Поверочный расчет и анализ напряженно-деформированного состояния конструкций здания в рамках обследования технического состояния

  Специалисты компании осуществляют работы по определению фактического

напряженно-деформированного состояния (НДС) строительных конструкций и здания в целом в рамках проводимого комплексного (визульно-инструментального) обследования здания или сооружения. 

Рассмотрим основные задачи и цели при выполнении поверочного расчета и анализа  напряженно-деформированного состояния (НДС) здания:
Напряжённо-Деформируемое Состояние (НДС) – это, как видно из определения, совокупность напряжений и деформаций, возникающих в здании от действия на него внешних нагрузок. Нагрузки бывают разного рода: постоянные (собственный вес конструкций), временные (эксплуатационная нагрузка от располагаемого оборудования, скопления людей и т.д.), кратковременные (ветровая, снеговая) и особые виды нагрузок (ударная нагрузка, сейсмическая, падение самолёта (требуется учитывать при проектировании Атомных ЭС)). Зачастую при техническом обследовании зданий и сооружений возникает необходимость в исследовании и анализе напряженно-деформированного состояния конструкций и здания (сооружения) в целом. Здание моделируется с помощью мощных компьютерных программных комплексов, которые реализуют «Метод Конечных Элементов (МКЭ)». Суть метода конечных элементов заключается в делении строительных конструкций здания на множество конечных элементов, которые взаимодействуют между собой и показывают распределение напряжений в любом элементе конструкций с достаточной степенью точности.

Напряженно-деформированное состояние
Поверочный расчет

Рис.1. Деление балки на отдельные элементы в рамках метода конечных элементов.

Когда необходимо создавать модель для определения НДС?

 Наиболее остро у Заказчика всегда стоит вопрос для чего выполнять расчет напряженно-деформированного состояния в рамках комплексного обследования здания? Ведь порой для зданий с «типовой» расчетной конструктивной схемой достаточно собрать нагрузку на один элемент и выполнить поверочный расчёт отдельного элемента (балки, перекрытия и т.п.) и сделать вывод о его работоспособности или аварийном состоянии. Ниже мы постарались свести в определенную структуру необходимость определения напряженно-деформированного состояния:

  1. Здания сложной структуры, где конструктивная схема здания представлена сложным комплексом взаимодействия отдельных элементов, обеспечивающих пространственную жёсткость сооружения. Например, крестово-купольный храм, конструктивная схема которого представляет собой трехпролетную арочно-стоечная систему.

Обследование храма

Рис.2. Расчетная схема крестово-купольного храма.

  2. Сложные грунтовые условия объекта обследования. Для определения причин наличия таких дефектов в здании как трещины в несущих конструкциях (в кирпичной кладке, бетонных стенах, перекрытиях и т.д.) необходимо моделировать здание совместно с основанием сооружения, задавая деформационные характеристики грунтов. Распространённый случай – это эффект ползучести основания, который проявляется в виде больших неравномерных осадок основания. Осадки основания вызывают деформации, и как следствие дополнительные напряжения в элементах строительных конструкций, которые могут привести к аварийной категории состояния. Да и вообще «ползучесть» - довольно распространённое явление. В обычном случае мы нагружаем конструкцию (или она сама нагружается, снегом, например) и с увеличением нагрузки у нас увеличиваются деформации. А эффект ползучести, это когда деформации увеличиваются без увеличения нагрузки! То есть, какая бы конструкция не была, рано или поздно эти процессы начнут происходить. Поэтому для зданий исторической застройки (или недостроенных зданий) так актуальны поверочные расчёты для оценки фактического напряженно-деформированного состояния.

  Для Санкт-Петербурга также характерно, что основанием фундаментов здания являются различные грунты, например восточная часть фундаментов здания, опирается на суглинок, а фундамент западной части здания опирается на песок либо его «линзу», что приводит к неравномерным осадкам фундаментов здания и соответственно деформациям вышележащих конструкций с образованием перекосов и трещин. Без расчета НДС, а также проведения геологических изысканий причины подобной проблемы не выявить.

Обследование многоэтажного здания

Рис.3. Модель здания с грунтовым массивом из объёмных конечных элементов.

   3. Необходимо выполнить проект усиления обследуемого здания. Например, необходимо разработать проект реконструкции здания с усилением фундамента мелкого заложения дополнительными сваями. На рисунке ниже можно увидеть пример моделирования напряженно-деформированного состояния усиления фундамента храма дополнительными сваями и распределение вертикальных перемещений здания. Основное преимущество здесь в том, что можно смоделировать сначала здание без усиления, сравнить получаемые осадки в модели, сравнить их с действительными, произвести корреляцию и удостовериться, что наша модель отражает действительную работу конструкции, а затем создать модель с усиливающими элементами и посмотреть изменение какого-либо фактора.

Реконструкция и усиление здания

Рис.4. Напряженно-деформированное состояние (НДС) здания после усиления.

   4. Определение концентраций напряжения в узлах строительных конструкций. Если в обычном случае, ответ на вопрос, что происходит в локальных областях нагруженных конструкций (вблизи отверстия, вблизи сварного шва и т.д.) нам необходимо искать справочник, довериться формуле и оценить, то при моделировании этого узла, можно с очень большой точностью узнать «а что действительно там происходит?». Такие реализации стали доступны с развитием вычислительных машин и программных комплексов за последние двадцать лет. Если около 50 лет назад, такие задачи могли решаться только вручную, решая сложнейшие нелинейные системы дифференциальных уравнений, анализ результатов которых мог длиться до года, то сейчас у высококвалифицированного специалиста на такой анализ может уйти около одного дня (без учета времени потраченного на разработку конструктивной схемы здания). Необходимо также отметить, что при обследовании здания основной целью является определение причин развития дефектов (трещин, осадок, кренов и т.д.). Бывают случаи, когда все методы инструментального исследования говорят о невозможности образования трещин в какой-либо зоне, а они есть, то тогда на помощь приходит метод конечных элементов и анализ напряженно-деформированного состояния. В таких случаях метод конечных элементов говорит о концентрации напряжений в указанной зоне в силу особенностей конструктивной схемы и тогда вопрос о причине образования трещины становится ясен.

Рис.5. Модель фрагмента пилона вантового моста и распределение главных напряжений по всем элементам модели.

   5. В рамках реконструкции здания. При визуальном обследовании здания могут выявиться аварийные элементы здания, которые при дальнейшей реконструкции и эксплуатации здания могут быть удалены. Для этого необходимо произвести анализ с последующим выводом: можно ли удалять несущую стену здесь и как распределяться напряжения и деформации в «новой конструкции». Здесь также нам на помощь идёт оценка НДС. На фото ниже можно увидеть распределение напряжений и усилий в стене, под которой была удалена опора.

Усиление конструкций

Рис.6. Распределение напряжений и усилий в стене, под которой была удалена опора.

   6. В рамках обследования объекта культурного наследия. Как правило, данные типы объектов демонтировать нельзя. Их необходимо сохранить, и если планируется дальнейшая эксплуатация, то произвести соответствующий ремонт. Особенность подобных зданий в том, что они построены достаточно давно, и определить физико-механические характеристики материалов при инструментальном обследовании несущих конструкций не так просто, потому что они не будут соответствовать ныне существующим сортаментам материалов. Возраст конструкций может доходить до 100-150 лет. Поэтому необходимо выполнять вскрытия элементов несущих конструкций, проводить испытания бетона (методом отрыва со скалыванием или испытанием кернов на прессе), арматуры для определения ее расчетного сопротивления и т.п. Затем использовать эти характеристики для определения напряженно-деформированного состояния материала, конструкций и всего здания. На рисунке ниже мы можем видеть ТЭЦ, которую построили в начале 30-х годов прошлого столетия и модель, отражающую полную работу этой конструкции с заданными физико-механическими характеристиками материалов. При необходимости осуществляется процесс измерения НДС с помощью тензорезисторов и аналогичных приборов в рамках испытания конструкций пробными нагрузками. Испытание конструкции пробными нагрузками позволяет также определить запас прочности конструкции.

Рис.7. Расчетная схема объекта, выполненная в рамках отчета об инженерно-техническом обследовании состояния объекта культурного наследия.

   7. Определение категории технического состояния зданий и сооружений в сейсмически опасных районах. Наиболее распространена ситуация, когда необходимо провести обследование и осмотр здания на наличие дефектов в сейсмически опасном районе России. Как известно, 20% территории России относится к сейсмоактивным районам (в том числе 5% территории подвержено очень опасным 8-10-балльным землетрясениям). По физике явления землетрясения – это колебания земной коры, вызванные тектоническими деформациями земной коры. В процессе этих деформаций при определённом уровне напряжений происходит внезапное нарушение сплошности – образуется дислокация того или иного вида. При этом высвобождается значительная энергия, и возникают волны, распространяющиеся по всем направлениям. Основная причина разрушения зданий в таких районах – это, всем известное со школьных парт, явление резонанса, то есть совпадение частоты колебаний земной коры и собственной частоты колебаний сооружения. При обследовании состояния здания в таких районах необходимо не только произвести визуальный осмотр на наличие дефектов, нужно также производить расчёт полностью моделируя отдельные конструкции и здание в целом. Так как если этого не делать, то можно вывести ошибочную категорию состояния здания: существующие дефекты могут и не приводить к аварийной категории технического состояния, но конструктивное решение здания с учетом повреждений может не обеспечить сейсмостойкость сооружения и при вероятном землетрясении (даже слабом) произойдёт его обрушение или большие неупругие повреждения. На фото ниже мы можем видеть недостроенное сооружение, обследование которого проводилось в городе Петропавловске-Камчатском (подробнее) и следующим изображением его расчётной схемы с возможной формой колебания сооружения с учетом повреждений. Кроме того, пространственная схема сооружения при расчете НДС позволяет оценить воздействии колебания элементов каркаса здания на соседние примыкающие к нему строения, которые могут быть повреждены за счет существенно перемещения элементов здания ввиду колебаний.

Рис.8. Здание каркасной конструктивной схемы и его расчетная модель

Что нужно для создания расчётной модели напряженно-деформированного состояния?

   Создание расчётной модели очень трудоёмкий процесс, который требует  высокой квалификации инженера-обследователя, поэтому кратко перечислим здесь то, что ему необходимо для полного и детального анализа конструкции:

  1. Полная информация о грунтовых условиях объекта обследования. В случае сейсмически опасных районов – данные о микросейсморайонировании. (это данные, которые говорят о возможных будущих землетрясениях и особенностях грунтов на конкретной площадке строительства, а не района).

  2. Проектно-сметная документация на здание. К сожалению далеко не всегда она есть! Порой для инженера-обследователя встречаются исторические здания являющиеся объектом культурного наследия (ОКН), о которых мы говорил ранее, возраст которых может доходить и до 150 лет и какая-либо техническая информация отсутствует. В случае отсутствия проекта специалистами компании выполняется детальное техническое обследование здания с целью определения конструктивной схемы здания.

  3. Физико-механические свойства материалов, полученные в ходе инструментального обследования. Только благодаря фактическим значениям прочности, деформативности материалов конструкций можно получить адекватную схему работу конструкции. В рамках обследования определяются такие характеристики как расчетное сопротивление, относительное удлинение и т.п. Определение характеристик материалов осуществляются с помощью разрушающих и неразрушающих испытаний. Например, прочность бетона определяют с помощью испытания выбуренных из конструкции кернов либо на основе метода «отрыва со скалыванием» определяя затем марку и класс бетона. Выполняют также испытания арматуры на растяжение для определения предела текучести и т.п. У строительных материалов существуют так называемые стадии напряженно-деформированного состояния, например у железобетонных конструкций выделяют III стадии НДС. Все данные о характеристиках прочности, деформативности, стадиях НДС  материалов используются при построении расчетной модели напряженно-деформированного состояния здания.

  4. Категория технического состояния конструкций на основании ГОСТ 31937–2011 «Правила обследования и мониторинга технического состояния».

   Перед созданием расчётной схемы должен проводить осмотр сооружения на наличие несущих элементов, которые находятся в аварийном состоянии, для того, чтобы не учитывать их работу в расчетной модели. На фото ниже мы видим элементы, которые необходимо исключить из работы конструктивной схемы здания.

Рис.9. Элементы не учитываемые в расчетной схеме ввиду аварийного состояния и выключения из работы.

   На основании этих базовых необходимых параметров, наши специалисты могут создать конечно-элементную модель, которая будет максимально точно отражать действительную работу конструкции в её НЕ проектном, а нынешнем (с наличием дефектов), возможно, аварийном состоянии. Кроме того, специалисты выполняют работы по определению запаса прочности конструкции. А это задача более трудная, чем создание модели для нового строительства. В новом строительстве у сооружения дефектов нет, все элементы работают упруго и без повреждений, в таком случае достаточно выполнить линейный расчёт. В случае же аварийного здания – это, в первую очередь, нелинейная задача, учитывающая повреждения сооружения. Для аварийных сооружений также разрабатывается программа мониторинга и осуществляется контроль (мониторинг) напряженно-деформированного состояния в режиме реального времени. 

Основные преимущества метода конечных элементов при обследовании зданий и сооружений

   Теперь, в заключение данной статьи, приведём основные преимущества и недостатки (а они, безусловно, всегда есть, неприлично будет о них умолчать) обсуждаемого способа анализа, где тезисно повторим уже сказанное выше:

  1. Модель всегда помогает в определении конструктивной схемы и работы конструкции. Отражает действительное распределение напряжений в каждом элементе сооружения.

  2. Учёт в модели парного взаимодействия «сооружение-грунт» позволяет учесть осадки здания и перемещение конструкций.

  3. Позволяет учесть локальные эксцентриситеты в конструкциях (для подкрановых балок, для общей «крутильной» жёсткости здания при несовпадении центра жёсткости и центра масс здания).

  4. Выполнив расчёт напряженно-деформированного состояния, и получив усилия в элементах, мы получаем готовые численные значения моментов и поперечных сил для выполнения отдельных поверочных расчетов элементов здания (перекрытий, стен, и т.п.) на прочность по актуальным строительным нормам. Прочностные расчеты строительных конструкций являются обязательным элементом отчета об обследовании здания.

  5. Позволяет наиболее точно выявить категорию аварийности сооружения по актуальным нормативным документам. В настоящее время это:

   6. Позволяет должным образом пройти государственную экспертизу.

Единственным недостатком данного метода будет являться то, что эта работа требует привлечения высококвалифицированных специалистов. Небольшая ошибка и погрешность в анализе приведёт к неверному выводу о работоспособности конструкции, что может привести к обрушению отдельных конструкций и зданию в целом.

Специалистами нашей компании выполнено несколько сотен обследований зданий, как

в Санкт-Петербурге, так и по всей России, подробнее с выполненными объектами Вы можете ознакомиться в разделе «Объекты».

Закажите обследование здания у нас +7 (812) 244-37-80

Статьи по теме:

Обследование здания
Мониторинг здания
Недострой
Аварийный дом
Показать больше