Алёна Ведерникова
Специалисты СПбГАСУ разработали программу для расчёта трубобетонных конструкций «обратным» методом. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022663635.
В составе авторского коллектива – Григорий Белый, профессор-консультант кафедры железобетонных и каменных конструкций, и Алёна Ведерникова, старший преподаватель кафедры архитектурно-строительных конструкций. Мы попросили Алёну Андреевну рассказать, чем её заинтересовали трубобетонные конструкции и какие возможности перед строителями открывает новая программа для их расчёта.
– Мне всегда нравились дисциплины «Металлические конструкции» и «Железобетонные конструкции». Трубобетонные конструкции составные: у них есть преимущества металлических конструкций, такие как сравнительно быстрый монтаж, высокая прочность, но они обладают и достоинством конструкций железобетонных – огнестойкостью. Когда я в первый раз услышала название темы, то поняла: вот она.
Мой научный руководитель Григорий Иванович Белый специализируется на нелинейных методах расчёта стальных конструкций и лёгких стальных тонкостенных конструкций. Однажды у нас возникла идея посмотреть на трубобетонные конструкции не как на железобетонные с долей стальной части, а как на стальные с бетонной частью. Григорий Иванович разработал общую методику расчёта, а я адаптировала её для трубобетона и написала программу для ЭВМ. В 2021 году мы опубликовали статью в апрельском номере «Вестника гражданских инженеров», где описали суть расчёта, привели пример и сравнение с экспериментальными данными.
– Где применяют трубобетонные конструкции?
– Трубобетонные конструкции применяются там, где есть высокие нагрузки, – при строительстве мостов и большепролётных зданий, в высотном строительстве. Название таких конструкций говорит само за себя: они состоят из труб и бетона. Благодаря своей внешней стальной оболочке трубобетонные конструкции позволяют строить здание быстрее, поскольку на этапе возведения здания часть нагрузки, возникающей при монтаже, берёт на себя стальная труба. Еще одно важное преимущество трубобетонных конструкций – повышенная несущая способность. Круглая труба идеальна по своей форме при центральном нагружении и внецентренном с малым эксцентриситетом. Если сжимать внутри трубы бетон, он попытается расширяться в стороны, но стальная оболочка ограничит это расширение. Поскольку бетону некуда деться, он будет находиться в трёхмерном напряжённом состоянии, выдавая для трубобетонной колонны в полтора-два раза лучшие показатели по несущей способности.
– Каким образом выполняются расчёты для их создания?
– В современных нормативных документах трубобетонную конструкцию при внецентренном сжатии рассматривают как железобетонную. Есть два варианта расчёта – по предельному равновесию наиболее нагружённого сечения и по нелинейной деформационной модели (НДМ). Эти методики позволяют рассчитывать конструкции на прочность, а при расчёте на устойчивость расчёт сводят к прочности сечений. Часто при этом поперечное перемещение (прогиб) элемента учитывается только коэффициентом эксцентричности. Коэффициент эксцентричности отчасти основан на эмпирических данных и усреднённой жёсткости стержня. Однако стальные трубы в действительности не достигают состояния пластического шарнира при работе в конструкции. Поэтому НДМ для расчёта таких сечений больше соответствует сути напряжённо-деформированного состояния. Понятно, что 30 лет назад у инженеров не было такого обширного доступа к расчётам и моделированию конструкций на компьютере, но сейчас методики можно усовершенствовать и производить расчёт напрямую, с учётом фактической жёсткости в безразмерных величинах.
– Можно ли устранить эти недостатки?
– В нормах заложена усредненная жёсткость, полученная эмпирически. Она даёт простой расчёт, но более консервативна. Особенность нашего метода состоит в том, что он точнее, поскольку при каждом расчёте учитывает фактическую жёсткость. Метод приближен к методам нелинейного расчёта, как, например, в программе ANSYS.
Вторая его особенность в том, что он обратный. В прямых методах неизвестна нагрузка и то, как поведёт себя конструкция. В обратном методе меньше неизвестных. Мы задаём предельную деформацию, считая стержень абсолютно упругим, а потом выделяем фактическую и фиктивную нагрузку в общем упругом загружении. У нас простая форма расчёта – маленькая таблица в Exсel и лаконичный программный код. Такая форма удобна, наглядна и ещё не применялась для решения подобных задач.
Наш метод ускоряет расчёты в несколько раз. Мне бы хотелось, чтобы программой смогли пользоваться инженеры-проектировщики. Сейчас мы прошли этап регистрации второй версии этой программы.
