Расчет фундаментов на температурные воздействия

Обновлено: 28.04.2024

Расчет на температурные воздействия – задача достаточно непростая и встречающаяся не так часто, поэтому у рядового проектировщика могут возникнуть трудности с моделированием такого типа воздействия, особенно в первый раз. Исходя из этого в сегодняшней заметке коснемся плотнее этого вопроса и разберем подробнее не только тонкости задания температурных нагрузок в ЛИРА 10.6, но и положения норм.

Температурные воздействия на строительные конструкции имеют самое разнообразное происхождение, но чаще всего учитываются климатические температурные нагрузки и технологические температурные воздействия, реже рассматриваются воздействия, обусловленные пожарами.

Рассмотрим нормативные документы, в которых говорится о необходимости проведения расчетов на температурные воздействия.

В п. 1.15 пособия по проектированию жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85) говорится: в протяженных в плане зданиях, а также зданиях, состоящих из объемов разной высоты, рекомендуется устраивать вертикальные деформационные швы: температурные — для уменьшения усилий в конструкциях и ограничения раскрытия в них трещин вследствие стеснения основанием температурных и усадочных деформаций бетонных и железобетонных конструкций здания. При этом, если обратиться к таблице 3 того же документа, в ней мы найдем максимально допустимые расстояния между температурно-усадочными швами в зависимости от конструктивной системы зданий. Например, для перекрестно-стеновой системы с несущими наружными и внутренними стенами в монолитных зданиях это расстояние не должно превышать 40 м. В случаях, когда эти значения превышаются, требуется производить расчет на температурные воздействия.

Еще одним похожим документом, в котором говорится о необходимости проведения расчетов на температурные воздействия, является «Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительно напряжения арматуры» (к СНИП 2.03.01-84), п. 1.19.

Но в этих документах ничего не говорится непосредственно о величинах и способах задания температурных воздействий. Эта информация содержится в основном своде правил расчетчика - СП 20.13330.2011, раздел 13 «температурные климатические воздействия».

Для расчета на температурные воздействия в ЛИРА 10.6 реализованы 2 способа задания температурных нагрузок как для пластинчатых КЭ, так и для стержневых, которые позволяют смоделировать любое температурное воздействие:

Когда температура на верхних и нижних волокнах симметричного сечения одинакова по величине и по знаку, это аналогично равномерному расширению/сжатию волокон вдоль оси стержня, что вызывает в случае статически неопределимой системы напряжения растяжения или сжатия, либо соответствующие деформации в случае статически определимой системы.

Если же стержень подвержен действию перепада температуры, то более нагретые волокна его сечения будут сжаты, а менее нагретые – растянуты – это температурный изгиб. В случае статически определимой системы будут возникать лишь деформации.

Следует отметить, что принцип задания температурных воздействий в ЛИРА 10.6 несколько отличается от предписания норм и носит универсальный характер. Расчетчик всегда должен понимать какое напряженно деформированное состояние вызовет то или иное температурное воздействие и, исходя из этого, выбирать нужный тип нагрузки.

В качестве примера разберем простую задачу расчета прямоугольной плиты. Плита расположена на открытой местности, следовательно, подвергается воздействию солнечной радиации, что вызывает температурный изгиб. Также будем считать, что плита подвергается равномерному нагреву/охлаждению. Район строительства – Московская область. Габариты - 20х30 м, толщина плиты - 1 м. Эти параметры необходимы для принятия температурных характеристик, которые регламентирует СП «Нагрузки и воздействия».

Согласно п. 13.2 СП 20.13330.2011, определим нормативные значения изменений средних температур по сечению элемента в теплое и холодное время года.

Нормативные значения средних температур t_w и t_c в теплое и холодное время года для однослойных конструкций определяем по таблице 13.1 СП 20.13330.2011.

t_0w, t_0c - начальные температуры в теплое и холодное время года, принимаемые в соответствии с 13.6 СП.

t_ew, t_ec – средние суточные температуры наружного воздуха соответственно в теплое и холодное время года, принимаемые в соответствии с п. 13.4.

θ₁ = 2°С, - приращение средних по сечению элемента температур и перепада температур от суточных колебаний температуры наружного воздуха, принимаемые по таблице 13.2.

θ₄ = 0,05ρ S_maxk = 0,05*0,7*830*0,3 = 8,7 – приращения средних по сечению элемента температур и перепада температур от солнечной радиации, принимаемые в соответствии с 13.5.

Средние суточные температуры наружного воздуха в теплое t_ew и холодное t_ec время года определяем по формулам:

где t_I= -10°С, t_VII = 20 °С – многолетние средние месячные температуры воздуха в январе и июле, принимаемые соответственно по картам 5 и 6 приложения Ж.

Δ_VII = 6°С, Δ_I = 20 °С отклонения средних суточных температур от средних месячных (Δ_I принимается по карте 7 приложения Ж).

Перепады температур по сечению элемента в теплое ϑ_w и холодное ϑ_с время года определяются по таблице 13.1:

Коэффициент надежности по нагрузке γ_f для температурных климатических воздействий Δt и ϑ принимается равным 1,1.

Из всех приведенных выше вычислений нас интересуют 2 величины: нормативные значения средних температур по сечению элемента в теплое и холодное время года Δt_w, Δt_c и перепады температур по сечению элемента в теплое ϑ_w и холодное ϑ_c время года. Далее у расчетчиков возникают сложности с трактовкой норм, какую из приведенных величин задавать. В СП 20.13330.2011 явно это нигде не прописано. Вообще, стоит отметить, что данную информацию сложно найти в какой-либо литературе. На помощь нам пришла работа [4], в которой эта информация содержится, хотя и не явно.

Температурные усилия возникают только в статически неопределимых конструкциях. Для систем с одной лишней связью эти усилия возникают после превращения конструкции в статически неопределимую, то есть после замыкания системы. Замыкание системы реализуется при некоторой температуре t₀– температуре замыкания системы. Отсюда становится понятным смысл величин Δt_w и Δt_c. При задании равномерного нагрева/охлаждения, расчетчик должен знать, в какое время года будет замкнута (построена) конструкция. То есть, если конструкция построена (замкнута) зимой, в качестве нагрузки выбираем Δt_w и наоборот. Но это в идеализированном случае. На практике же большая часть сооружений относится к системам с множеством лишних связей, замыкание которых происходит в различные моменты времени. Для таких конструкций нельзя точно определить температуру замыкания, которой соответствовали бы нулевые усилия. Уже в процессе строительства возникают температурные деформации и усилия, зависящие как от климатических условий, так и от последовательности монтажа. Логично предположить, что начальные усилия, возникающие в процессе строительства, имеют меньшие значения, чем температурные усилия после полного замыкания системы. При многоступенчатом замыкании конструкции происходит распределение во времени возникновения усилий, поэтому допустимо было бы принимать в качестве температуры t₀ значение, являющееся средним за период строительства. В СП же приведены значения, которые позволяют учесть только один момент замыкания, следовательно, можно сделать вывод, что, принимая значения, регламентированные СП, мы учитываем нагрузку в запас.

Исходя из вышеизложенного, при расчете на температурные воздействия для нашего примера необходимо создавать три температурных загружения:

Загружение 1. Равномерный нагрев на величину Δt_w, что соответствует зимнему периоду замыкания.

Загружение 2. Равномерное охлаждение на величину Δt_с, что соответствует летнему замыканию конструкции.

Загружение 3. Температурный изгиб, определяемый перепадом температур ϑ_w в теплое время года.

Отметим, что в другом примере, в случае отличия величины ϑ_с от нуля, необходимо бы было задавать еще одно загружение. Кроме этого, загружения 1 и 2 не могут действовать одновременно, поэтому необходимо указать их взаимоисключение.

Обратимся теперь непосредственно к заданию температурных нагрузок в ЛИРА 10.6.

В случае загружений 1 и 2 все достаточно тривиально, мы лишь задаем соответствующее значение в поле нагрузки (рис. 1).

Рис. 1. Задание равномерного нагрева

Как говорилось выше, в данном примере речь идет о температурном изгибе, в режиме задания нагрузок выбираем нагрузки на пластины – температурный изгиб (рис. 1).

Рис. 2. Окно задания температурного изгиба

Так как для холодного периода времени ϑ_c = 0°С, расчет на температурный изгиб будем производить только для теплого времени года.

Т₁ –температура верхнего волокна, нагретого солнцем; Т₂ – температура нижнего волокна, следует учитывать, что положение волокон зависит от направления местной оси Z₁ элементов. Направление действия выбираем «Во всех», это означает, что материал расширяется равномерно по оси Y и X.

Остается нераскрытым самый главный вопрос: как сопоставить значения различных вычисленных по СП характеристик температурных воздействий с тем, что нужно задавать в ПК ЛИРА.

В случае температурного изгиба значение имеет разность температур, при этом, логично, что верхние волокна должны иметь большую температуру, чем нижние. Поэтому тут принимаем:

Эти значения вводим в соответствующие поля в программе (рис. 2).

Стоит отметить, что при задании температурных нагрузок плиту следует закреплять «крестом», как показано на рисунке 3. Это объясняется тем, что при задании закреплений как в задачах без температурного расчета, вследствие расширения материала будут возникать дополнительные сжимающие/растягивающие усилия, которые в реальности не будут наблюдаться, т.к. плита может проскальзывать по грунту.

Рис. 3. Закрепление плиты

Картина распределения моментов от температурного загружения приведена на рисунке 4.

Рис. 4. Мозаика моментов от температурного изгиба

Таким образом, мы рассмотрели весьма непростой вопрос расчета на температурные воздействия. Еще остается открытой задача расчета температурных полей. Подробнее эта тема будет раскрыта в предстоящем вебинаре.

М.: Стройиздат, 1966, - 443 с., ил.
Книга посвящена весьма важной для строительства проблеме расчета бетонных и железобетонных конструкций на температурные и влажностные воздействия, с учетом ползучести.
На основе наиболее прогрессивной отечественной теории ползучести Г. Н. Маслова — Н. X. Арутюняна (теории упруго-ползучего тела) разработаны точные и практически удобные методы расчета этих конструкций с учетом ползучести на температурные и усадочные напряжения, соответствующие требованиям новых норм проектирования СНиП П-В.1-62 и СН 55—59.
Рассмотрен ряд практически важных инженерных задач о расчете распределения температуры и влажности и напряженно-деформированном состоянии брусьев (балок), плит, слоя (бесконечного полупространства), бетонных блоков, вызываемом изменениями их температуры и влажности. Особое внимание уделено повышению практической ценности получаемых при этом решений.
Приведены результаты больших экспериментальных исследований ползучести, влажностных и температурных деформаций бетона, а также температурно-усадочных напряжений в нем.
Книга содержит богатый иллюстративный материал и необходимые числовые примеры расчета, отвечающие требованиям новых норм проектирования обычных (СНиП П-В.1-62) и гидротехнических (СИ 55—59) бетонных и железобетонных конструкций. Приводятся таблицы, облегчающие труд инженера, а также обширная библиография по рассматриваемой проблеме.
Работа представляет большой интерес для инженеров-строителей проектировщиков бетонных и железобетонных конструкции гражданских промышленных и гидротехнических сооружений, мостостроителей а также научных работников и аспирантов, работающих в области теории железобетона, теории ползучести и теории тепло- и влагопередачи в бетоне и тепловой обработки железобетонных конструкций.

Доброе время суток коллеги Хотелось бы задать такой вопрос по температурным воздействиям (ТВ).

При расчете каркаса ж\б на ТВ как бы правильно задать их на конструкции? Я вод задаю только на горизонтальные конструкции (перекрытия, ригеля), и получаю оч большие моменты изгибающие в колоннах - мб и для колонн и всего остального тоже следует задавать ТВ? Тоесть равномерное расширение. Смысл в том, чтоб посчитать расширение здания в "голом" каркасе при нагреве его солнцем.

Спасибо заранее за советы

Цитата из справки «…При расчете на температурные воздействия необходимо учитывать требования соответствующих рекомендаций по расчету сооружений конкретного класса. Так, например, при расчете каркасов следует иметь в виду, что задание температурного воздействия по всем элементам без учета податливости соединений элементов, а также возможных поворотов опор, может привести к чрезмерно завышенным усилиям, особенно в защемленных стойках…»

А податливость можно учесть только имея данные испытаний узлов.Поэтому лучше не мучаться а порезать на температурные швы

Да нет. Это ЛИРА 9.0 Руководство пользователя, Книга 1, п.9.11.

АлексейVIP. А для чего вы нагреваете здание. Я бы предпочел вот это:
". Для стадии возведения рекомендуется различать два расчетных случая:
первый — здание возведено в теплое время года и до пуска отопления конструкции здания охлаждаются вследствие понижения температуры наружного воздуха в холодное время года;
второй — здание возведено в холодное время года и конструкции здания нагреваются вследствие повышения температуры наружного воздуха в теплое время года.
В первом расчетном случае из-за противодействия основания температурным изменениям линейных размеров продольных конструкций в них возникают растягивающие напряжения, во втором расчетном случае — сжимающее напряжения.
В первом расчетном случае усадочные деформации можно не учитывать, так как в холодное время года деформации усадки бетона не увеличиваются. В связи с тем, что температурные и усадочные деформации во втором расчетном случае противоположны по знаку, а сжимающие напряжения в продольных конструкциях, как правило, не опасны, допускается второй расчетный случай не рассматривать. "

Спасибо Сергей, но все же по Нагрузкам и Воздействию ДБН написано как рассчитывать на перепад температур, а тоесть tw допустим. У меня разница температур вышла 30 градусов. Внутри 20 снаружи 51.1. И вот при задании даже равномерного нагрева 51 градус здание расширяется как резина и получаю огромные моменты в колоннах =\ Может быть я где то ошибся?

Почему? Температурный шов это щель от верха до фундамента в перекрытиях и больше ничего.Причем тут лестничные клетки?

Вам про лестничные клетки все расскажет пожарник.

Ибо - сколько километров у вас путь эвакуации из здания получаицца?

Так это противопожарный отсек и к температурному не имеет отношения.Они могут не совпадать.Сколько длина здания

Я говорил про кол-во лестничных клеток.

Если здание требуется разбивать на температурные блоки.. То там явно 1 лестничной клетки не хватит, чтоб убежать..

Да нет же.Температурный отсек - это щель в перекрытиях и все.Никаких дополнительных стен!Монолитный каркас режут на темп. блоки длиной 40 м.Ставят сдвоенные колонны и все.А противопожарные отсеки разделяют противопожарными стенами требуемой огнесойкости от фундамента и выше крыши на 1-1,5м.

Длина 65 м, и как только мы разделяем на блоки с сдвоеными колоннами - появляется лестн клетка Но суть не в этом. А в задании и получении результатов от температуры..

Это ваше дело если не хотите резать, но такие расчеты мутное дело.Действительно в колоннах получаются большие усилия.Податливость вы никак не учтете.Основную нагрузку воспринимают лестнично лифтовые узлы.Температурный перепад в расчете прикладывается мгновенн, а в натуре в течении длительного времени.За это время проявляется ползучесть бетона, податливость всех связе и тд.Попробуйте при расчете задать пониженные значения модуля деформаци по СП 52-103-2006

«…9. Для протяженных в плане здания усилий от температурно-влажностных воздействий рекомендуется определять с использованием расчетной схемы в виде горизонтальной составной системы с продольными поясами в уровне перекрытий, которые соединены податливыми связями сдвига.
…12. Продольная жесткость k-го пояса EAk определяется как сумма продольных жесткостей перекрытия Eak,r продольных стен EAk,w. При изменении жесткостных характеристик перекрытий и продольных стен по длине определяется приведенная продольная жесткость пояса, определяемая по формуле.
Продольная жесткость пояса до образования трещин в бетоне определяется по формуле
EA = ElAb + EsAs,
где El — длительный модуль деформации бетона
El = Eb/(1 + фиbt);
Eb — начальный модуль упругости бетона; фиbt — определяется по формуле ….
Продольная жесткость пояса после образования в нем трещин определяется по формуле
ЕA = ЕsАs/ксиs, (38)
где ксиs — коэффициент, учитывающий работу растянутого бетона между трещинами и определяемый согласно нормам проектирования железобетонных конструкций…»
Нужно знать, какие напряжения возникают в продольном поясе – сжатие или растяжение, отсюда принимать жесткости продольного пояса. Для колонн уменьшенная жесткость. Кроме того учитывается угловая податливость фундаментов.
А лучше рассчитать в нелинейке.

Barmaglot и igr. Суждения ваши прекрасны. Я тоже при компоновке зданий всячески открещиваюсь от увеличенных (более 40м) отсеках правдами и не правдами.
Но вопрос автор задал другой.

Offtop: имхо: если не знаешь, как делать такие расчеты и нету под боком специалиста, который может внятно объяснить/показать/научить - нефиГ соваться. Штука достаточно серьезная.. На форумах многому не научат в таких вопросах, тут нужно сесть на соседних стульях за одним столом и разбираться.

Решился я вынести в отдельную тему данный вопрос.
Вопросы задаются часто, значится тема востребованная.

Предлагаю в этой теме поделиться информацией об источниках (книгах, статьях в журналах и т.п.) в которых есть информация по поводу расчёта на температурно-влажностные воздействия и по поводу устройства температурно-усадочных швов (назначение максимального расстоянии м/у ними и т.п.)

Приведу и эту книженцию, первое что нарыл в инете. Мне была не очень интересна ибо там про трубы, силосы и резервуары.
12) Кричевский А.П. "Расчет железобетонных инженерных сооружений на температурные воздействия" 1984

времени не было просмотреть, но может еще здесь будет что-то полезное:
1) Рекомендации по проектированию бетонных и железобетонных конструкций для жаркого климата, НИИЖБ, 1987
2) СП 52-105-2009 Железобетонные конструкции в холодном климате и не вечномерзлых грунтах
3) СНиП 2.03.04-84 Бетонные и железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур
4) Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций, предназначенных для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур (к СНиП 2.03.04-84)

__________________
«Точно знают, только когда мало знают. Вместе со знанием растет сомнение». Иоганн Вольфганг Гете

Деформационные швы в конструкциях наземных зданий Перевод с чешского Т.М. Ванкевич, Под редакцией кандитатов техн. наук А.В. Щербакова и Н. Н. Цаплева. Москва Стройиздат 1978 г.

Проектирование зданий и частей зданий

Хорошая книга, только вот качество сканов (которые в сети валяются и на данном сайте) плохое.
По быстрому человек сфотографировал.
Если есть у кого бумажный оригинал, отсканируйте пожалуйста заново и выложите в сеть.

__________________
«Точно знают, только когда мало знают. Вместе со знанием растет сомнение». Иоганн Вольфганг Гете

Проектирование зданий и частей зданий

Естественно есть. Для этого и приводил ссылки.
В частности про расчёты рекомендую глянуть:
- Рудольф Залигер "Железобетон его расчет и проектирование" 1931;
- Руководство по расчету статически неопределимых железобетонных конструкций 1975;
- Руководство по проектированию каменных и армокаменных конструкций 1974.
Последние два, считай нормативка, почти.
Все книги должны быть в Download местном.

Именно по швам мало. В остальных про швы было, но еще с кучей всего

Если знаешь где ещё написано по данному вопросу, пожалуйста поделись ссылками на источники.
Ибо СНиПовский коэффициент температурного расширения (тот что единица на десять в минус пятой градуса в минус первой степени, по памяти) - это всё что есть в СНиПах по поводу расчёту ЖБК (как вариант) на температурные воздействия.

__________________
«Точно знают, только когда мало знают. Вместе со знанием растет сомнение». Иоганн Вольфганг Гете

13.1 Температурные климатические воздействия подразделяются на два типа:

а) воздействия, связанные с условиями замыкания конструкций;

б) воздействия, обусловленные перепадом температуры по сечению элемента, связанные с действием солнечной радиации и (или) с условиями эксплуатации.

13.2 Нормативные значения изменений температур при замыкании конструкций в теплое и холодное время года соответственно следует определять по формулам:

; (13.1)

, (13.2)

где , - нормативные значения температур для теплого и холодного времени года, приведенные в таблице 13.1;

, - начальные температуры (температуры замыкания) в теплое и холодное время года, принимаемые в соответствии с 13.6.

13.3 Нормативные значения температурных воздействий и , обусловленные перепадом температур по сечению элемента в теплое и холодное время года соответственно, для однослойных конструкций следует определять по таблице 13.1.

Здания и сооружения в стадии эксплуатации

неотапливаемые здания (без технологических источников тепла) и открытые сооружения

здания с искусственным климатом или с постоянными технологическими источниками тепла

Не защищенные от воздействия солнечной радиации (в том числе наружные ограждающие)

Защищенные от воздействия солнечной радиации (в том числе внутренние)

Обозначения, принятые в таблице 13.1:

, - средние суточные температуры наружного воздуха в теплое и холодное время года соответственно, принимаемые в соответствии с 13.4;

, - температуры внутреннего воздуха помещений в теплое и холодное время года соответственно, принимаемые по заданию на проектирование с учетом технологических решений;

, , - приращения средних по сечению элемента температур и перепада температур от суточных колебаний температуры наружного воздуха, принимаемые по таблице 13.2;

, - приращения средних по сечению элемента температур и перепада температур от солнечной радиации, принимаемые в соответствии с 13.5.

1 При наличии исходных данных о температуре конструкций в стадии эксплуатации зданий с постоянными технологическими источниками тепла значения , , , следует принимать на основе этих данных.

2 Для зданий и сооружений в стадии возведения , , , определяются как для неотапливаемых зданий в стадии их эксплуатации.

3 Для многослойных конструкций , , , определяются расчетом. Конструкции, изготовленные из нескольких материалов, близких по теплофизическим параметрам, допускается рассматривать как однослойные.

Приращения температуры , °С

Железобетонные, бетонные, армокаменные и каменные толщиной, см:

13.4 Средние суточные температуры наружного воздуха в теплое и холодное время года для надземной части сооружений следует определять по формулам:

; (13.3)

, (13.4)

где , - нормативные значения минимальной и максимальной температуры воздуха, соответственно, принимаемые по картам 4 и 5 приложения Е;

, - средние суточные амплитуды температуры воздуха наиболее холодного и наиболее теплого месяца, соответственно, принимаемые по таблицам 3.1 и 4.1 СП 131.13330.

Нормативное значение минимальной и максимальной температуры воздуха допускается уточнять в установленном порядке на основе данных Росгидромета для места строительства (см. 4.4). В этом случае значения и следует вычислять по формулам , , где и - минимальная и максимальная температуры воздуха, абсолютные значения которых превышаются один раз в 50 лет.

Средние суточные температуры наружного воздуха в теплое и холодное время года для подземной части сооружений следует определять по формулам:

Читайте также: