Что такое анализ эксплуатационных характеристик железобетонного здания?

Сейсмическая безопасность существующего железобетонного здания оценивается не силовым подходом, как при проектировании нового здания, а тем, насколько деформируются элементы при землетрясении и остаются ли эти деформации в безопасных пределах. Раздел 15 TBDY 2018 определяет такую оценку: по собранным данным о здании устанавливается уровень информации, вычисляется сейсмическое требование (demand), для каждой колонны, балки и стены жёсткости определяется область повреждения, и для здания принимается решение об уровне эксплуатационных характеристик: Ограниченные повреждения, Контролируемые повреждения или Предотвращение обрушения.

Линейный метод для многих зданий даёт быструю и достаточную оценку, но не показывает, в какой последовательности и насколько элементы переходят в пластическую стадию. При подходе «Оценка и проектирование по деформациям» (ŞGDT) нелинейный pushover-анализ шаг за шагом отслеживает образование пластических шарниров; при сейсмическом требовании пластический поворот каждого шарнира сравнивается с предельными значениями повреждений по нормам.

StatiCAD автоматически выполняет всю эту цепочку на одном проекте: модели материалов, анализ сечений, кривую pushover, сейсмическое требование, таблицы повреждений и вывод по зданию. Результат — готовый к экспертизе отчёт, в котором ясно изложено обоснование вывода.

Что StatiCAD делает при анализе эксплуатационных характеристик железобетонных зданий

Все этапы оценки существующего железобетонного здания, от линейной оценки до многомодового pushover.

Оценка линейным методом расчёта

  • Несущая способность сечений с учётом фактической прочности материалов и коэффициента уровня информации (полный 1,0 / ограниченный 0,75)
  • Отношения усилие/несущая способность колонн, балок и стен жёсткости при неуменьшенных сейсмических воздействиях
  • Разделение элементов на пластичные и хрупкие, проверка несущей способности на срез
  • Уровень эксплуатационных характеристик здания по критериям 15.8 для каждого этажа и его обоснование

Нелинейный pushover-анализ

  • Модели материалов по Прил. 5A TBDY: конфайнированный (Mander) и неконфайнированный бетон, арматурная сталь с упрочнением
  • Момент–кривизна по волоконной (fiber) модели: две оси для колонн, влияние полки в балках, раздельная несущая способность при положительном и отрицательном моменте
  • Сосредоточенный пластический шарнир; на выбор — упругий–идеально пластический или упрочняющийся (билинейный) шарнир
  • Решатель «от события к событию» (event-to-event): образование каждого шарнира фиксируется точно
  • Сочетания направлений по TBDY: ±X ± 0,3Y и ±Y ± 0,3X, восемь направлений

Сейсмическое требование и оценка повреждений

  • Расчётная точка по модальному преобразованию Прил. 5B и с поправкой CR для зданий с короткими периодами
  • Пределы пластического поворота и пределы деформаций сечений (TBDY 5.8.1)
  • Контроль деформаций в краевых зонах стен жёсткости
  • Области повреждения элементов: Ограниченные, Значительные, Развитые повреждения и Обрушение
  • Решение об уровне эксплуатационных характеристик здания по этажам согласно TBDY 15.8 и его обоснование

Многомодовый pushover и IRSA

  • Условия применимости одномодового pushover (участие масс ≥ 70 %, ηbi ≤ 1,4) проверяются автоматически и выводятся в отчёт
  • Многомодовый pushover (TBDY 5.6.6): объединение модальных pushover и пластических поворотов на концах методом CQC
  • Условие упругой согласованности (TBDY 5.6.6.1) численно показывается в каждом анализе
  • Метод инкрементального объединения мод IRSA
  • Адаптивный (переменный) одномодовый pushover (TBDY 5.6.5) и опции P-Δ (второй порядок)

3D-визуализация повреждений

  • Деформированная форма шаг за шагом вдоль кривой pushover
  • Пластические шарниры цветами областей повреждения: Ограниченные, Значительные, Развитые повреждения и Обрушение
  • На каждом шаге: поперечная сила в основании, перемещение верха, число шарниров и уровень эксплуатационных характеристик здания
  • Шаг сейсмического требования отмечается отдельно; последовательность образования шарниров легко проследить

Верификация в SAP2000

  • Та же модель и шарниры автоматически передаются в SAP2000 и независимо нагружаются pushover
  • Кривые pushover двух программ, состояния шарниров в расчётной точке и поперечные силы в основании — рядом
  • При желании расчёт продолжается с решением SAP2000; требование, повреждения и отчёт по-прежнему формируются в StatiCAD по цепочке TBDY
  • Без использования SAP2000 весь анализ и все отчёты получаются решателем StatiCAD

Скриншоты программы

Окно нелинейного pushover-анализа StatiCAD: комбинации направлений, кривая pushover, точка эксплуатационных характеристик и журнал анализа

Окно нелинейного pushover-анализа: комбинации направлений, кривая pushover, точка эксплуатационных характеристик и уровень эксплуатационных характеристик здания

Нелинейная кривая pushover: поперечная сила в основании – перемещение верха и точка эксплуатационных характеристик

Кривая pushover и точка эксплуатационных характеристик (поперечная сила в основании – перемещение верха)

Пошаговое описание: Как выполнить нелинейный pushover-анализ? (База знаний)

Как это работает?

  1. Смоделируйте существующее здание; введите сечения, армирование и прочности материалов, определённые на месте.
  2. В общих настройках проекта включите оценку эксплуатационных характеристик железобетона, выберите уровень информации и запустите анализ. Отчёт линейной оценки на этом этапе уже готов.
  3. В окне нелинейного pushover-анализа задайте сочетания направлений и опции (упрочняющийся шарнир, многомодовый pushover, IRSA, P-Δ) и запустите pushover.
  4. Изучите для каждого направления кривую pushover, расчётную точку и 3D-распределение повреждений; получите отчёт по выбранному направлению.
  5. Если здание не удовлетворяет требованиям, задайте усиление в том же проекте и повторите оценку для усиленного здания.

Отчёты

Подробный отчёт по каждому сочетанию направлений — с предварительным просмотром и сохранением в PDF:

  • Кривая pushover и модальная диаграмма «несущая способность–требование»
  • Расчёт сейсмического требования и проверки применимости (ηbi, участие масс)
  • Таблицы пластических поворотов и областей повреждения по элементам
  • Модели материалов и проверки деформаций краевых зон стен жёсткости
  • Сводки многомодового pushover и IRSA, профиль межэтажных смещений
  • Уровень эксплуатационных характеристик здания и обоснование вывода

Справочные материалы

Пошаговое использование, примеры решения, теоретические основы и верификационные исследования в Базе знаний.

Верификация

Модуль pushover StatiCAD верифицирован автоматическими сравнениями «модель–модель» с SAP2000 V27. В расчётной точке, где принимается инженерное решение, обе программы дают одинаковое перемещение верха и совпадающие таблицы повреждений; по семи из восьми сочетаний направлений вывод по зданию одинаков. Единственное отличие — пограничный случай, когда требование точно совпадает с пределом текучести.

Отношения поперечной силы в основании в пике кривой при однонаправленных pushover лежат в диапазоне 0,89–0,93, и StatiCAD стабильно оказывается в запасе безопасности. Те же сравнения можно воспроизвести в любом проекте с помощью опции «Верифицировать в SAP2000».

Подробности верификационных исследований (База знаний)

Нормативы

TBDY 2018, раздел 15 TBDY 2018, раздел 5 (ŞGDT) Прил. 5A и Прил. 5B TBDY 5.6.5 и 5.6.6 TS 500
В какой версии? Модуль оценки эксплуатационных характеристик и усиления железобетона входит в версии StatiCAD Ultimate, Profesyonel и Betonarme.

Часто задаваемые вопросы

По какому нормативу выполняется анализ эксплуатационных характеристик железобетонного здания?

Существующие железобетонные здания оцениваются по разделу 15 TBDY 2018. При оценке по деформациям применяются раздел 5, Прил. 5A (модели материалов) и Прил. 5B (сейсмическое требование); решение об уровне эксплуатационных характеристик здания принимается по правилам 15.8.

Что использовать: линейный метод или pushover-анализ?

TBDY 2018 допускает оба пути; выбор зависит от особенностей здания и оценки инженера. В StatiCAD на одной модели можно сначала выполнить линейную оценку, затем нелинейный pushover-анализ и сравнить результаты.

Что будет, если условия одномодового pushover не выполняются?

Если участие масс доминирующей моды ниже 70 % или коэффициент крутильной нерегулярности ηbi превышает 1,4, это явно отмечается в отчёте. Для таких зданий оценку можно выполнить многомодовым pushover по TBDY 5.6.6 или методом IRSA.

Нужен ли SAP2000 для pushover-анализа?

Нет. Весь анализ и все отчёты выполняются собственным решателем StatiCAD. Если на Вашем компьютере установлен лицензионный SAP2000 V27, доступны дополнительные опции: сравнить результаты с независимым решателем или продолжить расчёт с решением SAP2000.

Можно ли после анализа эксплуатационных характеристик спроектировать усиление?

Да. Усиление задаётся элементам в том же файле проекта и учитывается в расчёте одной опцией; результаты до и после усиления сравниваются в отчёте. Подробности — на странице Усиление железобетона.

В какой версии StatiCAD это доступно?

Модуль оценки эксплуатационных характеристик и усиления железобетона входит в версии Ultimate, Profesyonel и Betonarme. С помощью бесплатной демо-версии можно опробовать весь процесс на собственном проекте.

Похожие страницы

Оцените эксплуатационные характеристики Вашего существующего железобетонного здания в StatiCAD

Скачайте демо-версию и бесплатно опробуйте линейную оценку и pushover-анализ на собственном проекте — или давайте вместе подберём подходящую версию.