Проектирование | Обследование | Геотехника | BIM

Моделирование неравномерной осадки оснований каркасных сооружений

Проектирование | Обследование | Геотехника | BIM·7 Aug at 11:49 pm
Герасимов С.И., Тихомиров В.М., Попов А.М., Егорова А.В., Спиридонов А.А. Моделирование неравномерной осадки оснований каркасных сооружений // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2026. Т. 28. № 1. С. 288–297. DOI: 10.31675/1607-1859-2026-28-1-288-297. EDN: XCKXXL

При проектировании строительных конструкций каркасного типа, которые широко применяются в современном строительстве благодаря своей универсальности и экономичности [1], необходимо учитывать воздействия природного и техногенного характера [2–4]. Это – землетрясения, осадки основания, карсты, террористические акты, которые могут являться причиной аварии [5–8]. Поэтому исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) строительных конструкций при такого рода воздействиях весьма актуальны. На данный момент анализ НДС предпочтительнее проводить численными способами, основным из которых является метод конечных элементов [9]. При конечно-элементном моделировании не всегда корректно можно описать граничные условия задачи. Натурный эксперимент при аварийном воздействии не представляется возможным. Альтернативой является методика физического моделирования [10–14].

Распространенным аварийным воздействием на конструкцию зданий можно считать осадку фундамента, которую подразделяют на три основных типа: равномерная, неравномерная и крен. Наиболее опасная неравномерная осадка столбчатого фундамента. Также при строительстве и эксплуатации нередко сооружения испытывают динамические воздействия различного рода. При численном моделировании конструкций, испытывающих ударную нагрузку, практически невозможно учесть все жесткостные параметры системы «конструкция и тело, которое производит удар». Поэтому более корректно в данном случае использовать физическое моделирование и теорию подобия.

В настоящей работе рассмотрено физическое моделирование неравномерной осадки фундамента каркасной конструкции, а также ударного воздействия при ее строительстве. С помощь конструкционной системы PASCO [10] было проведено исследование перераспределения усилий в элементах модели конструкции при данных видах воздействий.

Моделировалось одноэтажное трехсекционное здание с двухскатной крышей, установленное на фундаменте из восьми опор. Его 3D-модель показана на рис. 1. При высоте внутреннего помещения 2,5 м масштабный коэффициент подобия будет равен 45,5. В свою очередь, плотность материала модели в 8 раз меньше плотности стали. Следовательно, коэффициент подобия по массе будет равен 45,5•8 = 364. Для моделирования собственного веса, передающегося на стойки и раскосы каркаса, на перекрытие прикладывались 3 груза массой по 1 кг (рис. 2). Это соответствует собственному весу для данной конструкции, изготовленной из одинаковых стальных стержней замкнутого квадратного гнутого профиля 70x70x4 с погонной массой 7,97 кг/м.

Рис. 1. Вид 3D-модели каркасного сооружения (цифрой 2 обозначен датчик)
Рис. 1. Вид 3D-модели каркасного сооружения (цифрой 2 обозначен датчик)

Неравномерная осадка фундамента

Неравномерная осадка фундамента моделировалась путем удаления одной или двух опор. Пять опор, которые удалялись в процессе экспериментальных исследований, обозначены на рис. 2 буквами A, B, C, D, Е.

Рис. 2. Схема расположения опор, грузов и стержней с датчиками измерения усилий
Рис. 2. Схема расположения опор, грузов и стержней с датчиками измерения усилий

Для определения продольных сил в четырех элементах здания были установлены специальные тензометрические датчики конструкционной системы PASCO. Схема расположения датчиков представлена на рис. 2. Датчик d1 (на диаграмме Force 1) устанавливался на вертикальную стойку, датчик d2 (на диаграмме Force 2) – на раскос, датчики d3 (на диаграмме Force 3) и d4 (на диаграмме Force 4) – на стержнях верхнего пояса фермы. При данной установке датчиков было проведено пять опытов:

  1. Статическое нагружение грузами G = 10 Н.
  1. Нагрузка + осадка (удаление) опоры А.
  1. Нагрузка + одновременная осадка (удаление) опор А и В.
  1. Нагрузка + осадка (удаление) опоры С.
  1. Нагрузка + одновременная осадка (удаление) опор С и D.
  1. Нагрузка + одновременная осадка (удаление) опор А и Е.

Для всех вариантов воздействий на модель фиксировались диаграммы «усилие – время» для четырех датчиков (d1–d4). На рис. 3 представлены диаграммы состояния усилий в четырех стержнях (1, 2, 3, 4) для случая осадки угловой опоры А, где в конечном счете были зафиксированы наиболее значимые изменения усилий. Для исключения влияния начальных усилий перед проведением каждого опыта производилась калибровка датчиков (показания сбрасывались до нуля). В связи с особенностями измерительного блока конструкционной системы PASCO на диаграммах положительное значение силы соответствует деформации «сжатие», а отрицательное – деформации «растяжение».

Рис. 3. Диаграммы «усилие – время» при проведении опыта № 2
Рис. 3. Диаграммы «усилие – время» при проведении опыта № 2

Результаты измерений усилий для всех пяти опытов представлены в табл. 1. В табл. 2 показаны результаты расчета перераспределения усилий в стержнях по сравнению со статической нагрузкой при различных вариантах неравномерной осадки фундамента.

Таблица 1. Результаты измерений при неравномерной осадке основания
Таблица 1. Результаты измерений при неравномерной осадке основания
Таблица 2. Определение дополнительных усилий при неравномерной осадке основания
Таблица 2. Определение дополнительных усилий при неравномерной осадке основания

С учетом коэффициента подобия по массе в реальной конструкции усилия будут в 364 раза больше. Видно, что максимальная перегрузка в элементах конструкции наблюдается при осадке угловой опоры (на рис. 2 это опора А). При таком воздействии угловые панели испытывают сдвиговую деформацию, поэтому наибольшая перегрузка наблюдается в раскосе.

Моделирование неравномерной осадки оснований каркасных сооружений, image #6

Динамическое воздействие

Динамическое воздействие на здание при строительстве моделировалось падением груза массой 0,2 кг с высоты 5 см. Это соответствует энергии удара U = mgh = 0,2 • 9,81 • 0,05 = 0,098 Дж или в пересчете на реальную конструкцию – удару в 35,7 Дж. Такой удар, например, может произойти при строительстве, ремонте или эксплуатации реальной конструкции, что соответствует падению груза массой 50 кг с высоты 7 см. На рис. 4 представлены схема расположение датчиков и положение падающего груза. На рис. 5 показаны диаграммы динамического процесса в четырех исследуемых стержнях. В табл. 3 даны результаты обработки данных диаграмм.

Рис. 4. Расположение датчиков и схема падения груза
Рис. 4. Расположение датчиков и схема падения груза

На рис. 5 представлены диаграммы нагруженности в исследуемых элементах конструкции. В момент удара наблюдается всплеск показаний и дальнейшие затухающие колебания конструкции. По данным показаниям был проведен расчет динамического коэффициента по следующей формуле [15]:

Моделирование неравномерной осадки оснований каркасных сооружений, image #8

где Адин – максимальная амплитуда колебаний; Nст – статическая составляющая усилий; µ = Адин/Nст – динамическая добавка.

Рис. 5. Диаграммы при динамическом воздействии
Рис. 5. Диаграммы при динамическом воздействии

Результаты обработки диаграмм при ударном воздействии показаны в табл. 3.

Таблица 3. Результаты динамического воздействия
Таблица 3. Результаты динамического воздействия

При вертикальном ударе ожидаемо максимальные динамические усилия были зафиксированы в стойках (стержни 1 и 4), где отмечен максимальный динамический коэффициент. Большое значение динамического коэффициента для горизонтального элемента каркаса kдин = 12 получено в малости статического усилия.

Выводы

По результатам проведенных экспериментальных исследований каркасного сооружения при неравномерной осадке его фундамента и ударного динамического воздействия можно сделать следующие основные выводы:

  1. Было проведено исследование перераспределения продольных усилий на модели каркасного сооружения при неравномерной осадке фундамента. Наиболее опасным является исключение из работы угловых опор по сравнению с осадкой внутренних, т. к. при таком воздействии угловые панели на здании будут испытывать более значимую сдвиговую деформацию, чем внутренние ячейки каркаса. По этой причине максимальная перегрузка была зафиксирована в раскосе крайней ячейки при осадке крайней опоры n = 11,7, а элементы верхнего пояса каркаса при этом оказываются менее чувствительны к такому воздействию. В связи с этим, чтобы выровнять значения перегрузок в элементах фермы при осадке основания, необходимо применять фундаменты в виде связанных контуров (ленточные или монолитные).
  1. Осуществлено исследование распределения усилий при динамическом воздействии на примере падения груза.
  1. Анализ нагруженности элементов различного рода конструкций с помощью метода физического моделирования можно применять для проверки результатов численного моделирования, а также доработки конечно-элементных моделей конструкций, особенно при динамических воздействиях.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

  1. Рыбаков В.А., Гамаюнова О.С. Напряженно-деформированное состояние элементов каркасных сооружений из тонкостенных стержней // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 7 (12). С. 79–123.
  1. Подшивалов И.И. Анализ несущей способности и устойчивости железобетонного безригельного каркаса экспериментального здания на различной стадии его работы // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2024. № 26 (2). С. 104–112. DOI: 10.31675/160718592024262104112. EDN: HOISNK
  1. Алейникова М.А., Сойту Н.Ю. Особенности расчета надежности поврежденных стальных конструкций // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2024. № 1. С. 58–65. DOI: 10.25686/2542114X.2024.1.58
  1. Миронова Ю.В., Сулейманов А.М. Конструктивное решение стыка колонн с перекрытием в сборномонолитном каркасе для повышения сопротивляемости прогрессирующему разрушению // Известия Казанского государственного архитектурностроительного университета. 2023. № 3 (65). С. 135–144. DOI: 10.52409/20731523_2023_3_135
  1. Baza T.T., Rynkovskaya M.I., Dereje L.S., Dabi G.M., Ali Y.M. The effect of joint deformation on the seismic performance of exterior RC beam column joint // Modern Construction and Architecture. 2025. № 1 (56). DOI: 10.60797/mca.2025.56.1
  1. Кондрашов В.В., Положнов А.В., Кондрашова И.В. Моделирование локальных разрушений сетчатых конструкций с учетом деформации поперечного сдвига // Экономика строительства. 2024. № 12. С. 315–318.
  1. Qiu D., Chen J., Fu H. Research on the comprehensive evaluating index of seismic performance of underground largescale frame structures // Structures. 2022. V. 37. P. 645–660. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.01.032
  1. Великанов П.Г., Артюхин Ю.П. Исследование по динамике рамных конструкций // Геосистемы переходных зон. 2023. Т. 7. № 2. С. 180–195. DOI: 10.30730/gtrz.2023.7.2.180195
  1. Радченков А.В., Аксенов В.Н. Методы расчета каркасных сооружений из монолитного железобетона на прогрессирующее обрушение на примере 17этажного жилого дома // Инженерный вестник Дона. 2016. № 4. С. 1–12.
  1. Герасимов С.И., Тихомиров В.М., Бахтин С.А. Экспериментальная оценка перераспределения усилий в элементах модели пролетного строения моста, получившего повреждения при временной нагрузке от подвижного состава // Вестник Томского государственного архитектурностроительного университета. 2024. Т. 26. № 4. С. 220–229. DOI: 10.31675/ 160718592024264220229
  1. Ren G., Xue J., Ding Y. Experimental and numerical research on the lateral behavior of glued timber frame structures with and without Xtype diagonal bracing // Structures. 2023. V. 58. Article 105626. DOI: 10.1016/j.istruc.2023.105626
  1. Tsai M.H., Lee Y.C. Practical Structural Design and Construction of an Innovative Composite Plastic Greenhouse // Agriculture. 2021. V. 11. № 11. Article 1051. DOI: 10.3390/agriculture11111051
  1. Turdiyev Sh.R. The need for the implementation of PASCO digital laboratories, which provides the possibility of digitalization of STEAM sciences // American Journal of Pedagogical and Educational Research. 2023. № 19. Р. 161–164.
  1. Dmitrieva T.L., Podshivalova K.A. Experimental and theoretical studies of dynamic characteristics of wooden frame buildings // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2023. V. 19. № 2. P. 136–149. DOI: 10.22337/25879618202319213649
  1. Бондарь Г.М., Козьмин З.Г., Ройтбурд В.П. Взаимодействие железнодорожных мостов с подвижным составом. Москва : Транспорт, 1984. 272 с.
162 views·28 shares
162 views