Тема 10.2 Моделювання життєвого циклу конструкцій

Для сучасних складних споруд (мости, балки, великопролітні покриття, висотні будівлі та ін.), як правило, конструктивна схема обумовлюється не лише експлуатаційною стадією, але і стадією зведення. В процесі зведення конструктивна схема споруди може багаторазово змінюватися, зусилля і переміщення «заморожуватися», визначаючи перерізи елементів і конструкції вузлів саме на цій стадії.

Класичний приклад впливу стадії навантаження на НДС експлуатаційної стадії приведено на рис. 10.3. На трьохпролітну балку прикладено монтажне і експлуатаційне навантаження. Епюра моментів і величина прогину в середині середнього прольоту у випадку, якщо усі навантаження прикладено на остаточну (експлуатаційна стадія) схему, представлена на рис. 10.3, б).

Якщо балка зводиться методом навішування (метод іноді застосовується в практиці мостобудування), тобто на середні опори симетрично навішуються пролітні елементи і спираються на крайні опори, то перед замиканням середнього прольоту епюра моментів і прогин в середині матимуть вигляд, представлений на рис. 10.3,в). Зведена таким чином конструкція працюватиме як трьохпролітна балка тільки на експлуатаційне навантаження. Дійсна епюра моментів є сумарною епюрою від монтажного навантаження для консольної схеми (рис. 10.3, в) і експлуатаційного навантаження для пролітної балки (рис. 10.3, г) матиме вигляд представлений на рис. 10.3, д). Як видно, ця епюра сильно відрізняється від епюри  рис. 10.3, б), отриманої без врахування впливу способу зведення конструкції: опорні моменти в 1,5 разів більші, а прогин в середині в 1,3.

Рисунок 10.3– Моделювання процесу зведення багатопролітної балки

Характерна організація комп’ютерного моделювання процесу зведення конструкцій висотних будівель реалізована в спеціалізованому процесорі МОНТАЖ+ у складі ПК ЛІРА.

У цьому процесорі окрім врахування конструктивної схеми несучих конструкцій враховуються процеси зняття і установки тимчасових опор, прикладання і зняття монтажних навантажень, можливої тимчасової зниженої міцності і жорсткості бетону, обумовленої тимчасовим недобором 28-денної міцності бетонної суміші або її тимчасовим замерзанням.

1)        задається конструктивна схема усього об’єкту, тобто описуються усі елементи, включаючи як основні несучі елементи об’єкту (колони, балки, плити, діафрагми), так і тимчасові елементи (елементи опалубки, стійки підмостків та ін.);

2)   для кожного етапу зведення описуються усі конструктивні елементи, які зведені на момент цього етапу, тимчасові опори, які присутні на цьому етапі, а також опори, які демонтуються на цьому етапі;

3)     для кожного етапу задаються навантаження (власна вага, монтажні навантаження), які діють на цьому етапі, а також при необхідності понижуючий коефіцієнт міцності бетону.

Початкові дані для останнього етапу відповідають експлуатаційній стадії об’єкту, тобто стадії, коли об’єкт повністю зведений, прибрані тимчасові опори, набрана експлуатаційна міцність бетону, діють експлуатаційні навантаження (власна вага, вітер, сніг, корисні навантаження).

На кожному етапі зведення об’єкту відбувається розрахунок відповідної конструктивної схеми на власну вагу і монтажні навантаження з урахуванням наявних, знятих або доданих тимчасових опор.

Подальший розрахунок на розрахункові поєднання експлуатаційних навантажень (сніг, вітер, власна вага покрівлі) виконуються не з «нульового» НДС змонтованої конструкції, а з НДС відповідного останній стадії монтажу.

Схематично організація комп’ютерного моделювання процесу зведення однопролітної триповерхової рами представлена на рис. 10.4.

 Рисунок 10.4 – Моделювання процесу зведення багатоповерхової рами

Перша стадія монтажу (рис. 10.4, а) – змонтовані елементи першого поверху 1, 2, 3 і стійка опалубки 10. Узагальнене навантаження Р₁ – власна вага змонтованих конструкцій разом з монтажним навантаженням, відповідним цьому етапу зведення. В результаті розрахунку окрім усіх параметрів НДС визначається арматура в перерізі елементів 1, 2, 3 з урахуванням зниженої міцності бетону, наприклад K₁=0,3.

Друга стадія монтажу (рис. 10.4, б) – окрім елементів першого поверху додатково зведені елементи другого поверху 4, 5, 6 і встановлена додаткова тимчасова стійка 11. Навантаження Р₂ – власна вага знову зведених конструкцій + монтажне навантаження на цьому поверсі. Зусилля в елементах відповідні навантаженню Р₂ підсумовуються із зафіксованими зусиллями в елементах присутніх на етапі 1 від навантаження Р₁. По знайдених зусиллях визначається арматура в усіх елементах 1, 2, 3, 4, 5, 6 з урахуванням неповної міцності бетону, яка може бути різною для різних елементів. Наприклад, для зведених на другому етапі (елементи 4, 5, 6) K₂=0,3, а для зведених на першому етапі (елементи 1, 2, 3) K₁=0,6.

Третя стадія монтажу (рис. 10.4, в) – окрім елементів перших двох поверхів 1, 2, 3, 4, 5, 6 зведені елементи третього поверху 7, 8, 9, встановлена додаткова тимчасова стійка 12, тимчасова стійка 11 залишена, а тимчасова стійка 10 видалена. Навантаження Р₃ – власна вага знову зведених конструкцій разом з монтажним навантаженням на цьому етапі. Видалення тимчасової стійки моделюється додаванням сили Р₁₀ рівної зусиллю в прибраній стійці.

Накопичення зусиль в елементах на цьому етапі аналогічно другому етапу, тобто для раніше зведених елементів 1-6 відбувається підсумовування зафіксованих зусиль на попередньому другому етапі зі знову отриманими зусиллями на третьому етапі.

По знайдених зусиллях визначається арматура в усіх елементах 1-9 з урахуванням зниженої міцності бетону на цьому етапі, наприклад, K₃=0,3, K₂=0,6, K₁=0,8.

Експлуатаційна стадія (рис. 10.4, г) – на цій стадії розрахункова схема відповідає проектній. Процедура видалення усіх тимчасових стійок виконується аналогічно видаленню стійки 10 на третьому етапі. Узагальнене навантаження Р₄ включає усі корисні навантаження і додаткові постійні навантаження, за винятком навантажень від власної ваги, включених в навантаження Р₁, Р₂, Р₃, зусилля від яких зафіксовані на попередніх етапах розрахунку. Міцність бетону на цій стадії може прийматися відповідно до класу бетону або бути дещо зниженою, оскільки заморожування бетонної суміші в процесі монтажу може понизити остаточну міцність бетону.