11046

процесс, является актуальным направлением дальнейшего развития автоматизированного проектирования.

Литература

1.СП 15.13330.2012 Каменные и армокаменные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-22-81*

2.Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций к СНиП II-22-81

3.Фиалко, С.Ю. Применение метода конечных элементов к анализу прочности и несущей способности тонкостенных железобетонных конструкций с учетом физической нелинейности. – М.: Изд-во СКАД СОФТ, Издательский дом АСВ, 2018. – 192 с.

4.Шапиро, Д.М. Метод конечных элементов в строительном проектировании: Монография / Д.М. Шапиро. – М.: Изд-во АСВ, 2015. -

176 с.

М.К. Трошина, А.С. Шилов

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

АУТРИГЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

Высотные здания и небоскребы, по сравнению с более низкими зданиями, воспринимают нетолько большие вертикальные нагрузки, но и должны противодействовать значительным поперечным нагрузкам, которые возникают от ветровых и сейсмических воздействий. Для этого по высоте здания на определенном уровне устанавливаются аутригеры. Для каждого высотного здания конструкция аутригеров уникальна и может отличаться в пределах одного объекта на разных высотах.

Аутригерные системы – это жесткие горизонтальные конструкции, предназначенные для повышения устойчивости и жесткости здания путем соединения ядра жесткости с каркасом здания (рис. 1). Благодаря чему изгибающий момент, создаваемый ветровой нагрузкой, частично воспринимается ядром, а частично – периметральными колоннами, которые препятствуют горизонтальному перемещению ядра и догружаются вертикальной нагрузкой от момента [1].

180

-основные опрокидывающие моменты и связанные с ними возникающие деформации могут быть уменьшены действующими обратными моментами, приложенными к ядру в каждом примыкании аутригера;

-аутригеры дают значительное сокращение и, возможно, полное снятие перемещений и напряжений по колоннам и системам фундаментов;

-наружный шаг колонн не вызывает структурные нарушения и может легко совмещаться с эстетическими и функциональными требованиями;

-внешнее обрамление может состоять из простых балок и колонн, без использования твердых связей, типа структуры, что приводит к повышению;

-для прямоугольных зданий с вытянутыми фасадами аутригеры могут затронуть средние колонны при действии ветровых нагрузок в более критичном направлении [7].

Основными недостатками применения аутригерных систем являются:

-увеличение времени и усилий для их возведения, что ведет к нарушению рабочего ритма, установившегося при возведении типовых этажей;

-потенциальное влияние на свободное пространство, которое может быть минимизировано или устранено;

-влияние установки на процесс монтажа строительных конструкций. Рассмотрим пример расположения аутригерных систем в

"Международном финансовом центре 2" (Гонконг, Китай).

182

Строительство 420-метровой башни было завершено в 2004 году. Здание представляет собой 88-этажное композитное здание с пятью дополнительными подвальными уровнями, идущими вниз на 32 м. Конструктивная система состоит из центрального железобетонного ядра жесткости, связанного стальными балками и аутригерными системами с восемью внешними железобетонными мегаколоннами, расположенными по 2 штуки с каждого фасада здания с максимальным шагом 24 м. Кроме того, в каждом углу здания располагаются по две вспомогательные колонны, воспринимающие гравитационные нагрузки (рис. 3).

Для стабилизации и укрепления внешней стальной рамы к стене ядра предусмотрены четыре комплекта аутригерных систем и опоясывающих ферм.

Первые комплекты систем опоясывающих ферм располагаются на 6 и 7 этажах и служат для обеспечения равномерного распределения усилий от верхних конструкций зданий между мегаколоннами. Остальные три комплекта аутригерных систем, расположенных на 32-33, 53-54 и 65-66 этажах, повышают жесткость конструкции и уменьшают отклонение здания от воздействия ветровой нагрузки.

Аутригерные системы башни состоят из внутренней стальной рамы (якорная ферма, встроенная в железобетонное ядро с использованием двухступенчатого процесса бетонирования) и наружной рамы в виде опоясывающих ферм, действующих в качестве внешнего элемента жесткости и воспринимающих гравитационные нагрузки от угловых колонн.

Аутригерные и опоясывающие фермы соединены полужесткими соединениями, расположенными внутри пазов колонн. Такие соединения регулируются с помощью ряда специальных уплотнительных прокладок. Применение данного подхода позволило предотвратить накопление очень больших внутренних усилий, которые могли бы образоваться в том случае, если бы аутригеры и колонны были жестко и непрерывно соединены друг с другом с самого начала.

Выводы:

1.В конструктивную схему высотных зданий рекомендуется вводить аутригерные системы, которые повысят его жесткость, уменьшат ускорения колебаний, понизят вероятность прогрессирующего разрушения;

2.Эффективность применения аутригерных систем зависит от расположения их по высоте здания, количества аутригерных этажей, их конфигурации в плане, наличия системы опоясывающих ферм для взаимодействия соседних колонн периметра с мегаколонами, высоты ферм аутригеров и используемых конструкционных материалов.

183

Литература 1. Травуш В.И. Работа высотных зданий с применением этажей

жесткости (аутригеров) / В.И. Травуш, Д.В. Конин // Вестник ТГАСУ. – 2009. – №2. – С. 77-91.

2.Ho G. The Evolution of Outrigger System in Tall Buildings / G. Ho // International Journal of High-Rise Buildings. 2016, Vol 5, No 1, 21-30.

3.Choi, H. Outrigger Design for High-Rise Buildings: An output of the CTBUH Outrigger Working Group / H. Choi, G. Ho, L. Joseph, N. Mathias // Chicago: Council on Tall Buildings and Urban Habita, 2012.

4.Raymond Wong Wai Man. International Finance Centre, Phase II / W.W.M. Raymond // Construction & Contract News. 2003. No. 1.

5.Luong A. Two International Finance Centre / A. Luong, C. Gibbons, A. Lee, J. MacArthur // CTBUH. Seoul Conference. 2004

6.Xia J. Case Study: Shanghai Tower / J. Xia, D. Poon, D. Mass //

CTBUH Journal. 2010. Issue II.

7. Карамышева А.А. Аутригеры высотных зданий [Электронный ресурс] / А.А. Карамышева, М.А. Колотиенко, В.В. Ковалев, И.Ю. Даниленко // Инженерный вестник Дона. – 2018. – №3. – Режим доступа:

ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2018/5090, свободный.

Васин А.Д., Шилов С.С., Зайкова А.С.

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно- строительный университет»

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПОДКРАНОВОЙ БАЛКИ НА УСТАЛОСТЬ

Современные технологические процессы, зачастую нуждаются в надежных грузоподъемных механизмах большой мощности. В зависимости от выполняемого на предприятии технологического процесса могут быть использованы краны различной грузоподъемности. Для обеспечения мобильности крана в пределах его рабочего пространства необходимо использование подкрановых балок. Подкрановые балки работают с переменным или знакопеременным циклом напряжений, что способствует проявлению усталости материала. Подвижная сосредоточенная нагрузка действует последовательно по длине всей балки, в результате чего необходимо обеспечение надежности балки. Нагрузка на подкрановую балку во время цикла часто сопровождается скачками напряжений, что вызывает накопление деформаций и как следствие образование усталостных трещин в наиболее опасных зонах. [1,2]

184

Численная оценка существующего количества повреждений, рассеянных в микрообъеме материала, является одной из основных задач современной науки и техники.

Проблема исследования усталости конструкций является актуальной в настоящее время. Расчет и прогноз образования усталостных трещин при циклическом нагружении был выполнен на примере подкрановой балки Мартеновского цеха АО «ВМЗ» пролетом 16,5 метров.

Для изучения напряженно-деформированного состояния была создана конечно-элементная модель (рис.1) в программно-вычислительном комплексе “SCAD”.

Рис.1 - Расчетная конечно-элементная модель

Технология крана выбрана с учетом режима его работы – 8К и принята условно. Полный цикл работы крана принятый в расчетах представлен в таблице 1.

Таблица 1. Технология движения крана

Для определения напряжений в балке были созданы комбинации загружений, с шагом 0,4 метра, состоящие из собственного веса балки и приложенной нагрузки. Передача усилий на подкрановую балку осуществляется через 5 колес крана. Исходя из технологии работы цеха, принимаем скорость движения крана равной 0,4 м/с. Исследуемый элемент принят как самый опасный и располагается на верхней полке балки в середине пролета. Результатом расчета в ПВК “SCAD” является отчёт об

185

изменении напряжений в каждую секунду цикла при действии усилий на подкрановую балку (рис.2).

Рис.2 - График изменения напряжений в процессе работы

Усталость это процесс постепенного накопления повреждений материала, под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств и образованию усталостных трещин. Усталостные трещины – частичное разделение материала под действием переменных нагружений. Переменные нагружения вызывают скачкообразное изменение напряжений в металле. Скачки при многоцикловой работе подкрановой балки приводят к необратимым изменениям физико- механических свойств материала и возникновению микро-трещин. Для расчета на усталость используем кривую Веллера (кривая усталости). Кривая Веллера показывает зависимость между максимальными напряжениями и числом циклов до разрушения (циклической долговечностью). Данная кривая получена экспериментально для стали 09Г2С. При каждом скачкообразном изменении напряжения фиксируем по графику количество циклов до разрушения, а так же полученное разрушение за один цикл от данного напряжения.

Рисунок 3 - Диаграмма Веллера

При суммировании разрушений от каждого скачка напряжения получаем поврежденность материала в данной точке за период равный одному циклу. Исходя из технологии крана, считаем, что кран совершает 15 циклов за смену и двухсменной работе. Количество дней безаварийной работы крана составляет 1 440 рабочих дня или 5,9 года после введения его в эксплуатацию. Данная балка также была рассчитана на усталость по СП «Стальные конструкции. [4] Расчет удовлетворяет требования свода правил, следовательно, подкрановую балку разрешено эксплуатировать.

186

При приближении момента разрушения балки необходимо предпринять меры по остановке технологического процесса, выведению конструкции из рабочего состояния и замене аварийной конструкции. Также возможно разработать проект усиления подкрановой балки, после чего произвести дополнительный расчет остаточного ресурса усиленной конструкции.

Литература

1.Хорошун, Л. П. Основы микромеханики повреждаемости материала. Длительная повреждаемость / Л. П. Хорошун // Прикладная механика. – 2007. – Т. 43, № 2. – С. 1–2.

2.Khoroshun, L. P. Micromechanics of Short-Term Thermal Microdamageability / L. P. Khoroshun // Int. AppL. Mech. – 2001. – 37, № 9. – P. 1158–1165.

3.ГОСТ 25859–83. Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках. – Введ. 01.07.1984. – Москва: Изд-во стандартов, 1984. – 10 с.

4.СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*" (с Поправкой, с Изменением N 1).

А.К. Платунова

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно - строительный университет»

АНАЛИЗ ВЕТРОВЫХ И ШТОРМОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КАРКАСНОЕ ЗДАНИЕ АКВАПАРКА

В данной работе приводится оценка влияния динамического ветрового давления на напряженно-деформированное состояние несущих конструкций железобетонного каркасного здания.

Динамические напряжения, возникающие в несущих конструкциях от ветровой нагрузки, зависят от двух факторов:

−реальной скорости ветра, увеличивающей статическую составляющую напряжения;

−соотношения частоты ветровых порывов и собственной частоты здания.

Исходя из вышеприведённых факторов, динамическое напряжение может быть определено по формуле:

(1)

где – коэффициент увеличения скорости;

187

– реальная скорость потока;

– характеристическая скорость потока;

– динамический коэффициент, учитывающий

соотношение круговой частоты ветровых порывов и круговой частоты собственных колебаний здания . = 0,1 – коэффициент неупругого сопротивления здания, стеновые заполнения которого существенно влияют на рассеивание энергии.

Динамический коэффициент близок к единице, если собственная частота многократно превышает частоту вынуждающей нагрузки, но в случае совпадения частот резко возрастает и зависит лишь от величины .

Объектом исследования является одна из колонн проектируемого каркасного здания аквапарка (рис. 1,а). Принятая несущая основа пятиэтажного блока обслуживания представляет собой монолитный железобетонный каркас из вертикальных колонн размером 500×500 мм и диафрагм жесткости, объединенных поэтажными монолитными перекрытиями толщиной 250 мм (рис. 1,б, конструктивная схема). В расчете рассматриваются 2 типа граничных условий: жесткое защемление колонн и податливое основание.

С целью определения деформаций, напряжений и частоты собственных колебаний в программно-вычислительном комплексе SCAD Office была создана пространственная конечно-элементная модель (рис.2).

Была определена круговая частота собственных колебаний:

−без учета податливости основания - ω = 18,44 рад/с;

−с учетом податливости основания - ω = 7,64 рад/с.

Расчет напряжений сжатой зоны бетона в наиболее опасном сечении колонны проводился при характеристическом значении скорости ветра, равном 3 м/с.

Для конструктивной схемы здания с жестким защемлением колонн максимальное напряжение, возникающее в сжатой зоне бетона от ветровой нагрузки, составляет 1,83 кН/см2, при штормовых порывах оно увеличивается до 5,19 кН/см2. При учете податливости основания максимальные напряжения, возникающие от ветровой и штормовой нагрузок, соответственно равны 3,08 кН/см2 и 20,94 кН/см2.

188