Практический подход к моделированию работы свай в условиях
расчетных программ
к.т.н. Малышкин А.П., Есипов А.В.
Труды II Международной конференции "Геотехнические проблемы XXI
века в строительстве зданий и сооружений", г. Пермь, 2007 г.
Развитие вычислительной техники, повышение ее мощности и скорости
вычисления позволяет проектировщикам, занимающимся статикой сооружений, создавать сложные конечно-элементные модели с высокой степенью детализации и соответствия реальности. Стремление к усложнению расчетной схемы связано с продвижением на рынке проектирования расчетных продуктов поддерживающих принципы совместимости, автоматизации и "сквозного проектирования", т.е. возможности использования единой модели в расчетных и графических программах.
Существует большое количество расчетных программных продуктов для проведения статических и конструктивных расчетов конструкций MicroFe, Stark, SCAD, Лира и т.д. Выполняя на высоком уровне расчеты надземных конструкций, эти программы плохо моделируют взаимодействие этих конструкций с грунтовым основанием. Как правило, в этих программах моделирование грунтового основания сводится к заданию упругого основания с одним или двумя коэффициентами постели по моделям Винклера, Пастернака, Барвашова и т.д. При моделировании же зданий на свайном основании разработчиками программ предлагаются в лучшем случае линейно деформируемые опоры, либо шарниры, работающие по диаграмме Прандтля.
С другой стороны для расчетов геотехнических задач в основном используются специализированные программы, такие как Plaxis, Ansys, Nastran, Fem models и т.д., не позволяющие с высокой степенью детализации рассчитывать конструкции самого здания. Данные программные продукты, имея в своем арсенале значительное количество сложных конечно-элементных моделей для расчета грунтового основания и адекватного моделирования его нелинейных свойств, не позволяют моделировать несущую структуру надземного сооружения.
Одновременно с этим, весьма важным вопросом является расчет несущего остова зданий с учетом совместной работы с грунтовым основанием.
Это приводит к более точному моделированию напряженно-деформированного состояния, как грунтового основания, так и надфундаментных конструкций.
Так как жесткость здания влияет на НДС и осадки основания, так и нелинейные свойства основания влияют на перераспределение усилий в надфундаментных конструкциях здания.
В условиях ярко выраженной нелинейной зависимости осадок свай от нагрузок S(P) весьма важным вопросом является точное прогнозирование осадок свай на всех этапах нагружения. Это особенно актуально для фундаментов имеющих неравномерные нагрузки на сваи в пределах одного сооружения.
Как было уже сказано, для проектировщика важно выполнять проектирование, т.е. статические, конструктивные расчеты и составление комплекта чертежей как можно в меньшем количестве программ, с использованием одной и той же графической модели. Это возможно только в приспособленных для проектирования расчетных программах, плохо моделирующих работу фундаментов, особенно свайных. Поэтому можно сделать вывод, что моделирование нелинейного поведения свай весьма актуально в сложившихся условиях проектирования.
Попытки моделирования нелинейного поведения свай уже делались, например, в работах [1, 2] была разработана методика численного решения этой задачи. Вначале выполнялся статический расчет сооружения на упругих опорах. В зависимости от реакций в опорах им назначалась ЕА новая жесткость. Цикл повторялся, пока не выравнивалась тенденция к изменению жесткости опор. На конечном этапе ОС получался результат НДС здания на свайном фундаменте.
Однако такая методика очень трудоемка и не позволяет использовать лицензионные и сертифицированные ЕА2, F1 программные средства.
Нами предлагается методика позволяющая создать модель сваи для устройства опор в расчетных программах, ОС работающую по нелинейной схеме нагрузка-осадка и основанную на данных статических испытаний свай. Важным моментом является то, что данную конструкцию можно ЕАn, Fn- использовать практически в рамках любой расчетной программы, например Micro Fe.
Опора Конструкция численной модели сваи состоит из вертикальных, последовательно расположенных стержней (рис. 1) различной жесткости ЕА1 -… ЕАn и сил Рис. предварительного напряжения в стержнях F1 -… Fn-1.
Количество стержней зависит от степени дискретизации графика осадок сваи от нагрузки S(P). В узлах сопряжения стержней установлены односторонние связи (ОС), т.е. связи запрещающие укорочение от усилий предварительного напряжения, но не мешающие деформации стержней от внешней нагрузки.
Внизу составной конструкции установлена жесткая опора. Предварительное напряжение в стержнях необходимо для "разделения" деформации стержней, т.е. при внешней нагрузке на сваю, не превышающую усилия предварительного напряжения во втором стержне, происходит деформирование первого стержня, а при внешней нагрузке меньше чем усилие предварительного напряжения во втором стержне происходит совместная деформация первого и второго стержней и т.д. В результате получается ломаный график деформирования нелинейной опоры, аппроксимирующий график осадок реальной сваи (Рис. 2).
Для задания данной конструкции опоры в рамках расчетной программы необходимо знать следующие величины для отдельных стержней: при заданной площади Ai, длине Li и ступени нагрузки Ni следует определять модуль упругости Ei и деформацию стержня Si согласно рис. 2.
N i Li Ei Рис. 2 Схема к расчету характеристик нелинейно деформируемых опор расчетных программ и позволяет проектировщикам использовать все достоинства этих программ, что в значительной степени снижает трудоемкость проектирования сложных сооружений.
2. Этот подход позволяет более точно рассчитывать НДС и осадки фундаментов и самого сооружения, что в конечном итоге дает более реальное распределение усилий во всех конструкциях здания.
«