинейной моделью Федоровского с переменными коэффициентами постели не рассматривалось, поскольку она предназначена для широких плит. Второй численный метод в SCAD в задаче № 7 - модель линейно-деформируемого основания (ЛДО) с использованием объемных конечных элементов.

Приведем примеры решения задач по ранее описанным аналитическим и численным методикам. Объектом исследования является свайно-плитный фундамент, с размером ростверка 26,6^17,3 м и глубиной заложения 2 м от поверхности планировки. Рассматриваются две группы моделей. В первой группе учитывается только жесткость податливого плитного ростверка толщиной 1000 мм из бетона марки В20, моделируемого пластинчатыми четырех-и трехузловыми конечными элементами типа 44 и 42. Во второй группе жесткость фундамента увеличивается за счет введения монолитных стен толщиной 400 мм из бетона марки В20. Свайное поле представлено сваями квадратного сечения со стороной 300 мм и длиной 10 м из бетона марки В20, моделируемыми универсальными стержневым конечными элементами 5-го типа либо в модели № 7 изопараметрическими объемными конечными элементами 34-го типа. Шаг свай в обоих направлениях составляет 1,075 м при симметричном расположе-

нии. Условно однородное грунтовое основание сложено суглинками мягкопластичными со следующими характеристиками: у = 19,1 кН/м3, ф = 14°, с = 0,012 МПа, E = 10,0 МПа. Подземные воды отсутствуют. Среднее нормативное давление на фундамент и вес свай ozp составляют 294 кПа, бытовые давления от веса грунта ozg = 229,2 кПа.

Рассмотрим решение первой задачи по методике СНиП 2.02.03-85. В программе «ЗАПРОС» в составе расчетного комплекса SCAD Office для этой задачи предназначен раздел «Осадка фундамента» при условном предположении работы свайного поля как фундамента на естественном основании. При вводе вышеуказанных параметров осадка фундамента s составляет 147 мм, глубина сжимаемой толщи - 11,6 м. Аналогичный расчет глубины сжимаемой толщи методом послойного суммирования по СП 24.13330.2011 дает близкий результат -11,38 м. «ЗАПРОС» позволяет вычислить винклеровский коэффициент постели С1, равный 2001 кН/м3 при приложении к плитному ростверку, либо Oz1, равный 2300,9 кН/м при приложении к нижним узлам метровых фрагментов оголовков свай. Перенос вычисленных по первой методике параметров жесткости свайного основания в расчетную схему SCAD позволяет учесть работу надфундаментных конструкций с основанием в строгом соответствии со СНиП 2.02.03-85. В случае приложения к плитному ростверку равномерно распределенного по площади коэффициента постели С1 = 2001 кН/м3 осадка всех точек ростверка почти равномерна и соответствует вычисленному в «ЗАПРОС» значению s = 147 мм (рис. 1, 1).

При приложении винклеровского коэффициента постели к нижним концам метровых фрагментов свай осадка становится неоднородной в связи с небольшим различием в грузовых площадях крайних свай и деформативностью самих оголовков стержневых элементов свай под воздействием изгибающих моментов, увеличивающихся от центра ростверка к его краям. Тем не менее различия осадок разных точек плиты не превышают ±3 мм от среднего значения, и ими можно пренебречь (рис. 1, 2).

Осадки усиленного ростверка, раскрепленного вертикальными монолитными стенами подвала, в случае постоянного коэффициента постели по площади также остаются однородными (рис. 1, 3). При приложении коэффициентов постели в нижние узлы свай осадки ростверка оказываются неоднородными, однако за счет повышения жесткости их вариативность снижается в шесть раз - до ±0,5 мм (рис. 1, 4). Модель с увеличенной жесткостью ростверка, путем введения вертикальных стен в качестве усиливающих ребер, наглядно демонстрирует, что податливость становится ничтожно малой в пределах 0,002 % в направлении наибольшей протяженности фундамента и его меньшей жесткости. Из этого следует обоснованность выполнения расчета свайного фундамента по методике СП 24.13330.2011 (пп. 7.4.4-7.4.5) для свайного куста в предположении работы ростверка как абсолютно жесткого штампа.

Математическая модель № 4 в рамках аналитической методики СП 24.13330.2011 для свайного поля разработана в строгом соответствии с пп. 7.4.6-7.4.9. Эта методика, как и две первые модели - № 1 и № 2, основана на предположении поведения свайного фундамента как условного с подошвой в уровне нижних концов свай и использует модель основания Винклера с единым коэффициентом пропорциональности С0 (рис. 1, 5, 7). Отличием этой методики от условного фундамента является учет дополнительных осредненных осадок свай от продавливания грунта и сжатия ствола свай. Большой интерес представляет модель № 5, в которой рассматривается также только один коэффициент постели Oi, но с переменным значением в зависимости от удаления свай от центра плиты. Коэффициент пропорциональности в центре плиты С0 принимается таким же, как и в предыдущей модели № 4. Распределение вычисленных значений коэффициента пропорциональности и де-

формации для модели № 5 с гибким и усиленным стенами ростверком показано на рис. 1, 6 и рис. 1, 8 соответственно. В случае единого коэффициента постели модель получает только осредненную осадку. В случае переменного коэффициента постели появляется незначительный прогиб плиты.

Рис. 1. Осадки плитного ростверка (мм) с приведенной жесткостью свайного основания к нижней поверхности плиты по модели Винклера: 1 - модель 1.1; 2 - модель 2.1; 3 - модель 1.2;

4 - модель 2.2; 5 - модель 4.1; 6 - модель 5.1; 7 - модель 4.2; 8 - модель 5.2 Fig. 1. Pile-slab settlement (mm) of Winkler subgrade model: 1 is model 1.1; 2 is model 2.1; 3 is model 1.2; 4 is model 2.2; 5 is model 4.1.; 6 is model 5.1.; 7 is model 4.2.; 8 is model 5.2

Перейдем к рассмотрению дискретных моделей свайных фундаментов (рис. 2). При построении таких конечно-элементных моделей первым шагом назначаются коэффициенты постели по боковой поверхности свай, с целью описания горизонтальной жесткости основания, увеличивающейся по глубине по мере возрастания степени обжатия свай грунтом. Учет влияния свай в группе по горизонтали основан на работах К.С. Завриева . Расчет горизонтального отпора грунта по боковой поверхности свай в рамках исследова-

ния производится в SMath Studio. Сначала выполняется расчет понижающего коэффициента а по формуле В.5 СП 24.13330.2011. Затем вычисляются значения коэффициентов постели Cz на боковых гранях по приложению В.2.

Рис. 2. Осадки плитного ростверка (мм) с дискретной моделью фундамента: 1 - коэффициент постели по боковой поверхности свай (кН/м3); 2 - начальные вертикальные связи конечной жесткости по нижним узлам свай (кН); 3 - расчетное неоднородное снижение жесткости по остриям свай при взаимном влиянии по вертикали с приложением дополнительных узловых усилий (кН); 4 - модель 3.1; 5 - модель 3.2; 6 - модель 6.1; 7 - модель 6.2; 8 - модель 6.1; 9 - модель 6.2 Fig. 2. Pile-slab settlement (mm) with a discrete subgrade model: 1 is the lateral surface coefficient of subgrade reaction on piles (kN/m3); 2 are the vertical elastic constraints in lower pile nods (kN); 3 is the estimated non-uniform reduction of stiffness along the edges of the piles under the mutual effect of vertically applied additional nodal efforts (kN); 4 is model 3.1.; 5 is model 3.2.; 6 is model 6.1.;

7 is model 6.2.; 8 is model 6.1.; 9 is model 6.2

Расчет понижающего коэффициента а производится по эмпирической формуле с уточненными коэффициентами, приведенной в приложении В.5 СП 24.13330.2011. Для рассматриваемого случая при симметричном удалении соседних свай на 1,075 м искомый коэффициент снижения несущей способности а при восприятии горизонтальных нагрузок за счет работы в группе равен 0,1. Коэффициенты постели вычислены для стержневых конечных элементов свай по направлениям местных осей Y1 и Z1 с указанием в поле «Ширина площадки опирания» значения ширины сваи (рис. 2, 1).

Начальные граничные условия по вертикали назначаются на втором шаге выполнения расчета и сначала без учета взаимного влияния свай в группе. Расчет предварительной жесткости свай по вертикали производится в соответствии с п. 7.4.2. СП 24.13330.2011. Поскольку в примере принят однородный грунт, расчеты осредненных характеристик упрощаются. Модуль сдвига G1 слоев грунта, прорезаемых сваей, вычисляется на основании осредненных модуля деформации E1 и коэффициента Пуассона v1 слоев, прорезаемых сваей. Аналогичным образом вычисляется модуль сдвига G2 для слоев грунта, расположенных под нижними концами свай. Модуль деформации E2 слоев грунта, расположенных под сваей, берется осредненным в пределах глубины, равной половине длины сваи 0,5L, или равным 10d приведенных диаметров сваи от нижних торцов свай. Коэффициент Пуассона v2 задается непосредственно по слою ниже подошвы условного фундамента. В рассматриваемом случае однородного грунта мы имеем единые значения модулей деформации - E1 = E2 = 10 МПа, модулей сдвига - G1 = G2 = 3620 кН/м2 и коэффициентов Пуассона - v = v1 = v2 = 0,38.

Начальная связь конечной жесткости kz, кН/м, вводимая в нижний торец одиночных свай для учета взаимодействия с окружающим грунтом в методе конечных элементов без учета взаимного влияния соседних свай в группе по вертикали, определяется по формуле

k7 = = 52 800 кН/м, (3)

где ß" - коэффициент жесткой сваи, ß" = 0,17ln[(kv G L)/G2 d] = 0,686 ; kv - промежуточный коэффициент для вычисления ß", kv = 2,82 - 3,78v + 2,18v2.

Многократное превышение начального значения вертикальной жесткости по сравнению с методикой СНиПов по модели Винклера объясняется тем, что конечная жесткость будет снижаться в результате итерационного уточнения в процессе выполнения следующего этапа по расчету взаимного влияния свай в группе при совместных вертикальных деформациях с образованием общей осадочной воронки. Для этого расчета необходимы данные о координатах нижних узлов свай в свайном поле и значения действующих нагрузок. Данную информацию можно отобразить в постпроцессоре «Реакции в специальных элементах», для чего в момент запуска линейного расчета в расчетном комплексе SCAD в параметрах следует отметить опцию «Вычислять реакции в связях». В постпроцессоре «Реакции в специальных элементах» выполняется фрагментация схемы по нижним узлам свай и анализируются вертикальные реакции Rz от нормативных комбинаций постоянных и длительных загружений для цветовой шкалы видимого фрагмента (рис. 2, 2).

При анализе небольших расчетных схем данные о координатах нижних узлов свай в горизонтальной плоскости и значения вычисленных реакций от нормативно-длительных воздействий могут быть внесены непосредственно в математический пакет SMath Studio в форме матрицы или численного ряда. В случае больших свайных полей необходим прямой импорт

в математический пакет данных из расчетного комплекса SCAD. Наиболее простой способ передачи данных - в формате Excel. При видимом фрагменте схемы, содержащем только узлы нижних концов свай, на панели таблиц на вкладке «Узлы» следует нажать кнопку экспорта в отдельный файл Excel всех видимых в текущий момент узлов. Файл должен быть сохранен в заведомо созданный каталог на жестком диске по тому адресу, который в дальнейшем будет указан при выполнении команды импорта данных в формате Excel в математический пакет SMath Studio. Аналогичным образом в интерфейсе SCAD на панели таблиц выполняется переход на вкладку «Усилия в спец. элементах» и нажимается кнопка экспорта в отдельный файл Excel усилий в видимых в текущий момент связях конечной жесткости под торцами свай. В математическом пакете с использованием средств линейного программирования массив с импортированными координатами узлов свай преобразуется в два численных ряда с координатами X и Y. На основании координат нижних узлов свай следующим шагом формируется общая матрица «a» взаимного расположения свай в кусте в виде вычисленных расстояний между сваями. Размер квадратной матрицы соответствует количеству свай в фундаменте. На основании взаимного расположения свай вычисляется матрица «5» вертикального взаимного влияния свай в кусте по теории упругого полупространства. Это обеспечивается выполнением множественного вычисления каждого члена матрицы в соответствии с формулами СП 24.13330.20111 (п. 7.4.4), в которых предусмотрено обнуление коэффициента взаимного влияния одной сваи на другую при превышении определенного расстояния между ними. В нашем случае такое расстояние составляет 8,5 м. Последним шагом выполняется расчет дополнительных усилий ANh, являющихся суммой от вертикальных реакций Nh в близко расположенных сваях с учетом коэффициента взаимного влияния 5. Полученные усилия ANh следует внести вручную в каждый соответствующий нижний узел сваи или в автоматизированном режиме сформировать соответствующую подсхему с узлами и усилиями, которая может быть вставлена в общую расчетную схему в SCAD. Указанные усилия необходимы для возникновения в расчетной схеме дополнительных деформаций в нижнем узле каждой сваи и формирования общей осадочной воронки (рис. 2, 3). Следовательно, в зоне, где находится наибольшее количество свай в пределах окружности 8,5 м, дополнительные осадки будут больше. В краевых областях ростверка (и особенно по его углам) концентрация свай в пределах этой окружности будет снижаться, что обеспечит меньшую глубину осадочной воронки. На рис. 2, 4 и рис. 2, 5 показаны осадки податливого и усиленного ребрами ростверков с учетом взаимного влияния свай в группе с перераспределением нагрузок и образованием воронки.

В задаче № 6 в связи с тем, что коэффициенты постели в модели Пастернака назначаются только пластинчатым элементам, под нижними концами свай необходимо построить мнимую плиту малой жесткости. Кроме этого, рекомендуется обеспечить как минимум один дополнительный ряд узлов вокруг внешнего периметра свайного поля. По данному внешнему ряду узлов будут построены двух- и одноузловые законтурные элементы. Мнимая плита малой жесткости не должна иметь промежуточных узлов, не принадлежащих концам свай в межсвайном пространстве, в противном случае эти узлы будут получать чрезмерно высокие деформации. По периметру условного свайного фундамента в виде мнимой плиты на основании Пастернака для корректного использования законтурных элементов не должно быть внутренних углов. Такие углы следует описывать диагональными участками, добавляя между соседними внешними узлами дополнительные узлы. После задания необходимых узлов по внешнему контору производится генерация сетки конечных элементов на плоскости и создается сетка из оболочек с жесткостью подстилающего грунта только на заданных узлах толщиной 1 мм.

На полученной сетке из треугольных и четырехугольных пластинчатых конечных элементов назначаются коэффициенты постели С1 и С2, равные в рассматриваемом примере 1560 кН/м3 и 14500 кН/м3 соответственно. Для завершения модели Пастернака по контуру мнимой плиты задаются двухузловые и одноузловые законтурные элементы с теми же коэффициентами постели. Горизонтальная жесткость по боковой поверхности свай принимается идентичной модели № 3. Для одноузловых законтурных элементов требуется задавать соответствующий угол сектора. В завершение следует удалить или уменьшить вертикальную жесткость связей конечной жесткости на шесть порядков, чтобы они выключились из работы и вертикальные деформации воспринимались по всей площади мнимой плиты на упругом полупространстве (рис. 2, 6 и рис. 2, 7).

Последний рассматриваемый метод расчета свайно-плитного фундамента в виде пространственной модели основания полезен в связи с возможностью наглядного визуального анализа совместной деформации грунтового массива и конструкций железобетонных свай, объединенных монолитным плитным ростверком. В данном численном методе рекомендуется моделировать сваи в виде шести- или восьмиузловых изопараметрических объемных элементов типа 32 или 36 с целью снижения концентраций напряжений. Размер грунтового основания принимается по высоте в соответствии с ранее определенной глубиной сжимаемой толщи. Ширина моделируемой области от границ плитного ростверка должна превышать глубину сжимаемой толщи как минимум в два раза. В качестве граничных условий приняты абсолютно жесткие связи по всем шести степеням свободы в основании грунтового массива и ограничение только горизонтальных поступательных деформаций по боковым граням (Х, Y). Результаты расчета модели № 7 приведены на рис 2, 8 и рис. 2, 9.

Из представленных в вышеприведенной таблице результатов сравнительного анализа видно, что модели основания, выполненные с использованием однопараметрической модели Винклера, позволяют с достаточно высокой точностью перенести в численную модель метода конечных элементов осредненные осадки, определяемые аналитическими методами. При этом перераспределение усилий в основании Винклера отсутствует, в результате чего не образуется характерная осадочная воронка и не возникают изгибающие моменты в плитном ростверке. Продольное армирование ростверка будет минимальным при распределенных нагрузках. При сосредоточенных нагрузках от колонн плита в пролетной части будет получать обратный выгиб, ориентированный выпуклостью вверх, что приведет к неоправданно завышенному верхнему армированию. Модели Винклера применимы только для контроля средних осадок, а также могут быть удобны при учете динамической жесткости грунта для анализа надфундаментных конструкций.

Результаты расчета деформаций ростверка по реализованной авторами в SMath Studio математической модели № 3 свайного куста на линейно-деформируемом основании в соответствии с аналитическим методом СП 24.13330.2011 по пп. 7.4.4-7.4.5 оказались близкими к расчету модели из объемных конечных элементов. При этом характер деформаций в форме осадочной воронки на поверхности основания также имеет большое сходство за счет использования в двух моделях единой теории упругого полупространства. В обоих случаях экстремальные значения напряжений наблюдаются в крайних сваях, при которых необходим учет «эффекта краевой сваи» и перехода основания в упругопластическое состояние понижением модуля деформации грунта.

Модель свайно-плитного фундамента № 4, также реализованная в математическом пакете в соответствии с СП 24.13330.2011 пп. 7.4.6-7.4.9, имеет постоянную жесткость по

площади плиты и основана на модели Винклера. Эта модель может быть использована для оценки осредненных осадок сооружения. Следующая модель - № 5 - с переменными коэффициентами постели позволяет получить незначительные изгибающие моменты, но сравнительно малые по сравнению с моделями № 3 и № 7 на упругом полупространстве. Авторы рассматривают возможность дальнейшего уточнения этой модели путем учета не осредненных давлений в каждой свае свайно-плитного фундамента, а их фактических значений, вычисляемых в каждой свае в конечно-элементной модели.

Модель № 6 с мнимой плитой в двухпараметрической контактной модели Пастернака показала неоправданно заниженные осадки, что указывает на необходимость анализа прочих доступных методик с двумя коэффициентами постели. В отличие от контактных моделей Винклера или Пастернака модель № 7 линейно-деформируемого полупространства из объемных конечных элементов при совместном расчете сооружения с основанием позволяет выполнить более детальный анализ напряженно-деформируемого состояния грунта в толще основания. Однако следует отметить, что отсутствие учета пластических свойств грунтов основания позволяет провести только качественную оценку с целью выявления необходимости внесения изменений в конструктивные решения для исключения зон высоких концентраций напряжений. С другой стороны, модель ЛДО из объемных конечных элементов имеет завышенную распределительную способность, вследствие чего может потребоваться уточнение глубины сжимаемой толщи методом последовательных итераций по результатам других ранее описанных расчетов для достижения соответствия средних осадок . Таким образом, данный метод может рассматриваться только как дополнительный, полезный для повышения качества анализа напряженно-деформируемого состояния. Следует также отметить, что деформации узлов свай модели ЛДО происходят параллельно поверхности осадочной воронки, что не соответствует действительности и деформациям в модели № 3, при которых жесткость должна возрастать по мере увеличения глубины за счет обжатия сваи грунтом (см. рис. 2, 1). Устранение данной проблемы возможно при учете квазианизотропных свойств в объемных конечных элементах основания.

Библиографический список

1. Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. - 4-е изд. - М.: Изд-во СКАД СОФТ, 2011. - 736 с.

2. Гарагаш Б.А. Надежность пространственных регулируемых систем «основание -сооружение» при неравномерных деформациях основания: в 2 т. Т. 1. - М.: Изд-во АСВ, 2012. - 416 с.

3. Tsudik E. Analysis of structures on elastic foundations. - FL: J. Ross Publ., 2013. - 585 p.

4. Цытович Н.А. Механика грунтов: Краткий курс: учебник. - 6-е изд.- М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011. - 272 с.

5. Сваи в гидротехническом строительстве / В.Г. Федоровский, С.Н. Левачев, С.В. Ку-рилло, Ю.М. Колесников. - М.: Изд-во АСВ, 2003. - 240 c.

6. Едигаров Г.Э. Опыт применения SCAD OFFICE в расчете промежуточной опоры моста с учетом взаимного влияния свай в кусте // CADMASTER. - 2015. - № 3. - С. 88-97.

7. Шапиро Д.М. Теория и расчетные модели оснований и объектов геотехники. - М.: Изд-во АСВ, 2016. - 180 c.

8. Сваи и свайные фундаменты / Р.А. Мангушев, А.Л. Готман, В.В. Знаменкский, А.Б. Пономарев; под ред. Р.А. Мангушева. - М.: Изд-во АСВ, 2015. - 320 с.

9. Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / под общ. ред. В.А. Ильичева, Р.А. Мангушева. - М.: Изд-во АСВ, 2016. - 1040 с.

10. Tomlinson M., Woodward J. Pile design and construction practice. - New York: Taylor&Francis, 2008. - 566 p.

11. Day R.W. Foundation engineering handbook: Design and construction with the 2009 International Building Code. - San Diego, California: McGrawHill, 2010. - 1006 p.

13. Эффект краевой сваи и его учет при расчете плитного ростверка / В.П. Петрухин, С.Г. Безволев, О. А. Шулятьев, А.И. Харичкин // Развитие городов и геотехническое строительство. - 2007. - № 11. - С. 90-97.

14. Михайлов В.С., Бусыгина Г.М. Определение крена и совместных осадок плитных фундаментов // Ползуновский альманах. - 2016. - № 3. - С. 141-145.

15. Михайлов В. С., Теплых А.В. Учет характерных особенностей различных моделей основания при расчете взаимного влияния зданий на больших фундаментных плитах с использованием расчетно-аналитической системы SCAD Office // Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений: VI Междунар. симпоз. - Владивосток, 2016. - С. 133-134.

1. Perel"muter A.V., Slivker V.I. Raschetnye modeli sooruzheniy i vozmozhnost" ikh analiza . 4th ed. Moscow, SCADSOFT, 2011, 600 p.

2. Garagash B.A. Nadezhnost" prostranstvennykh reguliruemykh sistem «osnovanie -sooruzhenie» pri neravnomernykh deformatsiiakh osnovaniia . Vol. 1. Moscow, ASV, 2012, 416 p.

3. Tsudik E. Analysis of structures on elastic foundations. FL,J.Ross Publ., 2013, 585 p.

4. Tsytovich N.A. Mekhanika gruntov: Kratnyi kurs . 6th ed. Moscow, LIBROKOM, 2011, 272 p.

5. Fedorovskiy V.G., Levachev S.N., Kurillo S.V., Kolesnikov. Svai v gidrotekhnicheskom stroitel"stve . Moscow, ASV, 2003, 240 p.

6. Edigarov G.E. Opyt primeneniya SCAD OFFICE v raschete promezhutochnoy svaynoy dvukhryadnoy opory mosta s uchetom vzaimnogo vliyaniya svay v kuste . CADMASTER, 2015, no. 3, pp. 88-97.

7. Shapiro D.M. Teoriya i raschetnye modeli osnovaniy i ob»ektov geotekhniki . Moscow, ASV, 2016, 180 p.

8. Mangushev R.A. Gotman A.L., Znamenkskiy V.V., Ponomarev A.B. Svai i svaynye fundamenty. Konstruirovanie, proektirovanie, tekhnologii . Eds. R.A. Mangushev. Moscow, ASV, 2015, 320 p.

9. Spravochnik geotekhnika. Osnovaniia, fundamenty i podzemnye sooruzheniia. . Eds. V.A. Il"ichev, R.A. Mangushev. 2nd ed. Moscow, ASV, 2016, 1040 p.

10. Tomlinson M., Woodward J. Pile Design and Construction Practice. New York, Taylor&Francis, 2008, 566 p.

11. Day R. W. Foundation Engineering Handbook: Design and Construction with the 2009 International Building Code. San Diego, California, McGrawHill, 2010, 1006 p.

12. Zavriev K.S., Shpiro G.S. et al. Rekomendatsii po raschetu fundamentov glubokogo zalozheniya opor mostov . Moscow, Rotaprint TsNIIS, 1970, 95 p.

13. Petrukhin V.P., Bezvolev S.G., Shulyat"ev O.A., Kharichkin A.I. Effekt kraevoy svai i ego uchet pri raschete plitnogo rostverka . Razvitie gorodov i geotekhnicheskoe stroitel"stvo, 2007, no. 11, pp. 90-97.

14. Mikhaylov V.S., Busygina G.M. Opredelenie krena i sovmestnykh osadok dvukh plitnykh fundamentov . Polzunovskii almanac, 2016, no. 3, Barnaul, Altaiiskii gosudarstvennyi technicheskii universitet, pp. 141-145.

15. Mikhailov V.S., Teplykh A.V. Uchet kharakternykh osobennostei razlichnykh modelei osnovaniia pri raschete vzaimnogo vliianiia zdanii na bol"shikh fundamentnykh plitakh s ispol"zovaniem raschetno-analiticheskoi sistemy SCAD Office . VI Mezhdunarodnyi simpozium. Aktual"nye problemy komp"iuternogo modelirovaniia konstruktsii i sooruzhenii. Vladivostok, 2016, pp. 133-134.

То, чего долго ждали все наши пользователи, наконец свершилось: в ПК ЛИРА 10.6 появился новый конечный элемент 57 – «Свая», реализующий положения СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты». Появление этого конечного элемента значительно расширяет возможности программного комплекса, при расчёте зданий на свайных фундаментах, позволяет делать такие расчёты быстрее и точнее. Если ранее пользователям ПК ЛИРА приходилось моделировать сваи 56 КЭ, при этом их жесткость высчитывалась либо в сторонних программах, либо вручную, то теперь все сделает программа, необходимо лишь ввести исходные данные.

Реализация

В ПК ЛИРА 10.6 реализованы следующие расчётные ситуации:

Одиночная свая (п.п.7.4.2 – 7.4.3, СП 24.13330.2011);

Свайный куст (п.п. 7.4.4 – 7.4.5, СП 24.13330.2011);

Условный фундамент (п.п. 7.4.6 – 7.4.9, СП 24.13330.2011);

При этом принимаются следующие допущения:

Условно принято, что несущая способность сваи обеспечена; - Грунт, на который опирается свая, рассматривается, как линейно-деформируемое полупространство; - Выполняется соотношение: (l – длина, d - приведенный диаметр ствола сваи).

Реализованы следующие типы свай (рис. 1):

Оболочка;

Прямоугольная;

Квадратная.

При этом конец сваи может быть, как заостренным, так и булавовидным.

Рис. 1. Типы свай. ПК ЛИРА 10.6

Расчёт одиночной сваи

Для каждой сваи, будь она одиночной или в составе куста/условного фундамента, задаются следующие параметры (рис. 2):

Длина сваи

Количество участков разбиения – чем больше это число, тем точнее производится расчет

Модуль упругости ствола – характеристика материала из которого изготовлена свая;

Коэффициент Пуассона материала;

Глубина от поверхности земли, на которой не учитывается сопротивление грунта по боковой поверхности (при сейсмических воздействиях).

Объёмный вес материала сваи.

Рис. 2. Задание параметров сваи. ПК ЛИРА 10.6

Параметры расчёта для одиночной сваи задаются при нажатии на кнопку «Вычисление жесткости одиночной сваи» (Рис. 3).

Рис. 3. Параметры для вычисления жесткости сваи. ПК ЛИРА 10.6

При этом боковой коэффициент постели на поверхность сваи вычисляется по формуле:

Где К - коэффициент пропорциональности, принимаемый в зависимости от вида грунта, окружающего сваю (Приложение В, таблица В.1); γс - коэффициент условий работы грунта. Для одиночной сваи γс =3.

Расчёт осадки одиночной сваи производится в соответствии с СП 24.13330.2011: для сваи без уширения по п. 7.4.2 а, для сваи с уширением по п. 7.4.2 б.

Расчёт свайного куста

Для создания свайного куста необходимо вызвать команду «Группы свай», которая находится на панели инструментов либо в пункте меню «Назначения». Для задания свайного куста необходимо выделить группу свай, которая будет входить в куст и нажать на кнопку «Добавить свайный куст» (рис. 4).

Рис. 4. Задание свайного куста. ПК ЛИРА 10.6

Методика расчета свайного куста соответствует п. п. 7.4.4 – 7.4.5 СП 24.13330.2011. При этом жесткостные характеристики сваи вычисляются автоматически в Редакторе грунта, для чего в последнем таблица задания физико-механических характеристик дополнилась четырьмя столбцами (рис. 5):

Показатель текучести «IL» для пылевато-глинистых грунтов;

Коэффициент пористости «e» для песчаных грунтов;

Коэффициент пропорциональности «К», который можно задать численно, либо интерполировать выбором грунта из колонки «Тип грунта для свайного основания»;

Тип грунта для свайного основания (таблица В.1 СП 24.13330.2011). Используется для интерполяции значений «К» по заданному показателю текучести «IL» или коэффициенту пористости «e» грунта.

Рис. 5. Таблица физико-механических характеристик ИГЭ. ПК ЛИРА 10.6

В параметрах расчёта (рис. 6) появилась новая вкладка – «Сваи», в которой указываются необходимые для расчёта параметры:

k - коэффициент глубины под пятой (п.7.4.3 СП 24.13330.2011);

γ c - коэффициент условий работы для расчета свай на совместное действие вертикальной и горизонтальной сил и момента (п. В.2, Приложение 2, СП 24.13330.2011);

γ с а - коэффициент уплотнения грунта при погружении сваи, учитывается для понижения коэффициента пропорциональности К при работе свай в составе куста (п. В.2, Приложение 2, СП 24.13330.2011).

Рис. 6. Вкладка расчёт свай. ПК ЛИРА 10.6

Расчет осадки Свайного куста производится согласно п. п. 7.4.4 - 7.4.5 СП 24.13330.2011. При расчете осадок группы свай учитывается их взаимное влияние. Расчет коэффициента постели Сz грунта на боковой поверхности сваи, с учетом влияния свай в кусте, производится, как для одиночной сваи, но коэффициент пропорциональности К умножается на понижающий коэффициент αi.

Взаимное влияние осадок кустов свай учитывается так же, как при расчете условных фундаментов. Расчет жесткостей свай в свайных кустах происходит по той же методике, что и для одиночных свай, но с учетом их взаимовлияния как в кусте, так и между кустами.

Расчет условного фундамента

Задание условного фундамента от свайного куста отличается лишь тем, что в «Группе свай» выбирается пункт «Условный фундамент». Также необходимо задать дополнительно Аcf - площадь условного фундамента и способ расстановки свай - рядовой или шахматный.

Геологические условия, а также физико-механические характеристики грунтов основания задаются в Редакторе грунта.

Полная осадка свайного поля фундамента определяется по формуле:

Где: - осадка условного фундамента,

Дополнительная осадка за счет продавливания свай на уровне подошвы условного фундамента,

Дополнительная осадка за счет сжатия ствола сваи.

Дополнительная осадка за счет сжатия ствола сваи - вычисляется по формуле:

Нахождение осадки условного фундамента, а также расчет взаимовлияния групп свай (в том числе и свайных кустов) возможно производить по аналогии с плитными фундаментами по 3-м различным методам:

Метод 1 - модель основания Пастернака,

Метод 2 - модель основания Винклера-Фусса,

Метод 3 - модифицированная модель Пастернака.

В случае, если расчёт производится в модуле Грунт, необходимо, как для расчёта пластинчатых элементов, назначить сваям начальную нагрузку, которую потом можно будет уточнить с помощью функции преобразования результатов в исходные данные (рис. 7). Это делается в команде «Упругое основание».

Рис. 7. Назначение сваям начальной нагрузки. ПК ЛИРА 10.6

После расчёта в модуле Грунт, вызвав функцию «Анализ модели», можно отследить осадки, жесткости, и прочие параметры свай и грунта (рис. 8).

Рис.8. Визуализация расчёта. ПК ЛИРА 10.6

Таким образом, мы рассмотрели новую функцию, появившуюся в ПК ЛИРА 10.6, которая позволяет рассчитывать здания на свайных фундаментах.

Инженер, столкнувшийся с расчетом каркаса здания, одним из несущих элементов которого является колонна, придет к необходимости расчета отдельно стоящего фундамента. Для расчета в вычислительном комплексе SCAD разработчики предусмотрели практически полный функционал для определения несущей способности по всем критериям проверки фундамента.

Итак, выполнив построение каркаса, например, металлического потребуется расчет отдельно стоящих фундаментов. Для этого в вычислительном комплексе SCAD необходимо указать узлы, закрепленные от смещения по заданным направлениям и углам поворота (именно в этих узлах можно выполнить расчет реакции опор). Анализу подвергаются чаще всего вертикальная реакция, горизонтальная и момент в плоскости работы конструкции. Вычислительный комплекс SCAD выводит реакции для всех узлов, отмеченных пользователем, как правило, рассматривается три комбинации нагрузок для:

Rz макс, Rx соотв, Ruy соотв

Rz соотв, Rx макс, Ruy соотв

Rz соотв, Rx соотв, Ruy макс

Рис.1 Рассматриваемый каркас здания (вертикальная реакция) в вычислительном комплексе SCAD

Максимальные значения при большой загруженности схемы визуально определить непросто, можно воспользоваться инструментом «документирование», где с помощью вывода таблицы всех значений из вычислительного комплекса SCAD в MS Excel фильтруется нужные ячейки чисел.

Полученные комбинации значения необходимо далее использовать при расчете отдельно стоящего фундамента. Расчет отдельно стоящих фундаментов можно выполнять и вручную, для этого производятся вычисления давления под подошвой фундамента.

Ввиду возникающего момента, давление получается неравномерным. Вычисление краевых значений производится по формуле

Следующим этапом расчета отдельно стоящего фундамента становится определение расчетного сопротивления грунта. Вычисления производятся по СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений», формула 5.7. Для расчета нужны инженерно-геологические изыскания слоев грунта рассматриваемой площадки строительства (или непосредственно под отдельно стоящем фундаменте).

Вычисления расчетного сопротивления грунта для отдельно стоящего фундамента можно также производить с помощью программы ЗАПРОС (сателлита вычислительного комплекса SCAD). В программе реализован расчет по СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений».

Получившееся значение R должно быть обязательно больше значения давления P. В противном случае требуется уменьшение давления на грунт, например, увеличением площади отдельно стоящего фундамента. Площадь фундамента и момент сопротивления сечения фундамента находятся в знаменателе формулы нахождения давления P, что и заставляет снижать показатель давления.

При расчете отдельно стоящего фундамента нельзя также забывать и о расчете фундаментной плиты на продавливание и вычисления несущей способности. Фундаментная плита по несущей способности рассчитывается как двух консольная балка, нагрузка на которую равна давлению на грунт (III закон Ньютона). Результатом расчета становится установка рабочей «нижней» арматуры сечения плиты.

Усилие на плиту от колонны приходит весьма существенное, поэтому при расчете на продавливание может возникнуть необходимость установки дополнительных ступеней отдельно стоящего фундамента.

Продавливание, как и расчет двух консольной балки, может выполнить программа АРБАТ (сателлита вычислительного комплекса SCAD).

При выполнении всего вышеописанного алгоритма можно считать расчет отдельно стоящего фундамента выполненным.

Теперь вернемся к схеме каркаса здания. Любой фундамент на грунтовом основании (кроме скального) проседает под действием той или иной нагрузки. Полученная дополнительная деформация схемы способствует изменению перераспределению усилий уже в элементах схемы. Отсюда появляется необходимость в некоторых случаях (наиболее ответственных) устанавливать не жесткое защемление, а упругую связь, в месте примыкания колонны к отдельно стоящему фундаменту. Вычислительный комплекс SCAD не вычисляет автоматически жесткость упругой связи, но можно эту операцию выполнить вручную. Жесткость упругой связи при вертикальном смещении равна отношению несущей способности отдеьлно стоящего фундамента к его осадке, полученное значение измеряется в т/м. Осадка может быть вычислена с помощью программы ЗАПРОС (сателлита вычислительного комплекса SCAD).

Произведя расчет отдельно стоящих фундаментов мы получаем более точную картину деформации здания, а значит и более точные усилия в конченых элементах.

Рис.2 Деформированная схема каркаса здания. Вычислительный комплекс SCAD

Итак, с помощь вычислительного комплекса SCAD пользователь сможет выполнить требуемый расчет отдельно стоящих фундаментов, подобрать необходимую площадь основания, выполнить расчет на продавливание, определить крен здания, а также учесть перераспределение усилий в зависимости полученной осадки конструкции.

Предыдущая запись

Понятие и основы обязательного социального страхования Понятия принципы обязательного социального страхования

Следующая запись

Презентация для начальных классов на тему "экономика родного края"

Вверх

Фундаменты на свайном основании. Проектирование и расчет. Расчет и экспертиза здания цехаконструктивные решения Расчет фундамента в scad пример