Введение
Далее будут показаны возможности моделирования взаимодействия ветра, землетрясений и взаимодействия грунт-здание на примере высотного здания.
Описание модели
В данной статье рассматривается вымышленное 20-этажное высотное здание с извилистой архитектурной формой. Перекрытия этажей, колонны и ядро жесткости состоят из железобетона. Внешние поверхности облицованы стеклом. Неровный грунтовой пласт учитывается посредством буровых профилей, где он состоит из песка, гравия и выветрелых пород в нижней части рассматриваемого участка.
В качестве нагрузок учитывались собственный вес, полезные нагрузки на перекрытиях с 2 кН/м², ветровые нагрузки в одном направлении из RWIND 3 и сейсмические нагрузки из метода спектров отклика.
Модель можно скачать по следующей ссылке.
Взаимодействие грунт-здание
Грунт в данном примере моделируется методом модуля жесткости. На основе трех введенных буровых профилей для каждого элемента плиты основания определяется жесткость, соответствующая реакции грунта на приложенное напряжение подошвы.
Здесь проявляется влияние выбранного представления грунта сначала на размер файлов, а затем и на производительность. Наибольший вклад здесь делает расчет грунта в двух измерениях по сравнению с расчетом как трехмерного объемного тела. Однако и учет стратификации грунта непосредственно из буровых профилей, без генерации объемных тел, еще больше уменьшает потребление памяти модели и улучшает производительность.
Дополнительная информация о вводе и доступных опциях доступна в онлайн-руководстве по следующей ссылке:
На следующем изображении сопоставлены осадки под собственным весом (вверху) с осадками от характерной комбинации нагрузок с полезной нагрузкой (в центре) и сопровождающим ветровым воздействием (внизу). Здесь видно, как возникает более сильная осадка под железобетонным ядром здания, которая уменьшается к краю плиты основания. При сравнении осадок, возникающих из комбинации с ветровой нагрузкой (внизу), с осадками без нее (в центре), ожидаемо, что ветровая нагрузка в положительном направлении x приводит к уменьшенной осадке на левой стороне и увеличенной на правой.
При сопоставлении коэффициентов упругого основания видно, что два характерных сочетания нагрузок не отличаются. Это объясняется тем, что они автоматически были импортированы с помощью ассистента комбинаций из соответствующего квазипостоянного сочетания для проектирования. Это не только экономит время расчетов, но и лучше соответствует инерционному поведению грунта. Больше информации об учете упругого основания можно найти по следующей ссылке к руководству.
Моделирование ветра
Следующая анимация показывает результаты моделирования ветра из RWIND. Как видно здесь, структура обтекается в направлении X.
Торсионная ветровая нагрузка, возникающая из-за извилистой формы здания, также приводит к кручению высотного здания вокруг своей вертикальной оси. Это показано на следующем изображении по характеристической комбинации нагрузок с управляющей ветровой нагрузкой (вверху в изометрическом виде и внизу в виде сверху).
Землетрясение
Поскольку модальный анализ, являющийся основой для проектирования на сейсмические удары методом спектров отклика, не учитывает нелинейности, в рассматриваемом случае необходимо уделить повышенное внимание принятой опоре. Как правило, грунт не может выдерживать растягивающие силы. Это особенно верно в случае мелкого фундамента, как предусмотрено здесь. Это поведение также моделируется методом модуля жесткости. Результаты модального анализа приведены, например, на следующем изображении для первого собственного типа.
Существуют различные подходы для упрощенного проектирования на землетрясение. Например, немецкое национальное приложение к Еврокоду 8 указывает на сравнение соотношения ветровой нагрузки и нагрузки от землетрясения. Если здесь ветровая нагрузка более чем в 1,5 раза выше, чем нагрузка от землетрясения, отдельный подход может быть не использован. В этом примере это можно определить из суммы опорных сил характеристической комбинации нагрузок 9 (собственный вес и ветер в X) и ускорения, полученного из спектра откликов в направлении X для первого собственного типа. Однако здесь полученное соотношение больше, как показано в следующем уравнении. Применение этого предельного значения для 70-метрового высотного здания все равно будет сомнительным.
Американский стандарт ASCE 7 дает хорошее представление о допустимом основном собственном периоде. Согласно формуле 12.8-8, для этого примера допустимый собственный период составляет 2,13 с. Однако, поскольку первый собственный период, определенный методом модального анализа, составляет 2,24 с, здесь также нельзя выполнить упрощенную верификацию.
Тем не менее, здесь был рассмотрен случай нагрузки, который упрощенно использует горизонтальное ускорение первого собственного типа как фактор к ускорению гравитации в каждой массе. Также принимается значение плато 1,67 м/с². Более корректным было бы принимать значение согласно собственному типу, а не равномерно в каждом массе. Однако это упрощенное рассмотрение позволяет проверку результирующих напряжений подошвы и исключение разрыва. Настройки случая нагрузки и результирующие контактные напряжения показаны на следующих изображениях.
Как видно здесь, только при принятии плато ускорения возникает разрыв подошвы фундамента. Здесь, следовательно, поддержка по площади при нагрузке от собственного веса и горизонтальном воздействии от землетрясения выйдет из строя.