ИССЛЕДОВАНИЕ ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА СИСТЕМЫ «ЗДАНИЕ – СВАЙНЫЙ ФУНДАМЕНТ – ГРУНТОВОЕ ОСНОВАНИЕ» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАМНОГО КОМПЛЕКСА MIDAS GTS NX

​COMPETENCE APPROACH IN TRAINING PERSONNEL OF ENTERPRISES

Nikita Grankin

student, Department of Building Structures,  Altai State Technical University named after I.I. Polzunov,

Russia, Barnaul

Boris Azarov

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Altai State Technical University named after I.I. Polzunov,

Russia, Barnaul

АННОТАЦИЯ

Описана последовательность этапов по созданию модели «здание-свайный фундамент-грунт». Представлен процесс подготовки трехмерной модели здания в системах «Revit» и «Лира 10», её экспорт в «MIDAS GTS NX» для решения геотехнических задач через встроенный конвертер. Продемонстрировано формирование модели «грунтовое основание» в «MIDAS GTS NX», включая создание массива грунта, разбиение его на слои грунта, задание скважин и интеграцию с выемкой. Представлено назначение свайных интерфейсов и сопоставление каждой части сваи со слоем грунта, который она проходит. Расчет выполнен в модели грунта «Mohr-Coulomb. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния всей системы

ABSTRACT

The sequence of steps for creating the "building-pile foundation-soil" model is described. The process of preparing a three-dimensional model of a building in the Revit and Lira 10 systems, its export to MIDAS GTS NX for solving geotechnical problems through an integrated converter is presented. The formation of the "ground base" model in MIDAS GTS NX is demonstrated, including the creation of a soil array, splitting it into soil layers, setting wells and integration with excavation. The purpose of pile interfaces and the comparison of each part of the pile with the soil layer that it passes through are presented. The calculation was performed in the Mohr-Coulomb soil model. The stress-strain state of the entire system is analyzed.

Ключевые слова: грунтовое основание, свайный интерфейс, программный комплекс, модель здания, массив основания, напряженно-деформированное состояние.

Keywords: soil foundation, pile interface, software package, building model, foundation array, stress-strain state.

Развитие компьютерных технологий и рост вычислительных ресурсов способствовали увеличению количества задач, которые необходимо решать, и сокращению времени на их обработку, особенно в контексте проектирования сложных геотехнических систем. Это привело к созданию множества специализированных геотехнических программ, обеспечивающих возможность моделирования и анализа грунтовых массивов, а также оценки их напряженно-деформированного состояния.

Существующие стандарты в области проектирования фундаментов и оснований не предоставляют однозначных методик для прогнозирования поведения грунтов на всех этапах строительства, поскольку аналитические методы оказываются недостаточными для таких расчетов. В связи с этим было принято решение рассматривать грунтовый массив как единое целое, что дало возможность использовать математические инструменты из теории упругости, пластичности и механики сплошных сред.

В России для проектирования оснований и фундаментов различных классов ответственности активно используется программный комплекс «MIDAS GTS NX» от корейской компании MIDAS IT. Этот комплекс позволяет проводить комплексные геотехнические расчеты, независимо от их сложности, на основе метода конечных элементов (МКЭ), который эффективен для создания гибридных сеток элементов для любых задач.

В статье описываются процессы моделирования, расчета и анализа напряженно-деформированного состояния грунта во время строительства десятиэтажного жилого дома с монолитным железобетонным каркасом. Перед импортом модели здания в «MIDAS GTS NX» были выполнены следующие шаги:

- сбор нагрузках, воздействующих на здание;

- определение внутренних усилий в элементах конструкции;

- расчет конструктивных элементов и анализ пространственной структуры здания при различных комбинациях нагрузок.

Для расчетов и анализа пространственной работы здания использовались программы «ЛИРА 10» и «Revit».

Данное здание имеет размеры А-М / 1-10 – 22,58м. Конструктивной системой здания является каркасное здание с монолитными железобетонными колоннами, пространственная жесткость обеспечивается стенами лестнично-лифтового узла и плитами перекрытия.

Фундамент свайно-плитный с толщиной плиты 500мм, сваи сечение 300х300мм длиной 10м. Сваи располагаются по всей площади плиты.

Модель здания выполнена в программном комплексе «Revit». Создана физическая модели и на её основе аналитическая (рис. 1, 2). Далее для статического расчета выполняется импорт модели в программный комплекс «ЛИРА 10» (рис. 3).

Рисунок 1. Физическая модель в ПК «Revit»

Рисунок 2. Аналитическая модель в ПК «Revit»

Рисунок 3. Модель здания в ПК «Лира 10»

Грунтовый массив включает следующие инженерно-геологические элементы, представленные в таблице 1.

Таблица 1.

Инженерно-геологические элементы

Характеристики грунта приведены в таблицах 2, 3 и 4.

Таблица 2.

Характеристики грунта

Таблица 3.

Характеристики грунта

Таблица 4.

Характеристики грунта

Процесс создания модели взаимодействия здания с грунтовым основанием в программе «MIDAS GTS NX» включал несколько этапов:

- Использование встроенного инструмента для конвертации позволило перенести трехмерную модель здания из программы «ЛИРА-10» в «MIDAS GTS NX» (см. результаты на рисунке 4);

- Формирование массива основания, к которому применены характеристики грунта;

- Осуществлено формирование набора точек для фундаментной плиты, путем проецирования этих точек на поверхность основания и последующей модификации с учетом характеристик грунта и присвоения свойств объемным элементам;

- Сформирована сетка конечных элементов на основании и в области выемки (см. рисунок 5);

- Расчетные данные по сваям были загружены в программу с использованием специальной функции «Свайный интерфейс» (см. рисунок 6), при этом были заданы интерфейсные свойства для всех свай и особенно под основанием каждой из них. Учитывая, что сваи проходят через различные слои грунта, была выполнена привязка свойств каждого участка сваи к соответствующему слою грунта;

- Завершающим этапом стало соединение конечно-элементных моделей свай с моделью фундаментной плиты через перепрошивку точек сетки и установка граничных условий. На заключительном этапе задаем параметры расчета.

Подготовленная к расчету модель «здание-грунтовое основание» показана на рисунке 7.

Рисунок 4. Модель здания с нагрузками в ПК «MIDAS GTS NX»

Рисунок 6. Результаты расчета

Рисунок 5. Сформированная сетка КЭ на основания и выемки 

Рисунок 7. Модель «здание-грунтовое основание»

• изополя перемещений системы (рис. 8);
• эпюры усилий в сваях от продольной силы (рис. 9);
• реакции под пятой свай (рис. 10).

Рисунок 8. Изополя результирующих перемещений системы «здание-грунтовое основание»

На рисунке 8 представлены изополя перемещений, которые демонстрируют, что в центральной зоне конструкции, в районе ядра жесткости, наблюдаются более значительные перемещения по сравнению с периферийными участками. Анализ данных, основанных на аналитических расчетах и примененных в моделировании фундамента и подземных элементов здания, показал:

- Использование спроектированного плитно-свайного фундамента с однотипными сваями (сечением 300 × 300 мм и длиной 10000 мм) приводит к увеличению напряжений в структуре.

- Для снижения перемещений в центральной части необходимо либо увеличить длину свай, либо изменить их сечение, либо увеличить количество свай в районе ядра жесткости.

Рисунок 9. Эпюры усилий в сваях от продольной силы в отсеченной части свайного поля

Центральные сваи испытывают максимальную продольную силу. Это объясняется тем, что данные сваи располагаются в зоне с большими нагрузками.

На рисунке 10 показано, что максимальная нагрузка на сваю № 62, рассчитанная с использованием программы «MIDAS GTS NX», составляет 187,7 кН. Это приводит к расчетному сопротивлению грунта под нижним концом сваи в 2085кПа. Согласно данным для мелких песков из таблицы 7.2 [1], сопротивление грунта составляет 2600 кПа. Таким образом, условие несущей способности грунта, при котором расчетное сопротивление не превышает фактическое (Rрасч≤R), соблюдается.

Рисунок 10. Реакции под пятой свай

В процессе расчета схемы «здание – свайный фундамент – грунт», были установлены следующие показатели максимальных смещений:

- В области ядра жесткости здания зафиксировано смещение в – 69 мм, что соответствует нормам, установленным в таблице Д.1 [2].

- Максимальная реакция под пятой сваей составила 187,7 кПА, что меньше предельного значения в 2600 кПа, указанного в таблице 7.2 [1].

Таким образом, программный комплекс «MIDAS GTS NX» демонстрирует свою эффективность для проведения разнообразных геотехнических расчетов и решения сложных задач в единой среде. Этот комплекс охватывает широкий спектр инженерно-геотехнических работ, включая проектирование глубоких котлованов с разными системами укрепления, сложных тоннелей, а также расчеты консолидации, фильтрации, динамических нагрузок и устойчивости. Специализированный программный комплекс позволяет создавать модели, максимально приближенные к реальным геологическим и рельефным условиям, и проводить расчеты, учитывающие взаимодействие здания с грунтовым основанием, что способствует получению более точных результатов.

Список литературы:

1. СП 24.13330.2021 «СНиП 2.02.03-85 Свайные фундаменты»;
2. СП 20.13330.2016 «СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия»;
3. Пособие по расчетам MIDAS GTS NX – режим доступа: https://midasoft.ru/support/?type=textAid&product=midas-gts-nx&aidsSection=114 (дата обращения 06.06.2024).