Эксцентриситеты в расчетных моделях: учитывать или игнорировать? Примеры узлов в монолитном железобетоне

При подготовке расчётной модели инженер неизбежно выполняет идеализацию конструкции. Возникает естественное желание упростить модель — в том числе за счёт исключения всех несоосностей (эксцентриситетов) в узлах сопряжения элементов. Однако такое решение не всегда оправдано: в ряде случаев эксцентриситеты могут существенно влиять на прочность и жёсткость как самих узлов, так и примыкающих конструкций.

С одной стороны, включать эксцентриситеты в модель — надёжный и безопасный путь. Такой подход не приведёт к ошибке, и можно даже принять универсальное правило: учитывать их всегда. Стратегия рабочая, но не всегда рациональная.

Главный минус — усложнение модели. Появляется необходимость добавлять жёсткие вставки или аналогичные элементы, моделирующие несоосность. Это требует времени, увеличивает объём работы и может затруднить интерпретацию результатов.

Оптимальный вариант — выборочный подход: учитывать только те эксцентриситеты, которые действительно влияют на искомые величины (или если есть сомнения), а остальные игнорировать.

Чтобы применять такой подход осознанно, нужно понимать две вещи:
1. Какова цель расчёта? Что именно мы хотим получить?
2. Как эксцентриситет повлияет на эти результаты?

Например, если задача — определить глобальные характеристики модели (частоты колебаний, крены, осадки фундамента и т.п.), то эксцентриситеты в узлах можно смело опустить.

Если же речь о расчёте и конструировании конкретного узла или элемента, где несоосности приводят к дополнительным внутренним усилиям, — их нужно обязательно учитывать.

Рассмотрим несколько типовых случаев несоосностей, которые часто встречаются в конструкциях из монолитного железобетона:

• Опирание стен или колонн. В этом случае в вертикальных элементах (стене или колонне) появляется дополнительный изгибающий момент от продольной сжимающей силы. В некоторых ситуациях его вклад может оказаться критичным при проверке прочности.

• Опирание стены или колонны на трансферную балку. Несоосность приводит к возникновению крутящего момента в балке. Это усилие обязательно нужно учитывать при её конструктивном расчёте — особенно при подборе армирования.

• Капитель и плита перекрытия. Более интересный случай. Дополнительные моменты в узле могут появиться при наличии значительных мембранных усилий в плите. Такое возможно, например, при температурных воздействиях или когда плита работает как распорный диск, воспринимающий боковое давление грунта на подземную часть здания.

В будущем планирую разобрать несколько примеров узлов стальных конструкций... Если тема интересна — поддержите 🔥

Вчера выступил на инженерном MeetUp

Рассказывал про «5 универсальных правил МКЭ-моделирования». На выбор темы натолкнула одна прочитанная статья со схожим названием и собственные накопленные наблюдения. Ну и тайминг в 15 минут был подходящим.

Другие спикеры рассказали об опыте открытия своей инженерной компании, про кейс проектирования экономичного стального каркаса жилого дома, про состояние современной науки и ее связь с практикой.

Сам MeetUp организовывала команда проекта Strukturistik, в программе были выступления, инженерный квиз и неформальное общение.

Приятно было увидеть много знакомых людей: коллег, бывших коллег, тех, за кем я наблюдаю в соцсетях, и читателей моего блога. Понравилось слушать выступления — живые, без формального занудства и желания всех поразить умом.

Одна мысль меня особенно зацепила, на тему разрыва между наукой и практикой. В академической среде есть хайповые темы, а-ля композитные материалы, ЛСТК, аддитивные технологии и т.д. И в то же время масса более приземленных вопросов, про «обычные» конструкции и «обычные» материалы, с которыми ежедневно сталкиваются инженеры — остаются вне фокуса. Не стильно, не модно... В итоге инженеры сами, как могут, на коленке решают свои задачи, а наука продолжает вариться в своём собственном соку.

Спасибо Андрею за организацию такого классного мероприятия!

Разбор решения задачки про tensegrity-ферму

На задачку правильно ответили 62% опрошенных. Похоже, что не всё там так очевидно. Давайте разбираться...

Суть вопроса — проверить, сможет ли ферма воспринять все приложенные нагрузки без появления сжимающих усилий в канатах. Если такие усилия появятся, конструкция превратится в геометрически-изменяемый механизм, а значит — работать не будет.

Проверить знаки усилий можно разными способами. В классическом строймехе используются метод вырезания узлов и метод сечений.

Другой вариант — воспользоваться балочной аналогией и проверить сонаправленность траекторий главных сжимающих и растягивающих напряжений в эквивалентной балке с ориентацией раскосов и поясов фермы.

Я выберу третий способ — воспользоваться принципом независимости действия сил и разложить нашу задачу на 4 более простые (по числу приложенных к ферме сосредоточенных сил). В каждой подзадаче мы зададимся целью отследить путь передачи нагрузки от узла, в котором она приложена, к внешним опорам системы.

Если рассмотреть первый (слева) узел, то все выглядит очень просто. Для заземления этой нагрузки достаточно одного восходящего стержня и горизонтального каната. Синим показаны растягивающие усилия, красным - сжимающие.

Второй узел чуть интереснее: появляется маленькая ферма. Но всё равно решается интуитивно. Если не решается — вспоминаем методы строймеха.

Аналогично можно построить пути передачи нагрузок из 3-го и 4-го узлов.

Что видно: во всех случаях сжатие возникает только в жёстких стержнях. Это нам и требовалось проверить. Вердикт — ферма «работает».

Еще одно наблюдение — 3 элемента фермы справа вообще не участвуют в передаче нагрузок, их можно исключить и ничего не измениться.

Будем дальше тренироваться с решением инженерных задачек?

Фестиваль «Летней школы»: как это было

В воскресенье я посетил фестиваль «Летней школы» 2025, в рамках которого провёл лекцию и поучаствовал в мастер-классе от «АрхИнж» по конструированию и испытаниям на прочность макетов башен.

На лекции мы обсудили ключевые особенности проектирования и расчётов высотных зданий: компоновку ядра жёсткости, фундаменты, перекрытия, крены и колебания, мероприятия против прогрессирующего обрушения, влияние этапности монтажа и многое другое.

Затем мы перешли к конструированию и испытанию макетов. Использовали бамбуковые палочки и клеевые пистолеты.

Испытания макетов на вибростоле включали несколько раундов с усложнением условий. Кульминацией стало моделирование сценариев «прогрессирующего обрушения», в ходе которых мы постепенно удаляли колонны и связи на нижнем уровне и повторяли испытания до тех пор, пока часть башен всё же не удалось сломать.

Неожиданным сюрпризом для всех участников и организаторов стало то, насколько прочными оказались собранные модели. Запланированные на испытания 20 минут превратились в 2 часа, в течение которых нам удалось довести до обрушения лишь 2 из 5 макетов. Наверное, всё дело в лекции...

Мероприятие стало подготовкой к самой «Летней школе», которая пройдёт в этом году с 19 по 29 июля. До 1 июня у вас ещё есть возможность подать заявку и стать участником инженерного или архитектурного трека.

В комментариях скину больше фото и видео с испытаний макетов