ПАНЕЛЬНЫЕ ЗДАНИЯ

Автоматизированное моделирование платформенных стыков и закладных

В препроцессоре САПФИР разработан специальный класс информационных объектов - "стык панелей". Стык панелей - это параметрически управляемый элемент модели, наделенный интеллектом. Теперь существенно упрощается назначение стыков в проекте, а процесс редактирования их характеристик (для перебора вариантов конструктивных решений, например) не занимает много времени. Каждый стык сам "знает", в каких ситуациях и для каких конфигураций стыковки панелей он подходит. 

Благодаря этому, стыки сами находят свои места в пространстве модели, и размещаются в автоматическом или в автоматизированном режиме. Конструктор может наглядно контролировать типы стыков, обозначаемые марками и цветами, назначать им параметры, определяющие их жесткостные характеристики. Для каждого типа стыка можно определить способ представления его в расчетной схеме, задать шаг размещения узлов для разбивки на конечные элементы, выбрать тип конечных элементов, которыми представлен стык, назначить характеристики элементов. 

Существует ряд предустановок, позволяющий получать различные варианты стыковки деталей в конечно-элементной расчетной схеме. В частности, стык может быть свободным, шарнирным, жестким или с заполнением специализированными конечными элементами, моделирующими контактный или платформенный стык панелей. Кроме того, конструктор может самостоятельно создавать новые типы стыков, формировать из них библиотеки, переносить из проекта в проект, передавать в виде файлов на другие рабочие места (рис. 1). 

Рис. 1. Библиотека стыков и расстановка связей по закладным в препроцессоре САПФИР.

В качестве исходных данных для проектирования может использоваться информационная модель здания, сформированная в САПФИР, импортированная из других программ посредством IFC или созданная в автоматизированном режиме на базе плоских поэтажных планов, представленных в формате DXF. Многообразие вариантов обеспечивает удобство интеграции новых инструментов в существующие технологические цепочки проектирования, выстроенные в организациях пользователей на базе программных средств других разработчиков. Такой подход, в том числе, способствует внедрению BIM-технологий в проектировании.

Если модель здания изначально создана как монолитная без учета разрезки на панели, можно воспользоваться новыми инструментами ручной и автоматической разрезки. Стены и плиты разрезаются с учетом примыкающих к ним стен и/или с учетом расположения координационных строительных осей (рис. 2). В режиме ручной разрезки динамически отображается расстояние от края панели, которое можно задать в цифровом виде, чтобы отрезать панель определенного размера. Предусмотрен режим нарезки панелей с заданным отступом, что позволяет быстро разрезать деталь на панели одинакового размера. 

Рис. 2. Авторазрезка "монолитного" здания на отдельные сборные панели и копирование свойств стыков.

Для связей по закладным деталям также можно выбрать способ представления в расчетной схеме, и назначить жесткостные характеристики как для линейного, так и для нелинейного расчета. Позиции узлов для разбивки на конечные элементы вдоль оси стыка согласуются с позициями закладных деталей и динамически учитывают позиции проемов при их наличии в прилегающих к стыку панелях. Если перенести проем в физическом представлении, то не нужно ни пересоздавать стык, ни редактировать его характеристики - изменения автоматически проявятся при регенерации аналитического представления модели проекта.

Выше описана технология создания модели крупнопанельного здания для последующей триангуляции и получения адекватной конечно-элементой модели. А теперь поговорим непосредственно о конечных элементах, моделирующих стыки. Основные положения по расчету панельных зданий на эксплуатационные нагрузки и вычислению податливостей стыков представлены в проекте нового СП "Крупнопанельные конструктивные системы. Правила проектирования" (Проект, Вторая редакция) и пособиях: Пособие по проектированию жилых зданий. Вып. 3. Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85). М. 1989 г.; Пособие по расчету крупнопанельных зданий. Вып. 1 Жесткостные характеристики. М. 1974 г.

И если с моделированием точечного стыка по закладным все достаточно просто (по сути это локальная связь конечной жесткости - пружина, в ПК ЛИРА-САПР это двухузловой конечный элемент КЭ 55), то с моделированием горизонтального (контактного, платформенного) стыка все гораздо сложнее. В настоящий момент существует несколько методик учета работы контактного/платформенного стыка в расчетной схеме крупнопанельного здания:

1. модель эквивалентного столба, когда локальная податливость растворных швов и плиты перекрытия равномерно "размазывается" по высоте стеновой панели (этот способ упрощает построение КЭ-модели, но привносит в расчетную схему ряд неточностей, что показано в [1]);
2. модель дискретных связей конечной жесткости (описано, например, в [2] - данный подход уточняет поведение стыка в расчетной схеме здания, но существенно усложняет создание модели, поскольку ведет к значительному увеличению типов жесткостей дискретных связей - для каждого типа стыка и шага КЭ отдельная жесткость, что влечет за собой и большое количество вычислений "вручную", и усложняет контроль заданных исходных данных). 

Среди существенных недостатков данных моделей - невозможность корректного учета нелинейного поведения стыка в первом случае, и крайняя сложность учета нелинейности во втором (фактически, учет нелинейных эффектов для уточнения жесткостей стыка сводится к серии последовательных расчетов с ручной корректировкой жесткостей на каждой итерации).

Чтобы избежать перечисленных недостатков в новой версии ПК ЛИРА-САПР 2017 вводятся новые типы пластинчатых конечных элементов специально для моделирования горизонтального стыка панелей. Предварительно, это: КЭ-58,59 для учета линейного поведения стыка, и КЭ-258,259 для учета физически нелинейной работы. По форме элемента они могут быть как прямоугольные, так и треугольные или четырехугольные (что не накладывает каких-то строгих ограничений на геометрию сетки КЭ в области стыка).

В МКЭ-модели платформенный стык моделируется двумя рядами конечных элементов стыка (рис. 3). Контактный стык отличается лишь тем, что это один ряд элементов, стыкующий стеновую панель с монолитной фундаментной плитой или ростверком, либо монолитными конструкциями встроенных первых этажей с магазинами, парковками и т. п. 

Рис. 3. Генерация МКЭ-модели платформенного стыка с учетом наличия проёма и новыми типами КЭ.

Зависимость σ-ε для построения НДС от вертикальных усилий для нелинейных КЭ стыка представлена на рис. 4 и соответствует положению СП "Крупнопанельные конструктивные системы. Правила проектирования" (Проект, Вторая редакция) Приложение А - в части изменения податливости стыка в зависимости от напряжений и вообще границ применимости формул для вычисления податливости растворного шва. Относительные деформации стыка на графике определяются соответственно зависимости: εmi = (σmi λmi)/hst, где hst - полная высота стыка, мм (в случае платформенного стыка - высота плиты и двух растворных швов). 

Рис. 4. Диаграмма работы специализированного нелинейного типа КЭ-259.

В соответствии с проектом нового СП коэффициент податливости при сжатии горизонтального растворного шва λm в зависимости от напряжения определяют по формулам:

- при σ_m1 ≤ 1,15R^2/3_m - λ_m1 = 1,5*10^-3 R^-2/3_mt_m (принимаем σ_m1 = 1,15R^2/3_m);
- при σ_m2 ≥ 1,15R^2/3_m - λ_m2 = 5*10^-3 R^-2/3_mt_m, но не более 2R^2/3_m (принимаем σ_m2 = 2R^2/3_m),

где σm - среднее значение сжимающих напряжений в растворном шве, МПа; Rm - кубиковая прочность раствора, МПа; tm - толщина растворного шва, мм; λm - коэффициент податливости растворного шва при кратковременном сжатии, мм3/Н.

Нелинейный расчет может выполняться в двух вариантах:

1. Используется итерационный метод по типу "инженерная нелинейность" (описан в публикациях [3] и [4]) - для "определяющей комбинации загружений" заданной пользователем в несколько итераций автоматически уточняется характер работы стыков (наличие отрывов в КЭ стыка приводит к обнулению вертикальных и сдвиговых жесткостей, локальные всплески напряжений в КЭ стыка меняют жесткость элементов по длине стыка), а затем производится расчет на все загружения с вычислением комбинаций РСН и РСУ, т.е. выполняется традиционный линейный расчет (но уже с модифицированной матрицей жесткости панельного здания);
2. Используется шаговый метод, т.е. моделируется последовательный (шаговый) процесс нагружения, в рамках которого по шагам накапливаются нелинейные эффекты (данный метод позволяет довести конструкцию до разрушения, т.е. позволяет моделировать такие воздействия как прогрессирующее разрушение). 

В результате расчета панельного здания выдается деформированная схема, изополя и мозаики напряжений и усилий в стыках и отдельных связях по закладным.