Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Анализ опыта строительства и эксплуатации зданий и сооружений в условиях плотной городской застройки 13
1.2. Анализ применяемых в настоящее время методов расчета НДС зданий fr и их оснований 18
1.3. Цели и задачи исследования 23
2. Разработка расчетной схемы «возводимое здание - грунтовое основание - существующее здание» 24
2.1. Методика назначения границ расчетной области 25
2.2. Взаимодействие двух фундаментов 30
2.3. Влияние возводимого здания на существующее 40
3. Определение влияния различных факторов на поведение расчетной схемы в ходе численных экспериментов 49
3.1. Влияние давления по подошве возводимого объекта на дополнительные деформации существующего дома 67
3.2. Влияние высоты существующего дома и прочности его стен на дополнительные деформации 74
3.3. Учет влияния расстояния между возводимым объектом и существующим домом 76
4. Определение эффективности мероприятий, направленных на снижение воздействия возводимого здания на окружающую застройку 78
4.1. Усиление надфундаментных конструкций существующего здания металлическими рамами и тяжами 79
4.2. Усиление грунтов основания 85
4.3. Разделение грунтового основания шпунтом 93
Деформации существующего здания 97
5. Применение разработанной методики в практике строительства 98
5.1. Специализированная экспертная система «Мегаполис» 98
5.2. Апробация специализированной экспертной системы 105
Общие выводы 129
Литература
- Анализ применяемых в настоящее время методов расчета НДС зданий fr и их оснований
- Взаимодействие двух фундаментов
- Влияние высоты существующего дома и прочности его стен на дополнительные деформации
- Усиление грунтов основания
Введение к работе
Проблема влияния нового строительства на прилегающую застройку возникла одновременно с возникновением городов и получила отражение еще в античных источниках [101]. Интересно отметить, что уже в Урочном положении Рошефора (1889 г.) уделено внимание такому актуальному для современной ситуации вопросу, как «повреждение соседних зданий производящеюся постройкой» [73].
Освоение новых территорий имеет несколько недостатков: увеличивается площадь городской территории, под новое строительство, зачастую, используются плодородные земли, необходимо создавать инфраструктуру новых городских районов. Такая политика требует больших капиталовложений, однако, она оправдана необходимостью строительства крупных промышленных предприятий, которые обычно возводятся за существующей городской чертой.
На протяжении последнего десятилетия, в связи со снижением капиталовложений в промышленность, наблюдалось снижение объемов производства. Существующие предприятия загружены не на полную мощность, новое строительство ведется сниженными темпами. В таких условиях замедлились темпы роста городских территорий. Здания и сооружения, построенные, зачастую, в довоенный период, подвержены физическому и моральному износу. Неправильная эксплуатация, а также ошибки, допущенные при реконструкции, уменьшают срок их службы. На фоне увеличения общего износа строений и повышения численности населения остро встал вопрос о необходимости реконструкции городских кварталов. Основная застройка центра г. Ростова-на-Дону относится к концу XIX, началу XX века. Физический износ строений к настоящему моменту достиг 60-70%, их моральный износ, а также износ инженерных коммуникаций поставили задачу по ликвидации ветхого и аварийного жилищного фонда с возведением на освободившихся площадях современных
9 многоэтажных строений. В стратегическом плане развития городского хозяйства разработана и в настоящее время реализуется целевая программа поэтапной реконструкции центральных кварталов города.
Рыночные отношения накладывают специфику на желания потенциальных инвесторов. Развитая инфраструктура и выгодное положение центральных кварталов города привлекают инвестиции в капитальное строительство. Поэтому в настоящее время сложилась тенденция к реконструкции экономически наиболее перспективных кварталов города [29]. В такой ситуации новые здания часто приходится возводить в непосредственной близости к существующим, что ставит перед проектировщиками дополнительные задачи по учету и снижению влияния нового строительства на сложившуюся застройку. В таких условиях необходимо дальнейшее совершенствование методик учета и снижения взаимного влияния зданий и сооружений как на стадии инвестиционного проекта, так и при расчете конкретных зданий.
Анализ применяемых в настоящее время методов расчета НДС зданий fr и их оснований
Согласно требованиям ГОСТ 27751-88 [16], расчетные модели (в том числе расчетные схемы, основные предпосылки расчета) конструкций и оснований должны отражать действительные условия работы зданий или сооружений, отвечающие рассматриваемой расчетной ситуации. При этом должны учитываться факторы, определяющие напряженное и деформированное состояние, особенности взаимодействия элементов конструкций между собой и с основанием, пространственная работа конструкций, геометрическая и физическая нелинейности, пластические и реологические свойства материалов и грунтов, наличие трещин в железобетонных конструкциях, возможные отклонения геометрических размеров от их проектных значений [16, 23, 27, 88, 100]. При возведении новых зданий и сооружений, примыкающих к ранее построенным (или возводимых в непосредственной близости к ним), необходимо учитывать возможное их взаимное влияние [84, 89].
В соответствии с требованиями СНиП 2.02.01-83 при проектировании отдельно стоящих зданий должно быть выполнено условие s su, (1) где s - совместная деформация основания, определяемая расчетом; su -предельно допустимая деформация основания зданий [75]. Осадки существующего здания в большинстве случаев являются реализованными, а при возведении в непосредственной близости от них новых зданий проявляются дополнительные деформации, вызванные воздействием нового дома. Дополнительными осадками зданий (сооружений) принято называть осадки, которые возникают в результате загружения (застройки) смежных с ними площадей. Эти дополнительные осадки развиваются в результате одностороннего приложения нагрузки относительно основания существующих зданий, они всегда и заведомо неравномерны, а поэтому и особенно опасны [24, 78, 83]. При проектировании зданий, располагаемых возле существующих, необходимо удовлетворить и второе условие [9]: Sad Sad; u (2) где sad - дополнительная деформация от загружения основания существующего здания проектируемым; sad, u - предельно допустимая величина совместной дополнительной деформации здания (сооружения). Дополнительная совместная осадка существующего здания недостаточно полно характеризует изменение условий работы конструкций существующего здания, поэтому необходимо использовать три показателя [9, 83]: - дополнительную осадку точки существующего здания, наиболее приближенной к новому, sad, а; - дополнительный перекос существующего здания на участке примыкания jad; - дополнительный крен существующего здания в сторону НОВОГО iad-Дополнительный перекос определяется по формуле где sad, а - осадка точки существующего здания, находящейся возле линии его примыкания к новому; sad b - осадка точки существующего здания, отстоящей от линии его примыкания к проектируемому на расстоянии /, которое устанавливается в зависимости от конструкции здания.
Расстояние / назначается для кирпичных и крупноблочных домов с продольными несущими стенами равным расстоянию от линии примыкания до ближайшего проема; для зданий с поперечными стенами - шагу этих стен; для зданий каркасных - шагу колонн и т. п. Обычно это расстояние равно 2-6 м. Теория и опыт свидетельствуют о том, что на участке длиной / перекос стен зданий и вызванные этим повреждения получают наиболее опасное развитие. Дополнительный крен определяется выражением lad — т » \Ц) где sad n - осадка точки существующего здания (блока), находящейся на стороне, противоположной линии примыкания к новому зданию; La.n-характерный размер существующего здания в плане (расстояние между точками а и п). Величина zad устанавливается для относительно коротких (L=20-30 м), «точечных» зданий или блоков протяженных зданий, разделенных осадочными швами на ряд отсеков. Определение sad,u расчетом сопряжено с большими трудностями: конструкции старых зданий имеют износ и ослаблены ранее образовавшимися деформациями основания, грунты которого неравномерно уплотнены. Методики проведения такого расчета и необходимых инженерно-геологических изысканий для его выполнения еще не разработаны [83].
Для установления величин sadu были использованы данные натурных наблюдений, выполненных с 1969 по 1979 гг. группой специалистов ЛИСИ под руководством С.Н. Сотникова. Были проведены натурные обследования и измерения 16 объектов - зданий различного назначения. По конструктивным особенностям исследования выделены три группы объектов [83]: кирпичные дома с продольными стенами, на ленточных фундаментах, кирпичные здания преимущественно с поперечными несущими стенами, на сборных ленточных фундаментах, крупнопанельные дома разных серий с поперечными и продольными несущими стенами.
Взаимодействие двух фундаментов
Опыт обследовательских работ, накопленный автором, показывает, что большинство эксплуатирующихся в настоящее время зданий опираются на ленточные фундаменты. Ширина подошвы этих фундаментов изменяется от 0,6 до 2-2,5 м. Несущие стены зданий, построенных в начале и в середине двадцатого века, зачастую опираются на грунт вообще без устройства уширения. Другие типы фундаментов (фундаментная плита, свайные и т.д.), а также подготовка основания перед возведением зданий и сооружений массово начали применяться сравнительно недавно (в течение последних 20-25 лет). Износ основных несущих конструкций зданий, возведенных на свайных фундаментах и плитах, и опирающихся на предварительно подготовленное основание в большинстве случаев оказывается меньше износа конструкций зданий на ленточных фундаментах. В связи с этим необходимо разработать методику моделирования взаимодействия ленточных фундаментов, которая позволит наиболее полно учитывать особенности напряженно-деформированного состояния.
В ходе численного эксперимента решена серия задач о взаимодействии двух фундаментов с грунтовым основанием. Целью численного эксперимента является:
1. Определение сходимости результатов расчета по стандартным методам и с применением метода конечных элементов.
2. Определение методики ввода исходных данных для моделирования неодновременного загружения фундаментов.
3. Определение влияния возводимого фундамента на существующий при устройстве шпунта и без него.
4. Получение картины напряженно-деформированного состояния в грунте основания фундамента при различных вариантах ввода исходных данных.
Для оценки сходимости результатов решение проводилось по стандартной методике и с применением конечно-элементного метода решения задач теории упругости. В стандартной методике осадка основания фундаментов с учетом их взаимного влияния определена на ЭВМ по разработанной автором программе. Решением по методу конечных элементов получена картина напряженно-деформированного состояния в грунте основания при различных загружениях фундаментов как с учетом их жесткости, так и без учета. Для определения сходимости результатов геометрические размеры области назначены следующими. Горизонтальный размер, исходя из условия исключения влияния закрепления вертикальных границ области, принят равным 14,5 м. Нижняя граница расчетной области назначена в соответствии с описанными выше рекомендациями (п. 2.1.) и находится на глубине 12 м. Шаг сетки конечных элементов принят равным 1 м. Непосредственно под фундаментом, на всю глубину расчетной области произведено двойное автоматическое сгущение сетки.
Для оценки правильности назначения границ расчетной области и сходимости результатов расчета по МКЭ с аналогичными результатами по известной методике [75] определение НДС грунта основания производилось без учета жесткости фундаментов. Осадка центра гибкой полосовой нагрузки, определенная по методу послойного суммирования с учетом влияния расположенной на расстоянии 0,5 м такой же ленты составила 8,1 см, в то время, как вертикальное перемещение центра гибкой ленты по МКЭ равно 8,05 см. Анализ сходимости результатов расчета по стандартному методу и по МКЭ показывает, что значения осадок в обоих случаях достаточно близки. Погрешность результатов составляет 0,6%. Далее была решена серия задач о взаимодействии двух ленточных фундаментов конечной жесткости с линейно-деформируемым основанием.
Анализ результатов расчетов показывает, что максимальные нормальные вертикальные напряжения находятся под краями загруженного фундамента и не превышают 260 кПа. Такая картина распределения напряжений в грунте является характерной при взаимодействии фундамента конечной жесткости с грунтовым основанием. При загружении обоих фундаментов напряженные зоны в грунте основания накладываются друг на друга и напряжения под ближними краями фундаментов увеличиваются. Это приводит к увеличению деформаций основания под ближними краями и к кренам фундаментов друг к другу, которые в расчетных примерах достигли значения i=0,0108.
Следует отметить, что одновременное загружение обоих фундаментов моделирует одновременное их возведение. Оба фундамента в таком случае опираются на грунт естественного сложения и их осадки реализуются параллельно. При этом каждый фундамент попадает в воронку оседания соседнего фундамента, и деформации его основания складываются из его собственных осадок и кренов, а также деформаций, вызванных воздействием соседнего фундамента. Поэтому появление крена фундаментов, направленного друг к другу, в рассмотренных примерах закономерно и подтверждается наблюдениями [83, 84].
При устройстве фундаментов зданий в разное время воздействие фундамента вновь строящегося здания на существующее аналогично рассмотренному ранее. Нагрузка, передаваемая на грунт возводимым фундаментом, вызывает увеличение напряжений в грунте основания и приводит к образованию воронки оседания, в которую попадает существующий фундамент. В связи с этим он испытывает дополнительные деформации. Воздействие существующего фундамента на новый заключается в следующем. К моменту возведения нового фундамента осадки существующего фундамента практически реализуются. Грунты основания к этому моменту обычно консолидируются, и под фундаментом существующего дома, а также в непосредственной близости к нему возникает жесткое ядро консолидированного грунта [8], что может вызвать крен нового фундамента от существующего [83, 84]. Следует отметить, что воздействие ядра консолидированного грунта на крен возводимого дома проявляется в том случае, когда на рассматриваемом участке здание строится впервые. Если на месте возведения нового здания ранее были снесены какие-либо постройки, то грунты основания в пределах этих построек могут быть в разной мере консолидированы.
При моделировании взаимодействия двух фундаментов с применением МКЭ для изучения воздействия нового фундамента на существующий нагрузка прикладывалась только к возводимому фундаменту. При этом в результате расчета были получены дополнительные напряжения в грунте основания, вызванные загрузкой нового фундамента. Существующий фундамент испытал дополнительные деформации (осадку и крен). Дополнительный крен существующего фундамента направлен к новому. В связи с тем, что при расчетах не учитывалась консолидация грунта под подошвой существующего фундамента, новый фундамент испытал равномерные осадки без кренов. Таким образом, для учета влияния существующего фундамента на возводимый необходимо вводить в исходные данные характеристики грунта в уплотненной зоне под подошвой существующего фундамента.
Влияние высоты существующего дома и прочности его стен на дополнительные деформации
На этой стадии расчетов неизменными оставались расстояние между возводимым объектом и существующим зданием, изменялась лишь высота существующего дома. Результаты представлены в виде графиков, отражающих изменение дополнительных деформаций в зависимости от давления по подошве возводимого объекта (рисунок 23, 24). 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Давление, кПа б) Рисунок 23. Дополнительная осадка (а) и дополнительный (б) перекос кирпичных зданий разной высоты с монолитными железобетонными поясами (расстояние между зданиями 0,5 м). Для кирпичных зданий с различной прочностью кладки стен приведены аналогичные графики, по которым можно судить о влиянии увеличения прочности на дополнительные деформации. Анализ полученных результатов показывает, что, несмотря на снижение количества разрушенных конечных элементов в конструкциях стен существующего дома, дополнительные деформации последнего в малой степени зависят от его высоты и прочности стен. см см см см см со Давление, кПа — марка кирпича 25 —— марка кирпича Давление, кПа марка кирпича 25 марка кирпича 50 Рисунок 24. Дополнительная осадка (а) и дополнительный перекос (б) кирпичных зданий с разной прочностью кладки стен при увеличении давления по подошве возводимого объекта.
В данном случае неизменными оставались прочностные характеристики существующего здания и его высота, изменялась расстояние между объектами и давление по подошве возводимого дома. Полученные результаты представлены в виде графиков на рис. Три кривые, изображенные на графиках, представляют собой давления по подошвам фундаментов 5-ти, 9-ти и 16-ти этажных зданий, соответственно 120, 160, 260 кПа. Остальные линии давлений располагаются в пределах этих кривых и не отличаются от них по характеру.
Изменение дополнительной осадки (а) и дополнительного перекоса (б) существующего кирпичного здания с монолитными железобетонными поясами в зависимости от расстояния между зданиями при различных значениях давления по подошве возводимого объекта.
Дополнительная осадка существующего дома при возведении в непосредственной близости 16-ти этажного здания входит в область своих допустимых значений на расстоянии в 23% от глубины сжимаемой толщи, а дополнительный перекос - лишь на расстоянии в 41 % от глубины сжимаемой толщи. Это говорит о неравномерности осадок грунта, находящегося в области воронки оседания возводимого здания. Вблизи ее центра наблюдаются резкие и значительные, соизмеримые с осадкой самой зоны, деформации прилегающего массива грунта [96]. На некотором удалении осадка прилегающего грунта заметно уменьшается с почти прямолинейной зависимостью. В подтверждение этому приведены графики (рис. 25), на которых ярко выражены выгибы вниз линий до расстояния 2,5 — 3,5 м; далее линии имеют незначительную кривизну.
Аналогичные графики были построены для кирпичного и панельного зданий различной высоты. Эти графики используются экспертной системой для оценки воздействия возводимого здания на существующую застройку и назначения мероприятий по его снижению.
На расстоянии между зданиями, примерно равном половине сжимаемой толщи, дополнительные деформации существующего дома становятся пренебрежительно малыми. Данный результат полностью подтверждается работами СМ. Сотникова, который в своих трудах отметил [85], что при удалении возводимого здания от существующего не менее чем на половину величины сжимаемой толщи, влияние нового здания, как правило, незначительно.
Для снижения негативного воздействия возводимого здания на окружающую застройку применяют следующие мероприятия: - увеличение расстояния между зданиями (устройство консольного фундамента); - повышение жесткости надфундаментных конструкций металлическими рамами и тяжами; - закрепление грунтов основания; - разделение зданий шпунтом. Применение каждого мероприятия, либо их комплекса, должно быть целесообразным и обосновано расчетом. В сложившейся практике строительства, зачастую, происходит назначение тех или иных мероприятий без расчетного обоснования необходимости и эффективности их применения. Связано это в основном с тем, что в настоящее время в недостаточной мере разработаны и применяются различные методики назначения указанных мероприятий.
Для обоснования применимости различных мероприятий, направленных на снижение воздействия возводимого здания на окружающую застройку, в конкретных условиях строительства, получены коэффициенты эффективности рассматриваемых мероприятий по дополнительным деформациям (по дополнительной осадке и перекосу на участке примыкания). Эти коэффициенты представляют собой отношение дополнительных деформаций без применения мероприятия к соответствующим значениям с выполнением мероприятий.
Усиление грунтов основания
Уменьшение осадки возводимого здания, так же, как и уменьшение дополнительных деформаций существующего дома достигается закреплением грунтов основания. Причем увеличение глубины закрепления повышает эффективность этого мероприятия. Для определения эффективности закрепления грунтового основания по дополнительным деформациям, был выполнен ряд численных экспериментов. Варьируемыми параметрами являлись: давление по подошве возводимого объекта и глубина закрепления грунтов основания.
Расчетная схема при закреплении грунта под существующим зданием (в данном случае глубина закрепления 5 м; расстояние между зданиями 0,5 м). Расчетная модель включает в себя существующее здание с монолитными железобетонными поясами, возводимое высотное здание и расчетную область грунта. В отличие от решенных ранее задач, в которых помимо варьирования физико-механическими характеристиками изменялось также расстояние между зданиями, в данном случае оно было зафиксировано на значении 0,5 м; высота существующего дома - 3 этажа.
В расчетной схеме в качестве естественного принят грунт с физико-механическими свойствами, близкими к слабым грунтам. В процессе решения закрепление фунта основания моделировалось увеличением его модуля деформаций. Примеры были поставлены в двух вариантах: с закреплением грунта под существующим зданием (в первом варианте), затем под возводимым объектом (во втором варианте). Закрепление грунта под существующим зданием производилось для упрочнения грунтового массива и уменьшения его деформативности, что в итоге привело к уменьшению деформаций существующего объекта. Закрепление грунта под возводимым домом смоделировано в целях уменьшения его осадки. Изменение осадки в свою очередь влияет на дополнительные деформации существующего дома. Минимальная глубина была принята 5 м, что соответствует 45% от мощности сжимаемой толщи. Максимальная (11 м) - на всю сжимаемую толщу, согласно требованиям нормативных документов (п.3.12.« СНиП 2.02.01-83 ). Грунт основания в естественном состоянии принят с модулем деформации Е=5 МПа и коэффициентом Пуассона ц = 0,35; модуль деформации и коэффициент Пуассона закрепленного грунта приняты равными соответственно Е=20 МПа, ц - 0,35
Следующим этапом стало решение тестовых примеров с закреплением грунта основания под новым зданием. Сравнивая дополнительные осадки, первого варианта, с полученными в данном варианте, убеждаемся в том, что они незначительно отличаются друг от друга. Как правило, решающим фактором при возведении объектов в условиях плотной городской застройки является дополнительный перекос. В табл. 12 отражены значения перекоса на участке примыкания при закреплении под существующим зданием.
Значения коэффициентов эффективности усиления грунтового основания по дополнительной осадке не зависят от давления по подошве возводимого объекта (графики зависимости коэффициентов практически совпадают). Изменение значений коэффициента, характеризующего эффективность закрепления грунтового основания по дополнительному перекосу, зависит от давления по подошве возводимого объекта. Это объясняется увеличением размеров воронки оседания возводимого здания при увеличении его веса. Чем больше воронка оседания, тем больше относительная неравномерность дополнительной осадки существующего объекта. Закрепление в свою очередь уменьшает развитие воронки оседания, и влияет на уменьшение неравномерности дополнительной осадки.
На стадии инвестиционного проекта реконструкции квартала инженерно-геологические условия будущей стройплощадки и ее окрестностей, зачастую, бывают изучены в недостаточной мере. При неизвестных физико-механических характеристиках грунта заранее невозможно просчитать необходимую глубину заделки шпунта в несжимаемый подстилающий слой. При предварительной оценке эффективности шпунтового ограждения длина шпунта принимается в соответствии с рекомендациями Б.И. Далматова [18, 19]. В связи с массовым распространением в Ростовской области песчаных и пылевато-глин истых грунтов, было взято два этих типа грунтовых условий: - песчаные грунты средней плотности крупные и средней крупности; - пылевато-глинистые грунты при показателе текучести її =0,25; Для определения относительной глубины заделки шпунта были проведены расчеты для сжимаемой толщи мощностью 10, 11, 12, 13... 20 м. По результатам расчетов была определена глубина погружения шпунта в условно несжимаемый слой грунтового основания, сложенного песчаными, либо пылевато-глинистыми грунтами. Установлено, что для выполнения условия заделки шпунта в несжимаемый слой необходимо обеспечить его заделку на 31% от мощности сжимаемой толщи.
Расчетная схема для определения эффективности разделения основания зданий шпунтовым рядом приведена на рисунке 36. Расстояние между зданиями принято равным 0,5 м, шпунт толщиной 25 см принят из железобетона с модулем упругости Е=27000 МПа и коэффициентом Пуассона v = 0,2. В качестве существующего здания принят самый невыгодный вариант со следующими характеристиками: высота - 3 этажа, стены из кирпичной кладки с модулем упругости Е=720 МПа, коэффициентом Пуассона v = 0,2 и значением прочности кладки на растяжение Rp=50 кПа. Фундаменты из бетона с физико-механическими характеристиками аналогичными шпунту, Rp=750 кПа.
Давлением, прикладываемым по подошве нового здания, имитируется строительство 5-ти, 9-ти, 16-ти этажных зданий, что соответствует значениям 120 кПа, 160 кПа и 260 кПа. Глубина сжимаемой толщи -11м. Минимальная глубина погружения шпунта в несжимаемую толщу составляет 3 метра.
Необходимость создания специализированной экспертной системы вызвана информатизацией всего строительного комплекса. Применение «тяжелых» конечно-элементных комплексов для оценки возможного влияния возводимого здания на существующую застройку на этапе инвестиционного проекта не целесообразно из-за большой трудоемкости и стоимости работ. Тем не менее, уже на стадии инвестиционного проекта заказчик сталкивается с необходимостью определения объемов работ и стоимости возведения объекта. На этой стадии обычно рассматриваются несколько вариантов эскизных проектов, происходит сравнение технико-экономических показателей. Поэтому создание системы, уже на стадии инвестиционного проекта определяющей степень негативного воздействия будущего здания на окружающую застройку и позволяющая назначить комплекс мероприятий для снижения этого воздействия до допустимых пределов, является необходимым.
Система программного обеспечения, выполняющая функции эксперта в конкретной предметной области, включает цепь доказательств, используемых экспертами для анализа специфических проблем. Основными свойствами специализированной экспертной системы являются: способность к накоплению высококачественных знаний; возможность использования этих знаний непрограммирующими пользователями; способность системы к объяснению своих выводов.
