Рассмотрим конструкцию железобетонной колонны, усиленной обоймой из стальных уголков. Выполним расчёт усиления вручную, смоделируем усиление в ПК ЛИРА САПР и выясним ответ на вопрос – можно ли подобрать сечение уголков расчётом в ПК ЛИРА САПР.
Расчёт колонны без усиления
Исходные данные
Рассмотрим колонну квадратного сечения 40х40 см, класс бетона В25. Колонна армирована стержнями диаметром 32 мм по углам сечения, итого – 4 стержня. Класс арматуры А500С. На колонну действуют нагрузки: продольная сила N=200 т, изгибающий момент Мх=10.2 т*м.
Определим несущую способность колонны и проверим – выдержит ли конструкция действующие нагрузки?
Несущая способность колонны без усиления
Для проверки несущей способности колонны, воспользуемся инструментом ЛАРМ-САПР, где зададим исходные данные, указанные выше, и выполним проверку заданного армирования:
По результатам проверки видно, что коэффициент запаса составляет 1.017, что позволит увеличить продольную силу на 3.4 т.
Расчёт колонны с усилением
Новые исходные данные
Предположим, что по новым условиям, продольная сила, действующая на колонну, увеличится на 200 т, что явно больше допустимой величины, так что для рассматриваемой колонны потребуется спроектировать усиление. Выполнять усиление планируется путём устройства обоймы из прокатных уголков. Будем предполагать, что на момент устройства усиления, конструкция будет полностью разгружена, так что элементы усиления вступят в совместную работу с конструкцией колонны без дополнительных технических мероприятий. Это позволит воспользоваться возможностью ПК ЛИРА САПР по расчёту сталежелезобетонных сечений (сечения с жёсткой арматурой). Параметры жёсткости для расчёта колонны с обоймой, приведены на рисунке:
Для жёсткой арматуры (уголков) выбираем сталь С345, которую указываем в настройках типа армирования:
Результаты проверки прочности сталежелезобетонного сечения представлены на рисунке:
Приведённая выше технология, позволяет подобрать сечение ветвей обоймы для усиления железобетонной колонны. У данной технологии есть существенное ограничение: рассматриваемая колонна, на момент устройства усиления, должна быть полностью разгружена, т.е. в ней не должно быть никаких напряжений, за исключением напряжений от её собственного веса, что вызывает необходимость проведения серьёзных организационно-технических мероприятий по разгрузке конструкций.
Усиление железобетонной колонны под нагрузкой
Чтобы избежать выполнения разгрузки конструкций здания, следует выполнить расчёт усиления колонны с учётом того, что в сечении колонны, на момент усиления, будут действовать определённые усилия, например, от собственного веса конструкций здания, находящихся выше колонны. Для того, чтобы ветви обоймы включились в совместную работу с конструкцией колонны и восприняли долю нагрузки достаточную для обеспечения несущей способности колонны, следует либо увеличить сечения ветвей колонны, либо выполнить их предварительное напряжение. Предварительное напряжение ветвей обоймы более рационально, чем увеличение их площади, однако, это потребует создания модели усиливаемой колонны в ПК ЛИРА САПР.
Моделирование усиления колонны в ПК ЛИРА САПР
При моделировании работы железобетонной колонны усиленной стальной обоймой, очень важно правильно назначить типы конечных элементов (КЭ) и правильно выполнить настройки типов жёсткости для каждого КЭ. Для расчёта потребуется смоделировать колонну при помощи нелинейных КЭ, причём таких, которые позволяют одновременно учесть геометрическую и физическую нелинейность, с такой задачей может справиться КЭ410. Также, для учёта геометрической нелинейности, моделировать колонну следует не единым стержнем, а из 6-10 стержней на высоту этажа. Воспользуемся технологией моделирования, описанной в статье
Для расчёта колонны создадим нелинейный тип жёсткости.
Определение характеристик для основного материала выполним в табличной форме:
По какому принципу следует определять нелинейные характеристики бетона, рассказано в статье: Инструкция по расчёту железобетонной плиты с учётом физической нелинейности
Закон деформирования армирующего материла учитывается в характеристиках ТЗА
Остаётся вопрос: как смоделировать обойму? Для этих целей, можно также воспользоваться функцией создания Заданного армирования, только вместо выбора диаметра арматуры, следует задать площадь ветви обоймы, а также, создать закон деформирования, соответствующий принятой марки стали обоймы. Привязку центра тяжести арматуры, выполняющей функцию обоймы, следует назначать исходя из геометрических характеристик принятого сечения ветви (см. иллюстрацию выше).
Важно! Задать разные деформационные характеристики для арматуры в одном и том же сечении, можно только при использовании функции Заданное армирование.
Приложим к колонне нагрузку N=400 т, Мх=10.2 т*м, выполним расчёт и проанализируем результаты. Поскольку в модели присутствует нелинейный КЭ, потребуется шаговое приложение нагрузки.
По завершении расчёта, следует убедиться, что в процессе нагружения модели, не возникает разрушенных элементов, если это условие выполняется, можно переходить к определению величины предварительного напряжения ветвей обоймы.
Чтобы выяснить, какое усилие следует создать, при предварительном напряжении, следует принять решение: сколько процентов от суммарной нагрузки, будет воспринимать сечение на момент устройства обоймы и предварительного напряжения?
Для надёжности, рекомендуется обеспечить максимальную разгрузку усиливаемой конструкции перед устройством усиления, так, чтобы колонна воспринимала нагрузку только от веса конструкций, расположенных выше. Складирование материалов и пребывание людей на перекрытиях, опирающихся на колонну в момент устройства усиления и преднапряжения не допускается.
В данном примере, будем предполагать, что рассматриваемая колонна, в момент устройства усиления, будет воспринимать 25% нагрузки, требуемой по проекту. Задавшись этой величиной, мы сможем вывести информацию об интересующем нас элементе, в момент приложения принятой доли нагрузки.
Для определения величины предварительного напряжения ветвей, выберем элемент, в котором возникает наименьший изгибающий момент (местоположение элемента определяется по эпюре моментов). Для вывода информации об усилиях в стержнях арматуры, в окне информации об элементе, нажимаем галочку «Трещины».
Величину усилия для предварительного напряжения ветвей обоймы, примем как сумму внутренних усилий для стержней 5, 6, 7, 8: 8.82+9.02+8.82+9.02=35.68 т.
На полученное усилие, следует выполнить расчёт приспособлений для создания предварительного напряжения колонны (монтажные столики, траверсы, сварные швы, которые будут соединять ветви обоймы с приспособлениями). Также, следует рассчитать и спроектировать специальные конструктивные элементы, которые будут воспринимать созданные внутренние усилия после того, как устройства для предварительного напряжения (домкраты), будут убраны. Помните, что приварка каких-либо деталей к стальным конструкциям, воспринимающих усилия предварительного напряжения, или любую другую нагрузку, не допускается, что следует учитывать, при проектировании конструкции обоймы.
Также, рекомендуется изучить литературу по расчёту и проектированию усиления строительных конструкций https://dwg.ru/dnl/4479 Мальганов А.И., Плевков В.С., Полищук А.И. Восстановление и усиление строительных конструкций аварийных и реконструируемых зданий
#усиление #проектирование зданий #железобетон #реконструкция #ремонт #обойма
