ВКР: Разработка 3D-модели здания спортивного комплекса и прочностной анализ средствами САЕ-системы

Целью ВКР является разработка 3D модели несущей конструкции здания спортивного комплекса и получение оценки фактических показателей качества здания.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
Обзор возможных вариантов несущих конструкций и выбор оптимального по его характеристикам;
Обзор материалов для железобетонных конструкций;
Предварительная обработка — определение характеристик модели и факторов внешней среды, которые будут на нее воздействовать;
Анализ и принятие решения;
Обработка результатов.
Методы исследования: методы статистической обработки данных.
Объектом исследования, является виртуальная модель несущей конструкции здания спортивного комплекса.

Нормативная база для проектирования спортивного комплекса
СП 332.1325800.2017 Спортивные сооружения. Правила проектирования
СП 42.13330.2016 Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений. Актуализированная редакция СНиП 2.07.01-89* (с Изменениями N 1, 2)
СП 63.13330.2012 (Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003) Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения (pdf)
СП 20.13330.2016 СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия

Достоинства и недостатки каркасно-монолитного строительства
В числе значимых недостатков специалисты отмечают необходимость утепления внешней стороны колонн и торцов плит перекрытия для ликвидации мостиков перехода холода при отрицательной температуре наружного воздуха. Кроме этого следует сказать о достаточно сложной технологии сборки опалубочной конструкции

Обоснование выбора материала для несущей конструкции здания
Высокая прочность бетона В25 позволяет использовать его при строительстве крупных сооружений и зданий, монолитных фундаментов и стен, плит перекрытий, балок, колонн и других конструкций с большой нагрузкой.
Основные свойства
Для бетона марки B25 характерны следующие эксплуатационные показатели:
Прочность на сжатие, как следует из маркировки - 14,5 МПа. Это довольно много, что позволяет использовать данный материал для возведения высоконагруженных конструкций c высокой ответственностью.
Плотность — от 2200 до 2500 кг/мЗ. Maтepиaл относится к группе тяжёлых бетонов.
Подвижность — от П2 до П4. Данный параметр определяется степенью осадки растворного конуса, и является типичным для большинства бетонов, используемых в строительстве.
Mopoзocтoйкocть материала — F200. Эта цифра говорит нам o том, что конструкция и после 200 циклов замораживания и оттаивания в условиях полного влaгoнacыщeния утратит не более 5% прочности на сжатие. Высокая устойчивость к холоду позволяет применять бетон B25 при строительстве в северных широтах.
Сфера применения
Высокая прочность и хорошие эксплуатационные показатели на фоне приемлемой (естественно, в своем классе материалов) стоимости делают бетон марки Б25 весьма востребованным.
Как правило, данный состав применяют для обустройства таких сооружений:
Moнoлитныe и ленточные фундаменты из бетона c высокой несущей способностью.
Свайные основания со стальным армированием.
Ростверки для свайных оснований различного типа.
Moнoлитныe перекрытия и стены.
Элeмeнты cбopныx железобетонных конструкций.
Тела сваи, колонн, балок, ригелей и других ж/б изделий со сжимающей нагрузкой.
Аэродромные плиты дорожного покрытия.
Кроме того, гидроизоляционные свойства материала позволяют применять B25 при заливке чаш бассейнов, резервуаров для технической воды, систем водоотведения и т.д.

НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ
Исходя из рассмотренного свода правил СП 20.13330.2016 расчет спортивного комплекса по первому предельному состоянию включает в себя следующую комбинацию неблагоприятных сочетаний нагрузок:
Cm= Pd+ ψi Pi +ψl Pl,
где Pd – воздействие собственного веса конструкции здания,
Pi – воздействие временной нагрузки, включающую в себя вес людей и спортивного инвентаря,
Pl – снеговая нагрузка,
Ψ=1.
Нормативное значение веса снегового покрова Sg на 1 м2 горизонтальной поверхности земли для Республики Северная Осетия Алания принимается равным 2 кН/м2, так как республика относится к IV снеговому району для территории Российской Федерации.
Нормативное значение временной нагрузки от людей и спортивного инвентаря принимается 400 кН/м2 исходя из СП 20.13330.2016.

Формальная постановка
Ограничения: 1) коэффициент запаса прочности не должен быть ниже нормативного;
2) соблюдение требований СНИП и ГОСТ.
Формальная постановка задачи:
Обозначения:
Zi - булева переменная, равная единице, если выбран i-й материал, и равная нулю в противном случае.
Xj – булева переменная, равная единице, если выбран j-й массив, и равная нулю в противном случае.
Ci – стоимость единицы объема i-го материала.
bj – объем, соответствующий j-у массиву.
N – нормативный коэффициент запаса прочности.
n – число рассматриваемых материалов.
m – общее число возможных массивов.

Алгоритм расчета строительных конструкций

Разработка виртуальной модели несущей конструкции здания спортивного комплекса в Autodesk Revit
В основе несущей конструкции трехэтажного здания спортивного комплекса лежит каркасная модель, состоящая из двух перекрытий, крыши и двести пятидесяти шести колонн. Длина, ширина и высота здания составляет 51х24,5х12,1 м. Высота первого и второго этажей составляет четыре метра, а высота третьего этажа равна трем метрам.

Аналитическая модель

Расчетная модель

Проверочный расчет конструкции здания спортивного комплекса в Autodesk Robot Structural Analysis
K = σпред./ σmax =
=14,5 / 5,64 = 2,6.

Сравнительный анализ несущей способности классов бетона применяемых к конструкции здания спортивного комплекса.

Статистическое исследование
расчет стоимости бетона i-ого класса B25 для j-ого количества колонн по следующей формуле:
расчет напряжения i-ого класса B25 для j-ого количества колонн по следующей формуле:

Выбор аналитической зависимости