Расчет зданий в SOFiSTiK. Часть 1.1. Материалы

 Артём Письмак

  Представляем вниманию читателей серию публикаций по проектированию и расчёту зданий, сделанный в виде мастер-класса с пояснениями каждого действия. По завершению серии публикаций будет выпущено полноценное методическое пособие.

  Выдержка из методического пособия "Расчёт многоэтажного здания с учётом деформации упругого полупространства и динамических воздействий по действующим нормам Российской Федерации"

1.1. Назначение материалов согласно СНиП 52-02-2003* - «Бетонные и железобетонные конструкции»

  При проектировании конструкций необходимо создание базы материалов.  (при проектировании и моделировании учебных задач для выбора материалов необходимо пользоваться таблицей  приложения 1)

  Создание базы материалов в среде SSD выполняется с помощью дерева проекта в окне навигации (Navigation -> Project). Необходимо создать новые материалы щелкнув правой кнопкой мыши по ответвлению «Materials» и выбрав соответствующий пункт «New» или «Import» при возможности добавления из другого проекта*. Производится выбор необходимого материала. В нашем случае принимаем бетон класса B30 (рис. 1.2), основываясь на следующих показателях: 

• Category -  выбор базы материалов (для соответствия отечественным нормам выбирается Russian Standart)
• Type – выбор типа материала с базовыми характеристиками, при выборе российских ГОСТ’ов с соответствующими исходными параметрами. При проектировании рекомендуется в качестве бетона для железобетонных конструкций выбирать - «Standart concrete», обычной арматуры – «Reinforcing steel», преднапряженной арматуры – «Prestressing steel», стали для металлического проката – «Structural steel» соответственно.
• Classification – соответствующий выбранным нормам класс бетона или стали. Класс бетона согласно нормативной документации назначается от B0,5 до B120, что назначается из условия 95% обеспеченностью при испытании кубиков, а коэффициент запаса при назначении класса бетона по прочности соответствует в СНиП 2.03.01-84 и СНиП 52-01-2003 и равен 1,5 (в программе внесены классы от B10 до B60, что позволяет выполнить большую часть проектных задач, остальные характеристики вводятся согласно таблицам 1.1 и 1.2 приложения 1).
• Max. Thickness (только для сталей) – максимальная толщина проката (различна при различных видах сталей в соответствии с ГОСТ”ами на изготовление прокатов. При проектировании мм)
• Для стандартного бетона можно выбрать дополнительные условия  заполнителя(группы А, В – соответствуют таблице 1.1 приложения 1) - «fine granular grup» и наличия термической обработки - «thermal treatment» как для обычного бетона, так и с учетом групп мелкозернистого заполнителя(таблица 1.1 приложения 1).
• Properties – дополнительное назначение физических характеристик материалов (Рис. 1.3 в нашем случае для B30, AIII, С345),: 
• удельный вес – «self weight» (принимается для тяжелого железобетона 25кН/м3, в случае использования только тяжелого бетона рекомендуется значение 24кН/м3 соответствующее 2,4т/м3);
• вес материала взвешенного в воде – «Self weight with buoyancy»;
• температурный коэффициент расширения (в отношению к кельвинам, ºK) - «Temperature coeff.» (температурный коэффициент расширения материала принимается 1*10-5);
• модуль упругости материала (E) – «Elastic Modulus» (согласно табл.1.2 прил. 1);
• коэффициент Пуассона – «Poissons ratio» (начальный коэффициент поперечной деформации бетона v (коэффициент Пуассона) принимается равным 0,2 для всех видов бетона);
• модуль сдвига (G) - «Shear modulus» (модуль сдвига бетона G принимается равным 0,4 соответствующих значений E согласно нормативной документации*1);
• объемный модуль упругости (K) – «Compression modulus»( значение объемного давления для уменьшения объема вещества в 2 раза  равный K=E / [3*(1-2 ν)] - для изотропного тела).
• Strenght – прочностные характеристики (Рис. 1.4) основные из которых: 
• коэф. запаса по материалу(γm – для бетона 1, для стали по табл. 1.6 прил.1) – «Material safety factor»;
• расчетная прочность на сжатие для предельных состояний I группы (Rb по таблице 1.1  прил. 1)  – «Design value of strenght»;
• расчетная прочность бетона на растяжение по предельным состояниям I группы (Rbt, по табл. 1.1 прил. 1)- «lower fractile strenght value»;
• расчетная прочность на растяжение для бетона по предельным состояниям II группы (Rbt,ser, по табл. 1.1 прил. 1)  – «tensile strenght»;
• расчетная прочность на сжатие по предельным состояниям II группы (Rb,ser, по табл. 1.1 прил. 1) – «mean strenght»;
• модуль упругости (E, по табл. 1.2 прил. 1) – «elasticity modul»;
• трение в трещинах – «friction in cracks»; расчетное сопротивление арматуры по пределу текучести на растяжение(сжатие) (Rs(Rsc), по табл. 1.5 прил. 1) – «-(compressive)yield strenght»;
• нормативное сопротивление по пределу прочности и расчетное по II группе предельным состояний для стали на растяжение(сжатие) (Rsn = Rs* γm, γm – по табл. 1.6 прил. 1) – «compressive(tensile) strenght»;
• предел пропорциональности(конечное значение упругой стадии работы материала), принимается как расчетное для поперечной арматуры и отогнутых стержней(Rsw, по табл. 1.5 прил. 1)– «limit of proportionality»;
• максимальная толщина стержней  - «max. thickness».

  Все значения подбираются по таблицам приложения 1. При  расчетном проектировании конструкций данных приведенных в таблицах приложения 1 достаточно при условии действия нормативных документов указанных в списке литературы.

• Bedding – вкладка возможности задания коэффициента постели* (при проектировании упругого основания как 3D модели остается неактивной):
• коэффициент постели(разрешается брать применительно по формуле 1) - «Bedding Coefficient»;
• коэффициент постели по касательной - «Tangential bedding»;
• минимальное разрушающее напряжение(при растяжении) – «Rupture stress»;
• предел текучести(минимальное разрушающие напряжение при сжатии) – «Yield stress»;
• коэффициент трения – «Friction coefficient»;
• сцепление -  «Cohesion»;
• вкладка «Initialize» позволяет в зависимости от типа опирания, глубины и материала определить данные автоматически.

C = E_гр/ (H_c *(1-2*m²_гр))                                                                                               (1)

  ,где Eгр – модуль деформации грунта, Hc – фиксированная глубина сжимаемой толщи грунта, mгр – коэффициент Пуассона грунта.

        (2), (3)

• формулы (2) и (3) принимаются согласно расчетной схеме ЛПП в соответствии с СП 50-101-2004.

  Для вычисления коэффициентов постели используются средние (в пределах зафиксированной глубины сжимаемой толщи Нc) значения модуля деформации и коэффициента Пуассона , вычисленные аналогично формулам (3) и (4).

• Stress strains – возможность ввода или изменения диаграммы (рис. 1.5) зависимости деформаций  от напряжений в сечении элемента по определенному закону (линейному, нелинейному).  Упругая стадия описывается как tgα = E.
• Special – дополнительные параметры температурных, гидравлических и других свойств материала, подробно описанных в документальной части программы*7 к модулю AQUA в п. 3.11.1. В учебных задачах не применяется.

Рис.1.2. Выбор норма и типа материала для проекта

Риc.1.3. Ввод дополнительных физических свойств материала

Рис.1.4. Назначение прочностных характеристик материалу

  Диаграммы состояния бетона, приведенные на рис. 1.5 используют при расчете железобетонных элементов по нелинейной деформационной модели.   

Рис.1.5. Ввод или настройка предложенного  графика работы материала при растяжении (сжатии)

 В качестве рабочих диаграмм (рис. 1. 5. 1) состояния тяжелого, мелкозернистого и напрягающего бетона, определяющих связь между напряжениями и относительными деформациями, принимают упрощенные трехлинейную и двухлинейную диаграммы по типу диаграмм Прандтля.

Рис.1.5.1. Диаграммы зависимости деформаций от напряжений