Как выполнить усиление железобетонного здания?
Эта статья описывает работу с модулем усиления StatiCAD по TBDY 2018 (Турецкий сейсмический кодекс 2018) — Раздел 15.10, Приложение 15B и Приложение 15C. Модуль строится на цепочке оценки эксплуатационных характеристик существующего здания: усиление является свойством элемента, а будет ли оно учитываться в расчёте, определяет одна главная опция. Теоретическую основу см. в статье Теоретические основы усиления железобетонных конструкций, а результаты верификации — в статье Верификация модуля усиления железобетонных конструкций.
В каких редакциях? Оценка эксплуатационных характеристик железобетонных зданий и усиление доступны в редакциях Ultimate, Profesyonel и Betonarme. В других редакциях данные об усилении в проекте сохраняются, но в интерфейсе не отображаются и в расчёте не участвуют.
1. Общий порядок: «до» и «после» в одном файле
- Смоделируйте существующее здание; в группе Общие настройки проекта → Выбор норм → Эксплуатационные характеристики Р.15 включите оценку эксплуатационных характеристик железобетонных зданий, выполните расчёт и получите отчёт. Это состояние до усиления.
- В окне Свойства усиливаемых элементов (правая кнопка мыши → Свойства) на вкладке Усиление введите метод и параметры (см. Раздел 2). Эти сведения сохраняются вместе с проектом.
- В группе Общие настройки проекта → Эксплуатационные характеристики Р.15 отметьте флажок «Учитывать усиление» и повторите расчёт. Теперь вся цепочка (жёсткость, несущая способность, границы повреждений, решение по зданию, отчёт) рассчитывает усиленное состояние.
- При желании флажком «Добавить в отчёт сравнение до/после усиления» можно вывести краткое сравнение двух состояний рядом на первой странице отчёта (см. Раздел 4).
Пока флажок снят, программа рассчитывает здание в состоянии до усиления; результаты полностью совпадают с результатами здания, для которого данные об усилении не вводились.
2. Вкладка «Усиление»
Вкладка имеется в окнах колонны (Свойства вертикального пояса), балки (Свойства пояса) и стены/стены жёсткости (Свойства стены). Три верхних варианта предотвращают случайное применение при множественном выборе:
| Вариант | Значение |
|---|---|
| Ничего (отображается только при множественном выборе) | При нажатии ОК настройки усиления выбранных элементов не изменяются. При множественном выборе используется по умолчанию. |
| Не применять | У выбранных элементов отметка об усилении снимается. Для одиночного элемента используется по умолчанию. |
| Применить | Выбранные ниже метод и параметры записываются в выбранные элементы. |
Изменения сохраняются только кнопкой ОК; кнопка Отмена отменяет всё. Итоговое поле под вкладкой мгновенно показывает нормативные величины, полученные по введённым значениям (коэффициент эффективности обоймы, отношение ФАП, боковое давление, прочность и предельная деформация конфайнированного бетона, вклады в сопротивление срезу, несущая способность анкеровки и т. д.) и выводит предупреждения о применимости.
2.1 Усиление колонн
| Метод | Норма | Исходные данные | Влияние на расчёт |
|---|---|---|---|
| Обёртка из фиброармированного полимера (ФАП) | 15.10.1.3 / Прил. 15B | Число слоёв и толщина, модуль упругости, предельное относительное удлинение при разрыве, радиус скругления углов, сплошная обёртка или полосами (ширина и шаг полос); при необходимости существующая длина нахлёстки | Модель конфайнированного бетона, границы повреждений (GÖ = εcc, KH = 0,75εcc, SH = 0,004) и вклад в сопротивление срезу Vf. Несущая способность на изгиб не увеличивается. Если введена длина нахлёстки, по Прил. 15B.4 вычисляется требуемая толщина ФАП и сравнивается с обеспеченной; результат добавляется к метке усиления как «bind OK / YETERSİZ / UYGULANAMAZ» (нахлёстка достаточна / недостаточна / неприменимо). |
| Увеличение сечения (обойма) | 15.10.2 | Толщина обоймы (≥ 10 см), класс бетона обоймы, число граней (1–4); продольная арматура обоймы (количество, диаметр, защитный слой); хомуты обоймы (диаметр, шаг); расчётная модель: Композитная (по умолчанию), По букве норм или Только обойма | Жёсткость и прочность принимаются по сечению с обоймой с коэффициентом 0,9. Продольная арматура обоймы участвует в несущей способности на изгиб; хомуты обоймы добавляются к сопротивлению срезу. При обойме с 1, 2 и 3 гранями сечение рассчитывается с реальной односторонней геометрией, и принимается меньшая из ± несущих способностей. |
| Железобетонная обойма (срез) | 15.10.1.1 | Толщина, класс бетона, число граней | Только срез и осевое усилие: сопротивление срезу — по обжатому брутто-сечению с коэффициентом 0,9. Изгиб и жёсткость не меняются. |
| Стальная обойма | 15.10.1.2, Ф. 15.3 | Толщина, ширина, шаг и предел текучести пластин | К сопротивлению срезу добавляется Vj. Пластичность и изгиб не меняются. |
Непрерывность обоймы по этажам и условия по хомутам — ответственность пользователя; напоминание выводится в итоговом поле.
2.2 Усиление балок
| Метод | Норма | Исходные данные | Влияние на расчёт |
|---|---|---|---|
| Обёртка ФАП | 15.10.3.2 / Прил. 15B | Параметры ФАП, ширина и шаг полос | Модель конфайнированного бетона и Vf. При обёртке полосами, если условие шага полос (sf ≤ wf + d/4) не выполняется, вклад в срез не учитывается и выдаётся предупреждение. |
| Внешние хомуты | 15.10.3.1 | Диаметр, шаг, число ветвей, предел текучести | Только к сопротивлению срезу добавляется вклад хомутов по TS 500; эффекта конфайнмента нет, границы пластичности не меняются. |
2.3 Усиление стен жёсткости и заполняющих стен
| Метод | Элемент | Исходные данные | Влияние на расчёт |
|---|---|---|---|
| Обёртка ФАП концевой зоны | Железобетонная стена жёсткости | Параметры ФАП | Модель конфайнированного бетона концевой зоны и Vf. |
| Новая усиливающая стена жёсткости | Железобетонная стена жёсткости (15.10.5) | Класс бетона и арматуры стены, внутри рамы / примыкающая, диаметр анкера (≥ 16 мм), шаг (≤ 400 мм), глубина (≥ 10Ø), коэффициент трения, число рядов | При снятом флажке стены в модели нет (состояние до усиления). При установленном флажке оценивается как новый элемент (коэффициент уровня информации 1); выводятся проверка анкеровки, примечание по концевой зоне и предупреждение о фундаменте. |
| Штукатурка с сеткой | Заполняющая стена (Прил. 15C) | Материал стены (из таблицы норм или собственные значения), толщина штукатурки (≥ 30 мм) и число граней, коэффициент армирования сеткой, доля проёмов | В модели — эквивалентные диагональные стержни; несущая способность на срез; эксплуатационные характеристики по углу сдвига (TBDY, Таблица 15.2). |
| Диагональная полоса ФАП | Заполняющая стена (Прил. 15C) | Материал стены и параметры ФАП, ширина полосы | Сжатые и растянутые стержни. |
В окне стены варианты метода активируются в зависимости от типа элемента: для железобетонной стены жёсткости — ФАП и новая стена, для заполняющей стены — методы Прил. 15C. Новая усиливающая стена изображается в модели как обычная железобетонная стена; отметка «новая» ставится только на этой вкладке.
3. Чтение результатов
- Отчёт: в таблицах сечений и обойм колонн и балок есть столбец «Усиление» (например, «LP nf=2 tf=0.17», «Manto t=10», «Celik sargi», «Yeni perde ank 1Ø16/200 r=0.91 OK», «Dolgu hasir siva»). Если главная опция выключена, к метке добавляется «(kapali)».
- Новая стена жёсткости: при выключенной опции строка с примечанием «öncesi modelinde yok» (в модели «до» отсутствует) исключается из оценки; при включённой опции в метке указаны отношение по анкеровке и примечание по концевой колонне.
- Усиленная заполняющая стена: считается вертикальным элементом; область повреждения определяется по углу сдвига (TBDY, Таблица 15.2: SH 0,003 / KH 0,005 / GÖ 0,010). Горизонтальная составляющая усилий в диагональных стержнях сравнивается с несущей способностью на срез; при превышении элемент считается хрупким.
4. Сравнение «до» и «после»
Если установлен флажок «Добавить в отчёт сравнение до/после усиления» в группе Эксплуатационные характеристики Р.15, то при подготовке отчёта в зависимости от состояния главной опции сохраняется снимок. Если записаны оба состояния, на первой странице отчёта выводится блок: уровень эксплуатационных характеристик здания X/Y (до → после), проценты критериев 15.8, список усиленных элементов, распределение повреждений и элементы, у которых область повреждения изменилась.
Правильная последовательность:
- Главная опция выключена → расчёт → отчёт (запись «до»)
- Главная опция включена → расчёт → отчёт («после» и сравнение)
Оба прогона можно выполнить подряд в одном сеансе.
5. Отчёты по проектированию в режиме эксплуатационных характеристик
При выбранном линейном анализе эксплуатационных характеристик (Ra = 1) отчёты по проектированию колонн, балок и стен жёсткости формируются с неуменьшенными сейсмическими усилиями: к заголовкам разделов добавляется «(Ra=1 - bilgi amaçlıdır)» (носит информационный характер), строки типа ошибки отображаются как «Bilgi (Ra=1)» (информация). В этом режиме сообщения о превышении несущей способности не являются ошибками проектирования; оценка выполняется по отчёту об эксплуатационных характеристиках Раздела 15.
6. Где отображаются нормативные условия?
Исходные данные усиления, не удовлетворяющие нормативным условиям, после расчёта попадают в список Проверки ошибок проекта в виде строк «Hata: TBDY2018 M.…» (Ошибка) или «Uyarı: TBDY2018 …» (Предупреждение). Основные проверяемые условия:
- в ФАП — радиус скругления угла < 30 мм и отношение сторон сечения > 2,5 (увеличение конфайнмента не применяется),
- при усилении нахлёстки — отношение сторон сечения > 2, арматура с гладкой поверхностью или недостаточная толщина ФАП,
- толщина обоймы и обёртки < 10 см,
- диаметр, шаг, глубина и несущая способность на сдвиг у анкеров новой стены жёсткости,
- в заполняющей стене — толщина штукатурки < 30 мм, доля проёмов > 10 %, отношение диагонали к толщине ≥ 30, отношение длины к высоте для ФАП вне диапазона 0,5–2, ограничение по числу этажей из 15.10.4,
- превышение несущей способности по срезу (хрупкое поведение).
Нарушения правил не останавливают расчёт; решение принимает инженер.
7. Часто задаваемые вопросы
Я ввёл усиление, но результат не изменился. Отмечен ли в «Общих настройках проекта» флажок «Учитывать усиление» и повторили ли Вы расчёт? Для колонны с отношением сторон более 2,5 при ФАП или при радиусе скругления угла менее 30 мм увеличение конфайнмента по нормам не применяется (предупреждение видно в итоговом поле).
Учитывается ли масса новой стены жёсткости в модели до усиления? Нет. При выключенной опции собственный вес стены и заданные на неё дополнительные нагрузки обнуляются; веса этажей, центр масс и массы конечных элементов рассчитываются без стены. Стена также не считается опорой плиты (нагрузка плиты распределяется на оставшиеся опоры). Здание «до» — без стены жёсткости.
В заполняющей стене я вижу примечание «EK 15C çubuğu oluşmadı». (стержень Прил. 15C не образован) На обоих концах стены не найдено существующей колонны или не хватает данных по материалу. Диагональные стержни устанавливаются между узлами концевых колонн стены.
Действует ли усиление и в нелинейном (pushover) анализе? Да. Изменения жёсткости и сечений за счёт обёртки ФАП, обоймы, новой стены жёсткости и стержней заполнения отражаются и в pushover-анализе. Дополнительные проверки на срез, такие как стальная обойма, внешние хомуты и анкеровка, приводятся в отчёте при линейной оценке.