Учет жесткостных параметров зданий при расчетах оснований и фундаментов

На правах рукописи

КАМАЕВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

УЧЕТ ЖЕСТКОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗДАНИЙ

ПРИ РАСЧЕТАХ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ

Специальность

05.23.02 – Основания и фундаменты, подземные сооружения

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2007

Работа выполнена на кафедре «Основания и фундаменты» ГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Алексеев Сергей Игоревич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Кириллов Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доцент

Матвеенко Геннадий Алексеевич

Ведущая организация: ОАО "Проектный институт №1"

Защита состоится «13» ноября 2007 года в «14» часов на заседании диссертационного Совета Д.212.223.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, ул. 2-я Красноармейская, д.4, ауд.206.

Тел./факс (812) 316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «12 » октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Доктор технических наук, Бадьин Г. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Учет жесткостных параметров зданий при расчетах оснований и фундаментов представляет собой выполнение совместного расчета здания и основания с целью определения величин неравномерных осадок. Необходимость подобного расчета указана в нормативных документах. Согласно п. 2.5 СНиП 2.02.01-83* "нагрузки и воздействия на основание, передаваемые фундаментами сооружений, должны устанавливаться расчетом, как правило, исходя из рассмотрения совместной работы сооружения и основания".

Необходимость выполнения совместных расчетов особенно важна для современного уровня развития строительной науки, при котором благодаря внедрению современных методов расчетов и новейших материалов была достигнута возможность проектирования строительных конструкций с минимальными запасами прочности. В таких условиях незначительное увеличение напряжений за счет совместной работы здания и основания может приводить к появлению трещин и снижению общей надежности конструкции.

Совместные расчеты выполняются с использованием вычислительной техники, как правило, с применением метода конечных элементов. Во многих случаях здания имеют сложную конфигурацию в плане и сложное распределение жесткостей, поэтому обычно довольно сложно оценить влияние различных факторов (жесткости различных элементов надземных конструкций и основания) на результаты расчета.

В представленной диссертации выполнен анализ влияния жесткости надземных конструкций на результаты совместных расчетов и разработаны рекомендации по проектированию зданий и сооружений по условиям совместной работы с основанием.

Цель настоящей работы заключается в исследовании закономерностей совместной работы надземных конструкций здания и основания.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• Экспериментальные исследования осадок и усилий в нагруженных балках различной жесткости на грунтовом основании.
• Теоретические исследования влияния соотношения жесткости надземных конструкций и грунтов основания на характер осадок и усилия в конструкциях.

• Разработка методики определения жесткостных характеристик надземных конструкций зданий.
• Анализ влияния упругопластических деформаций грунтов основания на перераспределение усилий по сравнению с упругим расчетом, а также исследование изменения величин усилий в конструкциях с учетом временного фактора.
• Сравнение измеренных осадок реальных зданий с результатами численного моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. В определении зависимости усилий в надземных конструкциях как функции от соотношения жесткости зданий и основания.
2. В предложенном методе определения категории жесткости конструкции (конечной жесткости или абсолютной жесткости) в зависимости от коэффициента жесткости, вычисляемого как для плоской плиты.
3. В предложенном методе проектирования конструкций зданий при взаимодействии с основанием по величине требуемой жесткости.

На защиту выносятся:

Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по проектированию надземных конструкций исходя из условий совместной работы здания и основания, что позволяет уменьшить расход основных строительных материалов на стадии строительства и снизить затраты на ремонты в процессе эксплуатации.

Реализация результатов исследований. Результаты диссертации были использованы ЗАО "НПО "Геореконструкция-Фундаментпроект" при проектировании и строительстве следующих объектов в городе Санкт-Петербурге:

1. Мультибрендовый центр по продаже и техническому обслуживанию легковых автомобилей по ул. Херсонской д.20

2. Жилой дом по ул. Гагарина д.7.

3. Здание холодильника по адресу: ул. Репищева д.20 литер Б

Апробация работы. Материалы работы докладывались на 63, 64 научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов СПбГАСУ (2006 – 2007), на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых ПГУПС (2005 – 2007).

Публикации. Основные положения диссертации и материалы исследований изложены в 5 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и 6-ти приложений. Список литературы состоит из 125 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Общий объем работы составляет 205 страниц, 170 рисунков и 35 таблиц, из них в приложениях – 51 страниц, 58 рисунков и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, перечислены выносимые на защиту вопросы.

В первой главе освещено состояние вопроса и сформулированы задачи исследования.

Изучение вопроса о совместных деформациях здания и основания начиналось на основе натурных наблюдений. Накоплен значительный опыт изучения неравномерных деформаций основания для зданий различной жесткости. Данной проблеме посвящены работы Б.Д. Васильева, В.Г. Симагина, П.А. Коновалова, М.Ю. Абелева, К.Е. Егорова, Д.Е. Польшина, Р.А. Токаря, Б.И. Далматова, Е.А. Сорочана, С.Л. Голубева, А.Т. Иовчука, Н.Н. Клименко, Г.К. Шилова, Ю.Н. Посяда, А.М. Дондыш, В.И. Рыбакова, С.Н. Сотникова и др.

На основе накопленного материала в зависимости от чувствительности к деформациям все здания и сооружения делятся на абсолютно гибкие сооружения, абсолютно жесткие сооружения и сооружения конечной жесткости.

В соответствии с представленным разделением сооружений по их жесткости были сформулированы основные принципы проектирования конструкций зданий в условиях неравномерных осадок:

• Увеличение гибкости (шарнирные узлы сопряжения ригелей с колоннами) для уменьшения чувствительности здания к неравномерным деформациям
• Разрезка здания вертикальными осадочными швами на жесткие отсеки.
• Увеличение жесткости для уменьшения неравномерных деформаций.
• Увеличение прочности здания для исключения образования трещин.

Также были установлены предельные величины осадок и их неравномерностей. Рекомендации по величинам предельных деформаций приведены в действующих нормативных документах: СНиП 2.02.01-83* "Основания зданий и сооружений" и СП 50-101-2004 "Проектирование и устройство оснований фундаментов зданий и сооружений".

В соответствии с требованиями нормативных документов при расчетах зданий и оснований необходимо выполнение совместного расчета. До появления вычислительных машин практически единственным способом учета совместной работы основания и надземных конструкций зданий было использование упрощенных моделей основания. Расчеты выполнялись для балок и плоских плит, работа основания при этом моделировалась через коэффициенты постели или с использованием модели упругого полупространства. Способ расчета с использованием коэффициентов постели получил отражение в работах Н.П. Пузыревского, Н.К. Снитко, Н.М. Герсеванова, А.Н. Динника, Б.Г. Коренева, М.М. Филоненко-Бородовича, В.З. Власова, Н.Н. Леонтьева, П.Л. Пастернака, К.Г. Шашкина. Методы расчета с использованием упругого основания изложены в работах Н.М. Герсеванова, Б.Н. Жемочкина, И.А. Симвулиди, А.П. Синицына М.И. Горбунова-Посадова, К.Е. Егорова, О.Я. Шехтер, С.Н. Клепикова, Н.А. Цытовича, Б.А. Далматова, П.А. Коновалова, А.В. Голли, Г.К. Клейна и др.

Параллельно с развитием аналитических решений для различных типов балок и плит происходил процесс развития автоматизированных расчетов с использованием ЭВМ. Наиболее перспективным численным методом является метод конечных элементов (МКЭ), теоретические основы которого изложены в работах К. Бате и Е. Вилсона, О.К. Зенкевича, Дж. Коннора и К. Бреббиа, Дж. Одена, Л. Сегерлинда и др., МКЭ нашел широкое применение при решении нелинейных и нестационарных задач геомеханики (А.К. Бугров, Ю.К. Зарецкий, С.Б. Ухов, А.Б. Фадеев, В.Г. Федоровский, А.К. Черников и др.).

До недавнего времени в связи с недостаточной мощностью вычислительных машин решались в основном плоские и осесимметричные задачи, которые достаточно редко можно было использовать для совместных расчетов здания и основания, поскольку в большинстве случаев конструктивную схему здания невозможно свести к плоской или осесимметричной.

В настоящее время в связи с возросшими возможностями вычислительной техники все большее распространение получают численные расчеты основания со зданием в трехмерной постановке. Данные расчеты выполняются с помощью различных программно-вычислительных комплексов: SCAD, Лира, MICROFE (ING+), Plaxis, Z-soil, Ansys, Cosmos, Fem Models и др.

На основе анализа полученных результатов совместных расчетов К.Г. Шашкиным были выявлены основные эффекты взаимодействия здания и основания, которые заключаются в уменьшении неравномерностей осадок, в перераспределении нагрузок на основание с средней зоны на крайние и в возникновении концентраций напряжений в угловых зонах зданий.

Схема совместной работы здания и основания приведены на рис.1.

Рис. 1. Схема совместной работы здания и основания

В рамках настоящей работы был выполнен анализ основных эффектов совместной работы здания и основания и были проведены исследования влияния жесткости надземных конструкций на степень уменьшения неравномерных деформаций, на величины перераспределения нагрузок на основание и на дополнительные усилия в надземных конструкциях.

Во второй главе приведено описание экспериментальных исследований и их основных результатов.

Для оценки влияния жесткости надземных конструкций на деформации основания и определение усилий в самих конструкциях были проведены стендовые модельные испытания надземной конструкции на грунтовом основании.

В качестве испытываемой принята двухпролетная неразрезная балка с пролетами по 1 м, опирающаяся через фундаменты на грунтовое основание.

Для проведения эксперимента автором был специально сконструирован стенд, представляющий собой лоток, размерами в плане 31м, высотой 1м, с системой нагружения. Схема эксперимента приведена на рис.2.

Рис. 2. Схема эксперимента

Жесткость балок изменялась за счет увеличения или уменьшения размеров поперечного сечения (момента инерции). Материал испытываемой балки – древесина. Ширина сечения балки – 90 мм, высота переменная – 40, 90, 140, 180, 220 мм.

Разность осадок между крайними и средними опорами создавалась за счет уменьшения размеров среднего фундамента по сравнению с крайними и за счет упругой податливости динамометра, предназначенного для измерения усилия на средней опоре.

Лотковые испытания балок были сопоставлены с численным моделированием и показали хорошее совпадение.

На рис. 4 приведены результаты расчетов балок различной жесткости. Для сравнения приведены эпюры изгибающих моментов в балке при абсолютно жестких опорах (схема 2) и при отсутствии средней опоры (схема 8).

Рис. 4. Эпюры моментов и опорных реакций при расчете балок различной жесткости

Анализ эпюр моментов показал, что при большой жесткости балки опорный момент принимает отрицательное значение, как и пролетный. Максимальное значение изгибающего момента в балке при максимальной жесткости составляет ~ 800 Нм, при этом момент в балке без средней опоры составляет 875 Нм. Таким образом, при увеличении жесткости балки она начинает работать фактически без промежуточной опоры.

На рис.5 сопоставлены графики зависимости относительной разности осадок и изгибающих моментов от жесткости исследуемой балки, где жесткость равна произведению модуля упругости на момент инерции.

Рис. 5. График зависимости относительной разности осадок и изгибающих моментов над центральной опорой от жесткости балки

Анализ расчетных зависимостей на рис.5 показал их нелинейный характер. С увеличением жесткости относительная разность осадок уменьшается и стремится к нулевому значению. Вследствие перераспределения нагрузки с опоры на края в балке возникают дополнительные моменты. Эти моменты возрастают до максимального значения, которое соответствует работе балки без промежуточных опор.

В третьей главе приведены результаты численного моделирования более сложных конструкций на податливом основании.

Была выполнена серия расчетов плоских плит на упругом основании толщиной от 0.1 до 10 м размером в плане 2020м и 2010м, загруженных равномерно распределенной нагрузкой 100 кПа. По результатам исследований были построены графики зависимости относительной разности осадок и изгибающего момента в плите от ее толщины (рис.6).

Полученные графики соответствуют характеру работы двухпролетной балки, при этом можно отметить, что при значении толщины плиты около 2м относительная разность осадок равна нулю, а значение изгибающего момента стремится к максимальному значению.

Рис. 6. Графики зависимости относительной разности осадок и изгибающего момента в плите от толщины квадратной плиты

В соответствии с методикой расчета балок и плит на упругом основании на основе аналитических решений теории упругости введен критерий гибкости, который разделяет балки и плиты на абсолютно жесткие, конечной жесткости и гибкие. Впервые критерий гибкости был введен М.Б. Горбуновым-Посадовым. В связи с более распространенным термином жесткости, а не гибкости конструкции, введем термин жесткости (H) сооружения, который обратно пропорционален гибкости.

(1)

где Еб – модуль упругости материала плиты,

h – высота сечения плиты,

гр – коэффициент Пуассона грунта основания,

L – длина плиты,

b – ширина плиты,

Егр – модуль деформации грунта основания,

б – коэффициент Пуассона материала плиты.

При жесткости плитный фундамент является абсолютно жестким.

Рассчитанная с использованием формулы 2 предельная толщина плиты, при которой она становится абсолютно жесткой при различной жесткости основания составляла от 1.5 до 2.5 м, что соответствует графикам на рис.5

На рис. 7 приведены результаты расчета зависимости изгибающего момента в плите от жесткости (H) плиты.

Рис. 7. График зависимости момента в квадратной плите от жесткости (H)

Проведенные расчеты плит при различной величине приложенной нагрузки от 100 до 2000 кПа показали, что жесткость (H) не зависит от величины приложенной нагрузки.

Были проведены исследования влияния упругопластических свойств грунтов на перераспределение нагрузок и на усилия в плите. Расчеты выполнялось с использованием модели Кулона-Мора и упруго-вязкопластической модели А.Г. Шашкина. На основе выполненных расчетов определено влияние пластических деформаций, которое приводит к сглаживанию пиков вертикальных напряжений в грунте и к уменьшению изгибающих моментов в плите по сравнению с упругим расчетом.

Для анализа влияния жесткости более сложных надземных конструкций на деформации основания в качестве примера рассмотрено два здания – каркасное и стеновое. Здания имеют размеры в плане 1236 м. Высота – 5 этажей по 3 м. Сетка колонн или стен – 66м. Нагрузка к обоим зданиям приложена одинаковая по 10 кПа на каждое перекрытие.

Выполненные многовариантные расчеты зданий при различной жесткости оснований с использованием упругой и упругопластической модели Кулона-Мора, а также с использованием коэффициентов постели показали, что каркасное здание обладает конечной жесткостью, а стеновое является абсолютно жестким.

На основе проведенных исследований предложен метод определения жесткости здания на основе его замены плоской плитой с эквивалентной жесткостью. Толщина плоской плиты определяется путем сравнения прогибов здания и плиты на угловых опорах без учета отпора грунта.

В соответствии с условиями для каркасного здания приведенная толщина плиты h в продольном направлении составила 0.806 м. Тогда по формуле (1) критерий жесткости здания в продольном направлении составит:

При жесткости плоская плита и, соответственно, каркасное здание обладают конечной жесткостью.

Для стенового здания приведенная толщина плиты в продольном направлении составила 4.412 м. Тогда по формуле критерий жесткости здания в продольном направлении составит:

При жесткости плоская плита и, соответственно, стеновое здание могут считаться абсолютно жесткими.

Выполненные расчеты плоских плит на упругом основании показали удовлетворительное совпадение результатов с расчетами зданий. Сопоставление расчетов нагрузок на основание приведено на рис.8.