Перейти к основному содержимому

Теоретические основы усиления железобетонных конструкций

Эта статья кратко описывает, какие положения TBDY 2018 (Турецкий сейсмический кодекс 2018) и каким образом применяет модуль усиления StatiCAD, какие допущения принимаются и каковы границы применимости. Сама цепочка оценки (Раздел 15, волоконная модель сечения, решение по 15.8) изложена в статье Теоретические основы pushover-анализа; здесь описаны только те части, которые усиление добавляет в эту цепочку.

1. Основной принцип: та же оценка, усиленные элементы​

к сведению

Согласно TBDY 2018 15.9.1, сейсмическая безопасность усиленного здания определяется по правилам расчёта и оценки, установленным для существующих зданий. Поэтому StatiCAD не строит отдельного «расчёта усиления»: усиление является свойством элемента, и та же цепочка оценки выполняется ещё раз с усиленным сечением, жёсткостью и несущей способностью. При выключенной главной опции расчёт полностью совпадает с состоянием до усиления.

В соответствии с классификацией TBDY 15.9.3 обёртка ФАП, обойма, стальная и железобетонная обоймы, внешние хомуты и усиление заполняющих стен относятся к усилению элементов, а новая железобетонная стена жёсткости — к усилению системы. Модуль управляет обоими видами одной и той же опцией.

2. Обжатие колонн (15.10.1)​

осторожно

Первое предложение 15.10.1 устанавливает жёсткое ограничение: этими методами несущая способность колонн на изгиб увеличена быть не может. Модуль соблюдает это во всех трёх методах обжатия.

2.1 Обёртка из фиброармированного полимера (ФАП) — 15.10.1.3 и Прил. 15B​

ВеличинаУравнениеПрименение
Коэффициент эффективности κa15B.7Для круглого сечения 1; для эллипса b/h; для прямоугольника 1 − [(b−2rc)² + (h−2rc)²]/(3bh). Для сечения с отношением сторон более 2,5 (для эллипса — 3) увеличение осевой несущей способности и пластичности не применяется.
Эффективное относительное удлинение ФАП εf15B.3 / 15B.4Для среза min(0,004; 0,50 εfu); для пластичности и осевого усилия min(0,50 εfu; 0,01).
Боковое давление fl15B.6fl = ½ · κa · ρf · εf · Ef; ρf = 2·nf·tf·(b+h)/(b·h) · (wf/sf).
Конфайнированная прочность и предельная деформация15B.5, 15B.8fcc = fcm·[1 + 2,4·(fl/fcm)] ≥ 1,2·fcm; εcc = 0,002·[1 + 15·(fl/fcm)^0,75].
Модель бетона15B.3(b)Билинейная σ–ε: (0, 0) → (0,002, fcm) → (εcc, fcc). Модель ФАП заменяет конфайнмент хомутами, а не добавляется к нему.
Границы повреждений15B.3(b)GÖ = εcc (с верхним пределом 0,018), KH = 0,75·εcc, SH = 0,004.
Вклад в сопротивление срезу Vf15B.1 / 15B.2Vf = 2·nf·tf·wf·Ef·εf·d/sf; при сплошной обёртке wf = sf; при полосах, если sf ≤ wf + d/4 не выполняется, вклад равен нулю. Vr = Vc + Vw + Vf ≤ Vmax.
Проверка длины нахлёстки15B.4: 15B.9–15B.11Если введена существующая длина нахлёстки, вычисляется требуемая суммарная толщина ФАП и сравнивается с обеспеченной, а результат записывается в метку. При отношении размеров сечения > 2 или арматуре с гладкой поверхностью выводится метка «неприменимо». Эта проверка несущую способность не меняет.
примечание

Для колонн полигонального сечения κa не определён, поэтому ФАП не применяется и выдаётся предупреждение.

2.2 Железобетонная обойма — 15.10.1.1​

Сопротивление срезу и сжатию вычисляется по размерам обжатого брутто-сечения и уменьшается на коэффициент 0,9; несущая способность на изгиб и жёсткость не меняются. Эффект конфайнмента по-прежнему считывается по существующему ядру.

2.3 Стальная обойма — 15.10.1.2, Ф. 15.3​

к сведению

Vj = tj·b·d/s·fyw добавляется к сопротивлению срезу (tj, b, s: толщина, ширина и шаг горизонтальных пластин). Изгиб и пластичность не меняются.

3. Увеличение сечения колонны (обойма) — 15.10.2​

Это единственный метод для колонн, повышающий несущую способность на изгиб. По нормам изгибная, срезная и сжимающая несущая способность и изгибная жёсткость вычисляются по размерам брутто-сечения и расчётным характеристикам добавленного бетона, а полученные жёсткость и прочность умножаются на 0,9. Модуль применяет этот коэффициент в трёх местах:

  • Жёсткость конечного элемента: используются приведённые характеристики сечения в соответствии с моделью, выбранной на вкладке колонны (n = E_manto / E_mevcut):
    • Композитная (по умолчанию): существующее сечение + n × кольцо обоймы; для односторонних обойм — с членами переноса осей относительно центра тяжести композита,
    • По букве норм: брутто-сечение с бетоном обоймы,
    • Только обойма: существующая колонна не учитывается (случай сильно повреждённой существующей колонны).
  • Несущая способность сечения (волоконная модель): внешний размер — с обоймой; ядро — существующая колонна (с существующим бетоном и конфайнментом хомутами), оболочка — бетон обоймы. Продольная арматура обоймы размещается с равным шагом вдоль граней с обоймой (замкнутый контур при 4 гранях, U при 3, L при 2, одна сторона при 1) и участвует в несущей способности на изгиб.
  • Линейный путь: сопротивление срезу и его верхний предел — по сечению с обоймой; EI при повороте текучести и длина пластического шарнира — по сечению с обоймой. Если введены хомуты обоймы, они добавляются к сопротивлению срезу.
примечание

При обойме с 1, 2 и 3 гранями сечение асимметрично, поэтому используется меньшая из ± моментных несущих способностей (в запас безопасности).

4. Обёртка балок — 15.10.3​

Несущая способность балок на изгиб обёрткой не увеличивается. Внешние хомуты (15.10.3.1) добавляются только к сопротивлению срезу как вклад хомутов по TS 500; эффекта конфайнмента нет. Обёртка ФАП (15.10.3.2) по правилам Прил. 15B (полная обёртка; для полос sf ≤ wf + d/4) входит и в модель конфайнированного бетона, и во вклад в срез.

5. Монолитная железобетонная усиливающая стена жёсткости — 15.10.5​

Элемент, нарисованный в модели как обычная железобетонная стена жёсткости, отмечается как «новая усиливающая стена». При выключенной главной опции стены нет в конечно-элементной модели: она не даёт ни жёсткости, ни прочности, её собственный вес и заданные дополнительные нагрузки обнуляются; стена не служит опорой плиты, а нагрузка этой стороны распределяется на оставшиеся опоры. При включённой опции в соответствии с 15.9.2 это новый элемент, и он оценивается с классами материалов, заданными пользователем, и коэффициентом уровня информации, равным 1.

Анкеровка (15.10.5.1/.2): поток сдвига между стеной и существующей рамой принимается как для панели чистого сдвига: q = Vd/lw; несущая способность — по трению-срезу TS 500: qr = μ·Asl·fyd. Проверяются условия Ø ≥ 16 мм, глубина ≥ 10Ø и шаг ≤ 400 мм. Концевая зона (15.10.5.3): если на конце стены есть существующая колонна, она может использоваться как концевая зона (при необходимости с обоймой); если нет, концевую зону необходимо создать. Модуль анализирует геометрию и записывает примечание. Фундамент стены жёсткости выходит за рамки модуля, и об этом напоминается в отчёте.

6. Усиление заполняющих стен — 15.10.4 и Прил. 15C​

6.1 Модель эквивалентного диагонального стержня​

УравнениеВыражение
15C.2λd = [Ed·td·sin2θ / (4·Ec·Ik·hd)]^¼
15C.1ad = 0,175·(λd·hk)^−0,4 · rd
15C.3kd = ad·td·Ed / rd (осевая жёсткость сжатого стержня)
15C.4Vd = Ad·(τd + fyd·ρsh) ≤ 0,22·Ad·fd (штукатурка с сеткой)
15C.6 / 15C.7Tf = 0,003·Ef·wf·tf; kt = wf·tf·Ef / rd; wf ≤ ad (растянутый стержень ФАП)
15C.5Значения для материала стены (пустотелый заводской кирпич, полнотелый кирпич, газобетон)

В линейном анализе (метод разложения по модам) односторонний сжатый стержень построить нельзя, поэтому обеим диагоналям задаётся одинаковая осевая жёсткость; суммарная горизонтальная жёсткость равна жёсткости единственного сжатого стержня, принятого в нормах (для ФАП — пары стержней). В pushover-анализе каждое направление нагружения является отдельной моделью, поэтому стержни односторонние и зависят от направления; когда осевое усилие стержня достигает его несущей способности, стержень по допущению хрупкого поведения исключается из модели, а усилие перераспределяется на раму.

6.2 Оценка эксплуатационных характеристик​

Усиленная заполняющая стена считается вертикальным элементом. Область повреждения определяется по углу сдвига: γ = |относительное межэтажное смещение| / высота этажа; пределы TBDY Таблица 15.2: SH 0,003 / KH 0,005 / GÖ 0,010. Кроме того, горизонтальная составляющая осевых усилий диагональных стержней при землетрясении сравнивается с несущей способностью на срез; при превышении стена считается хрупкой. Условия по отношению диагонали к толщине, доле проёмов, отношению длины к высоте и ограничению по этажам носят уровень предупреждения; детали анкеров и болтов в расчёте не учитываются и напоминаются в итоговом поле.

7. Границы применимости​

  • Усиление нахлёстки с помощью ФАП — на уровне проверки (на несущую способность не влияет); для колонны полигонального сечения ФАП не применяется.
  • При односторонних обоймах ось стержня конечного элемента остаётся в существующей колонне (эксцентриситет учитывается в несущей способности сечения); хомуты обоймы принимаются двухветвевыми; ведомость объёмов и чертежи для обоймы не формируются.
  • Для новой стены жёсткости проектирование концевой зоны не автоматизировано; фундамент стены жёсткости не входит в область применения.
  • Для заполняющей стены композитный модуль упругости не принимается.
  • Дополнительные проверки типа среза (стальная обойма, внешние хомуты, анкеровка) приводятся в отчёте при линейной оценке.
  • Нарушения правил не останавливают расчёт; они попадают в контрольный список проекта как ошибки или предупреждения, а решение принимает инженер.