Система автоматизированного проектирования и расчета
+7 (499) 922  00  02

Современные методы расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия в ПК ЛИРА 10.4. Опыт реализации СП 14.13330.2014

15 Октября 2015

Возможности программного комплекса ЛИРА 10.4 для моделирования зданий и сооружений на сейсмические воздействия.

Здравствуйте, коллеги! 

Ниже будут представлены тезисы выступления наших докладчиков на международной конференции по сейсмостойкому строительству, проходившей 24–28 августа 2015 года в г. Сочи. В рамках доклада были рассмотрены основные возможности программного комплекса ЛИРА 10.4 при расчете зданий и сооружений на сейсмические воздействия. Некоторые из описываемых в настоящей публикации вопросов были так же рассмотрены в рамках работы расширенного заседания Президиума научного совета Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) по "Сейсмологии и сейсмостойкому строительству" 15 октября 2015 г.

Рассмотрим различные подходы к оценке сейсмостойкости сооружений, реализованные в ПК ЛИРА 10.4:
  • Прямое интегрирование уравнений движения (рис. 1);
  • Спектральный метод (рис. 2);
  • Нелинейный статический метод (Pushover analysis).
Прямое интегрирование уравнений движения
Рис. 1. Прямое интегрирование уравнений движения
Спектральный метод Рис. 2. Спектральный метод

В рамках спектральной теории обновлен ряд расчетных модулей (рис. 3).

Нормативная база, как в РФ, так и в других странах, непрерывно развивается. Компания "ЛИРА софт" следит за всеми изменениями основных нормативных документов, в том числе и документов, регламентирующих строительство в сейсмически активных районах.
  • Модуль 44. EN 1998-1:2004 (Eurocode 8);
  • Модуль 50. Сейсмическое воздействие по AzDTN 2.3-1-2010 (Азербайджан) с изменениями от 01.01.2014г.;
  • Модуль 51. Сейсмическое воздействие по СП 14.13330.2014 (Российская Федерация); и добавили новый модуль:
  • Модуль 60. Сейсмическое воздействие по трехкомпонентным графикам коэффициента динамичности.
Рис. 3. Различные модули расчетов на сейсмические воздействия

Структура матрицы масс при расчетах спектральным методом может быть диагональной или согласованной. Отличия частот собственных колебаний при использовании той или другой матрицы масс можно проанализировать на примере с искусственно введенной асимметрией (рис. 4).
Тестовая модель Рис. 4. Тестовая модель

Рассмотрим различия в результатах расчета при использовании той или иной матрицы масс. Конструкция представляет собой пространственную раму. Колонны сечением 25х25см, плита толщиной 20 см, модуль упругости материала конструкции 3.e6 т/м2, за исключением колонны, показанной на рисунке фиолетовым цветом – у нее модуль упругости равняется 3.e8 т/м2. Внизу конструкция жестко защемлена. Стержни предполагаются невесомыми. На плиту приложена равномерно-распределенная нагрузка 1.8т/м2. Отличия между диагональной и согласованной матрицами масс приведены на рисунке 5. Для матрицы распределенных масс элемента был введен термин “согласованная матрица масс”.

Различия в матрицах масс
Рис. 5.  Различия в матрицах масс

Для адекватного учета влияния подконструкций на динамические свойства основной расчетно-динамической модели в ПК ЛИРА 10.4 существует метод конденсации масс (рис. 6).

Конденсация масс Рис. 6. Конденсация масс

В рамках использования метода, вы выделяете элементы, с которых нужно собрать динамическую массу (не только собственный вес, но и все остальные учитываемые нагрузки) и выделяете узлы, на которые нужно эту динамическую массу собрать. Результаты расчета с использованием конденсации масс приведены на рисунке 7.

Первая форма собственных колебаний после конденсации масс Рис. 7. Первая форма собственных колебаний после конденсации масс

При необходимости выполнить динамический расчет установленного в здании оборудования, применяют способ, который заключается в использовании так называемых поэтажных акселерограмм и поэтажных спектров отклика (рис. 8).

Расчет на поэтажные акселерограммы Рис. 8. Расчет на поэтажные акселерограммы

То есть, после расчета здания или сооружения на сейсмическое воздействие для точек прикрепления оборудования получают законы колебаний – обычно акселерограммы. Их можно непосредственно использовать для расчета оборудования методом прямого интегрирования или по модулям расчета на акселерограммы землетрясений. Если же необходимо произвести расчет по спектральной теории сейсмостойкости, то для этой цели вычисляют поэтажные спектры отклика от поэтажных акселерограмм с дальнейшей возможностью использования полученных спектров отклика в 41 модуле динамики. При построении спектров по оси абсцисс можно откладывать как частоту, так и период, а в качестве затухания указать любой коэффициент затухания (логарифмический декремент затухания). Полученные спектры можно распечатать или сохранить в файл MS Excel. Так же имеется возможность построения усредненного спектра для нескольких узлов.

Для корректного учета динамического воздействия на границах моделируемого массива грунта в ПК ЛИРА имеются конечные элементы неотражающих границ. При традиционном моделировании волны будут отражаться от границ области и возвращаться к сооружению, тем самым искажая его колебания. Чтобы этого не происходило, следовало бы удалить границы грунтовой области настолько, чтобы эти волны за время землетрясения не успели дойти обратно (ввиду затухания). Но, в действительности такое выполнить нереально, т. к. полученная расчетная схема превысит все мыслимые размерности. Для возможности расчета таких задач в ПК ЛИРА 10.4 реализованы конечные элементы неотражающих границ. Сравнение результатов расчета при использовании классических КЭ и КЭ с неотражающими границами приведены на рисунках 10 и 11.

Задача для сравнения Рис. 9. Задача для сравнения
Результат расчета с использованием классических КЭ Рис. 10. Результат расчета с использованием классических КЭ
Результаты расчета с использованием КЭ неотражающих границ Рис. 11. Результаты расчета с использованием КЭ неотражающих границ

В ПК ЛИРА 10.4 имеется возможность расчета по акселерограммам землетрясения (рис. 12).

Модули расчета по акселерограммам Рис. 12. Модули расчета по акселерограммам

При задании параметров расчета особое внимание следует обратить на масштабный множитель к акселерограмме, по сути это произведение двух коэффициентов, первый из которых – коэффициент перевода значений акселерограммы в м/с2, второй – коэффициент масштабирования акселерограммы на заданную балльность площадки. При расчетах по акселерограммам уравнения интегрируются методом Ньюмарка с получением максимумов перемещений (рис. 13).

Метод Ньюмарка Рис. 13.  Метод Ньюмарка

При выполнении расчетов по акселерограммам землетрясений и по СНиП (СП) «Строительство в сейсмических районах» могут быть значительные расхождения, связанные в первую очередь с различиями коэффициента динамичности и спектра отклика для акселерограммы. Во-вторых, большие расхождения можно получить за счет неучитываемых всевозможных понижающих коэффициентов при расчете по акселерограммам.

Сравнение результатов расчета угловой колонны 28 этажного здания (рис. 14) по двум методам приведены на рисунке 15.

Расчетная модель 28 этажного здания Рис. 14. Расчетная модель 28 этажного здания
Результаты расчетов двумя методами Рис. 15. Результаты расчетов двумя методами

ПК ЛИРА 10.4 позволяет производить расчет сооружений на заданную сейсмограмму землетрясения (рис. 16).

Расчет по сейсмограммам Рис. 16. Расчет по сейсмограммам

Предлагаемый подход к расчету является более естественным, нежели расчет на переносные силы инерции от акселерограмм (рис. 17).

Расчет по сейсмограммам Рис. 17.  Расчет по сейсмограммам

Существенные различия при расчетах по акселерограмме и сейсмограмме землетрясений следует ожидать в протяженных конструкциях, таких как мосты, и большепролетных сооружениях за счет скорости распространения сейсмической волны (задается для расчета по сейсмограмме). То есть опорные части, в которые приложена сейсмограмма неодновременно включаются в работу, а по мере прохождения сейсмической волны. Это может дать качественно другое распределение усилий, чем при расчете по акселерограмме.

В версии ПК ЛИРА 10.4 возможны вычисления по динамике во времени для смонтированной конструкции. После окончания возведения здания выполняется расчет по динамике во времени на сейсмограмму землетрясения. В результатах расчета можно посмотреть перемещения и усилия на стадиях монтажа и результаты расчета от сейсмограммы по динамике во времени (рис. 18).

Рис. 18. Результаты расчета по сейсмограмме

Использование сейсмоизолирующих опор является одним из прогрессивных методов сейсмозащиты зданий и находит широкое применение при реализации систем сейсмозащиты за рубежом. Был выполнен модальный анализ для рассматриваемого здания (рис. 19) без системы сейсмозащиты и с системой сейсмозащиты при помощи резинометаллических сейсмоизолирующих опор (рис. 20).

Исследование реакции сейсмоизолированного здания с применением резинометаллических сейсмоизоляторов Рис. 19. Исследование реакции сейсмоизолированного здания с применением резинометаллических сейсмоизоляторов
Схема расположения сейсмоизолирующих опор Рис. 20. Схема расположения сейсмоизолирующих опор

Первые формы собственных колебаний для обоих случаев демонстрируют изменение как характера форм колебаний, так и частот. В ПК ЛИРА есть конечный элемент типа 255 с учетом предельных усилий для моделирования действительной диаграммы работы опор сейсмоизоляции. Если ввести параллельно еще и линейный конечный элемент типа 55, создастся комбинированный элемент (рис. 21).

Моделирование работы сейсмоизолирующих опор в динамике во времени Рис. 21. Моделирование работы сейсмоизолирующих опор в динамике во времени

Система сейсмозащиты при помощи резинометаллических сейсмоизолирующих опор приводит к существенному снижению сейсмической нагрузки (рис. 22).

Сравение резульатов расчета без и с применением сейсмоизоляции Рис. 22. Сравение резульатов расчета без и с применением сейсмоизоляции

В отличие от здания без сейсмозащиты характер деформирования здания с сейсмозащитой носит ярко выраженный поступательный характер. Здание колеблется как одно целое, что приводит к более равномерным изменениям усилий во времени.

Существует еще один метод, называемый нелинейным статическим (рис. 23), который, с одной стороны является инженерным, с другой, позволяет в той или иной степени учесть нелинейные свойства конструкций не в виде коэффициента к инерционным силам (как это сделано в спектральном методе), а непосредственно из запасов сооружения.

Методы решения, рекомендованные Еврокодом 8 Рис. 23. Методы решения, рекомендованные Еврокодом 8

Данная методика позволяет оценить поведение конструкции при сейсмических воздействиях за пределом упругости. Этот метод связывает несущую способность, представленную как зависимость перемещения верха здания от силы сдвига в основании, с сейсмическим требованием, представленным в виде спектра реакции. Вычисляется точка пересечения кривых несущей способности и спектра реакции — динамического равновесия, по которой определяется ожидаемое поведение конструкции. В результате расчета нелинейным статическим методом (Pushover analysis), инженер-исследователь оценивает реальные запасы конструкции в результате учета пластических и других неупругих свойств конструкций зданий и сооружений и получает коэффициент редукции, который можно использовать при расчете спектральным методом (рис. 24).

Иллюстрация алгоритма определения коэффициента редукции Рис. 25.  Иллюстрация алгоритма определения коэффициента редукции.

Рассмотрим еще одну расчетную возможность ПК ЛИРА 10.4 для анализа динамического поведения конструкций. При расчете сложных уникальных сооружений, таких как футбольный стадион, зачастую приходится иметь дело с современными конструктивными решениями: преднапряжение конструкций, использование тросов и т.д. Так, например, при моделировании динамики конструкций футбольного стадиона в г. Ростов-на-Дону (рис. 25) применялся модуль Динамика+ совместно с модулем Геометрической нелинейности (рис. 26).

Модель стадиона в ПК ЛИРА 10.4 Рис. 25. Модель стадиона в ПК ЛИРА 10.4
Использование геометрически нелинейных КЭ Рис. 26. Использование геометрически нелинейных КЭ

При этом, нелинейными КЭ были, как тросы (304 КЭ «Нить»), так и все остальные КЭ, моделирующие покрытие и железобетонную часть. Неиспользование геометрической нелинейности в таких задачах приведет к существенно завышенным значениям, как перемещений, так и ускорений.

ПК ЛИРА уже давно используется проектировщиками России, Казахстана, стран СНГ и ближайшим зарубежьем для расчетного обоснования прочности и устойчивости конструкций, как простых, так и уникальных зданий и сооружений (рис. 27).

Объекты, рассчитанные в ПК ЛИРА Рис. 27. Объекты, рассчитанные в ПК ЛИРА

ПК ЛИРА 10.4 сертифицирован и отвечает современным требованиям инженеров-конструкторов (рис. 28).

Сертификат соответствия ПК ЛИРА 10.4 Рис. 28. Сертификат соответствия ПК ЛИРА 10.4

Оценка сейсмостойкости сооружения – одна из самых сложных задач в области расчетного обоснования зданий. Как было показано выше, существует множество методов и подходов к расчету. Существует так же множество «подводных камней», связанных с воздействием, грунтами и фундаментами, нелинейностями и т.д. Использование ПК ЛИРА 10.4 при расчетах зданий и сооружений на сейсмические воздействия позволяет облегчить задачу расчетчику, поскольку многие проблемы моделирования удается решить.




Следите за нашими новостями в социальных сетях


Возврат к списку


Материалы по теме:


Подписка

Вы хотите первыми узнавать о выходе новых версий, проводимых мероприятиях и акциях компании? Подписывайтесь!

Подписаться
Онлайн-презентация ПК ЛИРА 10.6
13 декабря 2016 г. в 11-00 (мск) компания «ЛИРА софт» приглашает всех на  онлайн презентацию новой версии расчетного комплекса ЛИРА 10.6.
05 декабря 2016
Презентация ПК ЛИРА 10.6 на конференции в КазГАСА (Алматы)
14-15 декабря в Казахской головной архитектурно-строительной академии (КазГАСА), г. Алматы состоится международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития строительных конструкций: инновации, модернизация и энергоэффективность в строительстве».
01 декабря 2016
ПК ЛИРА 10.6 за 25 дней до нового года
6 декабря 2016 года компания «ЛИРА софт» приглашает вас первыми увидеть и оценить новую версию расчетного комплекса ЛИРА 10 версия 6.
03 ноября 2016
Применение BIM технологий при расчётах зданий и сооружений. Двусторонняя интеграция Revit и ПК ЛИРА 10.4
Доклад на конференции "Региональный день Autodesk" в Екатеринбурге, 19 октября 2016 г.
24 октября 2016
Все новости
Нелинейный статический метод анализа сейсмостойкости зданий и сооружений
Нелинейный статический метод или Pushover Analysis, широко используемый за рубежом, основан на методе спектра несущей способности. В работе подробно описан метода нелинейного статического анализа с учетом возможности использования в отечественной нормативной литературе.
21 ноября 2016
Современные методы расчета зданий и сооружений на сейсмические воздействия в ПК ЛИРА 10.4. Опыт реализации СП 14.13330.2014
Возможности программного комплекса ЛИРА 10.4 для моделирования зданий и сооружений на сейсмические воздействия.
15 октября 2015
Форум "100+ Forum Russia". Приглашаем на наши доклады
23-25 сентября 2015 года в рамках форума "100+ Forum Russia", технический директор ЛИРА софт  Колесников А.В. выступит с рядом докладов - приглашаем принять участие!
27 августа 2015
Геометрически нелинейные задачи после потери устойчивости
Геометрически нелинейные задачи в трехмерной вариационной постановке и шаговый метод для их решения. Применяется безусловно устойчивая неявная разностная схема. Приведены тестовые задачи.
28 апреля 2015
Все публикации
Цикл уроков "Шпаргалки для конструктора". Урок 16. "Расчет и конструирование стальной балочной клетки"
Особенности расчётной модели ЛИРА 10.4 при работе с балочными клетками
01 ноября 2016
Новые сортаменты профилей для стальных конструкций
На практике будет продемонстрирован расчёт металлических конструкций и его тонкости в ПК ЛИРА 10.4 с применением профилей из новых сортаментов.
10 октября 2016
Цикл вебинаров "ПК ЛИРА 10 в задачах". Тема 16. Особенности моделирования и расчёта металлических конструкций
Рассмотрение тонкостей расчёта металлических конструкций
03 октября 2016
Цикл уроков "Шпаргалки для конструктора". Урок 15. Расчет конструкций на действие подвижных нагрузок
Теория построения линий влияния, а также моделирование движущихся нагрузок в ПК ЛИРА 10.4
07 сентября 2016
Все записи вебинаров
Создание сайта на Битрикс — AGRWEB