Исследование напряженно-деформированного состояния фундаментной плиты выставочного павильона Технопарка РГСУ с учетом различных моделей основания

Аннотация

Разработана конечно-элементная модель грунт-фундаментная плита-верхнее строение. Исследовано напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты с учетом моделей Винклера и Пастернака. По результатам расчета получены графики осадки фундаментной плиты.

Ключевые слова: конечно-элементная модель, модель Винклера, модель Пастернака, коэффициент постели, осадка фундаментной плиты, напряженно-деформированное состояние.

грунт фундаментный плита осадка Здание выставочного павильона Технопарка РГСУ имеет сложное архитектурно-планировочное решение и состоит из двух разноуровневых корпусов, соединенных переходными галереями [1]. Организованный таким образом атриум позволяет использовать открытую выставочную площадку, а градация этажности составляющих частей выставочного комплекса предусматривает на фасаде главного корпуса устройство мультимедийного экрана для маркетинга (рис.1).

Рис. 1. — 3D-модель выставочного павильона Технопарка РГСУ

Конструктивная схема здания — монолитный железобетонный каркас, класс бетона несущих конструкций В30, класс продольной рабочей арматуры А400 [2].

Жесткость и устойчивость элементов каркаса обеспечивается совместной работой лестнично-лифтового ядра, диафрагм жесткости, колонн, плит перекрытий и фундаментной плиты, объединенных в пространственную систему [3].

В расчетную схему включены следующие нагрузки: собственный вес несущих и ненесущих конструкций; полезные нагрузки на перекрытия; снеговая и ветровая нагрузки [4].

Конечно-элементная модель разработана в ПК «Лира САПР» и содержит следующие конечные элементы: стержневой универсальный пространственный КЭ-10, оболочечный универсальный четырехугольный КЭ-44, специальный законтурный элемент упругого основания КЭ-53 для модели Пастернака (рис.2).

Сложная структура природных грунтов и зависимость их механических свойств от многих факторов делают расчет по определению деформаций и напряжений в грунтовых основаниях достаточно трудоемкими.

Для исследования влияния различных моделей основания на напряженно-деформированное состояние здания рассмотрены модели Пастернака и Винклера [5]. На основе инженерно-геологических изысканий о строении грунта на территории проектируемого Технопарка РГСУ (район Змиевской балки г. Ростова-на-Дону) произведено вычисление коэффициентов постели С₁ и С₂ в модуле «Лира-Грунт» (рис.3).

Рис. 3. — Расчет коэффициентов С₁ и С₂

Однопараметрическая модель Винклера основания выставочного павильона характеризуются коэффициентом постели C₁, равным 84,3 т/м³ [6]. В результате расчета получено максимальное напряжение под подошвой фундамента 136 кН/м², максимальная осадка фундаментной плиты в области центральной лифтовой шахты 165 мм [7]. Анализ результатов показал симметричное распределение осадки (рис. 4).

Рис. 4. — Осадка фундаментной плиты (модель Винклера)

Двухпараметрическая модель Пастернака характеризуется двумя коэффициентами постели С₁ и С₂. Параметр С₁ учитывает только вертикальные деформации оснований и фундаментов [8]. Параметр C₂ учитывает работу грунта за пределами фундамента [9]. Учет бокового давления сжимаемой толщи моделировался законтурным 2-х узловым КЭ упругого основания типа 53 (рис.5).

КЭ 53 применяется для моделирования отпора полосы грунта, лежащей за пределами плиты и перпендикулярной ее контуру (за счет работы грунта на сдвиг) [10]. Расчеты коэффициентов постели С₁ и С₂ выполнены в модуле «Лира-Грунт». В расчетной схеме учтены С₁=84 т/м³, С₂=4686 т/м. В результате статического расчета максимальное напряжение под подошвой фундамента 131,4 кН/м², максимальное вертикальное перемещение 161 мм (рис.6).

Рис. 6. — Осадка фундаментной плиты (модель Пастернака)

Анализируя результаты напряженно-деформируемого состояния фундаментной плиты по двум моделям грунтового основания делаем вывод, что совместная работа грунт — фундаментная плита — верхнее строение требуют учета давления грунта расширенной области. Сравнение результатов осадки фундаментной плиты по моделям Винклера и Пастернака приведены на рис. 7.

Рис. 7. — Распределение осадок фундаментной плиты

На графике совпадение результатов соответствует участку 2−3 центрально-осевой линии плиты (рис.8). На участке 1−2 модель Пастернака дает большее значение осадки, на участках 3−4, 4−5, 5−6 модель Винклера дает большее значение осадки.

Рис. 8. — Маркировка точек фундаментной плиты

Основываясь на полученных данных, можно сделать вывод, что существующие методы моделирования грунтовых оснований являются достаточно точными, но требуют взаимной проверки.

• 1. И. А. Шерешевский. Конструирование гражданских зданий. Самара: ООО «Прогресс» — 2004. С. 60.
• 2. Г. М. Кравченко, Е. В. Труфанова, С. Г. Цуриков, В. И. Лукьянов. Расчет железобетонного каркаса здания с учетом аварийного воздействия во временной области // Инженерный вестник Дона, 2015, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2015/2886.
• 3. Байков В. Н., Сигалов Э. Е. Железобетонные конструкции: Общий курс: Учебник для вузов: ил. Репринтное переиздание ООО «БАСТЕТ», 2009 г. С. 397.
• 4. Wacker J., Friedrich R., Plate E.J., Bergdolt U. Fluctuating wind load on cladding elements and roof pavers. J. of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 38, 1991, pp. 405−418.
• 5. Batht K.-J. Finite Element Procedures. K.-J. Batht .New Jersey: Prentice Hall, 1996. pp. 10−12.
• 6. Далматов Б. И. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений. М. — СП-б, 1999. С. 243−246.
• 7. Городецкий, М. С. Барабаш, Р. Ю. Водопьянов, В. П. Титок, А. Е. Артамонова, Программный комплекс ЛИРА-САПР 2013. Под ред. академика РААСН Городецкого А. С.: Электронное издание, КИЕВ-МОСКВА 2013. С. 376.
• 8. Simbirkin V. Analysis of Reinforced Concrete Load bearing Systems of Multistorey Buildings V. Simbirkin, Modern Building Materials, Structures and Techniques: CD-ROM Proceedings of the 8th International Conference, Vilnius, May 19−21, 2004. pp. 115−118.
• 9. Кадомцев М. И. Исследование деформирования частично заглубленного фундамента при гармоническом воздействии с использованием метода граничных элементов и метода конечных элементов // Инженерный вестник Дона, 2012, № 3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2009/250.
• 10. Панасюк Л. Н., Кравченко Г. М., Труфанова Е. В. О точности определения напряженно-деформированного состояния и конструктивных параметров в областях с особенностями. Интернет-журнал Науковедение. 2013. № 3 (16). С. 101.