Здание представляет собой одноэтажное жилое строение с мансардой, несущими стенами из кладки, перекрытием, опирающимся на стены, и деревянной кровлей. Оно внесено в муниципальный реестр памятников архитектуры, при этом техническая документация и оригинальные чертежи отсутствовали. Особенностью здания является стена со слуховым окном с диагональными трещинами, которая была главным объектом исследования конструкции. Здание расположено примерно в 80 м от воеводской дороги, в 35 м от скоростной автомагистрали и в 15 м от путепровода. Основной инженерной задачей было определить, ответственны ли вызванные движением транспорта вибрации за наблюдаемые трещины или же они возникли из-за состояния конструкции и фундамента здания.
Поскольку оригинальная документация отсутствовала, фактическая геометрия и конструктивная схема были воссозданы с помощью 3D-лазерного сканирования с использованием FARO Focus S70. Полученное облако точек использовалось для создания точной 2D- и 3D-CAD-документации и последующей разработки трёхмерной модели конечных элементов в Dlubal RFEM 6.12. Расчётная схема моделировалась с применением стержневых элементов для линейных компонентов и элементов поверхностей для стен из кладки и компонентов перекрытия. Модель содержала 1 742 стержневых элемента и 17 941 элемент поверхности при целевом размере конечного элемента 0,25 м. В качестве материалов использовались кладка из глиняного кирпича, бетон и древесина, при этом их механические и массовые характеристики были заданы в соответствии с особенностями существующей конструкции.
Главной трудностью была неопределённость в отношении фактических условий фундамента и грунта, так как исследование грунта или разработка котлована под фундамент не проводились. Для решения этой проблемы в модель RFEM было включено взаимодействие конструкции с основанием с помощью поступательных пружин на уровне фундамента. Были рассмотрены три различных условия жёсткости основания — от бесконечно жёсткой опоры до податливого грунта. Для податливого опирания также была учтена нелинейность отрыва фундамента. Это позволило оценить чувствительность динамической реакции и поведения конструкции здания к неопределённым грунтовым условиям.
Dlubal RFEM использовался для всестороннего конечно-элементного моделирования, генерации и проверки сетки, модального анализа, моделирования взаимодействия конструкции с основанием и анализа изменений во времени. Для определения собственных форм колебаний применялся метод Ланцоша, а для динамического анализа — неявный метод Ньюмарка с шагом по времени 0,001 с. К модели прикладывались постоянные и переменные воздействия, а также динамическое возбуждение от движения транспорта, полученное непосредственно по данным натурных измерений ускорений. Измеренные записи вибраций прикладывались на уровне фундамента, что позволило численной модели воспроизвести фактическое динамическое возбуждение, испытываемое зданием. Таким образом, рабочий процесс объединил 3D-лазерное сканирование, CAD-реконструкцию, натурные измерения вибраций и анализ в Dlubal RFEM в единый комплексный диагностический процесс.
Численный анализ показал, что принятая жёсткость грунта оказывает гораздо большее влияние на реакцию конструкции, чем само динамическое воздействие от движения транспорта. Основные собственные частоты снижались до 65% для условий податливого грунта, тогда как максимальные касательные напряжения в исследуемой стене со слуховым окном изменялись примерно на 30%. Напротив, учёт измеренных вибраций от движения транспорта в сочетаниях воздействий изменял максимальные касательные напряжения лишь на 0,2–3,7%. Сопоставление рассчитанных траекторий главных напряжений с наблюдаемыми диагональными трещинами указало на то, что повреждения были связаны прежде всего с условиями опирания и поведением конструкции стены, а не с вибрациями от движения транспорта. Проект демонстрирует, как Dlubal RFEM может эффективно применяться для оценки сложных существующих конструкций, особенно в случаях, когда оригинальная документация отсутствует, а грунтовые условия неопределённы, путём объединения точной геометрической реконструкции, измеренного динамического возбуждения и современного численного анализа.
| Место | Варшава, Польша |
| Структурный анализ | Институт строительной техники |
