Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные расчетные схемы сооружений и методы расчета их взаимодействия с основанием 8
1.1. Неравномерность осадок и дополнительное нагружение сооружений 8
1.2. Инженерные методы расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) зданий и сооружений на различных типах фундаментов и оснований 13
1.3. Взаимовлияние элементов системы "здание-фундамент-грунт" (ЗФГ)... 16
1.4. Программы расчета НДС фундаментов и строительных конструкций на грунтовых основаниях 20
Глава 2. Математическая модель, основные алгоритмы решения уравнений и соответствующий программный комплекс для расчета НДС системы "ЗФГ" 22
2.1. Исходные положения математического моделирования поведения системы "здание-основание" 22
2.2 Математическая модель механического поведения грунта и взаимодействия здания с основанием 23
2.3 Математическая постановка граничной задачи механики грунтов 44
2.4. Алгоритм и программная реализация методики расчета. 44
Глава 3. Численные исследования совместной работы элементов системы ЗФГ' 48
3,1. Исследование влияния на НДС неоднородностей оснований в плане и разрезе 51
3.2. Исследование влияния пластических, прочностных, деформационных характеристик грунта ..58
3.3. Влияние на НДС системы ЗФГ устройства примыкающего котлована и пристраиваемого здания 61
Глава 4. Снижение уровня напряженно-деформированного состояния здания путем управления жесткостью системы ЗФГ 67
4.1. Исследование влияния на НДС учета общей жесткости сооружения и локальной жесткости элементов здания, основания 66
4.2. Разработка методики комплексного воздействия на жесткость сооружения, фундамента и основания для достижения максимально равномерных осадок 72
Глава 5. Практика применения результатов исследований 77
5.1. Расчет мероприятий по снижению деформаций девятиэтажного жилого дома 77
5.2. Моделирование НДС двухэтажного здания при реконструкции 84
5.3. Моделирование НДС шестиэтажного кирпичного здания на неравномерно оттаивающем основании 90
Заключение 96
Список литературы
- Инженерные методы расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) зданий и сооружений на различных типах фундаментов и оснований
- Математическая модель механического поведения грунта и взаимодействия здания с основанием
- Исследование влияния пластических, прочностных, деформационных характеристик грунта
- Разработка методики комплексного воздействия на жесткость сооружения, фундамента и основания для достижения максимально равномерных осадок
Введение к работе
Актуальность темы. В связи с возрастающими темпами застройки городов, когда наилучшие площади уже застроены, приходится все чаще возводить, многоэтажные сооружения большой площади на слабых грунтах в условиях стесненной застройки при ограниченном воздействии возводимого здания на соседние сооружения. В этом случае предпочтение отдается плитным фундаментам, обладающим повышенной несущей способностью относительно ленточных фундаментов и меньшим воздействием на окружающие постройки при возведении по сравнению со свайными фундаментами. Однако с увеличением нагрузки и ухудшением свойств грунтовых оснований эти фундаменты становятся малоэкономичными вследствие неэффективного распределения жесткости при увеличении толщины плиты.
Существующие общепринятые инженерные методы расчета фундаментов (модель Винклера, Пастернака и аналогичные им), не отражают в полной мере совместной пространственной нелинейной работы элементов системы "здание-фундамент-грунт"(ЗФГ). В частности, сложно достоверно учесть пространственную неоднородность свойств грунта, взаимовлияние соседних загруженных фундаментов, а так же неравномерность осадки основания в пределах пятна застройки. В результате возникает необходимость исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) системы ЗФГ с учетом взаимовлияния жесткостей ее элементов. Это требует создания соответствующего программного комплекса, в котором максимально возможно отражено реальное механическое поведение грунта основания и его механическое взаимовлияние при взаимодействии с конструкциями сооружения.
Цель исследований: Разработать методику расчета параметров комплексного воздействия на жесткость отдельных элементов системы "здание-фундамент-грунт" с целью снижения общего уровня НДС сооружения и выравнивания неравномерных осадок основания.
Для достижения цели исследований было необходимо решить следующие задачи:
Разработать математическую постановку и соответствующий алгоритм решения задачи прогноза НДС системы "ЗФГ" как единого механического целого.
Построить соответствующее программное средство для решения задачи прогноза механического поведения системы "ЗФР'.
Провести теоретическое исследование поведения системы "ЗФГ" при различных изменениях параметров отдельных ее элементов: различном положении границы прослойки слабого грунта относительно фундамента здания в плане и по глубине; различных положениях примыкающей секции здания и переменных положении и глубине котлована; изменении прочностных и деформационных характеристик основания; изменении локальной жесткости элементов основания и несущих конструкций сооружения.
Исследовать влияния формы распределения жесткости по конструкции здания и в его основании на их НДС и найти оптимальный вариант этой формы.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Разработана математическая постановка и соответствующий алгоритм
решения задачи прогноза НДС системы "ЗФР* как единого механического
целого.
2. Построено программное средство для решения задачи прогноза
механического поведения системы "ЗФГ".
3. Проведено теоретическое исследование поведения системы ЗФГ при
различных изменениях параметров ее отдельных элементов и исследована
зависимость ее НДС от; неоднородности свойств основания в плане и по
глубине; устройства примыкающих выемок и возведения соседнего сооружения;
прочностных и деформационных характеристик грунта; локальной жесткости
основания и несущих конструкций сооружения.
Исследовано влияние особенностей распределения жесткости по конструкции здания и в его основании на НДС системы ЗФГ.
Разработана методика комплексного воздействия на жесткость сооружения, фундамента и основания для достижения максимально равномерных осадок и, как следствие, минимальных дополнительных усилий в конструкциях фундамента и основания.
Практическая значимость работы заключается в следующих положениях.
1. В применимости результатов исследований для учета при проектировании,
строительстве и эксплуатации сооружений следующих факторов:
- влияния выклинивания слоя слабого грунта в пределах пятна застройки
здания на его НДС;
- влияния прочностных и деформационных характеристик грунта на формирование зон пластичности в грунте и на общий уровень неравномерности осадок основания и НДС системы ЗФГ;
влияния возведения соседних зданий (от устройства примыкающего котлована до загружения построенного здания);
зон наиболее эффективного влияния локальной жесткости в конструкциях сооружения, фундамента и в основании сооружения на НДС системы ЗФГ;
Рассчитана новая конструкция плитного фундамента, обладающего повышенной пространственной жесткостью.
Обосновано применение в строительной практике разработанного в процессе исследований метода комплексного воздействия на жесткость сооружения, фундамента и основания с целью повышения экономических показателей строительства.
Подтверждена экономическая эффективность результатов проведенных исследований при выполнении работ по прогнозу НДС и оптимизации мер управления НДС нескольких реальных сооружений.
На защиту выносятся:
Математическая постановка и алгоритм решения задачи прогноза НДС системы "ЗФГ" как единого механического целого, реализованные в ПК HOUSE D&T.
Результаты теоретического исследования поведения системы ЗФГ и; изменения ее НДС в зависимости от различных параметров: неоднородностей основания в плане и по высоте; изменения прочностных и деформационных характеристик грунта; воздействия строящегося рядом сооружения; локальной жесткости основания и несущих конструкций сооружения.
3. Практические рекомендации по комплексному воздействию на локальную жесткость элементов сооружения, фундамента и основания для достижения максимальной общей жесткости системы "ЗФГ\
Достоверность защищаемых положений основана на следующем.
L Применённые в работе методы исследований основаны на корректном обобщении известных данных практики математического моделирования при проектировании в области строительства ив использовании применяемых в механике твердого деформируемого тела современных теоретических положений.
2. Разработанные методические средства расчета НДС сооружений
проверялись на сходимость с известными и широко применяемыми в практике
строительного проектирования программными комплексами.
3. Полученные в работе результаты сверялись с известными теоретическими
и экспериментальными достижениями других исследователей, и данными
натурных исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и опубликованы в трудах: IV Всероссийский семинар "Проблемы оптимального проектирования сооружений" (г. Новосибирск, 2002); Международная научно-техническая конференция "Проблемы развития теории сооружений и совершенствования строительных конструкций". (г. Томск, 2002); Международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы усиления оснований и фундаментов аварийных зданий и сооружений"(г. Пенза, 2002); Международная научно-техническая конференция "Строительство и реконструкция деревянных жилых домов" (г. Архангельск, 2002); Ш научная конференция молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСА 2002 года по секции "Механика грунтов, строительные и дорожные конструкции, системы инженерного обеспечения", (г. Тюмень, 2003); IV научная конференция молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСА 2003 года по секции "Механика грунтов, строительные и дорожные конструкции, системы инженерного обеспечения" (г. Тюмень, 2003).
Публикации по теме диссертации опубликованы 9 печатных работ.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
В первой главе производится обзор расчетных схем сооружений и литературных данных по методам расчета их взаимодействия с основанием, приводится обоснование выбранного направления и постановка задач исследований.
Вторая глава посвящена описанию основных алгоритмов и программного комплекса HOUSE для расчета НДС системы "ЗФР\
В третьей главе изложены результаты численных исследований совместной работы элементов системы "ЗФГ", выполненные с использованием разработанного программного комплекса HOUSE D&T и сертифицированного комплекса STARK_ES на примере различных сооружений.
В четвертой главе Проведено исследование влияния на НДС учета общей жесткости сооружения и локальной жесткости элементов здания и разработана методики комплексного воздействия на жесткость сооружения, фундамента и основания для достижения максимально равномерных осадок.
В пятой главе приведены результаты практического применения результатов исследований, проведенных средствами ПК HOUSE.
Инженерные методы расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) зданий и сооружений на различных типах фундаментов и оснований
Исторически первой моделью грунтового основания является так называемая модель Винклера, или модель коэффициента постели, которая может быть схематически представлена в виде системы несвязанных между собой пружин с линейной характеристикой Р(х) = kW(x); где Р(х) - давление на грунт, W(x) -осадка поверхности грунта; к - коэффициент постели. Модель типа Винклера предусматривает наличие осадок поверхности основания только в пределах загруженной площади, что не подтверждается экспериментами, а коэффициент постели не является физической характеристикой грунта и зависит от размеров и формы фундамента.
М.М. Филоненко-Бородич [87J для получения моделей основания предложил системы винклеровских пружин соединить сверху нерастяжимой мембраной. В этом случае при действии сосредоточенной силы на одну из пружин в работу так же включаются и соседние и деформация основания происходит за пределами загруженной площади. П.Л. Пастернак [59,18] предложил учесть сопротивление материала основания как сжатию, так и сдвигу, при этом механические параметры основания задаются в виде двух коэффициентов постели. 8.3. Власов [11] для построения расчетной модели упругого основания применил общий вариационный метод сведения трехмерной задачи теории упругости к двумерной, а двумерной - к одномерной. Основание рассматривается как однослойная модель, свойства которой определяются двумя упругими характеристиками, которые в отличие от двух коэффициентов постели в модели П.Л- Пастернака связаны между собой (толщиной слоя). Аналитические выражения для упругих характеристик зависят от выбора функций поперечного распределения перемещений по глубине слоя. Несмотря на коренное различие в постановке задачи, основное дифференциальное уравнение, характеризующее работу моделей М.М. Филоненко-Бородича, П.Л. Пастернака и В.З. Власова, одинаково и, соответственно для плоской и пространственной задач, имеет следующий BW:P(X) = K1W(X)-K2W (X); P{x,y) = K,W(xty)-KJ2W{x,y)9 где Ki и К2 -коэффициенты, характеризующие работу основания соответственно на сжатие и сдвиг (при Кг = 0 основание будет работать как винклеровское).
Положительной стороной рассмотренных моделей является относительная простота математического аппарата, применяемого при расчете конструкций (что в настоящее время утрачивает свою актуальность в связи с высоким уровнем развития вычислительных технологий), и возможность учета некоторых факторов, влияющих на их работу. К числу недостатков можно отнести недостаточную надежность экспериментального определения коэффициента, характеризующего работу на сдвиг, а так же наличие сосредоточенных "фиктивных " сил, возникающих на краях конструкций в результате учета работы оснований за их пределами.
Наиболее распространенными инженерными методами расчета осадок являются метод послойного суммирования и метод эквивалентного слоя. В методе послойного суммирования необходимо разбить основание на элементарные слои, используя приведенные в [77] таблицы определить величины дополнительных напряжений в каждом из слоев и просуммировать деформации, возникающие в каждом слое от полученных напряжений.
В основу метода послойного суммирования положены следующие допущения: грунта в основании представляет собой сплошное, изотропное, линейно-деформируемое тело; осадка обусловлена действием только вертикального сжимающего напряжения (остальные пять компонентов напряжений не учитываются); боковое расширение грунта невозможно; сжимающее напряжение определяется под центром подошвы фундамента; при определении сжимающего напряжения различием в сжимаемости грунтов отдельных слоев пренебрегают; фундаменты не обладают конечной жесткостью; деформации рассматриваются только в пределах мощности сжимаемой толщи.
В методе линейно-деформируемого слоя, предложенного К.Е. Егоровым [35] деформации в слое грунта развиваются под действием всех компонентов напряжений, осадка фундамента равна средней осадке поверхности слоя грунта, развивающейся под действием местной равномерно распределенной нагрузки, а распределение напряжений в слое грунта соответствует задаче однородного полупространства.
Метод эквивалентного слоя рассматривает эквивалентный слой, осадка поверхности которого при сплошной нагрузке равна осадке фундамента, т.е. приводит сложную пространственную задачу к эквивалентной одномерной. Он занимает промежуточное положение между строгими аналитическими решениями и методом послойного суммирования.
Обладая схожей методикой расчета, эти методы имеют и схожие недостатки: невозможность рассчитать осадки любой точки в пределах площади фундамента и невозможность учесть жесткость сооружения.
Наиболее перспективным способом расчета осадки и крена сооружений являются численные методы, реализованные на ЭВМ. Среди развитых в настоящее время численных методов для расчета деформации оснований применяются метод конечных элементов [74,5,38,39] метод конечных разностей [85], метод пограничных элементов [20,45] и т.д. Наибольшее распространение для решения задач механики грунтов среди перечисленных методов, получил метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ является одним из самых универсальных численных методов, в котором расчетная область произвольной конфигурации с заданными граничными условиями разбивается на конечные элементы к узлам которых прикладывается внешняя нагрузка. Построив глобальную матрицу жесткости [К], и зная вектор внешних нагрузок {F}, составляется основная система метода конечных элементов [K]{U}={F}. Решая полученную систему уравнений, находятся перемещения для каждого узла, т.е. определяется вектор перемещений {U}. Как правило, решение задачи МКЭ осуществляется методом перемещений, т.е. искомыми являются перемещения. Однако, в ряде случаев алгоритм решения строится и в форме метода сил, т.е. задаются перемещения и находится соответствующие им напряжения.
Применение МКЭ в традиционной форме для пространственных расчетов зданий комбинированных конструктивных систем наталкивается на определенные трудности, связанные с огромным количеством степеней свободы, необходимых для описания с достаточной точностью расчетных моделей зданий. Поэтому усилия многих исследователей направлены на разработку таких приемов и модификаций МКЭ, которые позволили бы сократить общее число неизвестных без потери точности вычислений.. Одним из эффективных решений этой проблемы является метод суперэлементов [49,73].
Приведенный обзор показывает, что МКЭ является одним из наиболее эффективных и перспективных методов численного анализа напряженного состояния пространственных систем и позволяет решать широкий класс задач.
Математическая модель механического поведения грунта и взаимодействия здания с основанием
Математическая модель расчета системы ЗФГ построена из двух блоков уравнений: блока, описывающего НДС сооружения, и блока, отвечающего за работу грунтового основания. Таким образом, система здание-основание разбивается на две подсистемы - здание и основание. В разработанной специализированной методике расчета и соответствующей компьютерной программе осуществляется совместный расчет двух подсистем как единого механического объекта.
В качестве расчетной схемы рассматриваемого нами здания выбирается его аппроксимация системой из упругих четырехугольных пластин или оболочек, отличающихся между собой задаваемыми индивидуально механическими параметрами. Эти элементы надповерхностного сооружения (НПС) могут быть связаны между собой жестко, упруго, шарнирно или односторонне (когда связь не работает на растяжение). Для того, чтобы имитировать любой вид статической или динамической нагрузки предполагается, что к любому узлу НПС присоединена индивидуальная масса и может быть приложена постоянная или переменная во времени нагрузка.
Методика определения НДС пространственно-стержневой системы, которая моделирует здание, представляет собой стандартный подход механики деформируемых систем с использованием МКЭ и технологии суперэлементов, применяемой во внешней программе типа STARKES, SCAD, ЛИРА или подобной им. Для полного решения задачи прогноза механического взаимодействия элементов системы ЗФГ необходимо учесть влияние на НДС сооружения податливости грунтового основания, на котором сооружение покоится.
Основание представляет собой упругопластическую среду, нагруженную контактными напряжениями по границе раздела с сооружением. В качестве механических характеристик грунта фигурируют модуль Юнга, коэффициент Пуассона, сцепление, угол внутреннего трения и т.д. Грунтовый массив находится в поле действия массовых сил. Объемный вес грунта характеризуется величиной у. Поверхность грунта вне здания принимается свободной от напряжений. Действие со стороны сооружения на основание заменяется узловыми нагрузками с определяемым на каждом этапе вычислений главным вектором. Для создания глобальной матрицы жесткости здания в программе STARK (или любой подобной) проводим конечно-элементную аппроксимацию здания системой стержней и пластин. В каждом узле, попадающем на границу раздела основания от здания, поочередно задаем единичные перемещения при защемленных остальных узлах и определяем компоненты глобальной матрицы жесткости здания. После этого находим нагрузки от здания, задав собственный вес элементов сооружения и проектное эксплуатационное нагружение, находим вертикальные составляющие реакций во всех защемленных узлах, попадающих на границу раздела.
Далее по описанной в п. 2.3 методике определяется напряженно-деформированное состояние грунтового массива и перемещения точек соединения здания с грунтом. Взаимодействие надповерхностного сооружения, заменяемого суперэлементным представлением, с основанием можно исследовать с помощью поэтапной корректировки действующих в контактных узлах усилий, которые определяются из решения задачи для сооружения при заданных перемещениях его точек контакта с грунтом. Такой вариант решения задачи представляется предпочтительным, поскольку позволяет практически независимо решать задачу для опорного поля и для наземного сооружения.
Для определения податливости грунтового основания и перемещений по поверхности его раздела со зданием находим сначала глобальную матрицу жесткости здания, затем нагрузки, приложенные по поверхности контакта здания с основанием, и задаем само грунтовое основание.
Грунтовое основание разбиваем на конечные элементы с учетом формы границы раздела со зданием и пространственной неоднородности физико-механических свойств за счет неоднородностеи инженерно-геологического сложения грунтового массива. Размеры области расчета выбираем с учетом принципа Сен-Венана - по глубине и в плане в пределах затухания механического влияния здания. Область механического влияния здания выбираем на основе пробных расчетов. Такие расчеты показывают, что по глубине область влияния соответствует стандартным представлениям о мощности сжимаемой толщи грунта под зданием, которая обычно составляет максимальную величину до 2,5 максимальных размеров поперечного сечения плана здания. Величину зоны влияния в плане здания ограничиваем каймой с отступом от края проекции здания в тех же указанных выше пределах. Примем, что на боковой вертикальной границе области расчета запрещены горизонтальные, а на нижней границе области вертикальные перемещения и, кроме того, на этих же поверхностях отсутствуют касательные напряжения.
Затем, после задания области расчета, граничных условий, механических свойств основания, матрицы жесткости здания и нагрузок от него по поверхности раздела здания и основания, определяется напряженно-деформированное состояние грунта вокруг сооружения методом; конечных элементов в форме метода перемещений. В результате решения этой задачи определяются перемещения точек присоединения здания к основанию и НДС во всем грунтовом массиве.
После нахождения перемещений границы раздела основания со зданием, включаем их в качестве вертикальной компоненты интересующей нас осадки по поверхности раздела фундамента и грунта основания.
Исследование влияния пластических, прочностных, деформационных характеристик грунта
Вопрос о влиянии различных прочностных характеристик грунта рассматривался в работах [83,84,64] и, в силу несовершенства применяемых до настоящего времени расчетных средств, до сих пор остается актуальным. Исследуем влияние учета прочностных характеристик грунта на НДС здания на трехмерном упругопластическом основании в ПК HOUSE D&T.
Для выяснения влияния различных характеристик грунта рассчитаем здание типовой серии 121 -Т тюменской ДСК с размерами в плане 54,5x14,5м на фундаментной плите толщиной 60см. Грунт в расчетах имеет типовые характеристики суглинка г. Тюмени с диапазоном изменения: модуль деформации Е={5000-ь30000}кПа; удельное сцепление С={20-г60}кПа; угол внутреннего трения ф=17-з-28 , коэффициент Пуассона V=0,3-0,4.
Сцепление грунта сильнее других параметров влияет на формирование уровня пластических деформаций гішах (рис 3.2.3-3.2.4) и зон пластичности ограниченных жирной линией т=1 (рис. 3.2.9, 3.2.10). Увеличение С приводит к локализации и резкому уменьшению размеров зон пластичности, которые исчезают при значении ОЗОкПа. Рост ф приводит к аналогичным, но менее выраженным эффектам (рис 3.2.9, 3.2.12), причем график Ца (рис 3.2.5, 3.2.6) практически линеен. Коэффициент Пуассона более оказал влияние на величину и форму зон пластичности (рис 3.2.9, 3.2.11), чем на 1 , (рис 3.2.7, 3.2.8). Наибольшее влияние на осадки оказывает не столько тпшх, сколько величина и форма зон пластичности.
Учет пластических деформаций оказывает существенное влияние, как на рассчитываемые максимальные осадки, так и на их неравномерность, что в свою очередь может, как увеличить, так и уменьшить расчетные напряжения в конструкции здания. Рассчитываемое НДС здания наибольшим образом зависит не от величины осадок, а от степени их неравномерности в пределах фундамента. В свою очередь, эта неравномерность сильно зависит от распределения жесткости связей в элементах здания и собственно конструкций с фундаментом.
В условиях стесненной застройки влияние устройства заглубленного сооружения (котлована) оказывает существенное влияние на окружающую застройку, и по данным [40, 80] зона влияния может распространятся на 2-5 глубины котлована.
Конструктивные параметры здания взяты для типовой серии 121-Т тюменской ДСК с размерами в плане 54,5x14,5м на фундаментной плите толщиной 60см. Для грунта в расчетах взяты характеристики распространенного в черте г. Тюмени суглинка с модулем деформации Е=7300кПа, коэффициентом Пуассона v=0,35, удельным сцеплением С=38кПа и углом внутреннего трения Ф=27 , Рядом с торцом здания был вырыт квадратный в плане котлован со стороной, равной ширине здания. Глубина котлована варьировалась и составляла 3, 5, 7 и 9м. Результаты расчетов представлены на рис«Ї.ЗЛ-3.3.4.
Соответственно росту глубины котлована осадки углов здания менялись согласно представленному графику практически линейно, а противоположные от котлована края здания поднимались (рис.3.3.1). Несовпадение кривых осадок для углов объясняется креном здания, возникшим за счет несимметричности нагрузок от здания. На рис.3.3.2 представлен график максимальной величины показателя активности пластических деформаций rjmax в зависимости от глубины котлована. При значениях параметра rim l грунт находится в состоянии пластических деформаций. При отсутствии котлована в основании наблюдаются симметричные в вертикальном разрезе вдоль осей здания зоны пластичности, тяготеющие к краям и углам здания с наибольшим значением rjmax=l,1695 и небольшой зоной пластичности грунта под центром, где тшах=1,0475 (рис.3.3.3, 3.3.4). При увеличении глубины котлована до 5м верхняя граница ближней к котловану зоны пластичности поднимается до уровня середины глубины котлована и соединяется со средней зоной, а противоположная зона начинает уменьшаться, причем тьшх=1,2084. При глубине котлована до 7м верхняя граница ближней кг нему зоны пластичности поднялась еще выше, сама зона практически слилась со средней, а противоположная зона стала еще меньше, при этом 1 =1,2447. При глубине 9м верхняя граница ближней к котловану зоны пластичности опять поднимается выше и приобретает более плавные очертания, противоположная зона значительно локализовалась, а
Наличие котлована вблизи здания оказывает большое влияние на напряженно-деформированное состояние здания. Наиболее существенным образом это влияние проявляется на осадках здания. С ростом глубины котлована увеличение осадок для рассмотренных расчетных случаев превысило 20%. В зависимости от взаимного расположения здания и котлована при фиксированной глубине увеличение ближайших к котловану точек границы здания превысило 16%, при снижении осадок в наиболее далеких от котлована точках границы здания. С точки зрения минимизации осадок здания наиболее выгодным является расположение котлована с минимумом общих граничных точек при взаимно перпендикулярном расположении их длинных осей. Для выяснения влияния пристраиваемого здание на существующее было рассчитано НДС типового здания на заторфованном грунтовом основании (Е=10 МПа) и осадки его фундаментов при отсутствии и наличии влияния соседних секций типовой серии 121-Т тюменской ДСК.
Общие картины деформаций средней секции здания без пристраиваемых секции, при наличии такой же секции слева и при наличии двух аналогичных секций по обеим сторонам, приведены на рис 3.3.9 и 3.3.10. Здание на заторфованном основании с учетом влияния такого же здания, расположенного слева на расстоянии величины деформационного шва. Рис 3.3.11. Здание на заторфованном основании с учетом влияния таких же зданий, расположенных слева и справа на расстоянии величин деформационного шва.
Из анализа рассмотренных вариантов следует, что учет совместной работы расположенных рядом зданий ведет к существенному увеличению расчетных усилий в конструкциях этих зданий, что необходимо учитывать на стадии проектирования.
Разработка методики комплексного воздействия на жесткость сооружения, фундамента и основания для достижения максимально равномерных осадок
Для выяснения эффективности воздействия на жесткость фундамента, был рассчитан тестовый пример, представляющий собой плиту размерами 18 на 72 метра и толщиной 0,5 метра, загруженную нагрузкой, соответствующей нагрузке от дома, аналогичных размеров на основании, с физико-механическими свойствами, характерными для г. Тюмени. В процессе тестирования в плите вводились различные комбинации продольных и поперечных ребер жесткости различной длины и высоты. Результаты расчетов представлены на рис 4.2.8. и 4.2.9.
Применение поперечных ребер в середине плиты эффективнее продольных (рис. 4.2.8.), учитывая то, что длина продольного ребра в 4 раза больше длины поперечного. Эффективность продольных и поперечных ребер увеличивается к центру плиты, причем расположение ребер у краев плиты ухудшает общее НДС (рис. 4.2.9.). Поперечные ребра наиболее эффективно работают как дополнительные опоры в местах наибольших прогибов, а продольные непосредственно увеличивают изгибную жесткость плиты. В варианте, представленном на рис. 4.2.10, дополнительные затраты материала составляют 13,6%, а по уровню неравномерности осадок он идентичен плите толщиной 1 метр, т.е. увеличению затрат материала на 100%. Таким образом, для данного вида фундамента, экономия по материалу составляет 100 (1296м - 738м)/ 1296м3=43%.
При включении в работу части стен цокольного этажа, то есть если выполнить стены в некоторых местах монолитно с фундаментной плитой, эффективность плиты значительно увеличивается. Чтобы сэкономить материал и еще больше уменьшить осадки в центре плиты, среднее поперечное ребро можно заменить рядом буро набивных свай различной длины (рис 4.2.11).
Также значительный эффект по снижению уровня неравномерности осадок наблюдается при отрывке щелей по торцовым гранями фундаментной плиты и достигает 15% при отрывке щели глубиной 7 м и шириной 0,5м. При этом, если сплошную щель заменить рядом не соприкасающихся друг с другом скважин, эффективность метода существенно падает (при снижении объема земляных работ на 20% эффективность падает на 75%). Кроме того, наблюдался эффект "наложения" влияния различных типов воздействий, например, воздействия на жесткость фундамента и воздействия на деформируемость основания. Так, если при увеличении жесткости фундамента наблюдался эффект снижения неравномерности на 14%, а при отрывке щели на 15%, то эффект при одновременном применении обоих способов равнозначен суммированию обоих эффектов в отдельности, то есть 14%+15%=29%.
Аналогичным образом могут суммироваться и эффекты влияний всех трех типов воздействий: воздействия на жесткость фундамента, воздействия на деформируемость основания и воздействия на жесткость сооружения, произведенных одновременно.
Наблюдаемый эффект суперпозиции имел место при расчете здания и основания по упругой модели, и после расчета по упругопластической модели может быть скорректирован.
Для оценки применимости методики снижения неравномерности осадок реального здания путем управления формой фундамента были проведены сравнительные расчеты модели здания типовой серии 121-Т тюменской ДСК. Здание имело размеры в плане 54,5x14,5м и располагалось на фундаментной плите равной толщины в 1,2м, необходимой для строительства на основании с деформационными характеристиками слабых грунтов г. Тюмени (Е=5т-7мПа).
При внесении в конструкцию вышеописанной фундаментной плиты подкрепляющих продольных и поперечных ребер толщиной 0,5м и максимальной глубиной под центром плиты 2,4м, аналогичных по форме приведенным на рис 4.2.10, и уменьшении толщины верхней общей части с 1,2м до 0,6м, уровень неравномерных осадок остается прежним, но материалоемкость уменьшается на 38%.
В силу конструктивных особенностей здания серии 121-Т, таких как расположения несущих стен, неравномерного загружения фундамента и распределения общей жесткости по длине сооружения, в приведенную на рис 4.2.10 конструкцию фундамента возможно внести изменения. Например, поперечные ребра жесткости, расположенные между краем и серединой здания, можно без особого влияния на уровень неравномерных осадок исключить из конструкции, тем самым еще более уменьшив материалоемкость.
При проектных нагрузках на основание его осадки неравномерны в плане здания и имеют максимальные значения в центральной вытянутой вдоль продольной оси здания. Следствием такой неравномерности осадок под зданием является непроектные деформации и дополнительное нагружение его конструкций. Аналогичный эффект изменения уровня НДС наблюдается при наличии неоднородностей механических свойств в плане и по глубине основания. Кроме того, организуя искусственно горизонтальную неоднородность грунтового основания можно снизить уровень НДС сооружения.
Учет пластических деформаций оказывает существенное влияние, как на рассчитываемые максимальные осадки, так и на их неравномерность, что в свою очередь может, как увеличить, так и уменьшить расчетные напряжения в конструкции здания. Рассчитываемое НДС здания наибольшим образом зависит не от величины осадок, а от степени их неравномерности в пределах фундамента. Наличие котлована вблизи здания оказывает большое влияние на напряженно-деформированное состояние здания. Наиболее существенным образом это влияние проявляется на осадках здания и может приводить к снижению напряжений в конструкциях здания по сравнению с вариантом без их наличия (при отсутствии учета формирования призм обрушения стенок выемок).
Разместив в зонах влияния жесткости несущих стен (нижней части, середине и по краям) усиленные элементы, усилив основание под серединой и ослабив под краями здания, можно добиться максимально равномерных осадок здания на слабом грунте, а следовательно и максимального снижения уровня НДС здания при наименьших затратах.
Наблюдаемые эффекты наиболее заметны при строительстве на слабых грунтах, а также на большеразмерных фундаментах, когда неравномерность осадок между краем и серединой фундамента проявляется наиболее отчетливо.
Найденные особенности формирования НДС системы ЗФГ в зависимости от неоднородности грунтового основания и распределения жесткости в элементах системы позволили сформулировать приведенные здесь принципы управления НДС рассматриваемой системы. Эта методика была применена к плитным фундаментам и позволила получить некоторые более экономичные его варианты.
