Расчет железобетонного монолитного здания в SCAD

Монолитное железобетонное здание - далее просто здание - действительно здание. Формы и очертания взяты с картинки из интернета и ничего общего с реальностью не имеют. Заточим карандаши, положим перед собой лист бумаги и в бой.

Шаг первый - геометрия. Даже когда здание прямое или это не здание, а однопролетная рама или однопролетная балка я, по привычке, иду в AutoCAD. Не сомневаюсь, что разработчики душу вложили в "Форум",  и слышал как счастливые пользователи выкладывают из души им в благодарность, но я привык обходится без него. Привык и после экспорта файла чертежа в расчетную схему выравнивать отметки перекрытия, отличающиеся на одну тысячную, несмотря на то, что округление стоит до десятых. Привык и к тому, что... пока хватит. Беру подложку из AutoCAD с контуром перекрытия, контуром лифтовой шахты, лестничной клетки и расставленными колоннами.

Ну а теперь серьезно. К этому надо подойти серьезно. В самом SCAD манипуляции с элементами (копирование, добавление) не в ортогональных осях очень затруднительны. Для того, чтобы этого избежать, сразу лучше прикинуть шаг ячейки, который зависит от кучи факторов - шага колонн, вылетов консолей, габаритов колонн и балок. Каждое допущение на этом этапе скажется на точности результатов расчетов (теоретически). Здесь есть достаточно источников, чтобы определится с шагом сетки. Я же делал  и стараюсь делать четырехугольные элементы с соотношением сторон 1:1 - 1:2 и соотношением меньшей стороны к толщине 1:2 - 1:4. Так как колонны, возможно буду 400х400, балки 300х300, а человек, назначавший оси, не слышал о модуле 300 - придется попотеть.

Вот такая картина в первом приближении и рядом картина во втором. На второй картине нанесены вспомогательные линии, они помогут сделать хорошую сетку.

Импортируем в SCAD, выбираем масштаб и получаем схему.

Иногда бывает, что схема ориентирована не верно. Исправить можно функцией "геометрические преобразования".

Если все сделали правильно, то картина расчетный схемы при виде сверху будет соответствовать той, что была нарисована в AutoCAD.

Далее разбиваем сетку. Две мне известных функции есть в SCAD:

Узлы и элементы - Элементы - Добавление пластин. Алгоритм работы инструмента - выбираем 4 узла, создаем элемент, затем разбиваем ее на нужное нам количество элементов инструментом "Дробление 4-х узловых пластин" в той же линейке. При дроблении надо следить за направлением местных осей, что делает это способ очень утомительным.

Схема - Генерация сетки произвольной формы. Здесь немного сложнее. Надо создать контур из любого количества точек, затем "Генерация треугольной сетки КЭ на плоскости". В появившемся меню выбираем необходимые нам параметры. У обоих есть свои плюсы и минусы. Идеально они работает компенсирую друг друга. Неважно каким из способов создавать сетке, главное результат. 

Ну вот и прошли эти 5-6 часов жизни (в какой-то сторонней программе на создание всей схемы с нагрузками ушло бы столько же). Результат ниже. 

Этажи у нас типовые (такое часто встречается), поэтому лучше всего отработать это перекрытие на все 100%: 

• найти и исправить все ошибки (инструментов для этого на этой стадии, наверное, и нет, кроме визуального)
• задать нагрузки 
• направить вектора выдачи усилий в одну сторону (Назначение - Переход к напряжениям вдоль заданного направления для пластин) для корректного отображения усилий и результатов подбора арматуры 
• задать типы элементов (в данном случае лучше оперировать 44 и 43 типами пластинчатых элементов)
• задать оси здания и отметки перекрытий для удобства чтения схемы и т.д.
• вставить АЖТ (Узлы и элементы - Специальные элементы - Твердые тела) в местах прохождения колонн через перекрытия. Тем самым мы снимем (хотя бы частично) пики усилий и как следствия армирования в этих местах (ставить из вовсе не обязательно, на усмотрение) 

Вот что я имел ввиду

Это типовой этаж, с типовыми колонами, типовыми стенами лифта и типовыми лестницами (окрашенными в типовой приятный цвет © Ширвиндт).  Оси только так, SCAD не умеет рисовать их под углом. Вектора все направлены как следует (поверьте мне на слово). Нагрузки... Скорее всего список загружений будет следующим:
Постоянные
 - собственный вес;
 - вес конструкции пола;
 - вес ограждающих конструкций;
 - вес конструкции кровли;
 - вес перегородок.

Временные

 - технологическая нагрузка и ее разновидности и варианты приложения;

 - снеговая нагрузка;

 - ветровая нагрузка.

Для ускорения процесса моделирования на типовую плиту можем задать нагрузку от пола,
ограждающих конструкций, перегородок, технологическую нагрузку. Остальные (я привык) задаю после сборки всей схемы. Колонны для четырехэтажного здания скорее всего не будут большого сечения, 400х400 достаточно. Говорят, что балки при таких колоннах, для простого решения узла примыкания, целесообразно делать на 100 мм меньше. Высоту балок (сделаем ее тоже 300 для начала) будем корректировать позже. Толщина плиты подбирается исходя из конструктивного условия 1:30 пролета. Пролеты в данном случае везде разные, максимальный 6700 мм, то есть толщина плита 220 мм. Толщина стен шахты лифта 200 мм (это самодеятельность, так как классическая толщина 180 мм, на которой настаивает СП). Лестница - сборные ступени по стальным Z-образным косоурам, опирающимся на промежуточные стальные и этажные железобетонные балки. Лестница нужна исключительно для нагрузки (чтоб не высчитывать), ну и если понадобится, то ее можно легко превратить в монолитную. Чтобы лестница не оказывала влияние на остальные конструкции надо добавить шарниры и проконтролировать, лестница не имела общих узлов с перекрытием. Так же обращаем внимание куда попадает наш первый косоур. Если в основании у нас фундаментная плита, то просто опираем на нее, но если у нас столбчатый фундамент, придется либо добавлять дополнительные элементы, приводящие нагрузки в узлы колонн, или убирать первый марш и заменять его сосредоточенной нагрузкой. Есть и еще момент - в нормах есть разница между коэффициентами по нагрузке бетона и металла. И это может означает два загружения собственного веса.
Задали загружение (можно одно), задали защемление колонн в фундаменте (Назначение - установка связей в узлах) и можно запускать расчет. Уверен, что ошибок масса. У меня всегда так. Есть программный контроль и нахождение ошибок - Управление - Экспресс контроль расчетной схемы. Но прежде для профилактики рекомендуется - Узлы и элементы - Узлы/Элементы - Объединение совпадающих узлов/элементов и Упаковка данных(!) Если ошибки остались - смотрим на какой узел или элемент ругается, находим и стараемся понять что не так.

Когда все ошибки в типовом этаже будут исправлены, копируем его столько раз, сколько необходимо. В данном случае 4 раза.

Четвертый и пятые этажи будут отличаться, над ними придется поработать, откорректировать. После каждой корректировки лучше проверять все загружение. Обязательно проверить условия прикрепления. Мы копировали этаж, который был закреплен (условия примыкания/закрепления копируются по умолчанию), и теперь в уровне каждого этажа колонны жестко закреплены, это надо исправить. Последний этаж меньшей высота, стало быть можно не без основательно полагать, что верхний узел предпоследнего этажа не совпадет с нижним последнего. Тоже лучше исправить. Подобных ситуация может быть больше в любом другом случае.

Далее продолжаем работу со всей схемой - задаем оставшиеся нагрузки.
Список загружений выглядит следующим образом:

Несколько технологических загружений объясняется требованием руководства по расчету безбалочных перекрытий. Как собирались нагрузки:

Шаг второй - расчет.
Прежде чем приступить к расчету сформируем исходные данные для него: РСУ,  комбинации, данные для анализа устойчивости.

По завершению расчета приступаем к анализу полученных результатов
Шаг третий - анализ
Многие ограничиваются записью в протоколе расчета "Расчет выполнен". Надпись крупная, буквы заглавные, можно ставить точку. Но мы пойдем дальше. Нас будут интересовать деформации и прочность элементов, так как именно это интересует тех, кто идет далее по цепочке: заказчик, строители, эксперты, наконец. Деформации каркаса здания и прочность его элементов мы будем рассматривать исходя из жесткого защемления в фундаменте, то есть без учета совместной работы, так как не известно, что за фундамент будет в итоге: сваи, столбчатый, плита. (В действительности были разработаны все виды: столбчатые и сваи в ФОКе, плита здесь, в SCADe). С плитой все понятно, моделируем плиту, считаем, проверяем, все здесь, в одной программе (кстати, расчет плиты под это здание здесь). С ФОКом как быть? Поясню: посчитать в ФОКе, несмотря на то, что он чудит не хуже SCADa, а иногда и превосходит его, можно. Мы получим осадку, которую можно попробовать задать в расчетной схеме, но это осадка от всех нагрузок и так сказать "разом". В реальной жизни, здание будет садится плавно, от собственного веса, который, между прочим, чуть ли не 50% всех нагрузок. То есть такой подход не совсем верен, мягко говоря и, возможно даст не совсем адекватный результат армирования. То же можно и сказать о свайном фундаменте, хотя и осадка будет в разы меньше, а у нашего здания вообще вряд ли превысит одного сантиметра. Можно пойти на следующую хитрость - сделать два варианта каждого фундамента. Первый - собственный вес, второй - все загружения. Разницу между осадками задать в расчетной схеме. Подход грубый, но может дать некое представление о совместной работе и удовлетворить просящего или требующего такой расчет.
Что нас может интересовать в анализе здания по деформациям? Деформации не должны превышать допустимых, формы собственных колебаний, по крайней мере первые две не должны быть крутильными (не знаю откуда растут ноги у этого утверждения, но оно используется настолько часто, что стало неким догматом при расчете на устойчивость). Прежде чем, позволю себе напомнить, что проверяем мы на нормативные нагрузки с учетом коэффициентов сочетания нагрузок и(!) с пониженным модулем бетона (это требование СП 52-103-2007 п.6.2.7).

Возможно лучшим вариантом будет сделать отдельную схему с пониженными модулями и удалить из нее что-нибудь не относящиеся анализу на устойчивость, например - лестницы по стальным косоурам или еще что-нибудь, что может дать большие деформации и ввести в смуту. 

При таких исходных данных даже в таком здании, как в этом примере, мы получим перемещения вертикальные более допустимых, но как бы не хотелось для примера, крутильную форму так и не получили. В любом случае каркас необходимо ужесточать. Как можно это сделать - конечно это диафрагмы. По своему опыту могу сказать, что мне не удалось указать на лучшее для этого место в здании. Был проведен не один десяток экспериментов для выявления лучшего места. Миссия по анализу деформаций на этом заканчиваться -  наши горизонтальные и вертикальные прогибы не превышают максимально допустимых и здание не крутит, по крайней мере в двух первых формах собственных колебания. Красота теперь выглядит так:

Прочность элементов. При расчете прочности железобетонный или стальных элементов я всегда проверяю результат в "сторонней" программе, например "Арбат" или "Кристалл" для объективности (но ведь это программы одной и той же компании - скажете вы и будете правы, вот только как выяснилось, люди, работающие над одним продуктом, не знаю, что делаю люди, работающие над другим). Всегда результаты отличаются как минимум не порядок. Это явление нормальное и не стоит драматизировать. Берем, естественно, в большую сторону. Но если разница более, то надо искать ошибку или прибегать к литературе. Такое возможно, например, если SCAD или "Арбат" или "Кристалл" рассматривает элемент на действие момента, а он на самом деле его не воспринимает. Эти десятые, а порой и сотые доли момента, эта точность вычислений, которая, кончено же идет в плюс SCADу, способна влиять таким образом. Есть пример, он приведен тут. В этом примере нас будет интересовать армирование колонн, плит, диафрагм и шахты лифтов. Как задается армирование в построцессоре SCAD я описывать не буду, с этом не должно возникнуть проблем. Как проверять в "Арбат" - "сопротивление сечения". Так можно проверить на РСУ из SCAD стержневые элементы - колонны, балки. Можно выписать усилия худшие на наш взгляд и посчитать как колонну или балку, но такой способ не практикуется массами и результат такой проверки я не могу комментировать. Проверить плиту в "Арбат" - я не делал ни разу и вам не советую. Тоже касается стен. Хотя есть вариант проверки плиты по классической теории - необходимо отсечь все не нужно, а места , где плита опиралась на колонны заменить жесткими опорами и считать, что на всех типовых этажах будет одно и тоже армирование. Хочу добавить полезность ориентации векторов выдачи усилий и ориентации собственных осей, о которых написано здесь, и ещё... при расчете армирование плит вы упретесь в красненькие элементы в области опоры плиты на колонну. Решить эту проблему можно здесь при помощи капителей.
Это был анализ, которого вполне достаточно для выдачи задания, выполнения чертежей и для экспертизы. Но, мы снова пойдем дальше и на волне этой темы проследуем:
 - монтаж, на примере этого здания;
 - расчет столбчатых фундаментов в ФОК;
 - расчет свайных фундаментов в ФОК;
 - анализ совместной работы каркаса здания с фундаментом (плита, сваи, столбы).