Мониторинг зданий и сооружений
Продажа оборудования для обследования и мониторинга
Расчеты и анализ НДС при обследовании здания
Простая фраза ведет либо к не обоснованному увеличению затрат на обследование, либо к аналогичной отписки инженеров.
Попробуем понять в каких ситуациях и для чего необходимо выполнять анализ напряженно – деформированного состояния здания в рамках обследования.
Фрагмент расчетной схемы несущих конструкций при анализе НДС
Перед анализом НДС выполняют максимально детальную «копию» здания с учетом фактических габаритов конструкций и используемых материалов.
Рассмотрим основные задачи и цели при выполнении поверочного расчета и анализа напряженно –деформированного состояния (НДС) здания.
Напряжённо – Деформируемое Состояние – 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);
- кратковременные (ветровая, снеговая);
- особые виды нагрузок (ударные, сейсмические, взрывные в том числе нагрузки, вызываемые резкими нарушениями технологического процесса, временной неисправностью оборудования и т.п.).
Здание моделируется с помощью 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.
Когда необходимо создавать модель для определения НДС?
– А как быть если здание не является «типовым»?;
– Выполнять комплексное обследование и на основе полученных данных выполнять модель и анализ НДС!
Не «типовые» здания и условия для которых необходимо определение НДС
Сложные грунтовые условия
Сложные грунтовые условия
При отсутствии явных причин образования трещин, необходимо моделировать здание совместно с грунтовым основанием – задавая деформационные характеристики грунтов.
Распространённый случай – эффект ползучести основания, который проявляется в виде значительных неравномерных осадок основания.
Осадки основания вызывают деформации, и как следствие дополнительные напряжения в элементах строительных конструкций, которые могут привести к аварийной категории состояния согласно ГОСТ 31937– 2024 «Правила обследования и мониторинга технического состояния».
Моделирование грунтового основания при анализе НДС
«Ползучесть» – довольно распространённое явление. В обычном случае мы нагружаем конструкцию и с увеличением нагрузки у нас увеличиваются деформации. А эффект ползучести – 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 причину образования трещин не доказать.
Сооружения со сложной конструктивной схемой
Сооружения со сложной конструктивной схемой
Крестово – купольный храм, конструктивная схема которого представляет собой трехпролетную арочно – стоечная систему
Конструктивная схема здания представлена сложным комплексом взаимодействия элементов, обеспечивающих пространственную жёсткость сооружения.
Например, крестово – купольный храм, конструктивная схема которого представляет собой трехпролетную арочно – стоечная систему.
Сложная конструктивная схема может быть обусловлена не только объемно – планировочными решениями здания, но и требованиям по нагрузкам.
Особые требования по нагрузкам предъявляются к гидротехническим сооружениям, атомным станциям, резервуарам, нефтеперерабатывающим заводам и т.п.
Атомные станции должны выдерживать попадание самолета, а в текущих реалиях и различных БПЛА.
По причине решения указанных задач и возникают здания с особенными требованиями по нагрузкам и соответственно сложной контструктивной схемой.
Получение исходных данных для усиления
Получение исходных данных для усиления
При предпроектной работе по оценке возможности усиления фундаментов здания выполняют анализ НДС до и после усиления.
Цель анализа – сравнение существующих осадок сооружения с данными полученными в рамках аналитической модели.
Если модель по результатам анализа отражает действительную работу конструкций и грунтов основания, то переходят к моделированию усиления, например сваями и оценке получаемых параметров осадки и деформаций с учетом усиления.
На рисунке можно увидеть пример моделирования конструктивной схемы сооружения с учетом усиления фундамента сваями.
Моделирование конструктивной схемы сооружения с учетом усиления фундамента сваями.
Определение концентраций напряжений в узлах конструкций
Определение концентраций напряжений в узлах конструкций
Определение концентраций напряжений в узлах 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?».
Определение концентраций напряжений двадцать лет назад выполнялись с помощью решения сложнейших нелинейных систем дифференциальных уравнений. А анализ результатов мог длиться около года.
Последние два десятилетия, благодаря развитию вычислительных машин стали доступны программные комплексы, которые позволяют инженерам выполнять расчеты за считанные минуты.
Но возникает другая проблема, необходимо понимать, что закладывать в модель и какой результат должен получиться.
Бывают случаи, когда все методы инструментального исследования говорят о невозможности образования трещин в какой – либо зоне, а они есть. В таких случаях на помощь приходит метод конечных элементов и анализ напряженно –деформированного состояния.
Метод конечных элементов говорит о концентрации напряжений в указанной зоне в силу особенностей конструктивной схемы и тогда вопрос о причине образования трещины становится ясен.
Реконструкция здания
Реконструкция здания
При реконструкции здания возникает необходимость демонтажа отдельных стен, перекрытий балок.
Для этого необходимо произвести анализ НДС с последующим выводом: «Можно ли удалять несущую стену и как распределяться напряжения и деформации в «новой конструкции»?
На рисунке можно увидеть распределение напряжений и усилий в стене, под которой была удалена опора.
Распределение напряжений при демонтаже опоры
При обследовании объектов культурного наследия
При обследовании объектов культурного наследия
Фактическое состояние конструкций ОКН
Объекты культурного наследия (ОКН) демонтировать и перестраивать запрещено. Особенность объектов ОКН в том, что здания построены достаточно давно, и определить физико – механические характеристики материалов при инструментальном обследовании несущих конструкций не так просто.
Существующим нормативам и сортаментам материалов объекты ОКН не соответствуют. Один из способов определения физико-механических характеристик – инструментальное обследование здания.
Инструментальное обследование проводится по отдельно разработанной и согласованной с КГИОП программе работ с указанием вскрытий, шурфов, испытаний и т.п.
Фрагмент модели объекта культурного наследия для оценки НДС
После получения характеристик по результатам обследования выполняют модель здания и определяют напряженно – деформированное состояние здания.
На рисунке 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.
Второй метод определения НДС заключается в проведении натурных испытаний конструкций пробными нагрузками.
Метод пробных нагрузок заключается в нагружении отдельных конструкций с фиксацией полученных деформаций с помощью тензорезисторов и аналогичных приборов.
Испытание конструкции пробными нагрузками позволяет определить запас прочности конструкции.
Заключение
- Анализ напряженно – деформированного состояния здания несомненно помогает ответить на многие вопросы образования дефектов и повреждений в рамках обследования здания. Основной минус заключается в необходимости проведения огромной работы для создания модели. Основная трудоемкость заключается в необходимости определения всех конструктивных элементов, узлов, состава конструкций, что с учетом стоимости работ не всегда обоснованно.
- Модель помогает в определении конструктивной схемы и работы конструкции. Отражает действительное распределение напряжений в каждом элементе сооружения.
- Учёт в модели парного взаимодействия «сооружение – грунт» позволяет учесть осадки здания и перемещение конструкций.
- Анализ НДС позволяет учесть локальные эксцентриситеты в конструкциях (для подкрановых балок, для общей «крутильной» жёсткости здания при несовпадении центра жёсткости и центра масс здания).
- 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, балок, колонн) на прочность по актуальным строительным нормам. Прочностные расчеты строительных конструкций являются обязательным элементом отчета об обследовании здания.
- Анализ позволяет наиболее точно выявить категорию аварийности сооружения по актуальным нормативным документам.
