Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор развития и современное состояние исследований по вопросу совместной работы здания и основания 10
1.1. Исследования взаимодействия здания со сжимаемым основанием 10
1.2. Учет процесса строительства здания при расчетах системы "основание-фундамент-сооружение" 24
1.3. Современные методы выполнения совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение" 28
1.4. Упрощенные методы учета жесткости здания для расчета фундаментов 31
1.5. Анализ развития конструктивных схем высотных зданий 35
1.6. Выводы и задачи дальнейших исследований 37
Глава II. Численное исследование влияния грунтового основания, параметров фундаментной плиты, конструктивных особенностей каркасного здания и процесса его возведения на НДС фундаментной плиты 39
11.1. Исследование влияния модели и параметров основания на НДС фундаментной
плиты 40
II.1.1. Влияние модели основания на НДС фундаментной плиты 41
II. 1.2. Влияние параметров модели основания на НДС фундаментной плиты 44
11.1.3. Влияние пластических деформаций основания на НДС фундаментной плиты 47
11.2. Исследование изменения параметров фундаментной плиты 49
11.2.1. Влияние жесткости фундаментной плиты на ее НДС 49
11.2.2. Влияние вылета консоли на НДС фундаментной плиты
11.3. Влияние жесткости конструкций здания на НДС фундаментной плиты 54
11.4. Исследование изменения НДС фундаментной плиты по мере возведения здания 58
11.5. Обобщение проведенных исследований 60
11.6. Выводы по главе 65
Глава III. Методики и рекомендации по выполнению совместных расчетов системы "основанис-фундамент-сооружсние" 66
Методика учета жесткости каркаса здания для выполнения совместных расчетов основания, фундамента и конструкций высотного здания
111.2. Методика учета нарастания жесткости каркаса здания при его возведении для выполнения совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение" 71
111.3. Методика выполнения совместных расчетов основания, фундамента и конструкций высотного здания с учетом его возведения 74
Ш.4. Критерий оценки жесткости каркаса здания 78
111.5. Рекомендации по конструированию фундаментных плит и выполнению совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение" 80
111.6. Выводы по главе 92
Глава IV. Результаты мониторинга при строительстве высотных зданий в г. Москва, их сопоставление с результатами расчетов и проведенных исследований 93
IV. 1. Результаты мониторинга при строительстве здания Министерства иностранных дел на Смоленской площади 93
IV. 1.1. Конструктивные особенности здания Министерства иностранных дел и инженерно-геологические условия площадки строительства 94
IV. 1.2. Результаты мониторинга при строительстве Министерства иностранных дел и их анализ 96
1V.2. Результаты мониторинга при строительстве здания гостиницы "Украина" на Дорогомиловской набережной 99
IV.2.1. Конструктивные особенности здания гостиницы "Украина" и инженерно геологические условия площадки строительства 99
1V.2.2. Результаты мониторинга при строительстве гостиницы "Украина" и их анализ 102
IV.3. Сопоставление данных мониторинга с результатами расчетов и проведенных исследований 107
1 V.4. Апробация результатов исследований на данных мониторинга 112
1V.5. Выводы по главе 116
Заключение 117
Литература 120
- Современные методы выполнения совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение"
- Влияние параметров модели основания на НДС фундаментной плиты
- Методика выполнения совместных расчетов основания, фундамента и конструкций высотного здания с учетом его возведения
- Результаты мониторинга при строительстве Министерства иностранных дел и их анализ
Введение к работе
Актуальность темы исследования обусловлена широким распространением и недостаточной изученностью работы фундаментной плиты в составе здания с полным каркасом на податливом основании.
В соответствии с этим цель диссертационной работы заключается в выполнении расчетно-теоретических исследований влияния основания и несущего каркаса здания на напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты с разработкой рекомендаций по расчету и проектированию фундаментных плит в составе зданий с полным каркасом.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
выполнить анализ существующего состояния вопроса в области взаимодействия основания, фундамента и сооружения, наметить область проведения необходимых исследований;
разработать расчетную модель для выполнения исследований взаимодействия системы "основание-фундамент-сооружение";
исследовать влияние модели и параметров основания, а также жесткостных параметров фундаментной плиты и конструкций здания на НДС фундаментной плиты;
проанализировать влияние процесса возведения каркаса здания на НДС фундаментной плиты;
определить необходимое и достаточное количество этажей для выполнения расчетов фундаментной плиты;
разработать методику выполнения совместных расчетов основания, фундамента и конструкций здания с учетом процесса его возведения;
сформулировать рекомендации по оптимальному проектированию и проведению расчетов фундаментных плит;
провести апробацию результатов исследований и разработанных методик на примере натурных экспериментальных данных строительства высотных зданий в г. Москва.
Научную новизну диссертационной работы составляют:
исследования влияния грунтового основания и каркаса здания на НДС фундаментной плиты, позволяющие оценить достоверность выполненных расчетов и определить необходимость учета ряда факторов при расчете фундамента;
зависимость влияния количества этажей и толщины плиты перекрытия на жесткость здания с полным каркасом при его взаимодействии с фундаментной плитой и основанием;
результаты исследования характера изгиба и распределения усилий в фундаментной плите в зависимости от величины вылета консоли при различных жесткостях каркаса здания и распределения нагрузки между вертикальными элементами;
зависимость, связывающая жесткостные характеристики здания, возведенного "мгновенно" и с учетом процесса возведения;
критерий оценки жесткости каркасного здания, позволяющий определить характер деформирования фундаментной плиты.
Достоверность научных положений и результатов обеспечивается:
применением стандартных и специально разработанных методик и методов численных расчетов при выполнении исследований;
учетом мирового опыта в данной области знаний при выполнении численных исследований и положений отечественных и зарубежных нормативных документов;
приемлемым совпадением результатов разработанных методик и выявленных закономерностей с данными мониторинга при строительстве высотных зданий в г. Москва.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
разработана методика выполнения совместных расчетов системы
"основание-фундамент-сооружение" с учетом процесса возведения
каркаса, позволяющая существенно сократить время и трудозатраты
при проектировании фундаментных плит и выполнении экспресс проверки принятых конструктивных решений фундамента;
сформулированы рекомендации по назначению оптимальной величины вылета консоли, в ряде случаев позволяющей выравнивать прогибы и усилия в фундаментной плите;
разработаны рекомендации по ведению совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение", которые по сравнению с ранее применявшимися решениями позволяют повысить точность и сократить время расчетов фундаментов, повысить технико-экономические показатели эффективности их проектирования, оценить достоверность выполненных расчетов и разработанных проектных решений фундаментов;
предложен способ регулирования неравномерных осадок многоэтажных зданий путем изменения жесткости его конструкций, позволяющий получить технико-экономический эффект за счет сокращения общей материалоемкости и в некоторых случаях отказаться от необходимости проведения работ по усилению конструкций здания и грунта основания или перехода на свайный тип фундамента;
предложен критерий оценки жесткости каркасного здания, позволяющий предварительно назначить жесткость и определить характер деформирования фундаментной плиты.
На защиту выносятся результаты исследований влияния каркаса здания на усилия в фундаментной плите, на базе которых разработаны методики и рекомендации по расчету плитных фундаментов с учетом процесса возведения здания, включающие:
результаты исследований влияния вида и характеристик основания,
жесткостных параметров фундамента и каркаса здания на НДС
фундаментной плиты;
методику учета жесткости каркаса здания для выполнения расчетов и проектирования фундаментных плит;
методику выполнения совместных расчетов трехкомпонентнои системы "основание-фундамент-сооружение", в том числе с учетом возведения здания;
рекомендации по ведению совместных расчетов трехкомпонентнои системы "основание-фундамент-сооружение";
внедрение результатов исследования в практику проектирования и строительства.
Апробация работы была осуществлена на следующих конференциях и семинарах:
65 Научная конференция профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета СПбГУПС. (Санкт-Петербург, 2008);
Международная конференция по геотехнике: Развитие городов и геотехническое строительство (Санкт-Петербург, 2008);
Международная научно-техническая конференция: Численные методы расчетов в практической геотехнике (Санкт-Петербург, 2012);
Научно-практический семинар "расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office" (Москва, 2013);
5 Международная конференция молодых инженеров - геотехников 5 IYGEC13 (Париж, 2013).
Личный вклад автора состоит в:
анализе существующего состояния вопроса в области взаимодействия основания, фундамента и сооружения;
проведении расчетно-теоретических исследований влияния основания и несущего каркаса здания на напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты;
установлении количественных и качественных зависимостей влияния различных факторов, связанных с основанием и каркасом здания, на НДС фундаментной плиты;
разработке методики выполнения совместных расчетов основания, фундамента и конструкций здания с учетом процесса его возведения;
разработке рекомендаций по расчету и проектированию фундаментных плит в составе зданий с полным каркасом;
апробации результатов исследований и разработанных методик на примере натурных экспериментальных данных строительства высотных зданий в г. Москва.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 научных работ (включая авторское свидетельство).
Внедрение результатов исследований диссертационной работы при проектировании Транспортного терминала Московского международного делового центра "Москва-Сити" (участок №11) и офисно-административного комплекса в ЦАО г. Москвы на ул. Можайский вал, вл.8, заключающийся в снижении материальных затрат при устройстве фундаментных плит до 20%. Экономическая эффективность проведенных исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационной работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 163 страницы, из них основного текста 153 страниц, 95 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 251 наименования, в том числе 64 на иностранном языке.
Современные методы выполнения совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение"
Бескаркасная конструктивная схема является куда более жесткой, а представление стен в виде дискретных стержней не всегда может быть оправдано. Наблюдения за деформациями бескаркасных зданий натолкнули исследователей на мысль об использовании хорошо изученной теории расчета балок на упругом основании для моделирования бескаркасных зданий. Рядом авторов были предложены приближенные приемы для представления коробки здания в виде упругой балки с двумя жесткостными характеристиками. Такие приемы были разработаны А.В. Вронским [22, 23], С.Н. Клепиковым [55], Б.А. Косицыным [65], В.И. Лишаком [74], В.В. Михеевым [85, 86], Д.Д. Соболевым [133, 134], П.П. Шагиным [166, 168], F. Kogler [225], G.G. Meyerhof [235] и др. Нарастание осадок основания во времени и ползучесть бетона в этих работах учитывалось весьма приближенно (более подробно о методиках учета жесткости здания см. п. 1.3).
Используя метод упруго оседающих опор, который оказался целесообразным для зданий с переменным шагом поперечных стен, В.И. Лишак [74, 75, 76, 77] установил, что влияние распределительных свойств на усилия в конструкциях зданий пренебрежимо мало по сравнению с влиянием естественной неоднородности грунтов. К такому же выводу пришел и А.В. Вронский [21, 23], предложивший упрощенную методику такого расчета. Однако этот вывод, вероятно, можно отнести лишь к зданиям малой этажности (с относительно небольшими нагрузками на основание и небольшими размерами фундаментов).
В.А. Барвашов, Е.З. Болтянский и Ю.Ю. Чинилин [5,6] исследовали поведение системы "основание-фундамент-балка" методами математического моделирования. Ими получены эпюры распределения давлений на основание, осадки плиты и изгибающие моменты для последовательных этапов возведения сооружения. Показано, что при учете процесса строительства здания изменяются осадки и моменты в фундаментной плите (по сравнению с "мгновенным" расчетом). В дальнейшем В.А. Барвашовым [7] на основании проведенных численных экспериментов системы "основание-сооружение" были сформулированы основные закономерности влияния исходных параметров при выполнении расчетов системы "основание-фундамент-сооружение". Жесткость здания задавалась в виде балки, соединенной с основанием посредством пружин, моделирующих колонны. В качестве модели основания использовалась модель ССС [3, 4] с учетом прорезки [8]. В результате исследования было получено, что к несущественным факторам можно отнести относительную жесткость верхнего строения (при отношении жесткостей фундамента к зданию более пяти) и процесс строительства здания. Приведенные в [7] выводы несколько противоречат полученным ранее в [5], и их можно рассматривать как условные, поскольку они получены для специфической модели здания.
К. Desinger [205] и Г.М. Бобрицкий [12, 13] получили решение для прямоугольной плиты переменной жесткости на упругом основании в виде модели М. Капу [222] и на неоднородном в плане основании с одним или двумя коэффициентами жесткости, соответственно. Ими на различных примерах расчетов [205, 14] показана экономическая эффективность разработанного метода. В. Ройк [119] рассмотрел способ расчета панельного здания, взаимодействующего с основанием. Расчет сводится к решению системы алгебраических уравнений с числом неизвестных, равным числу панелей в несущей системе, и последующему определению усилий в элементах этой системы по высоте здания. Этот способ включен в нормы ЧССР [244] и применяется в практике проектирования. В.В. Михеев [86, 87] на основании результатов наблюдений за деформациями зданий разработал методику определения дополнительных усилий в стенах вследствие их взаимодействия с основанием. Основываясь на тех же предпосылках, К. Сечи [125] предложил приближенную расчетную формулу для определения усилий от неравномерных осадок в ленточных фундаментах с учетом их конечной жесткости.
Опыт наблюдений за осадками зданий показал важность учета неравномерной сжимаемости грунтов. Приближенно влияние распределительных свойств можно учесть с помощью модели основания с переменными коэффициентами жесткости. Такая модель использовалась при решении многих задач в работах В.А. Барсова, Г.М. Бобрицкого, В.В. Болотина, А.В. Вронского, СИ. Ивкина, С.Н. Клепикова, О.Ф. Коваленко, А.А. Колесова, В.И. Лишака, В.И. Обозова, С.А. Ривкина, Д.Д. Сергеева, А.А. Сладкопевцева, Н.К. Снитко, Д.Н. Соболева, В.И. Терентьева, Б.Л. Фаянса, К. Хаяси, П.П. Шагина, В.И. Шейнина, И.В. Шитовой, Р.Т. Brown, S. Chamecki, J.F.Gong, Н. Grasshoff, l.K. Lee, H.G. Poulos, S.K.R. Yu и др. В первых работах, посвященных определению усилий в конструкциях крупнопанельных зданий, принимались (достаточно произвольно) различные виды функционального изменения коэффициента жесткости: от минимального до максимального значений. Так, в работах П.П. Шагина [168] и В.И. Лишака [76, 78] изменение коэффициента жесткости принималось по параболе, в работе Д.Н. Соболева [133, 134] - по косинусоиде, в работе С.Н. Клепикова [56, 59] — по линейному симметричному закону.
Расчет бесконечной плиты на неоднородном основании, характеристики сжимаемости которого трактуются как случайные функции пространственных координат, проведен в работе Д.Н. Соболева, Б.Л. Фаянса и В.И. Шейнина [135]. Полученные результаты позволяют выявить качественную картину влияния неоднородного основания на напряжения в плите. В частности авторам работы удалось получить зависимость среднеквадратичных отклонений изгибающего момента от соотношений жесткостей основания (Со) и конструкции (D) (рис.1.2).
В работах Г.Б. Рывкина, В.В. Михеева, В.И. Шейнина [120, 121, 88] при расчете одномерных систем балочного типа (в частности крупнопанельных зданий) идея построения статистических моделей грунтового массива основывается на рассмотрении коэффициентов жесткости основания к(х) как стационарной нормальной случайной функции длины балки.
Фундаменты из перекрестных лент занимают промежуточное положение между балками и сплошными плитами. Строгий расчет этих фундаментов по гипотезе Е. Винклера при учете абсолютной жесткости лент в узлах, а также передачи в узлах перекрещивающихся лент крутящих моментов был дан М.И. Горбуновым-Посадовым [34].
С.А. Ривкин [117,118] рассмотрел задачу расчета фундаментной плиты в виде эквивалентной по жесткости системы перекрестных лент без учета крутящих моментов в узлах пересечения. Грунтовое основание задано дискретными упругими опорами переменной жесткости, надфундаментная конструкция - в виде пространственной рамной системы. В рамках этой задачи им также рассмотрено влияние неупругих деформаций грунта и железобетона [117]. Возможность пренебрежения крутящими моментами обосновывается тем, что при взаимно перпендикулярном направлении арматуры образование трещин приводит к исключению работы плиты на кручение. Это обстоятельство было использовано Е.А. Палатниковым [107] для составления программы расчета плит по гипотезе Е. Винклера. JMmJ(TM)
Влияние параметров модели основания на НДС фундаментной плиты
Как отмечали в генеральных докладах М.И. Горбунов-Посадов [33], H.G. Poulos [239] и др. на международных конгрессах по механике грунтов и фундаментостроению, в ряде задач различные контактные модели грунта дают не только количественные, но и качественные различия в получаемых решениях. Разнообразие моделей грунтового основания в значительной степени обусловлено сложной структурой и различными свойствами грунтов в основаниях зданий и сооружений. Для оценки погрешностей, связанных с выбором контактной модели грунта, представляется целесообразным провести сравнительный анализ для моделей, наиболее распространенных в современной практике проектирования. Для выполнения сравнительного анализа выбраны следующие контактные модели: модель Е. Винклера [249] с постоянными коэффициентами постели, которую чаще всего представляют в виде набора одинаковых пружин и описывают уравнением: w(x) = к -р(х), где w(x) - осадка основания, р(х) - функция нагрузки, к - коэффициент пропорциональности, чаще всего называемый коэффициентом постели; двухконстантная контактная модель основания Власова-Леонтьева [18], согласно ко торой функция нагрузки Р и функция перемещения поверхности массива грунта wo связаны зависимостью: Р = Kw0 - CVw0, где К и С - параметры модели, V - оператор Лапласа. Первый параметр по смыслу аналогичен коэффициенту постели по гипотезе Е. Винклера, а второй учитывает работу упругого основания на сдвиг (срез); модель С.Н. Клепикова [57] с переменными коэффициентами постели, определяемыми итерационным способом (см. гл.1.3).
Расчеты для моделей с коэффициентами постели проводились в ПК SCAD 1KB качестве эталонной выбрана конечно элементная модель (объемные КЭ) основания в виде линейно-деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи, составляющим 4,8 м.
Как известно, одной из негативных сторон модели Е. Винклера считается отсутствие распределительной способности грунта. Иными словами, осадка пропорциональна давлению. Поскольку в краевой зоне площадь меньше, давление больше, а значит, и осадка будет больше. Это хорошо видно из рис. II.2. Искажения характера НДС фундаментной плиты при использовании модели Е. Винклера также приводится в работах [35]. л . S, мм — постоянные коэффициенты постели двухконстантная контактная модель —" переменные коэффициенты постели (итерационный метод) —упругий слой конечной толщины (3D элементы) Учет двухконстантной контактной модели основания с параметрами, определенными по гипотезе Власова-Леонтьева, при глубине сжимаемой толщи, равной 4,8 м, не приводит к изменениям в изгибе фундаментной плиты. Однако, поскольку коэффициенты определялись по формуле (1), отмечается увеличение средней осадки. Н(1 + V) (1 - 2v) м где К - коэффициент постели, t — упругая характеристика, определяющая работу упругого основания на сдвиг (срез), Н - глубина сжимаемого слоя, Е и v-модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта, соответственно.
При определении второй константы по формуле (2), которая следует из интерпретации модели по П.Л. Пастернаку [108], представляющей собой набор трущихся друг о друга сжимаемых столбиков, краевые осадки фундаментной плиты уменьшаются, а общий изгиб выравнивается (рис.11.2). В этом случае учет сдвиговой жесткости изменяет характер деформирования фундамента.
При рассмотрении изгибающих моментов (рис.11.3) вдоль фундаментной плиты можно отметить, что пролетные моменты по оси Ох (Мх), получаемые из расчетов с одним коэффици 43 ентом постели и двухконстантной контактной модели (по формуле 2), на 66% меньше получаемых при модели основания в виде упругого полупространства. Вместе с тем нельзя ни отметить сходство, получаемое при определении моментов по оси Ox (My), что может ввести в заблуждение исследователей. В результате расчета фундаментной плиты с основанием в виде переменных коэффициентов жесткости, вычисленных итерационным методом [см. 1.3 или 141], максимальные осадки фундамента наблюдаются в центральной части (рис.11.4). Это связанно с тем, что в краевой зоне в работу вовлекаются значительные площади ненагруженного грунта, сопротивляющиеся перемещениям, в результате в краевой зоне фундамента возникает концентрация напряжений (при решении упругой задачи, стремящейся к бесконечности), уменьшающая осадку фундаментной плиты. Получаемые результаты довольно близко совпадают с расчетами при основании в виде упругого полупространства (разница при расчетах осадок составляет менее 5%, а разница усилий в колоннах - менее 4%) как при определении осадок и усилий в колоннах, так и изгибающих моментов в фундаменте. постоянные коэффициенты постели два коэффициента постели (модель Власова-Леонтьева) переменные коэффициенты постели (итерационный метод) упругий слой конечной толщины (3D элементы)
Разница в изгибающих моментах, полученная при сопоставлении изгибающих моментов для моделей основания в виде упругого слоя и переменных коэффициентов постели, составляет 23% в пролете и 35 % под опорой (рис.11.5. рис.П.6). Отмеченные отличия главным образом обусловлены различными механизмами аппроксимации конечных элементов, поскольку расчеты производились в разных программных комплексах (SCAD 11 и ANSYS 13). В качестве дополнительного фактора следует отмстить более равномерное распределение реактивного давления при моделировании основания 3D элементами.
Методика выполнения совместных расчетов основания, фундамента и конструкций высотного здания с учетом его возведения
Одним из сравнительно простых методов учета жесткости верхнего строения, позволяющего довольно полно и детально замоделировать взаимодействие между зданием и фундаментом, является замена многоярусной рамы одноярусной, в которой жесткость верхнего ригеля подобрана таким образом, чтобы перемещения стоек в раме при прочих равных условиях примерно были равны перемещениям стоек многоярусной рамы.
В приложении данного метода к каркасу здания учет только одного приведенного этажа, с одной стороны, позволит выполнить корректное моделирование контакта конструкций каркаса с фундаментом, избавив от необходимости численного задания нагрузки, с другой — заметно снизить время создания и расчета модели, а также уменьшить вероятность ошибок при создании больших схем.
Исследования, проведенные во второй главе, показывают, что жесткость, вносимая иадфундаментным строением и зависящая от количества этажей каркасного здания, подобна изменению толщины плиты перекрытия одного этажа относительно влияния на напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты. Если предположить, что жесткость плиты перекрытия эквивалентного одноэтажного здания равна сумме жесткостей всех плит А , = перекрытий исходного здания, тогда: і FY j=n Или для эквивалентной толщины плиты перекрытия:
Однако при количестве этажей большем одного, перекрытия, получая вынужденные деформации от вышерасположенных конструкций, стремятся компенсировать их за счет собственной жесткости. Это приводит к перераспределению усилий между вертикальными элементами, которое тем больше, чем жестче диски перекрытия здания. Влияние на этот эффект, более известный как эффект балки (фермы) Веренделя [36], усиливается с введением в расчет распределительных свойств основания. С увеличением количества этажей жесткость здания возрастает, и, если рассматривать его в качестве сечения, увеличение количества перекрытий приводит К пропорциональному увеличению момента инерции здания (как сечения). Податливость колонн при жестком сопряжении с плитой и фундаментом приводит к изменению жесткости надземного строения, а учет деформируемого основания изменяет работу всех конструкций в целом. Поэтому простое сложение жесткостей плит перекрытий в данном случае не приведет к желаемому результату.
Задачу определения приведенной жесткости одного этажа будем решать путем минимизации разности параметров напряженно-деформированного состояния фундаментной плиты для здания с n-ым количеством этажей и для того же здания с одним этажом, но с переменными жесткостями плит перекрытий. Исследования проведены для здания с полным каркасом, особенности конструктивной схемы которого описаны в начале второй главы.
В качестве параметров сравнения выбраны следующие: минимальная (Smin), максимальная (Smax) и средняя осадки (Save), максимальные моменты по осям Ох и Оу (M ,, , Mymax) и минимальные моменты по осям Ох и Оу (Mxmm, Mymj„). Для каждого параметра в отдельности решается задача определения минимума функции (D), представляющей собой относительную погрешность, например, Smax: sm„(D) = с п _с 1 -max Jmax (і) где Sm!lxn - максимальная осадка фундаментной плиты при учете п этажей, Smin1 - максимальная осадка фундаментной плиты при учете одного этажа, D — цилиндрическая жесткость пластины
Поскольку в данном случае задача является многофакторной, подбор такой жесткости плиты перекрытия для одноэтажного здания, при которой все контролируемые функции окажутся минимальными одновременно, невозможен. Поэтому для определения эквивалента жесткости одного этажа для п- этажного здания решается задача поиска минимума функции: Smax4 Smin4 Sep4 чМ,так1 \ +Чта мгс +Чтіпс 1 (2)
Подбор минимума функции Fi(D) производится для "лабораторного" здания с количеством этажей от 3 до 40 и толщиной плит перекрытий от 15 до 40 см. Эти пределы выбраны из условия максимального охвата массового строительства данного типа зданий.
При определении эквивалентной жесткости одного этажа нагрузка от вышележащих конструкций здания задана равномерно распределенной по плите перекрытия (см. гл.П), а основание - однородным. Результатом нахождения минимума функции (2) явилась жесткость одного этажа -эквивалент жесткости п-этажного здания (от 3 до 40) при толщинах плит перекрытий 5 (от 15 до 40 см). Как показали результаты, минимумы функций F(D) и функций цели (2) лежат в узком диапазоне с достаточно хорошей плотностью распределения и разбросом, не превышающим 5% (рис.111.1). Это подтверждает закономерность эквивалентности между жесткостями одного этажа и п этажей. 0,0 F1(D) Мх min — Sep S max S min — — My max — My min — — 3a Рис.HI.I. Пример подбора минимальной первостепенной функции Fj(D) % и функций влияния (D) % для 10-этажного здания с толщиной плит перекрытия 0,3 м
В итоге получен массив точек-эквивалентов между цилиндрической жесткостью плиты перекрытия для одноэтажного здания и зданиями различной этажности с различными толщинами плит перекрытий (рис.111.2, рис.III.3). где п — количество этажей, Do= 10 м , а - коэффициент, зависящий от приведенной толщины плит перекрытия исходного здания, определяемый по следующей формуле: а = 210С5-0 2), (4) где 5 — усредненная эквивалентная толщина плит перекрытия исходного здания (м), определяемая по формуле: і lv-\ nZ-i n 5 = N где 5Cv - толщина перекрытия n-го этажа (м). Высота эквивалентного этажа выбирается средней для здания, жесткость колонн принимается средней среди вышележащих. Для определения эквивалентной толщины плиты перекрытия можно воспользоваться известной формулой цилиндрической жесткости: 8np = Dnp-\2-{l-v ). (5)
Как показали исследования влияния высоты этажа на НДС фундаментной плиты, проведенные во второй главе, с ростом высоты колонн увеличивается их податливость. В результате этого изменяется распределение напряжений в каркасе здания и, как следствие, НДС фундамента. Учет податливости колонн при моделировании здания эквивалентным по жесткости этажом возможен путем уменьшения сечения колонн. Для корректировки перераспределения усилий между колоннами с увеличением высоты здания при определении жесткости эквивалентного этажа (3) вводится следующее условие. При высотности здания до 45 м (что соответствует приблизительно 15 этажам) сжатием колонн можно пренебречь, при высоте здания от 45 м до 90 м (от 15 до 30 этажей) сечения всех колонн эквивалентного одноэтажного здания необходимо снижать на четверть, а при высоте здания более 90 м (больше 30 этажей) сечения всех колонн необходимо уменьшать вдвое.
Результаты мониторинга при строительстве Министерства иностранных дел и их анализ
Для выравнивания осадок под частями здания различной этажности фундамент запроектирован в виде жесткой ребристой коробки из монолитного железобетона, состоящей из верхней плиты толщиной 1,1 м, нижней плиты толщиной 1,2 м и сетки вертикальных перекрестных стенок толщиной от 0,6 м до 1 м, расположенных по основным осям здания. Фундамент имеет в плане форму двутавра со слаборазвитыми полками (48x16,4 м) и стенкой (64,7x37,5 м). Высота коробки составляет 5,45 м. Здание в пределах цокольного, первого и второго этажей имеет ширину большую, чем ширина фундамента. Дополнительную нагрузку воспринимают консоли шириной до 6,9 м, выпущенные из основного фундамента. Для уменьшения влияния температуры (как объясняется в проекте) в процессе возведения высотной части здания выше нижней плиты было предусмотрено устройство двух временных температурных швов, с разрезкой перекрытий двух нижних этажей (рис. IV.3). Таким образом, фундаментная коробка более года состояла из трех частей, соединенных между собою только одной нижней плитой. Фундамент стал работать совместно как монолитная конструкция, только с июля 1950 г. Общая суммарная нагрузка от здания с учетом веса фундамента составила 174585 т (из которых собственный вес каркаса здания составляет 48%, вес полов и перегородок - 20%, вес самонесущих фасадов, передающийся на плиты перекрытия — 18%, а временная нагрузка - порядка 14%). Среднее давление под подошвой фундамента для боковой части 42,8 т/м и для центральной части 48,5 т/м , что превышает бытовое давление на уровне дна котлована, равное 18 т/м2.
В соответствии с инженерно-геологическими изысканиями площадка строительства довольно равномерна как в плане, так и по глубине (до 22 м), где располагаются известняки каменноугольного периода, сложена отложениями четвертичного периода, представленным главным образом песками (рис.ІУ.З). Основанием фундаментов служат среднезернистые пески средней плотности, с включениями гравия и щебня, общей мощностью до 11 м. Модуль деформации для песков, залегающих в основании здания, был принят на основании полевых испытаний (штампы) равным 40 МПа. Грунт основания фундаментов подстилается толщей каменноугольных отложений, представленных известняками и мергелями, которые можно считать практически несжимаемыми. Грунтовых вод на площадке строительства обнаружено не было. Работы по разработке грунта из котлована начались в сентябре 1948 г. Котлован на всю глубину был устроен в естественных откосах.
Для определения величины упругого разуплотнения грунта после снятия бытового давления перед проведением работ по откопке грунта из котлована на разных глубинах были установлены 10 глубинных марок. Максимальный подъем дна котлована для центральной части котлована составил 36 мм, а вблизи края котлована — 21 мм (рис.ІУ.З). В соответствии с этими данными модуль разгрузки грунта основания составляет порядка 55 МПа. б)
Для наблюдения за деформациями здания Министерства иностранных дел в разное время было заложено в общей сложности 62 марки, при этом 28 марок были установлены в нижней фундаментной плите и стенах подвального этажа, 12 - на несущих колоннах первого этажа, а остальные 22 марки расположились в левой и правой пристройке здания. К моменту стабилизации осадок в рабочем состоянии осталось только 19 марок, расположенных в основном на нижней фундаментной плите и стенах подвала. Схема расположения геодезических марок представлена на рис.1У,4 (расположение колонн на плане фундамента показано условно).
Наблюдения за деформациями начались после заливки нижней плиты фундамента, где были установлены плитные марки. Для определения осадок плиты под ее собственным весом был произведен расчет, который показал, что максимальная осадка фундамента локализуется в центральной зоне и составляет 4,5 мм, осадка краев при этом минимальна и составляет порядка 2 мм. Для получения полных значений осадок данные мониторинга были скорректированы с учетом результатов расчета начальных осадок плиты.
Характер осадки наиболее типичных точек фундамента весьма наглядно представлен в виде графиков, изображенных на рис.IV.5. Как можно заметить из графика рис.1У.5, в середине 1952 г к моменту сдачи здания в эксплуатацию нарастание осадок практически прекратилось. Дополнительная деформация грунтов после приложения полной нагрузки составила 13% от максимальной за довольно продолжительный период времени (12 лет). Это, вероятнее всего, связано с деформациями слоя песчаных фунтов после приложения полной нафузки вследствие вовлечения большего объема грунта основания в работу. К моменту окончания наблюдений в 1964 г. рост осадок практически остановился, что позволяет утверждать о том, что на последнем цикле мониторинга были замерены стабилизированные значения осадок фундамента МИДа, представленные в виде изополей на рис.ІУ.б.
Общая высотность гостиницы составляет 170 м, включая шпиль высотой 32,4 м. Сам комплекс занимает но площади целый квартал и состоит из пяти самостоятельных объемов, разделенных между собой деформационными швами, включая высотную (центральную) часть, к которой примыкают боковые крылья с двумя жилыми корпусами, образующими внутренний двор (рис. IV.9, рис. IV.10). По высоте комплекс разделен на три зоны (рис. IV.11). В первую входят 9...12- этажные боковые крылья и жилые корпуса высотой 60 м. Вторая и третья делят высотную часть здания, состоящую из 34 надземных и трех подземных этажей, в том числе технических и цокольного. Строительство комплекса продолжалось 7,5 лег главным образом за счет отделочных работ, в то время как возведение основного каркаса заняло всего 1,5 года. Такие высокие темпы строительства удалось развить в основном за счет применения рамного металлического каркаса, опыт применения которого уже был опробован при строительстве здания Министерства иностранных дел РФ в начале 1950 г. (см. гл. IV. 1). К разработке конструкций здания были привлечены специалисты архитектурно-проектной мастерской
Горстройпроекта в лице П.А Красильникова, И.А. Лучникова и Н.А. Дыховичной, треста "Проектстальконструкция" в лице Б.Н. Шумилина, а также НИИОСПа им. Н.М. Герсеванова в лице М. И. Горбунова-Посадова, К.Е. Егорова и др. Для большей унификации изделий колонны каркаса выполнялись сварными двутавровыми из стали марки СтЗ с максимальной высотой стенки 600 мм, толщиной 50 мм. Для ускорения строительного процесса их обетонировали только на первых трех этажах, а на остальных обкладывали кирпичом. Ригеля (из двутавров №30 и №36) укладывались в частично обетонированном виде с выпусками арматуры под сборные железобетонные плиты перекрытий толщиной 90 мм. Для увеличения жесткости каркаса здания, а также для обеспечения распределения ветровых нагрузок по всем рамам каркаса по краю плит устраивалось ребро высотой 130 мм, которое объединялось выпусками с ригелем и омоноличивалось бетоном. Согласно проведенным лабораторией динамики ЦНИИПС экспериментальным исследованиям, осуществленное замоноличивание обеспечивает совместную работу плит и ригелей как при статических, так и при динамических воздействиях. Общий вес смонтированных металлоконструкций составляет порядка 9300 т. С целью уменьшения сечений наружных и внутренних стен, включая лестничные клетки и лифтовые шахты, они выполнялись самонесущими, поэтажно разрезанными, передающими нагрузку на этаж. Материал наружных стен - известняк, а начиная с третьего этажа, керамические блоки, весом, равным 800 кг на 1 м стены. Внутренние стены и перегородки выложены из дырчатого кирпича с поэтажной разрезкой.
