Центр Компьютерного Инжиниринга "Нумерика"
НЕЛИНЕЙНЫЙ ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ ФУНДАМЕНТА ЦЕХА С ОТКЛОНЕНИЯМИ СВАЙ ОТ ПРОЕКТНОГО ПОЛОЖЕНИЯ
Инженерами «ЦКИ «Нумерика» и НИЦ «Гидротекс» выполнен нелинейный прочностной анализ фундамента цеха, при строительстве которого буронабивные сваи были возведены со значительным отклонением от проектного положения в плане. Отклонения превышали нормативно допустимые значения, в связи с чем дальнейшее строительство было приостановлено. В результате расчетного исследования подтверждена механическая безопасность конструкций фундаментов при условии повышения класса бетона по прочности для ростверка с B25 до B35.
Дата: октябрь 2020 г. .
Введение
Объектом расчетных исследований являются железобетонные конструкции фундаментов цеха. Конструктивно здание цеха представляет собой пространственный каркас из стальных элементов с облицовкой из сэндвич-панелей. Колонны каркаса жестко защемлены на уровне фундаментов. Пространственная жесткость и устойчивость обеспечивается жесткими узлами примыкания колонн на уровне фундаментов в поперечном направлении и системой горизонтальных и вертикальных связей в продольном направлении. Под колонны каркаса проектом предусмотрены свайные фундаменты с применением буронабивных свай-стоек диаметром 1000 мм. Расстояние между сваями по их центрам в проектном положении составляет 2 м. Сваи опираются на скальные грунты.
В ходе производства работ были допущены отклонения в плановом положении отдельных свай в кустах, превышающие допустимые. Несоответствие фактического положения свай в кустах проектному положению может способствовать формированию напряженно-деформированного состояния, при котором текущей несущей способности фундаментов будет недостаточно. Таким образом, использование свай с отклонениями положения в плане возможно в случае соответствующего обоснования прочности ростверка и БНС при действии расчетных нагрузок, предусмотренных проектом.
Фактическое положение свай относительное проектных осей
Основной целью расчетного исследования является проверка возможности использования в конструкции фундаментов буронабивных свай, выполненных с отклонениями в плановом положении. Величины отклонений свай были предоставлены в виде
Численная конечноэлементная модель фундамента
Расчётные исследования выполнялись в верифицированном программном комплексе SIMULIA Abaqus в физически нелинейной постановке, учитывающей образование и развитие пластических деформаций в бетоне. При создании модели были учтены конструктивные особенности рассчитываемых фундаментов и выполнено моделирование арматурных каркасов ростверков и буронабивных свай. Нагрузка на фундаменты передавалась с помощью кинематических связей через анкерные блоки и площадки опирания, имеющие размеры сопоставимые с базами колонн в проекте.
При дискретизации объемных тел на конечные элементы использовались тетраэдрические четырехузловые и шестиузловые конечные элементы (КЭ) типа C3D4 и C3D6 (рисунок 3.4). При дискретизации плоских тел на конечные элементы использовались трехузловые и четырехузловые конечные элементы оболочек типа S3 и S4R (рисунок 3.5). Данные элементы являются элементами первого порядка и наиболее широко используются в задачах механики твердого тела. В настройках элемента включена опция контроля за эффектом «песочных часов», а также опция пониженной интеграции, которая позволяет использовать интеграцию более низкого порядка для формирования жесткости элемента. Уменьшение интеграции сокращает время расчета, особенно при решении трёхмерных задач. При дискретизации линейных тел использовались стержневые элементы первого порядка типа B31. Глобальный размер конечных элементов ростверка принят равным 0.2 м. В зонах расположения анкерных блоков локальный размер элементов был уменьшен до 0,05 м. Арматурные каркасы были дискретизированы на конечные элементы размером 0,15 м.
В качестве базовых моделей деформирования для всех материалов использовалась модель изотропной упругости, предполагающая пропорциональное увеличение напряжений и деформаций в соответствии с законом Гука. Для учета нелинейных свойств бетона применялась модель бетона Concrete Damage Plasticity. В качестве критерия текучести (разрушения) модель Concrete Damage Plasticity использует критерий Ли и Фенвеса (1998) [1]:
Модель обеспечивает возможность моделирования бетона и других хрупких материалов с использованием всех стандартных типов конечных элементов. В модели использована концепция изотропной упругости с развитием повреждений в сочетании с изотропной пластичностью при растяжении и сжатии для моделирования неупругого поведения бетона. Также модель Concrete Damage Plasticity состоит из комбинации неассоциированной пластичности с множественным упрочнением и скалярной (изотропной) упругости (с возможностью деградации матрицы упругости) для описания необратимого повреждения, возникающего в процессе разрушения бетона, с возможностью управления эффектами восстановления жесткости при циклическом реверсировании нагрузки.
Для описания поведения материала при сжатии использовались нелинейные диаграммы деформирования бетона, определяемые зависимостью, представленной Н.И. Карпенко [2]. Данные зависимости также представлены в приложении Г СП 63.13330.2018 [3].
Для описания поведения материала при сжатии использовались нелинейные диаграммы деформирования бетона, определяемые зависимостью, представленной Н.И. Карпенко [2]. Данные зависимости также представлены в приложении Г СП 63.13330.2018 [3].
Нагрузки на ростверк принимались равными усилиям в базе колонн, которые были определены сторонней организацией в процессе расчета стального каркаса цеха. К вертикальной нагрузке на фундамент от стального каркаса прибавлялась нагрузка от вышележащего грунта. Для учета бокового отпора грунта по линейно-упругой модели к боковым граням фундамента назначалось граничное условие упругого основания с линейно-возрастающим коэффициентом постели. Расчет коэффициента для каждой грани выполнялся в соответствии с методикой приложения В СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» [4]
Результаты расчета
В результате расчета модели получены значения деформаций и усилий в железобетонных конструкциях фундамента цеха. Как видно из рисунков, сжимающие напряжения, значения которых близки к критическим, сосредоточены по контуру площадок передачи нагрузки. На небольшом удалении от границ этих зоны значения напряжений значительно падают. Толщина ростверка равная 2,6 м позволяет равномерно передать нагрузку на буронабивные сваи, в связи с чем отклонение буронабивных свай в плане от проектного положения не сильно влияет на результирующую картину напряженно-деформированного состояния фундамента. Сжимающие напряжения в бетоне, а также напряжения в арматуре не превышают предельно допустимых значений.
Также на рисунках представлены главные максимальные напряжения σ1 в бетоне ростверка. Области высоких растягивающих напряжений (σtmax = 1,16 МПа) расположены в промежутках между сваями под колоннами стального каркаса и составляют значительную площадь нижней грани ростверка. Данная картина напряженно-деформированного состояния говорит о возможном возникновении и раскрытии трещин в бетоне ростверка. Причиной формирования данных областей является близкое расположение точек опирания колонн стального каркаса цеха, а также ослабление свайного основания фундамента в центральной его части в виде отсутствия двух смежных свай. Так, основная нагрузка на фундамент с учетом действия изгибающего момента приходится на сваи, расположенные прямо по центральной оси, в связи с чем центральная часть ростверка подвергается значительно большим деформациям, чем на его периферии.
В связи с этим была произведена оценка глубины раскрытия трещин по высоте областей критических напряжений (глубине расположения точек изоповерхностей напряжений). Данный способ прост в исполнении – достаточно отобразить изоповерхность по пределу прочности при растяжении, но недостатком является его сильная зависимость от степени дискретизации модели на конечные элементы, а также параметров самих элементов (порядок конечного элемента и тип интеграции). Порядок конечного элемента определяет количество узлов, которыми обладает сам элемент, а значит и количество точек интерполяции, в которых выполняется определение конечного отклика материала. На рисунке представлена оценка глубины распространения критических растягивающих напряжений по глубине расположения точек изоповерхностей напряжений. Из данного рисунка видно, что глубина раскрытия трещин при оценке по изоповерхностям напряжений составляет не менее 0,25 м.
В связи с этим была произведена оценка глубины раскрытия трещин по высоте областей критических напряжений (глубине расположения точек изоповерхностей напряжений). Данный способ прост в исполнении – достаточно отобразить изоповерхность по пределу прочности при растяжении, но недостатком является его сильная зависимость от степени дискретизации модели на конечные элементы, а также параметров самих элементов (порядок конечного элемента и тип интеграции). Порядок конечного элемента определяет количество узлов, которыми обладает сам элемент, а значит и количество точек интерполяции, в которых выполняется определение конечного отклика материала. На рисунке представлена оценка глубины распространения критических растягивающих напряжений по глубине расположения точек изоповерхностей напряжений. Из данного рисунка видно, что глубина раскрытия трещин при оценке по изоповерхностям напряжений составляет не менее 0,25 м.
Таким образом, отклонение буронабивных свай в плане от проектного положения практически не влияет на результирующую картину напряженно-деформированного состояния фундамента. Возникновение опасных зон с высокими значениями растягивающих напряжений в ростверке связано с конструктивными особенностями фундамента и стального каркаса цеха, а не смещением свай. Механическая безопасность конструкций фундамента обеспечивается. Для исключения возможности распространения трещин вглубь ростверка и их раскрытия на ширину, превышающую допустимые значения рекомендовано повысить класс бетона по прочности для ростверка до B35.
Результаты
В данной работе выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния фундамента цеха с отклонением свай от проектного положения. При анализе результатов установлено, что прочность конструкции обеспечивается при действии проектных нагрузок, несмотря на отклонение свай. Также определены наиболее критические области напряжений, возникающие из-за распределения усилий в соответствии с принятой конфигурацией свай в проекте. Рекомендовано повышение класса бетона по прочности для исключения возможности распространения трещин вглубь ростверка.
Список источников
1. Lee J. and Fenves G. L. Plastic-Damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures. Journal of Engineering Mechanics, vol. 124, no. 8, pp. 892–900, 1998
2. Карпенко Н. И. Общие модели механики железобетона. М.: Стройиздат, 1996. – 416 с.
3. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. СНиП 52-01-2003 (с Изменением N 1).
4. СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 (с Опечаткой, с Изменениями N 1, 2, 3)
2. Карпенко Н. И. Общие модели механики железобетона. М.: Стройиздат, 1996. – 416 с.
3. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. СНиП 52-01-2003 (с Изменением N 1).
4. СП 24.13330.2011 Свайные фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 2.02.03-85 (с Опечаткой, с Изменениями N 1, 2, 3)
ООО "ЦКИ "Нумерика" 2023 — ... ©
cae-numerica@yandex.ru
Пн—Вс: 10:00—21:00
г. Владивосток
*Проект создан при поддержке Фонда Содействия Инновациям