Расчет здания с учетом взаимодействия сооружения с основанием (2017 г.)

Расчёт зданий с учётом взаимодействия сооружения с основанием

Введение в вебинар

• Вебинар посвящён расчёту зданий, учитывающему взаимодействие сооружений с основанием. Основное внимание будет уделено плоским моделям грунта, а также трёхмерной модели.

• Теоретическую часть ведёт Марина Сергеевна Бусалова из Московского Государственного строительного университета, её доклад продлится около 40 минут.

• После теоретической части будет перерыв на 5 минут и ответы на вопросы участников.

Модели грунта

• В ходе вебинара будут рассмотрены различные математические модели грунта, их достоинства и недостатки. Среди них выделяются:

• Модель Винклера и её модификации.

• Модель упругого линейного деформируемого полупространства.

• Нелинейные упруго-пластические модели.

Модель Винклера

• Модель грунта по гипотезе Винклера основывается на пропорциональности реактивного давления к прогибу верхнего строения. Рассматривается случай плоской задачи при нулевых перемещениях по оси Y.

• Основные допущения для данной модели включают равенство вертикальных перемещений прогиба полосы к осадкам основания в соответствующих точках.

Допущения и уравнения

• Второе допущение предполагает малую высоту сечения полосы относительно её длины, что позволяет применять гипотезу плоских сечений. Это приводит к дифференциальному уравнению четвёртого порядка.

• Третье допущение утверждает, что осадка основания происходит только в точке приложения силы, что вызывает возражения из-за реальной ситуации распределённых нагрузок.

Недостатки модели

• Основной недостаток модели заключается в том, что осадки не могут быть равномерными вне области действия нагрузки. Это противоречит реальным условиям работы грунтовых оснований.

• Если рассматривать условия применения третьего допущения о коэффициенте постели, то оно лучше всего работает в средах с низким сопротивлением (например, вода).

Альтернативные подходы

• Для устранения недостатков разработаны модификационные модели: модель упругого основания с двумя коэффициентами постели предложена Пастернаком и Леонтьевым.

Модификационные модели грунта и их применение в инженерном проектировании

Основные характеристики модификационной модели

• Модификационная модель устраняет недостатки модели Винклера, позволяя учитывать распределительную способность грунта без усложнения математической постановки задачи.

• Существенный недостаток двух параметрической модели заключается в возникновении эффективных поперечных сил на краях фундамента, что связано с использованием одного коэффициента постели C_1, заданного переменным по площади основания.

Применение моделей в зависимости от условий

• Модели Винклера и модификационной модели применяются, когда нет необходимости знать реакции грунта под действием веса сооружения.

• Для более точного моделирования необходимо использовать объемные конечные элементы, особенно если важно понимать поведение грунтового основания.

Линейная деформация и ее ограничения

• Грунт не является упругим телом; зависимость между напряжениями и деформациями не линейна, что делает применение закона Гука проблематичным.

• Неоднородность и анизотропия грунта также ограничивают использование теории упругости для его моделирования.

Нелинейные модели и их значимость

• При проектировании ответственных сооружений необходимо учитывать нелинейность зависимости между напряжением и деформацией из-за значительных пластических деформаций.

• Для зданий повышенной этажности требуется моделировать грунт как нелинейно деформированное полупространство, чтобы учесть реальные механизмы деформирования.

Модель Мора-Кулона

• Модель Мора-Кулона используется при умеренных статических нагрузках; критерий перехода в пластическое состояние основан на законе Кулона.

Преимущества и недостатки модели Мора-Кулона

Преимущества модели

• Модель позволяет учитывать различные типы грунтов, что является её первым преимуществом.

• Для практических расчетов достаточно использовать нормативные характеристики физико-механических свойств грунтов, которые обычно содержатся в отчетах инженерно-геологических изысканий.

Недостатки модели

• Модель имеет недостатки, особенно в численном моделировании, где возникают значительные погрешности.

• Необходима аппроксимация кусочно-линейной поверхности текучести для более точных результатов.

Исследования и аппроксимации

Теоретические исследования

• В настоящее время проводятся активные теоретические исследования по улучшению модели.

• Предложена новая аппроксимация для кусочно-линейной поверхности текучести, основанная на инвариантах тензора напряжений.

Диаграмма разрушения

• Для понимания разрушения грунта необходимо изобразить поверхность разрушения в пространстве главных напряжений.

Модель Друкера-Праге

Уравнение гладкой поверхности текучести

• Уравнение для анализа сложного нелинейного напряженно-деформированного состояния было предложено Кером и Герой.

• Поверхность текучести представляется в виде прямого кругового конуса с осью, совпадающей с гидростатической осью.

Зависимость от параметров

• Найдена зависимость между константами и стандартными параметрами грунтовых исследований.

Расширенный критерий Друкера-Праге

Параметры расширенного критерия

• Расширенный критерий включает параметры: углы трения и удельное сцепление, полученные из инженерно-геологических изысканий.

Коэффициент отклонения от круговой формы

Модель текучести грунта и её недостатки

Основные концепции модели Мора-Кулона

• Обсуждение морской модели, включающей пирамиду и конус, описывающий поведение текучести. Упоминается о недостатках критерия, связанных с гладкостью поверхностей текучести.

• Для устранения недостатков предложен гиперболический закон изменения меридиональной образующей поверхности текучести, что позволяет замкнуть поверхность текучести.

Шатровая модель грунта

• Введение шатровой модели грунта, предложенной Друкером и Гибсоном. Эта модель рассматривает поведение грунта как упругопластического материала с функцией текучести.

• Основные особенности новой модели: замыкание поверхности текучести и использование коэффициента пористости как параметра упрочнения.

Разработка моделей

• Под руководством Роска была разработана Come Clay модель в 1971 году, которая обобщила предыдущие подходы к моделированию поведения грунтов.

• Шатровая модель может применяться для различных материалов, включая скальные породы и грунты. Однако существует сложность в определении исходных параметров.

Применение программного обеспечения Лира

• Алексей Колесников начинает обсуждение программы Лира для анализа упругого основания. Упоминаются вопросы от участников вебинара.

• Начало разбора случаев использования программы Лира с акцентом на простые случаи создания задач.

Создание задачи в программе Лира

• Открытие стартового окна программы Лира для создания новой задачи по учету упругого основания с одиночной скважиной.

• Обсуждение нового релиза версии 102 R2 программы с улучшениями функционала и графической среды.

Расчет нагрузки и коэффициентов постели

• Создание конструкции в программе для расчетов с использованием самой простой модели грунта.

• Определение граничных условий для конструкции и расчет коэффициентов постели на основе измерений размеров конструкции.

Анализ нагрузок и параметры грунта

Введение в анализ нагрузок

• Обсуждение о весе погрешности и его влиянии на анализ. Упоминаются стержни, которые будут удалены для упрощения анализа.

Настройка параметров фундамента

• Параметры нагрузки: 300 тонн. Возможность настройки глубины, удельного веса и формы фундамента. Соотношение сторон фундамента одинаковое (12).

Использование нормативных документов

• Множество формул и нормативных документов доступны для использования в зависимости от предпочтений пользователя. Задаются параметры скважин и текущего слоя.

Редактирование геологических данных

• Возможность редактирования толщины слоев грунта и переключения между ними. Цвета слоев также могут быть настроены.

Модули деформации грунта

• Обсуждение модулей деформации для различных типов грунтов. Рекомендации по умножению модуля деформации на коэффициенты в зависимости от типа задачи.

Документирование результатов анализа

Экспорт данных

• Все параметры могут экспортироваться в Word или Excel для документирования результатов анализа.

Выбор метода расчета

• Необходимость выбора правильного метода расчета из множества доступных, чтобы избежать недопонимания среди специалистов.

Применение коэффициентов постели

• Применение рассчитанных коэффициентов к фундаментной плите с возможностью обнуления некоторых значений по рекомендациям предыдущих докладчиков.

Анализ осадок и взаимодействия с основанием

Осадки фундамента

• Анализ осадок при использовании одиночных скважин для учета взаимодействия сооружения с основанием.

Добавление дополнительных скважин

• Возможность добавления дополнительных скважин для более точного моделирования нагрузки на фундаментные конструкции.

Моделирование конструкций

Создание модели сооружения

• Открытие уже созданной модели сооружения для дальнейшего анализа с учетом распределенных коэффициентов постели.

Граничные условия

Ограничение перемещений и работа с фундаментной плитой

Ограничение перемещений

• Необходимо ограничить вертикальные перемещения, чтобы избежать проблем с расчетами.

• Существует связь между элементами конструкции, что важно учитывать при моделировании.

Работа с фундаментной плитой

• Первым шагом является назначение элементов для фундаментной плиты; можно использовать разные методы фрагментации.

• В контекстном меню добавляются часто используемые функции, такие как фильтр выбора и атрибуты представления.

• Для применения изменений необходимо перезайти в программу Лира.

Удобства работы в Лире

• Программа запоминает положение расчетной модели и фрагментацию, что упрощает дальнейшую работу.

• Переход между модулями не требует повторного рисования модели, что экономит время.

Расчет нагрузок

• Для уточнения коэффициентов постели по модели грунта необходимо знать нагрузку и площадь фундамента.

• Площадь фундамента измеряется по контуру; нагрузка рассчитывается через суммирование всех воздействий на конструкцию.

Анализ результатов расчета

• Если ручной расчет нагрузки не подходит, можно использовать автоматизированные схемы для получения итоговых значений.

• Ручное деление нагрузки на площадь дает значение pz равное 1.9 тонн.

Настройка параметров основания

• После определения pz для фундаментной плиты следует выделить ее и задать параметры в упругом основании.

• Программа анализирует только те элементы, которые отображаются на расчетной модели.

Определение инженерно-геологических элементов

• Для получения окончательного значения pz необходимо делить общую нагрузку на площадь фундамента (7.8).

• Создание поля скважин начинается с выделения точки на чертеже; навигация осуществляется через скроллинг мыши.

Настройка скважин

• Скважины задаются по слоям; настройки зависят от инженерно-геологических изысканий.

Настройка модели грунта

Введение в параметры грунта

• Обсуждение важности заполнения всех пунктов для активации следующих настроек, таких как изменение имени слоя грунта.

• Упоминание о возможности добавления неиспользуемых грунтов, которые не будут удалены из системы.

Настройка слоев грунта

• Пример настройки слоев: насыпной песок с глубиной 1 м и пылеватый песок с мощностью 2 м.

• Возможность создания разрезов для проверки правильности задания скважин и визуализации данных.

Создание неоднородной модели

• Процесс копирования и изменения параметров скважин для создания разнообразия в модели.

• Настройка второго слоя (суглинок), который залегает на глубину 4 м, а затем глина до 10 м.

Визуализация и проверка модели

• Возможность построения разреза по горизонтали и вертикали для анализа расположения слоев.

• Копирование существующих скважин с изменением их параметров для создания четырех различных скважин.

Завершение настройки и расчет

• Проверка глубины залегания слоев и возможность регламентирования абсолютных отметок в настройках скважин.

• Описание выбора методов расчета согласно различным нормам (нип СП, украинские нормы).

Эффективность расчетов

• Сравнение скорости вычислений новой версии программы с предыдущей версией Лира 96, подчеркивая значительное ускорение процессов.

• Ответы на вопросы пользователей о жёсткости фундамента и настройках материалов.

Заключительные моменты

• Уточнение наличия всех необходимых жесткостей в задаче, включая параметры нагрузки (ветер, снег).

Водонасыщенность грунта и коэффициенты постели

Учет водонасыщенности грунта

• Водонасыщенность грунта учитывается в параметрах, представленных в таблице, где есть столбец для воды. При установке галочки происходит соответствующее изменение параметров.

Расчет коэффициентов постели

• Обсуждение расчетов коэффициентов постели (c12), которые визуализируются на упругом основании. Значение pz одинаково по всей площади, но будет уточнено позже.

• Возможность изменения значений коэффициентов постели без повторного расчета. Например, можно умножить их на соответствующий коэффициент.

Перерасчет модели

• Для определения точного значения pz необходимо провести расчет модели. Изначально заданное значение 7,8 может варьироваться в зависимости от точки.

• Статический расчет конструкции завершен, программа автоматически обновила результаты для фундаментной плиты и пластин.

Применение результатов расчета

• Значения rz могут отличаться по местоположению; важно использовать актуальные данные для дальнейших расчетов.

• Процесс преобразования результатов в исходные данные включает указание элементов и применение новых значений нагрузки.

Оценка изменений нагрузки

• После преобразования программы показывают процент изменения нагрузки и перемещение центра тяжести сил. Эти данные важны для оценки необходимости дальнейших перерасчетов.

• Фундаментная плита выделена для анализа; pz теперь распределен по всей плите с учетом изменений.

Перерасчет с новыми данными

• Необходимо пересчитать центры постели с учетом различных значений pz. Этот процесс занимает больше времени из-за индивидуальных данных каждой пластины.

• Обычно требуется несколько итераций перерасчета при неоднородных сооружениях; результаты показывают изменения в rz после каждого этапа.

Заключительные шаги анализа

• Процент изменения нагрузки оказался незначительным, что позволяет считать текущие параметры достаточными для дальнейшего анализа взаимодействия сооружения с основанием.

Методы расчёта осадки и коэффициентов постели

Введение в методы расчёта

• Обсуждение вертикального перемещения и его измерения с помощью насадки. Упоминается метод 2, который фиксирует максимальное перемещение в диапазоне от 16,3 до 16,6.

Геометрия и характеристики грунтов

• Основные параметры для расчёта коэффициентов постели: геометрия фундамента, нагрузки и характеристики грунтов. Подтверждение корректности данных через визуализацию.

Результаты расчёта

• Завершение расчёта сочетаний нагрузок. Осадка значительно отличается между различными моделями, что подчеркивает важность выбора метода.

Формирование отчета

• Возможности формирования отчета: вставка таблиц и графиков. Экспорт отчетов в различные форматы (Word, HTML, Excel).

Характеристики грунтов

• Обсуждение использования характеристик грунтов: лабораторные данные против среднестатистических значений. Рекомендации по выбору параметров из СНИП или на основе геологических исследований.

Коэффициенты Пуассона и их применение

Выбор коэффициента Пуассона

• Обычно предоставляется геологами; если нет — рекомендуется использовать значения из СНИП для различных типов грунтов (песок, глина).

Нагрузки от бокового давления

• Обсуждение применения бокового давления как нагрузки при отсутствии автоматизированных вычислений. Упоминание о необходимости учитывать все параметры грунтов.

Трехмерное моделирование грунта

Возможности трехмерного моделирования

• Описание редактора материалов для нелинейного грунта. Упоминание о реализации моделей прочности в новой версии программы.

Сравнение результатов расчетов

• Генерация отчета с большим объемом данных (600 страниц). Сравнение коэффициентов постели и осадки между разными моделями показывает значительные отличия.

Заключение по расчетам

Итоги расчетов осадки

Обсуждение нелинейных задач в расчётах

Введение в нелинейные задачи

• Обсуждаются элементы, созданные для решения нелинейных задач, где отсутствуют анты постели и используются модули упругости.

• Упоминается время расчёта, которое составило 13 минут. Подчёркивается важность результатов расчёта.

Анализ результатов расчётов

• Рассматривается распределение напряжений по фундаменту с использованием объёмных конечных элементов.

• Лира позволяет учитывать реальные характеристики грунта при выполнении таких расчётов.

Оценка фундаментной плиты

• Возможность оценки внутреннего усилия и осадки на фундаментной плите с помощью фильтра.

• Предостережение о том, что такие расчёты рекомендуется проводить только для ответственных сооружений.

Перемещения и реакции конструкции

• Обсуждается возможность адекватной оценки горизонтальных перемещений и реакций сооружения по сваям.

• Упоминается, что анализ свай не входил в программу вебинара.

Планы на следующий вебинар

Темы следующего вебинара

• Анонсируется следующий вебинар по расчету большепролетных конструкций с акцентом на проверки предельного состояния.

• Обсуждение возможности учесть нелинейность в будущих расчетах.

Вопросы участников

• Участники задают вопросы о литературе; предлагаются книги Вознесенского и других авторов как рекомендуемые источники.

Сравнение версий программного обеспечения

Новшества версии 102

• В новой версии реализованы методы аналитической теории прочности, которых не было в предыдущих версиях.

Выбор методов расчета