Цикл статей "Как рождается архитектура" | Dystlab Library

Общий алгоритм расчета строительных конструкций

Эта статья является частью проектного курса Расчет строительных конструкций с нуля, который обучает слушателя правильному выбору расчетных схем, сбору нагрузок, моделированию и расчету строительных конструкций. Применение САПР в рамках курса сознательно сведено к минимуму, чтобы слушатель научился проектировать элементы конструкции "вручную".

Программа курса

  1. Основные задачи инженера-расчетчика
  2. Общий алгоритм расчета строительных конструкций
  3. Готовимся к проверкам по предельным состояниям
  4. Нагрузки и воздействия
  5. Сочетания нагрузок
  6. Как отследить наиболее опасное положение нагрузки?
  7. Армирование железобетонной балки. Расчет ЖБК на действие изгибающего момента
  8. Расчет железобетонных конструкций по наклонным сечениям
  9. Основы расчета металлических конструкций
  10. Основы усиления зданий и сооружений

Если Вы учились в строительном вузе на кафедре железобетонных конструкций, то скорее всего, сейчас Ваша работа не связана с проектированием металлических конструкций, и наоборот. Это уже некоторая традиция (по крайней мере, в СНГ) и часто даже проектные компании специализируются либо только на железобетоне, либо только на металлоконструкциях. А ведь есть еще деревянные конструкции (коттеджи, беседки, временные сооружения), пластмассовые (емкости, резервуары, контейнеры, фасады), сталежелезобетонные (пролетные строения мостов), композитные (объекты реконструкции) и прочие...

Как научиться всё это проектировать?



Законы механики везде одинаковы

Во-первых, нужно понимать, что абсолютно все конструкции работают по одним и тем же глобальным законам механики. Да, реакция разных материалов на внешнее воздействие специфична, но принципиального различия (на уровне всего сооружения) в поведении разных строительных объектов нет, и быть не может.

Вне зависимости от того, из какого материала изготовлена конструкция, где и кем она была спроектирована и как построена — к ней можно применить определенные уравнения, то есть построить адекватную математическую модель. Небоскреб Бурж-Халифа (ОАЭ), Эйфелева башня (Франция), мост Акаши (Япония) — в элементах этих конструкций возникают такие же по природе усилия растяжения-сжатия, изгибающие моменты, прогибы как и в том здании, в котором Вы сейчас находитесь. Законы сопротивления материалов, теоретической и строительной механики не зависят ни от географии, ни от материала, ни от масштабов конструкции.

Общий алгоритм расчета строительных конструкций | Dystlab Library

Рисунок 1. Используя доступные данные о "Бурж-Халифа", попробуйте в первом приближении назначить изгибную жесткость EI для каждого отдельного участка расчетной схемы этого здания

Алгоритм расчета строительной конструкции

Поскольку законы механики едины, то можно попытаться вывести для себя некий алгоритм расчета любой строительной конструкции и применять его в дальнейшей практике.

Общий алгоритм расчета строительных конструкций | Dystlab Library

Рисунок 2. Алгоритм расчета строительной конструкции

Безусловно, это очень упрощенная схема действий. Далее мы составим более детальный алгоритм, а пока разберем эти три основные.

Этап 1. Постройте расчетную схему, соберите нагрузки

На первом этапе Вам предстоит определиться с расчетной схемой или моделью сооружения. Расчетная схема — виртуальный аналог реальной конструкции, в котором отражены только те ее элементы, которые принципиально влияют на работу конструкции под нагрузкой. Все малозначимые (с точки зрения НДС) элементы в расчетной схеме игнорируются.

Если речь идет о реконструкции уже построенного здания, то расчетная схема составляется в соответствии с его конструктивной схемой. Если Вы проектируете объект нового строительства, то все расчетные схемы Вам придется составлять виртуально, в самом начале — в своей голове. Искусству составления расчетных схем посвящены курсы сопротивления материалов, статики сооружений, строительной механики. Обычно, эти навыки приходят со временем, поэтому инженерам без опыта работы рекомендуется сначала рассчитывать простые системы, постепенно переходя к более сложным.

Модель конструкции в виде отдельных элементов — “безжизненна”, если к ней не приложена нагрузка. Система начинает работать (т. е. деформироваться) только в том случае, когда на нее воздействуют какие-то нагрузки.

В плане нагрузок, расчетчику следует позаботиться о следующих аспектах:

  • продумать, какие нагрузки вообще могут воздействовать на сооружение
  • продумать, какие возможны сочетания нагрузок
  • вычислить нормативные значения нагрузок
  • вычислить расчетные значения нагрузок

Подробно о нагрузках речь пойдет на следующем занятии курса.

Этап 2. Определите параметры НДС

Как было сказано на предыдущем занятии, определить усилия, напряжения, деформации в сечениях конструкции можно вручную (с помощью известных методов сопротивления материалов и строительной механики) или же с применением МКЭ.

Этап 3. Выполните проверки элементов

Какие проверки Вам потребуется выполнить для того или иного элемента конструкции — станет ясно после второго этапа, в зависимости от полученных параметров НДС. Как правило, в нормативных документах эти проверки сегментированы именно по видам напряженно-деформированного состояния (изгибаемые элементы, сжатые/растянутые элементы, и так далее).

Почему в СНиП нет расчетных схем?

Допустим, Вы никогда ранее не занимались проектированием, но сейчас перед Вами стоит задача рассчитать, например, арочное пролетное строение моста из сборного железобетона.

Интуитивно понятно, что проектировать такое сооружение нужно в соответствии с какими-то нормами. В сфере строительства и архитектуры есть множество различных норм и стандартов, однако для расчета применяются всего несколько основных документов. Так, для расчета железобетонных конструкций промышленного и гражданского назначения в странах СНГ обычно применяется национальная (актуализированная) версия СНиП "Бетонные и железобетонные конструкции", а для проектирования мостовых сооружений — национальная версия СНиП "Мосты и трубы".

Но ни в первом, ни даже во втором документе Вы не найдете рекомендаций по моделированию и расчету арочного пролетного строения моста из сборного железобетона. Та же ситуация будет и с другими строительными конструкциями, зданиями и сооружениями. Почему так?

Общий алгоритм расчета строительных конструкций | Dystlab Library

Рисунок 3. Виды простейших расчетных схем (балка, стержень, рама)

С точки зрения системного анализа, проектирование строительного объекта обычно осуществляется в две стадии:

  • анализ
  • синтез

Анализ (др.-греч. ἀνάλυσις — разложение, расчленение) позволяет разделить даже самую сложную систему на более простые элементы. Если говорить о расчетной схеме, то какой бы сложной она ни была — в каждом ее сечении могут возникнуть, например, лишь 3 силы и 3 момента. Поэтому нет смысла вносить в нормы проектирования конкретные расчетные схемы — их в природе великое множество; достаточно указать расчетчику, какие проверки необходимо выполнить для отдельных сечений.

На этапе синтеза (др.-греч. σύνθεσις — соединение) происходит обратный процесс: узнав, как ведут себя отдельные точки конструкции, проектировщик понимает работу всего сооружения и после проведения расчетов может приступать к финальному конструированию.

Расчетная схема необходима для того, чтобы корректно установить правила передачи параметров напряженно-деформированного состояния от одного элемента конструкции к другому. В ферме это будут свои правила, в раме — свои, в арке — свои, и так далее. Но когда эти правила установлены и НДС конструкции определено, то можно брать в руки нормативный документ и выполнять проверки конкретных сечений.

Общий алгоритм расчета строительных конструкций | Dystlab Library

Рисунок 4. Железобетонный мост

Сколько расчетных схем может быть в проекте?

Говоря о первом этапе алгоритма (рис. 2), нужно понимать: построить расчетную схему один раз Вам удастся лишь для очень простой конструкции. Для более-менее сложного сооружения расчетных схем может быть достаточно много.

Не стоит думать, что расчетная схема изменяется только в процессе строительства здания. Для стадии эксплуатации нам также придется продумать различные варианты работы сооружения, например:

  1. В здании никого нет
  2. В здании есть только люди, мебель, оборудование
  3. В здании идут ремонтные работы
  4. Здание эксплуатируется в условиях землетрясения
  5. В здании возник пожар
  6. В подземном паркинге пьяный водитель снёс колонну здания
  7. На здание совершена атака пассажирским самолетом

Общий алгоритм расчета строительных конструкций | Dystlab Library

Рисунок 5. Авария — отдельная проектная ситуация

Количество расчетных схем одной и той же строительной конструкции будет столько, сколько различных состояний для нее смоделирует расчетчик. При этом могут меняться жесткости элементов, свойства материала, нагрузки, условия закрепления и пр. Каждое такое состояние с соответствующей расчетной схемой оформляется в проектной документации отдельным блоком (кейсом).

Краткие выводы

Не нужно бояться расчета конструкции.

Страх, прививаемый нам в отношении инженерного дела грозными профессорами еще со студенческой скамьи — анахронизм образовательной системы, не более. Для достижения своей цели (а мы ведь хотим стать хорошими расчетчиками!) нам понадобятся терпение, свободное время, позитив. Критика, негативная оценка, осуждение — плохие помощники в процессе познания, поэтому рекомендую искать поддержку в проектах, которые свободны от этих факторов.

Ошибки можно и нужно допускать — из них рождается профессиональный опыт, интерес, мотивация. В лаборатории Dystlab, например, приветствуется каждая допущенная Вами ошибка. Это признак Вашего творческого поиска и желания развиваться.

Не нужно пытаться освоить всё и сразу — начинайте с простых систем: балка на двух опорах, консольная балка и т. п. Все конструкции подчинены единым законам механики, поэтому алгоритм расчета любого здания или сооружения укрупненно можно представить тремя этапами: составить расчетную модель, вычислить параметры напряженно-деформированного состояния, выполнить проверки. Успехов!

Общий алгоритм расчета строительных конструкций | Dystlab™ Library

Источники информации

  1. Свод правил СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 / НИИЖБ им. А. А. Гвоздева. - М.: 2011. - 156 с.
  2. Проектирование и расчет железобетонных и каменных конструкций: Учеб. для строит. спец. вузов / Н. Н. Попов, А. В. Забегаев. - М.: Высш. шк., 1989. - 400 с.
  3. Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1-1: General rules and rules for buildings / EN 1993-1-1:2005 (Національний стандарт України ДСТУ-Н Б EN 1993-1-1:2010 Єврокод 3: Проектування сталевих конструкцій. Частина 1-1. Загальні правила і правила для споруд / - К.: Мінрегіонбуд України, 2011. - 150 с.)
  4. Свод правил СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* / ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. - М.: Минрегионразвития, 2011. - 173 с.
  5. EN 1990 Eurocode — Basis of structural design (Єврокод: Основи проектування конструкцій. Настанова / Національний стандарт України ДСТУ-Н Б В.1.2-13:2008 (EN 1990:2002, IDN) / - К.: Мінрегіонбуд України, 2009. - 204 с.)
  6. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы / - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 200 с.
  7. Свод правил СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* / ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. - М.: Минрегионразвития, 2011. - 96 с.
  8. EN 1993-1-11:2006 Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-11: Design of structures with tension components (Єврокод 3. Проектування сталевих конструкцій. Частина 1-11. Проектування конструкцій з розтягнутими елементами) / Національний стандарт України ДСТУ-Н Б EN 1993-1-11:20XX / - К.: Мінрегіонбуд України, 2012. - 54 с.
  9. ГОСТ 3062-80: Канат одинарной свивки типа ЛК-О / Межгосударственный стандарт / -М.: Госстандарт, 1991.

Скачать бесплатно из каталога Dystlab

Комментарии   

-1 # Саша 13.04.2018 23:08
Тут недавно новость была как женщина инженер феминистка спроектировала пешеходный мост, заявив тем самым что женщины такие же эффективные инженеры как и мужчины. Правда вскоре этот мост завалился и похоронил людей. Так что не зря грозные профессора пугают самолюбивых и бестолковых.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
+1 # Мария 15.04.2018 05:57
Очень содержательная информация - без единой ссылки. А вывод относительно инженерных способностей женщин почти "логичен"))) Браво!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
+1 # Виталий 16.04.2018 07:37
а пруфлинк можно?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
+2 # Мария 24.10.2017 11:03
Периодически Виталий проводит групповые онлайн-интенсивы по расчету строительных конструкций (ближайший анонсирован в ноябре -
community.dystlab.com/.../17-). Думаю, будет не лишним для тех, кто желает понять алгоритм расчета.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
0 # Alex Mamedov 14.07.2017 09:35
хорошо пишеш. спасибо тебе!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
+2 # Василий Черненко 18.04.2017 20:10
С нетерпением жду начала курса)
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
+4 # Виталий 18.04.2017 21:03
Спасибо, буду стараться запустить до лета. Сначала будет цикл текстовых статей, потом — видеокурс. Практика уже есть здесь: job.dystlab.com/index.php/civil-concrete

Ну и, конечно, онлайн-консультации)
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
+2 # Мария Никицкая 18.04.2017 16:47
Ух ты! Очень хорошо написано. Даже мне стал понятен алгоритм :) (технического образования не имею)
Все верно: если задаться целью и заручиться поддержкой опытного специалиста, можно научиться даже таким сложным штукам!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать