В инженерной геологии грунт представляет собой сложную задачу из-за своего нелинейного и зависящего от пути поведения. При применении анализа методом конечных элементов (МКЭ) для моделирования взаимодействия конструкции с основанием, включение в расчет стадий строительства имеет важное значение для достижения точного моделирования, реалистичных и безопасных расчетов. Пренебрежение этим критическим аспектом может привести к нереалистичному распределению напряжений, менее точным прогнозам осадки и нарушению устойчивости конструкции. В нашей статье рассматриваются основные причины применения данного подхода и его значение для геотехнического расчета.
- Нелинейность и история напряжений в работе грунта
Грунт ведет себя под нагрузкой нелинейно; его реакция зависит от истории приложенных напряжений. Зависимость напряжения от деформации меняется по мере постепенного приращения нагрузок в процессе строительства. Фиксация данной прогрессии необходима для реалистичного распределения напряжений, поскольку стадии строительства постепенно меняют распределение напряжений, что влияет на осадку и прочность.
- Последовательное действие нагрузки
В строительстве нагрузки применяются постепенно по мере добавления слоев или конструкций. МКЭ, который включает в себя стадии строительства и моделирует реалистичные приложения нагрузок, позволяет точно прогнозировать осадки. Таким образом можно избежать переоценки или заниженной реакции грунта, которая может повлиять на устойчивость конструкции.
- Взаимодействие с существующими конструкциями
Для проектов, охватывающих смежные или существующие конструкции, может быть значительным воздействие поэтапного строительства на близлежащие здания или инфраструктуру. Поэтапный анализ помогает оценить такие риска, как неравномерная осадка или повреждение конструкции.
- Особые задачи, связанные со строительством
Поэтапный расчет помогает учесть временные условия во время строительства, такие как осушенный грунт, чрезмерная осадка и т.д. Благодаря моделированию каждой стадии, инженеры могут на ранней стадии определить потенциальные механизмы выхода из работы и разработать меры по их снижению для обеспечения устойчивости конструкции во время строительства.
- Соответствие нормативам расчета
Современные нормы геотехнического проектирования, такие как Еврокод 7, подчеркнуты важности учёта стадий строительства при расчётах. Эти нормы требуют от инженеров оценить промежуточную устойчивость во время строительства и долговременную работу системы основание-конструкция после завершения строительства, что требует поэтапного подхода в процессе проектирования.
Геотехнический расчёт со стадиями строительства в RFEM 6
Установив значение включения стадий строительства в геотехнический расчёт, давайте теперь рассмотрим, как применить данный подход с помощью модели, описанной ниже. Модель представляет собой железобетонное здание, расположенное на массиве грунта, смоделированное в программе RFEM 6. Конструкция включает в себя железобетонные плиты для каждого этажа, фундаментную плиту, колонны и вертикальные стены. приложенные нагрузки включают в себя собственный вес грунта, собственный вес конструкции, постоянные и временные нагрузки.
Тем, кто не знаком с рабочим процессом задания стадий строительства в RFEM 6, мы рекомендуем ознакомиться со статьями Базы знаний, указанными ниже. Важно отметить, что стадии строительства в программе определяются на основе двух основных коэффициентов: конструктивные элементы, активные на данном этапе, и нагрузки, приложенные на этом этапе. Для обеспечения наглядности и краткости, будет процесс продемонстрирован на первой стадии строительства, а также будет представлена таблица, в которой показано, каким образом можно расширить данный рабочий процесс для задания последующих стадий.
- КБ 1737 | Задание стадий строительства в процессе моделирования
- КБ 1724 | Учёт стадий строительства в RFEM 6
На начальном этапе строительства основное внимание уделяется исключительно грунту. Чтобы настроить эту стадию, откройте окно «Стадии строительства» и выберите вкладки «Тела» и «Поверхности», как показано на рисунке 1. Данный шаг обеспечивает включение тела грунта, а также поверхностей с заданными граничными условиями. Перейдите по соответствующим вкладкам, чтобы настроить статус тел и поверхностей. Затем выберите для тел возможность «Все», поскольку на данном этапе в модели нет других тел. Аналогичным образом, во вкладке «Поверхности» включите поверхности с предопределенными граничными условиями, в частности поверхности с номерами 31-47 и 54-57, как показано на рисунке 2. Чтобы упростить этот процесс, можно использовать предварительно заданный выбор объектов, что позволяет добавить все соответствующие элементы одновременно. Данный подход не только экономит время, но и повышает точность настройки стадии строительства.
После того, как будут заданы конструктивные изменения для стадии строительства, следующим шагом будет определение загружений, действующих на этой стадии. Это можно сделать на вкладке «Стадии строительства» в окне «Загружения и сочетания», как показано на рисунке 3. На начальном этапе учитывается только собственный вес грунта, и соответственно назначается соответствующее загружение.
На этом этапе вы можете задать дополнительные параметры, например, изменить конструкцию в соответствии с требованиями рассматриваемого начального этапа (рисунок 4). Это важно, потому что в расчетах с использованием материала твердеющего грунта он должен быть линеаризован на первом этапе. Для этого откройте соответствующее окно и деактивируйте нелинейность материала, как показано на рисунке 5.
Затем можно настроить параметры статического расчёта для отдельных стадий, открыв окно «Параметры статического расчёта» с помощью вкладки «Основные», показанной на рисунке 4. Хотя на начальной стадии, где деактивирована нелинейность материала, нет необходимости вносить изменения, это важно для последующих стадий, таких как CS2, где можно активировать опцию «Равновесие для недеформированной конструкции» (см. рисунок 6). Это гарантирует, что деформации остаются нулевыми, что позволяет удерживать напряжения от собственного веса грунта. Этот шаг имеет решающее значение для создания правильного напряженного состояния, благодаря которому модель материала обеспечивает соответствующую жесткость.
В настройках, показанных на рисунке 6, видно, что параметры статического расчета для начальной фазы заданы с одиночным приращением нагрузки. Однако, поскольку нагрузки будут приложены в последовательных фазах, необходимо учесть дополнительные факторы, такие как корректировка количества приращений нагрузки для отражения изменяющихся условий нагружения. Для решения этой проблемы мы можем создать новую настройку статического расчёта с увеличенным количеством приращений нагрузки и присвоить ее последующим фазам. В таблице ниже указано количество приращений нагрузки для каждой фазы данной модели, благодаря чему обеспечивается точное соблюдение последовательности строительства.
| align=center@width=20%@bgcolor=lightgray | align=center | align=center | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Стадия строительства: | следует: | Добавленные объекты | Активное загружение | Модификация конструкции: | Количество приращений нагрузки: | Дополнительные соображения: |
| CS1 | / | Тело грунта, поверхности с граничными условиями | ЗГ4 | Деактивация моделей нелинейности материала | 1 | / |
| CS2 | CS1 | / | ЗГ4 | / | 1 | Равновесие для недеформированной конструкции (u=0) |
| CS3 | CS2 | Элементы фундамента | ЗГ1, ЗГ4 | / | 2 | / |
| CS4 | CS3 | Первый этаж: Стены и колонны | ЗГ1, ЗГ4 | / | 2 | / |
| CS5 | CS4 | Первый этаж: Перекрытие | ЗГ1, ЗГ4 | / | 2 | / |
| CS6 | CS5 | 1-й этаж: Стены и колонны | ЗГ1, ЗГ4 | / | 6 | / |
| CS7 | CS6 | перекрытие кровли | ЗГ1, ЗГ4 | / | 6 | / |
| CS8 | CS7 | постоянная нагрузка | ЗГ1, ЗГ2, ЗГ4 | / | 10 | / |
| CS9 | CS8 | полезная нагрузка | ЗГ1, ЗГ2, ЗГ3, ЗГ4 | / | 10 | / |
| align=center@width=20%@bgcolor=lightgray | align=center | align=center |
|---|---|---|
| Загружение | Приложенная нагрузка | |
| ЗГ1 | Собственный вес конструкции | |
| ЗГ2 | постоянная нагрузка | |
| ЗГ3 | полезная нагрузка | |
| ЗГ4 | Собственный вес грунта |
Как уже упоминалось во введении, очень важно задать последующие стадии строительства таким образом, чтобы они точно отражали процесс строительства и нагрузки, и в то же время реалистично отображали поведение грунта. Следуя рабочему процессу, описанному для начальной стадии строительства (CS1 Старт), и применяя приведенные примечания для других стадий, мы можем по таблицам 1 и 2 послужить руководством для задания последующих стадий. Обратите внимание, что все стадии строительства рассчитываются с использованием геометрически линейного метода, а для нелинейного расчета применяется метод Ньютона-Рафсона. Корректировки других параметров расчета, таких как количество приращений нагрузки, подробно описаны в таблице ниже.
Следующим шагом после задания стадий строительства является настройка параметров для создания сочетаний нагрузок перед началом расчетов. Это можно сделать в мастере комбинаторики для соответствующей расчетной ситуации. Здесь вы можете настроить параметры расчёта и включить опцию учета начального состояния, что позволяет назначать заданные стадии строительства, как показано на рисунке 7. Данный метод обеспечивает создание сочетаний нагрузок для каждой стадии строительства с учетом исходного состояния из предыдущей стадии, обеспечивая плавный и точный переход между стадиями строительства.
Теперь у вас есть вся необходимая информация, чтобы инициировать расчёт и анализировать результаты. Например, можно отобразить перемещения на каждой стадии строительства, а также конечные перемещения, соответствующие завершенной стадии CS9, на которой конструкция полностью возведена и приложены все нагрузки. Кроме того, вы можете выбрать отображение результатов в виде различий в пределах приращения нагрузки на определенной стадии или по отношению к предыдущей стадии (рисунок 8). позволяет наблюдать за деформациями, вызванными возведением определенных элементов конструкции или приложением нагрузок. Например, на рисунке 8 можно увидеть осадки, вызванные конструкцией элементов фундамента.
Заключение
Включение стадий строительства в геотехнический расчёт по МКЭ необходимо для обеспечения безопасности, устойчивости и долговечности конструкций. Моделируя пошаговый процесс строительства, инженеры могут точно оценить поведение грунта, оптимизировать конструкции и заблаговременно устранить потенциальные рискa. По мере увеличения масштаба и сложности проектов, становится поэтапный расчет все более незаменимым. Благодаря расширенным функциям и интуитивно понятным инструментам, RFEM 6 предоставляет инженерам мощную платформу для выполнения подробных расчётов стадий, повышая эффективность и надёжность при проектировании.
