Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса и задача исследований 7
1.1 Обзор типов каменных кладок . 7
1.2 Устойчивость вертикальных конструкций. 18
1.3 Критерии прочности кирпичной кладки, учитывающие 28 различные механизмы разрушения
ГЛАВА II. Теоретичские исследование прочности и устойчивости свободно стоящих стен .
2.1 Введение. 53
2.2. Сохранение фасадной стены здания в г. Москве по улице М. Полянка и стены тоннеля на Новинском бульваре
2.3 Прочность и устойчивости сплошных стен с одним 60 закрепленным концом.
2.4 Прочность и устойчивость стены с проемами с одним 64 закрепленным концом.
2.5 Об устойчивости участка стены тоннеля при 71 строительстве высотного здания на Новинском бульваре
в г. Москве.
2.6 Выводы по главе. 78
ГЛАВА III. Компьютерное моделирование и исследование прочности и устойчивости свободно стоящих кирпичных стен при реконструкции.
3.1 Введение. 80
3.2 Расчетные модели свободно стоящих стен. Принятыехарактеристики материалов. Действующие нагрузки .
3.3 Результаты расчета без учета нелинейных деформаций и трещинообразования.
3.4 Предпосылки и характеристики кладки при расчете стен с учетом нелинейного деформирования материалов.
3.5 Результаты расчета нелинейно-деформируемых стен. 106
3.6 Результаты динамического расчета конструкций стен. 117
3.7 Выводы по главе. 120
ГЛАВА IV. Исследование устойчивости свободно стоящих кирпичных стен при неоднородности в поперечном направлении фундамента.
4.1 Введение. 122
4.2 Основные положения. Расчетные модели свободно стоящих стен .
4.3 Результаты расчета без учета нелинейных деформаций и трещинообразования.
4.4 Результаты расчета нелинейно-деформируемых стен. 139
4.5 Выводы по главе. 146
Общие выводы 148
Список литературы
- Обзор типов каменных кладок
- Сохранение фасадной стены здания в г. Москве по улице М. Полянка и стены тоннеля на Новинском бульваре
- Расчетные модели свободно стоящих стен. Принятыехарактеристики материалов. Действующие нагрузки
- Основные положения. Расчетные модели свободно стоящих стен
Введение к работе
Одним из обязательных условий реконструкции старой жилой застройки является бережное сохранение индивидуального облика исторически сложившихся районов. Это положение, справедливое для всех старых городов России, особенно касается тех, где, как в Москве, старый капитальный жилой фонд формирует застройку центральных районов, значительных по территории и наиболее важных для города в градостроительном, художественном и историческом отношении. Началом и основой сохранения сложившегося городского ландшафта служит сохранение его планировочной структуры. Планировочная структура старых районов Москвы воспринимается как взаимодействие сложившейся сетки улиц и плотной периметральной их застройки.
Город - не застывшая масса зданий, а живой организм; он не только растет вширь за счет нового строительства на периферии, но неизбежно должен перестраивать свой центр. Перестройка в отдельных случаях носит и будет носить радикальный характер - с пробивкой новых или расширением существующих магистралей, формированием новых площадей и т. п. Однако в большей части районов старой застройки, особенно в ее жилых массивах, необходимость изменения сложившейся сетки улиц не возникает, Более того, ее сохранение является формой сохранения наиболее ценной во всех отношениях части старой застройки - лицевых строений, определяющих городской образ. Для сложившихся районов периметральной застройки стоят и эстетические, и экономические соображения.
В наиболее частом варианте реконструкции лицевой корпус здания не меняет своего объема; однако даже в этом случае сохранение периметра носит активный характер. Длительный срок эксплуатации большинства домов,
многочисленные перестройки, разрушения военных лет, некачественные ремонты фасадов - все это привело к значительным искажениям облика, к утрате части архитектурного декора. Особенно пострадали от времени первые этажи и завершения зданий.
Реконструкция обеспечивает условия для восстановления упомянутых утрат. Основой восстановления служат архивные изыскания, натурные обследования зданий, архитектурные обмеры фасадов и некоторых деталей. В отдельных случаях становится необходимым вскрытие штукатурного слоя, исследование кладки для определения места, где были стесаны или сбиты первоначальные элементы декора. При отсутствии точных сведений о конкретном доме или при невозможности точного восстановления утраченных деталей пользуются аналогами, близкими по стилевой характеристике к реконструируемому зданию. Сохранение и поддержание периметра реализуется теми же приемами, какие были характерны для реконструкции застройки.
В старых городах имеется немало зданий, имеющих великолепные архитектурные фасады, выходящие на улицу и задние фасады, характерные для трущеб. Кроме того, морально и физически устарела внутренняя начинка таких зданий. Не вызывает сомнений необходимость реконструкции таких зданий с обязательным сохранением этих фасадных стен. При этом, как с технической, так и экономической точек зрения целесообразна полная разборка этих зданий, за исключением сохраняемых фасадных стен. При этом встает вопрос сохранения фасадных стен в процессе разборки здания и в процессе последующего его восстановления, так как разбираются для удобства производства работ не только внутренние капитальные стены и задние фасадные стены, но и все перекрытия. Вследствие этого возникает необходимость расчета на устойчивость оставляемых свободно стоящих стен. При этом возможны следующие случаи комбинации фасадных стен: отдельно
стоящая стена; две свободно стоящие стены буквой «Г»; три свободно стоящие стены буквой «П».
В СНиП II — 22 — 81 «Каменные и армокаменные конструкции » отсутствуют таких стен. Поэтому разработка методов расчета свободно стоящих стен при реконструкции кирпичных зданий является весьма актуальной проблемой.
Целью диссертационной работы является исследование с помощью компьютерных вычислительных комплексов прочности и устойчивости свободно стоящих кирпичных стен при реконструкции кирпичных зданий с разработкой приближенных методов расчета, позволяющих эффективно и быстро производит вариантные расчеты.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые исследована прочность и устойчивость свободно стоящих кирпичных сохраняемых стен при полной реконструкции зданий старой построй.
Научная и практическая ценность работы в том, что:
Предложена расчетная модель свободно стоящих «Г» и «П» - образных в плане стен при расчете на горизонтальные и вертикальные нагрузки, приближенным способом;
Разработана модель и исследованы на прочность и устойчивость свободно стоящие кирпичные стены методом конечных элементов с использованием вычислительного комплекса « Лира 9.2 » в том числе и с учетом нелинейного деформирования кирпичной кладки;
- Практическое значение проведенных исследований в том, что они во многих случая позволяют назначать минимальные крепежные устройства, либо обосновать ненадобность этих устройств.
Внедрение работы.
Применение разработанных методов позволил снизить объем креплений свободно стоящих фасадных стен при реконструкции кирпичного двухэтажного здания по улице М.Полянка, а также обосновать ненадобность крепления свободно стоящей стены, ортогонально сопряженной с другой стенкой при реконструкции четырехэтажного кирпичного здания в районе самотечной.
Обзор типов каменных кладок
Каменная кладка представляет собой конструкцию, состоящую из природных или искусственных камней, уложенных на растворе. В строительстве применяют различные виды каменных кладок. Название их зависит от вида применяемых каменных материалов. Кладки различают на: кирпичную - из керамического или силикатного кирпича; мелкоблочиую - из природных, бетонных и керамических камней; тесовую - из природных обработанных камней правильной формы; бутовую - из природных камне неправильной формы; смешанную - бутовая кладка, облицованная кирпичом, или кирпичная, облицованная естественными камнями; бутобетонную - из камня и бетона; крупноблочную - из бетонных или кирпичных блоков.
Выбор материалов для каменной кладки производится в зависимости от вида и назначения возводимых конструкций, наличия местных материалов и т. д.
Каждому виду кладки присущи свои положительные качества, тем не менее из возведение является трудоемким процессом, требующим большого количества квалифицированных рабочих, отличается низкой степенью сборности и большой продолжительностью. Камни в каждом виде кладки должны быть уложены на растворе и в определенном порядке, с тем чтобы кладка работала как монолитный массив. Раствор в швах кладки играет роль связующего камни материала, обеспечивает равномерную передачу нагрузки с одного камня на другой, заполняет возможные зазоры между камнями, герметизируя швы и защищая их от продувания.
Каменную кладку выполняют на известковых, смешанных цементно-известковых и цементных растворах, а также на цементно-глиняных растворах, у которых глина выполняет роль пластифицирующей добавки. Вид и марка раствора указываются в рабочих чертежах.
Вид кладки назначают в проекте с учетом условий, в которых будет работать конструкция, выполненная из нее, - капитальности здания или сооружения, экономической целесообразности использования того или иного материала.
Элементы кладки. Камень правильной формы имеет шесть плоскостей, наибольшую из которых при укладке камня плашмя называют постелью, длинные боковые грани - ложками, а короткие - тычками (рис. 1.1.2.а).
Каменная кладка выполняется рядами. При укладке камня длинной стороной вдоль стены образуется ложковый ряд, а при укладке короткой -тычковый. Все наружные ряды кладки с обеих сторон называют верстами. Версты бывают наружными, если они образуют наружный (обращенный на фасад) ряд, и внутренними, если ряд кладки выходит внутрь помещения. Различаю-] тычковые и ложковыс версты. Внутренние ряды кладки, уложенные между верстами, называют забутовочными рядами или просто забуткой.
Промежутки между отдельными камнями в кладке образуют швы. В зависимости от расположения швы в кладке могут быть горизонтальными и вертикальными, которые, в свою очередь, разделяют на продольные, если они расположены вдоль стены, и поперечные - поперек стены.
Швы между отдельными кирпичами должны быть заполнены раствором. Швы различают: горизонтальный, отделяющий горизонтальные ряды кладки друг от друга; вертикальный продольный шов, разделяющий ряды кирпича вдоль стены; вертикальный поперечный шов, отделяющий отдельные кирпичи в горизонтальных рядах кладки. Если раствор в швах не доходит до лицевой поверхности стены на 10-15 мм, то кладку называют впустошовку. Ее применяют при кладке стены под штукатурку для лучшего сцепления слоя раствора с поверхностью кирпичной стены.
Если раствор в швах доходит до лицевой поверхности стены, то кладку называют шюдрезку, так как выдавливаемый из швов в процессе кладки излишек раствора подрезается кельмой заподлицо с поверхностью стены. Эти швы обычно отделывают специальным инструментом - расшивкой, с помощью которой шву придают форму валика или выкружки. Такая кладка называется «под расшивку» (рис. 1.1.2, б).
С целью повышения прочности и устойчивости каменной кладки необходимо укладывать камни (кирпичи) так, чтобы силы, действующие на кладку, были распределены главным образом на сам камень, так как раствор в кладке менее прочен, чем связанные им камни. Камни хорошо сопротивляются только сжимающим усилиям. Чтобы использовать это свойство каменных материалов и обеспечить правильную работу конструкции, необходимо камни в кладке располагать в соответствии с правилами разрезки. Существуют три правила разрезки кладки.
Сохранение фасадной стены здания в г. Москве по улице М. Полянка и стены тоннеля на Новинском бульваре
Передко при реконструкции зданий старой постройки возникает ситуация, когда сохраняется часть или все фасадные стены, а внутреннее пространство полностью перестраивается, в том числе и с заменой старых перекрытий на новые. При полной разборке конструкций внутреннего пространства здания фасадные стены на период реконструкции трансформируются с точки зрения статики в свободно стоящие. При этом возникает проблема обеспечения устойчивости свободно стоящих стен.
СНиП 11-22-81 «Каменные и армокаменные конструкции» не содержит рекомендаций по этой проблеме. Совершенно очевидно, что в случае, если сохраняется одна фасадная стена, еще до разборки сопряженных фасадных стен и перекрытий она должна быть раскреплена. Крепежное устройство должно повысить сопротивляемость стены опрокидыванию. Так при реконструкции 4-этажного здания в Москве по Пречистинскому пер., 14, было принято решение сохранить лишь стену главного фасада. До разборки остальной части здания по фронту главного фасада была сварена пространственная стальная рама, к которой с помощью болтов прикреплена фасадная стена. Стальная рама понизу крепилась к балочному растверку, выполненному поверх буронабивных железобетонных свай.
Аналогичная система была использована для крепления фасадной стены 2-этажного здания по ул. М. Полянка, с той лишь разницей, что крепеж состоял из плоских стальных рам, расположенных вдоль стены перпендикулярно к ней с шагом 6,0 м.
В обоих случаях крепежные системы не рассчитывались, а назначались конструктивно. Как показали выполненные нами в последующем расчеты эти крепежные системы обладали излишними запасами устойчивости. Для выполнения этих расчетов в настоящей главе разработаны специальные приближенные методы, основанные на использовании теории упругого основания на базе модели Винклера.
Решение задачи об устойчивости отдельно стоящей колонны приведено в книге Я. Г. Паиовко и И. Н. Губановой [120], которое можно трансформировать на отдельно стоящую стену.
В главе 2 предложены расчетные модели и получены решения для свободно стоящих стен, сопряженных в плане в виде буквы «Г» и буквы «П». Рассмотрены варианты, когда рассчитываемая стена сплошная и когда имеет оконные и дверные проемы.
На улице М. Полянка д. 2/3 с целью сохранения фасадной стены двухэтажного здания в связи с полной разборкой остальной части здания возникла проблема обеспечения устойчивости и прочности фасадных стен при разборке сопряженных с ним перпендикулярно расположенных стен. Необходимо было установить крепежное устройство, которое бы обеспечивало сопротивляемость стены ее опрокидыванию. Таким образом, был создан крепеж, состоявший из плоских стальных рам, расположение которых вдоль стены перпендикулярно к ней предполагалось с шагом 6,0 м. Однако, следует иметь в виду то, что данное крепежное устройство было назначено конструктивно. См. фото.
На пересечении Новинского бульвара и ул. Новый Арбат запроектировано и строится высотное здание торгового гостиничного комплекса. Под запроектированным зданием оказался значительный участок выездного туннеля и магистральные трубопроводы. Здание имеет три подземных этажа, поэтому возникла необходимость до начала возведения нового здания на этом участке перенести эти коммуникации и туннель. Старая трасса была расположена параллельно Новинскому бульвару. Новый туннель примыкает к остатку старого. При этом одной стеной туннеля является «стена» в грунте, ограждающая котлован, а другая стена выполняется из буронабивных железобетонных свай. В зоне примыкания нового тоннеля к старому
Расчетные модели свободно стоящих стен. Принятыехарактеристики материалов. Действующие нагрузки
В данном разделе рассматриваются напряжённо- деформированное состояние и устойчивость отдельно стоящих кирпичных стен, которые не связаны между собой жёсткими дисками перекрытий и внутренними поперечными стенами. Такого рода задачи возникают при реконструкции зданий исторической застройки , когда необходимо сохранить главные фасады здания заменяя при этом все внутренние конструктивные элементы. Вследствие этого система наружных стен объединённых перекрытиями и внутренними капитальными стенами в единую пространственную систему, трансформируется на какое-то время в отдельно стоящие стены , в лучшем случае связанные между собой в углах. Это обстоятельство может привести к их разрушению или потере устойчивости под влиянием внешних воздействий и неблагоприятных факторов.
К основным нагрузкам свободно стоящих стен можно отнести ветровые нагрузки и нагрузки от собственного веса конструкции. Кроме этого важную роль в сохранении устойчивости фасадных стен могут сыграть грунтовые условия площадки производства работ, степень защищённости фундаментов от внешних воздействий а также степень «оголения» фундаментных конструкций с наружной и внутренней сторон стены. Последнее ослабляет сопротивляемость стены опрокидывающему моменту и как следствие - способствует потере общей устойчивости конструкции в целом.
Все выше перечисленные особенности были учтены при составлении расчётной модели отдельно стоящих стен. В процессе исследования был использован программный комплекс (ПК) «Лира 9.2», который позволил смоделировать систему свободно стоящих стен и описанные
воздействия и качес гвенно оценить поведение конструкций, максимально приблизив расчётную схему к реальным условиям работы конструкции. Расчёт в принятой расчетной модели производился с использованием метода конечных элементов (МКЭ) реализованном в форме метода перемещений.
Вся конструкция разбивалась на конечное число элементов. Благодаря использованию обширной библиотеки конечных элементов (КЭ) имеется возможность для каждого конструктивного элемента применить наиболее подходящие с точки зрения восприятия и передачи усилий КЭ. При этом используются базисные (аппроксимирующие, координатные) функции, которые с большой степенью точности позволяют смоделировать реальное взаимодействие конструктивных элементов рассматриваемой системы.
Так для задания упругого основания (по Винклеру) использовался КЭ №51.
Данный конечный элемент применяется для введения связи конечной жёсткости по направлению одной из осей глобальной или локальной системы координат узла. В исследуемой конструкции для степени свободы по оси Z 51-й КЭ позволяет смоделировать пружиной упругое снование под фундаментом. Полный перечень использованных КЭ, а также другие предпосылки для расчёта описаны ниже.
Общее описание принятых расчётных моделей. Принятые к моделированию геометрические характеристики стен следующие: 1. Длина фасадных стен - 30 м. 2. Длина торцевых стен -15 м. 3. толщина стен - 640 мм. 4. ширина фундамента - 1200 мм. 5. высота этажа - 3 м. 6. количество этажей - 3 эт. 7. ширина проёмов- 1,2 м 8. высота проёмов - 1,7 м. В расчёте рассматривались 3 варианта расчётной схемы свободно стоящих стен: - отдельно стоящая стена длиной 30 м. (см. рис.3.2.1а); - фасадная и торцевая стены длиной соответственно 30 и 15м. (см. рис 3.2.16); - фасадная и примыкающие к ней две торцевых стены (И- образное в плане расположение стен) (см. рис.3.2.1 в.).
В первом и во втором варианте расположения стен отдельно рассматривалось напряжённо- деформированное состояние конструкции с учётом наличия оконных и дверных проёмов.
Основные положения. Расчетные модели свободно стоящих стен
Хорошо разработаны методы расчета зданий при неоднородности оснований в продольном направлении [ 34 ]. В принципе эти же методы могут применяться и при неоднородности основания в поперечном направлении. Поскольку, здания на неоднородных основаниях проектируются с повышенной пространственной жесткостью, тем самым обеспечивается общая устойчивость здания. Хотя при этом могут появиться повреждения в конструкциях в виде трещин. Иногда эти повреждения могут быть настолько значительными, что превращают здание в аварийное.
Так, в 1997 году в Москве посередине улицы Большая Дмитровка (ранее Пушкинская) вблизи пересечения со Столешниковым переулком образовался провал с воронкой, занимавшей практически всю проезжую часть улицы. При этом на одной стороне улицы произошло обрушение двухэтажного здания. На противоположной стороне двухэтажное здание пришло в аварийное состояние: фасадная стена, обращенная в сторону воронки, покрылось сквозными трещинами шириной раскрытия до 30 мм. Проведенные исследования грунтов под подошвами фундаментов стены показали, что грунты под аварийной стеной обладают значительной неоднородностью в поперечном направлении. Причем эта неоднородность характеризовалась повышением степени разрыхления по мере приближения к краю фундамента, ближнему к воронке.
Обрушение стены в данном случае не произошло исключительно благодаря частому расположению поперечных капитальных стен, под фундаментами которых, как показали исследования, разрыхления грунтов не произошло. В то же время можно привести пример, когда вследствие возникшей неоднородности основания в поперечном направлении фундамента привело к опрокидыванию свободно стоящей стены с разрушением сечения, в котором этот участок стены примыкал стене, раскрепленной в поперечном направлении. Это произошло при строительстве складов на производственной базе Рязанского нефтеперерабатывающего завода.
Параллельно расположенные протяженные наружные стены на части длины сооружения были скреплены между собой установленной стропильной системой, а на части длины сооружения стропила еще установлены не были. Кроме того, не были засыпаны пазухи фундаментов наружных стен. В результате резкого потепления произошло оттаивание основания с одной стороны фундамента. Возникла ситуация, когда жесткость основания под фундаментом в поперечном направлении под одним краем (оттаявшем) снизилась до нуля. В результате этого произошло опрокидывание свободного участка стены до сечения, в котором наружные стены были связаны между собой.
Этот случай показывает насколько опасной может быть неоднородность основания в поперечном направлении фундамента. Именно этой проблеме посвящены исследования в четвертой главе.
Особый интерес представляет исследование поведения конструкций при неоднородностях подстилающего грунтового массива, всевозможных подвижках и деформациях грунтов основания. Такие проблемы встают перед строителями в процессе монтажных и демонтажник работ. В частности могут иметь место подвижки грунта фундамента из-за уменьшения нагрузки от демонтируемого здания и возможного замачивания грунтов, которые ранее были защищены от попадания атмосферных осадков.
Особое внимание этим вопросам следует уделять в осенне-зимний и весенне-летний периоды производства работ. В это время под действием знакопеременных температур, когда происходит поочерёдное замораживание и оттаивание грунта, определённые разновидности фунтовых массивов подвергаются воздействию сил морозного пучения. Такого рода изменения приводят к возникновению опрокидывающих моментов в основании фундаментов и могут спровоцировать преждевременный выход из строя и потерю общей устойчивости рассмотренных вариантов конструкций.
В рассматриваемых вариантах для корректного моделирования указанных выше негативных воздействий используются конечные элементы № 51 , которые позволяют изменять жёсткость основания с двух сторон по ширине фундамента. Данный КЭ может служить для задания Винклеровского основания с различными коэффициентами постели.
Особенно важно выяснить насколько соотношение жёсткостей условных пружин под крайними фибрами фундамента влечёт уменьшение устойчивости и увеличение моментнои группы усилий в характерных местах каждого вида конструкций стен.
В данном случае рассмотрен вариант, при котором жесткость основания с одной из сторон фундамента остаётся прежней (см. принятые характеристики материалов), а с противоположной жёсткость условной пружины равна нулю. На практике такой вариант возникает, когда в момент производства работ происходит оголение конструктивных элементов фундамента. Вследствие этого уменьшается взаимодействие фундаментных блоков (или др. фундаментных конструкций) с грунтами снования и перераспределение отпора по подошве фундамента, а также давление грунта по боковой поверхности фундамента. В качестве предпосылки расчёта принято, что жёсткость Винклеровского основания меняется по ширине фундамента по линейному закону, уменьшаясь с одной из сторон до величины близкой к нулю.
В качестве критериев разрушения конструкции могут выступать следующие: - во-первых, в результате прикладываемых к конструкциям стен и фундаментов внешних воздействий должно выполняться условие, при котором сохраняется общая устойчивость модели; - во-вторых, в результате расчёта при потере устойчивости горизонтальные перемещения из плоскости не должны превышать допустимых пределов; - в-третьих, усилия получаемые при рассматриваемых вариантах нагружения и осадок должны быть меньше предельно допустимых для кладок. Этот критерий представляет собой условие не разрушения кладки в наиболее напряжённых её зонах.
