Аналитический метод определения напряженно-деформированного состояния модульных зданий

Введение. Активное внедрение модульных зданий в практику современного строительства вызывает необходимость развития методов их расчета. Однако отсутствуют какие-либо специализированные руководства по проектированию модульных зданий. При разработке рекомендаций проектирования невозможно обойтись только численными методами расчета. Поэтому создание аналитического метода расчета модульных зданий — актуальное направление исследований. Рассматривается вопрос определения усилий в элементах модульных зданий с несущими колоннами и жесткими внутримодульными соединениями.

Материалы и методы. Определение усилий в элементах модульных зданий от вертикальных нагрузок с высокой точностью можно проводить с помощью известных выражений строительной механики. Главной трудностью является установление динамических воздействий (пульсация ветра и сейсмика). Предлагается использовать консольную схему сооружения с разложением масс в уровне перекрытий. В результате вычислений образуется набор инерционных сил от пульсации и сейсмического воздействия. Для большего упрощения вычислений написана программа Modular. Программа удобна для проведения предварительных и вариантных расчетов и исследований конструкций модульных зданий.

Результаты. Представленный аналитический метод определения усилий в элементах модульных зданий показывает хорошую сходимость результатов с методом конечных элементов. На конкретном примере показано, что расхождение в определении усилий от вертикальных нагрузок практически отсутствует. Расхождение от суммарного воздействия статической и пульсационной составляющих составляет 4,2–16,6 % для изгибающих моментов и 1,3–6 % для продольных сил. Погрешность определения усилий от сейсмического воздействия укладывается в интервал 5–10 % как для изгибающих моментов, так и для продольных сил.

Выводы. Метод удобен для применения на стадии качественной оценки проектных решений, вариантных расчетов и поиска рациональных конструктивных решений модульных зданий.

1. Абрамян С.Г., Илиев А.Б. Особенности технологий быстровозводимых зданий и сооружений // Научные исследования высшей школы в области строительства и архитектуры : сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. 2018. С. 22–27. EDN YQHWNF.

2. Захарова М.В., Пономарев А.Б. Опыт строительства зданий и сооружений по модульной технологии // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2017. Т. 8. № 1. С. 148–155. DOI: 10.15593/2224-9826/2017.1.13.EDNYLXSPN.

3. Захарова А.С. Обустройство месторождений нефтегазовой промышленности и их инфраструктура // Инженерный вестник Дона. 2020. № 11(71). С. 329–338. EDN NWFFYL.

4. Иванов А.А. Анализ рынка блочно-модульных зданий из металлоконструкций для нефтегазовой сферы // Начало в науке : мат. IV Междунар. науч.-практ. конф. школьников, студентов, магистрантов и аспирантов. 2017. С. 219–222. EDN YJEBSN.

5. Lawson R., Ogden R., Pedreschi R., Grubb P., Popo-Ola S. Developments in pre-fabricated systems in light steel and modular construction // The Structural engineer. 2005. Vol. 83. Pp. 28–35.

6. Lawson R.M., Richards J. Modular design for high-rise buildings // Proceedings of the Institution of Civil Engineers — Structures and Buildings. 2010. Vol. 163. Issue 3. Pp. 151–164. DOI: 10.1680/stbu.2010.163.3.151

7. Thai H.-T., Ngo T., Uy B. A review on modular construction for high-rise buildings // Structures. 2020. Vol. 28. Pp. 1265–1290. DOI: 10.1016/j.istruc.2020.09.070

8. Ferdous W., Bai Y., Ngo T.D., Manalo A., Mendis P. New advancements, challenges and opportunities of multi-storey modular buildings : a state-of-the-art review // Engineering Structures. 2019. Vol. 183. Pp. 883–893. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.01.061

9. Innovation in modular building construction. The Hong Kong Institute of Steel Construction, 2018. DOI: 10.18057/ICASS2018.K.05

10. Liew J.Y.R., Dai Z., Chua Y.S. Steel concrete composite systems for modular construction of high-rise buildings // Proceedings 12th international conference on Advances in Steel-Concrete Composite Structures — ASCCS 2018. 2018. DOI: 10.4995/ASCCS2018.2018.7220

11. Liew J.Y.R., Chua Y.S., Dai Z. Steel concrete composite systems for modular construction of high-rise buildings // Structures. 2019. Vol. 21. Pp. 135–149. DOI: 10.1016/j.istruc.2019.02.010

12. Annan C.D., Youssef M.A., El Naggar M.H. Seismic overstrength in braced frames of modular steel buildings // Journal of Earthquake Engineering. 2008. Vol. 13. Issue 1. Pp. 1–21. DOI: 10.1080/13632460802212576

13. Zhao F., Yu Y., Lin S., Ding F. Evaluation of the working mechanisms and simplified models of endplate-type inter-module connections // Structures. 2021. Vol. 32. Pp. 562–577. DOI: 10.1016/j.istruc.2021.03.034

14. Lacey A.W., Chen W., Hao H., Bi K. Effect of inter-module connection stiffness on structural response of a modular steel building subjected to wind and earthquake load // Engineering Structures. 2020. Vol. 213. P. 110628. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.110628

15. Lacey A.W., Chen W., Hao H., Bi K. Lateral behaviour of modular steel building with simplified models of new inter-module connections // Engineering Structures. 2021. Vol. 236. P. 112103. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.112103

16. Lacey A.W., Chen W., Hao H., Bi K. Numerical study of the structural response to wind loading: modular building case study // 13th International Conference on Steel, Space and Composite Structures. 2018.

17. Lacey A.W., Chen W., Hao H., Bi K. Structural Response of Modular Buildings : an Overview // Journal of Building Engineering. 2018. Vol. 16. Pp. 45–56. DOI: 10.1016/j.jobe.2017.12.008

18. Shirokov V.S., Kholopov I.S., Solovejv A.V. Determination of the frequency of natural vibrations of a modular building // Procedia Engineering. 2016. Vol. 153. Pp. 655–661. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.08.218

19. Shirokov V.S., Gordeeva T.E., Bocharov A.Yu. Analytic method of structural analysis of modular buildings // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 775. Issue 1. P. 012148. DOI: 10.1088/1757-899X/775/1/012148

20. Gatheeshgar P., Parker S., Askew K., Poologanathan K., Navaratnam S., McIntosh A. Flexural behaviour and design of modular construction optimised beams // Structures. 2021. Vol. 32. Pp. 1048–1068. DOI: 10.1016/j.istruc.2021.03.009