Cтатический расчет напряженно-деформированного состояния здания с учетом генетической нелинейности

Цель: Сравнение результатов расчетов, выполненных программами SCAD и ANSYS, напряженно-деформированного состояния многоэтажного здания с учетом генетической нелинейности.

Имя файла с исходными данными:   Test-01.MPR

Формулировка задачи: Расчетная модель – 11-ти этажный прямоугольный в плане фрагмент здания — пространственная схема, состоящая из колонн, стен, пилонов, плит перекрытий на жестком основании (закрепление узлов по всем линейным и угловым степеням свободы). Модель загружена равномерной распределенной нагрузкой (1,5 т/м²) по всем плитам перекрытия.

Ссылки: О.В. Кабанцев, Верификация расчетной технологии «МОНТАЖ» программного комплекса «SCAD», International Journal for Computational Civil and Structural Engineering , 2011, 7 (3), 103-109.

Исходные данные:

Физические характеристики - материал элементов расчетной модели бетон класса по прочности на сжатие В25; модуль упругости E = 3 10⁶ т/м² ; коэффициент Пуассона ν = 0,2.

Геометрические характеристики:
Высота этажа – 3 м,
Шаг колонн – 7 м по X и 6 м по Y,
Сечение колонн –50×50 см.
Толщина перекрытий – 20 см
Толщина стен и пилонов – 40 см, ширина пилонов – 100 см.

Граничные условия: защемление колонн, пилонов и стен (жёсткая заделка) по плоскости z = 0 м

Нагрузки:
1) Вертикальное давление на перекрытия q₁ = 1,5 т/м² – прикладывается ко вновь возводимым фрагментам-этажам;
2) Вертикальное давление на перекрытия q₂ = 1 т/м² – прикладывается после возведения всего здания.

Конечноэлементная модель:

ANSYS

Плиты, стены и пилоны моделируются оболочечными конечными элементами типа SHELL63, колонны – балочными конечными элементами типа BEAM44.

Стадия 1. Обнуление жёсткости всех КЭ (функция «смерть элементов»), кроме 1-го этажа, и закрепление всех узлов, не принадлежащих элементам 1-го этажа по всем степеням свободы, с приложением нагрузки q1 на перекрытие 1 этажа и последующим расчётом НДС;

Стадия 2. Возврат прежней жёсткости КЭ (функция «рождение элементов») 2-го этажа и удаление закреплений узлов, принадлежащих элементам 2-го этажа по всем степеням свободы, с приложением нагрузки q₁ на перекрытие 2 этажа и последующим расчётом НДС;

…….

Стадия 11. Возврат прежней жёсткости КЭ (функция «рождение элементов») 11-го этажа и удаление закреплений узлов, принадлежащих элементам 11-го этажа по всем степеням свободы, с приложением нагрузки q₁ на перекрытие 11 этажа (покрытие) и последующим расчётом НДС;

Стадия 12. Приложение нагрузки q₂ на все перекрытия здания с последующим расчётом НДС.

 

Закрепление узлов, не принадлежащих «оживлённым» элементам, производится для «фиксации» элементов конструкции здания на проектных отметках с целью учёта реального процесса возведения здания (выведение перекрытий на проектные отметки).

SCAD

Плиты, стены и пилоны моделируются оболочечными конечными элементами типа 44, колонны – стержневыми элементами общего типа 5.

Размерность полной модели составляет: 5608 узлов и 5456 конечных элементов.

Моделирование процесса возведения здания состоит из следующих стадий-этапов:

Стадия 1. Включение в состав действующих на этапе №1 набора элементов в уровне 1-го этажа с приложением нагрузки q₁ на перекрытие 1 этажа и последующим расчётом НДС;

Стадия 2. Включение в состав действующих на этапе №2 набора элементов в уровне 1-2го этажей с приложением нагрузки q₁ на перекрытия, входящие во 2-й этап, и последующим расчётом НДС;

…………

Стадия 11. Включение в состав действующих на этапе №11 набора элементов в уровне 1-11-го этажей с приложением нагрузки q₁ на перекрытия, входящие в 11-й этап, и последующим расчётом НДС;

Стадия 12. Приложение нагрузки q₂ на все перекрытия здания с последующим расчётом НДС.

Общий вид расчетной модели ANSYS.	Общий вид расчетной модели SCAD.

Схемы расчетных моделей ANSYS и SCAD для различных стадий расчета

№ стадии	ANSYS	SCAD
1
2
11
12	Добавлены нагрузки q2.	Добавлены нагрузки q2.

Сравнение решений:

Параметр	Учёт 12-и стадий возведения		Отклонения, %
	ANSYS	SCAD
Максимальное вертикальное перемещение, мм	-24,8	-24,19	2,46
Продольное усилие в колонне (1 этаж), т	-870,6	-865,1 (КЭ 386)	0,63
Продольное усилие в колонне (10 этаж), т	-3,2	-2,99 (КЭ 4679)	6,56