CC BY
120
ВЕСТНИК лтчпл'».
10/2013
ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ОБСЛЕДОВАНИЕ ЗДАНИИ. СПЕЦИАЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.012.4
В.О. Алмазов, А.Н. Климов
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОТНОГО ЗДАНИЯ
Проведено сопоставление прогнозируемых деформаций вертикальных несущих конструкций высотного здания с экспериментальными данными, полученными при помощи действующей системы инструментального мониторинга. Моделирование здания и прогноз напряженно-деформированного состояния конструкций выполнен с учетом стадийности возведения здания и изменения деформационных характеристик бетона в процессе строительства. Проведен анализ количественного и качественного соответствия расчетной модели и существующего высотного здания.
Ключевые слова: мониторинг, железобетон, экспериментальные данные, напряженно-деформированное состояние, расчетная модель, высотные здания.
Работы по масштабному экспериментальному исследованию напряженно-деформированного состояния (НДС) несущих конструкций высотных зданий начали проводиться в конце 1990-х — начале 2000-х гг., что связано с развитием высотного строительства по всему миру (США, страны ЕС, Россия, ОАЭ, Япония, Китай, Сингапур и др.). За рубежом эти исследования базируются на опыте инструментальных наблюдений за объектами инфраструктуры: мостами, тоннелями, дамбами и др., методика которых к настоящему моменту отработана и получены большие массивы данных [1, 2]. Исследования, посвященные мониторингу большепролетных мостов, позволяют решать ряд важных задач, основные из которых [3]:
проверка расчетных предпосылок и параметров расчетных моделей для совершенствования конструктивных решений будущих сооружений, а также внесения поправок в нормативную документацию;
обнаружение не предусмотренных проектом нагружений и реакции со стороны сооружения на ранних стадиях его эксплуатации для предотвращения чрезвычайных ситуаций;
сбор данных о состоянии конструкций в реальном времени для оценки безопасности сооружений непосредственно после чрезвычайных ситуаций (стихийных бедствий и др.);
сбор данных о состоянии конструкций для планирования визуальных осмотров, инспекций, плановых ремонтов;
накопление массивов экспериментальных данных для исследований в области сопротивления сооружений ветровым и сейсмическим воздействиям, проектирования новых типов конструкций и применения современных материалов.
В настоящее время эти задачи становятся актуальными и для высотных зданий, однако в данной области проведено значительно меньше исследований. Известны работы Р. Катценбаха и др. по инструментальному мониторингу оснований и фундаментов высотных зданий, находящихся в сложных геологических условиях (г. Франкфурт-на-Майне, Германия). Основной задачей этих исследований было подтверждение расчетных предпосылок, использованных при проектировании комбинированных плитно-свайных фундаментов [4, 5].
Масштабные исследования НДС несущих конструкций надземной части высотных зданий начали проводиться в последнее десятилетие. Одна из самых значительных работ — это стартовавший в 2001 г. пилотный проект мониторинга высотных зданий в Сингапуре [6], по которому уже получен ряд многообещающих результатов.
Важно отметить, что Россия в этой области находится на одной из лидирующих позиций. Комплексные системы мониторинга начали внедряться на строительных объектах Москвы с 2004 г. [7]. Значительную роль в этом сыграло требование по проведению мониторинга в процессе строительства и эксплуатации высотных зданий, закрепленное российским законодательством и нормативными документами (№ Э84-ФЗ, МГСН 4.19—2005 и др.). В настоящей статье представлена лишь небольшая часть результатов, полученных в ходе проведения мониторинга высотных зданий, который осуществляется в г. Москве ведущей научно-исследовательской и проектной организацией по высотному строительству ОАО «ЦНИИЭП жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища)».
Одним из важнейших этапов исследования НДС конструкций высотных зданий является сопоставление расчетных и экспериментальных данных [8], который включает в себя решение следующих задач:
адекватное моделирование грунтового основания;
учет изменения параметров здания во время строительства и ввода в эксплуатацию (изменение свойств материалов во времени и под нагрузкой, стадийность приложения нагрузок, трансформация расчетной схемы);
учет температурных факторов.
Вопросы моделирования грунтового основания высотных зданий подробно рассматриваются в [9—11]. Учет температурных факторов осуществляется в процессе обработки данных системы мониторинга за счет введения соответствующих поправок. Возможность учета стадийности приложения нагрузок и трансформации расчетной схемы в процессе возведения здания зависит от применяемого расчетного комплекса. Эта функция реализована в расчетных комплексах, применяющихся в России [12].
Учет изменения деформационных характеристик железобетона во времени и под нагрузкой предлагается осуществлять в процессе пересчета напряжений, полученных из упругого расчета компьютерной модели здания, в деформации конструкции в каждый конкретный период времени. При этом используется упрощенный метод для определения пластических деформаций бетона [13].
На основании решения этих частных задач получена методика сопоставления прогнозируемого НДС несущих конструкций высотных зданий с данными, полученными в процессе мониторинга. Методика применяется при научно-тех-
ВЕСТНИК
МГСУ-
10/2013
Рис. 1. Высотный жилой дом
ническом сопровождении мониторинга высотных зданий, осуществляемом ОАО «ЦНИИЭП жилых и общественных зданий». В частности, методика опробована и показала хорошие результаты при обработке результатов мониторинга высотного 43-этажного жилого дома по адресу: г. Москва, ул. Дыбенко, д. 38 (рис. 1).
Здание оборудовано современной комплексной системой инструментального мониторинга НДС несущих конструкций, которая включает в себя датчики относительных деформаций в фундаментной плите и в стенах 1-го этажа. Эта система уже позволила получить детальные по времени и статистически значимые массивы данных о состоянии конструкций [14].
Для получения расчетных параметров НДС: продольных сил и изгибающих моментов была составлена расчетная модель здания, к каждой конструкции, оборудованной датчиками системы мониторинга, был «привязан» конечный элемент этой модели. Описание взаимодействия здания с грунтовым основанием в основной расчетной модели осуществлялось при помощи итеративного алгоритма Шварца, позволяющего вычислять переменные по площади фундаментной плиты, коэффициенты жесткости.
Для учета фактора возведения здания было принято 11 этапов возведения с шагом в 5 этажей, на которых прикладывались нормативные нагрузки от собственного веса несущих железобетонных и наружных ограждающих конструкций, а также 2 стадии, которые моделировали загружение перекрытий постоянными нагрузками от отделочных слоев и полезными нагрузками. Такой порядок построения расчетной модели и ее нагружения отражает фактический график строительства жилого дома (рис. 2). Выбор шага по времени возведения в 5 этажей обусловлен проведенным ранее анализом данных мониторинга для других высотных зданий.
По полученным из расчета усилиям были вычислены относительные деформации в несущих конструкциях. При этом деформации железобетонных конструкций определялись как сумма упругих деформаций 8е, деформаций ползучести 8р1 и деформаций свободной усадки 8^. Расчет деформаций ползучести осуществлялся по принципу наложения, который заключается в том, что суммарная деформация ползучести при переменном напряжении может быть найдена как сумма деформаций ползучести, вызванных соответствующими приращениями напряжений:
1 р1
=Ёе р1,1 ( > 1- ч X
I=1
где До. — приращение напряжений от /-го этапа нагружения; п — расчетное количество этапов нагружения; — дата приложения нагрузки /-го этапа нагружения; / — дата, для которой вычисляются деформации ползучести.
45
40
35 30
25 20
15 10
Этап 4
МНОГ ОЭТАЖНОЕ ЗДАНИЕ ala* и эксплу
А s У
2 »тапЗ /
Эта л 2 приостановка -строительства /
1-2
„-'
В ысо тк ОЕЗДА
Э к n 1
фунд a мент
J ь____ Ь- - ! à à
щ
ация
Дата
Ъ.
% %
Рис. 2. График строительства жилого дома, ул. Дыбенко, д. 38
Эта методика позволила построить расчетные графики изменения относительных деформаций в несущих конструкциях в процессе строительства и эксплуатации здания, которые отражают прогнозируемое изменение НДС конструктивных элементов и работу здания в целом. На рис. 3 приведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных для стен 1-го этажа различной толщины (250 и 400 мм) за 4 года (с 2008 по 2012), показан возможный интервал изменения деформаций по расчету, отражающий вероятностный характер нагрузок, приложенных к модели здания.
в,
С1 (толщина 250 мм)
"»00 • -300 -
___^J' г
-100 ' 1/
0 ■
/ / «Г
S'
■У J?
С12 (толщина 400 мм)
/
СЗ (толщина 400 мм)
•У V
С14 (толщина 250 мм)
•500 '
-300 .
0
-200 ■ f
/
0 '
/ У /
J?
S
■- расчетный график деформаций с областью вероятных значений
---- экспериментальный график деформаций
....... расчетный график деформаций без учета стадийности возведения здания
Рис. 3. Сопоставление расчетных и экспериментальных графиков относительных деформаций в стенах 1-го этажа во время строительства и эксплуатации здания
ВЕСТНИК AmiMt.
10/2013
Расчетные графики, полученные с учетом всех вышеперечисленных факторов, оказывающих влияние на формирование и изменение НДС несущих конструкций высотного здания, близки к графикам, построенным на основании данных системы мониторинга как качественно, так и количественно. Это позволяет принять обоснованное решение о соответствии работы здания проекту.
Для оценки целесообразности поэтапного отслеживания изменения НДС конструкций в период строительства на рис. 3 построены расчетные графики развития относительных деформаций в рассматриваемых точках конструкций без учета стадийности возведения здания и приложения нагрузок. Такой подход приводит к существенному расхождению с экспериментом в процессе возведения здания, однако его применение для определения результирующего значения деформаций вполне допустимо.
Проведенное сопоставление результатов позволяет выявить несоответствия прогнозируемого и действительного НДС несущих конструкций, которые возникают вследствие допущений, заложенных в компьютерную модель здания. Выделим на экспериментальных графиках деформаций стен некоторые особенности:
1) скачкообразное изменение значений относительных деформаций в стенах 1-го этажа во время приостановки строительства с разбросом значений до 25 % от среднего уровня;
2) «запаздывание» экспериментального графика деформаций по сравнению с расчетным;
3) превышение экспериментальной скорости роста деформаций в некоторых конструкциях (например, в стене СЗ) над прогнозируемой скоростью.
Это поведение деформаций пока что невозможно объяснить с точки зрения изученных свойств железобетона, но как показывает исследование, в конечном счете, оно не оказывает заметного влияния на окончательные результаты.
Выводы. 1. Отклонения экспериментальных графиков от расчетных свидетельствуют о наличии неучитываемых факторов, оказывающих влияние на НДС несущих конструкций высотного здания, в первую очередь, перераспределения усилий в статически неопределимых системах и реологических свойств железобетона.
2. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных может быть использовано для оптимизации расчетных моделей.
3. При анализе данных системы мониторинга выявленные отклонения нужно принимать во внимание, чтобы не сделать преждевременных выводов о необходимости принятия аварийных мер.
Библиографический список
1. Casciati F. An overview of structural health monitoring expertise within the European Union. In: Wu Z.S., Abe M. Structural health monitoring and intelligent infrastructure — Proceedings of the 1st International Conference on Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure. Lisse, the Netherlands, Balkema. 2003, vol. 1, pp. 31—37.
2. Glisic B., Inaudi D. Fibre Optic Methods for Structural Health Monitoring. John Wiley & Sons, Inc., 2007, 276 p.
3. Ko J.M., Ni Y.Q. Technology developments in structural health monitoring of large-scale bridges. Engineering Structures. Elsevier, 2005, vol. 27, no. 12, pp. 1715—1725.
4. Katzenbach R, Hoffmann H., Vogler M., Moormann C. Costoptimized Foundation Systems of High-Rise Structures, based on the Results of Actual Geotechnical Research. International Conference on Trends in Tall Buildings, September 5—7, 2001. Frankfurt on Main, pp. 421—443.
5. Schmitt A., Turek J., Katzenbach R. Application of geotechnical measurements for foundations of high rise strucutres. 2nd World Engineering Congress (WEC), 22-25 July 2002. Sarawak, Malaysia, pp. 40—46.
6. Glisic B., Inaudi D., Lau J.M., Fong C.C. Ten-year Monitoring of high-rise building columns using long-gauge fiber optic sensors. Smart Materials and Structures, 2013, vol. 22, no. 5, paper 055030.
7. Мониторинг в процессе строительства напряженно-деформированного состояния несущих конструкций и грунтов основания высотных зданий в Москве / А.Б. Вознюк, Н.К. Капустян, В.К. Таракановский, А.Н. Климов// Будiвельнi конструкци. 2010. Вып. 73. C. 461—467.
8. Алмазов В.О., Климов А.Н. Актуальные вопросы мониторинга зданий и сооружений // Сб. докладов традиционной науч.-тех. конф. профессорско-преподавательского состава Института строительства и архитектуры. М. : МГСУ 2010. C. 169—174.
9. Тер-Мартиросян З.Г., Теличенко В.И., Королев М.В. Проблемы механики грунтов, оснований и фундаментов при строительстве многофункциональных высотных зданий и комплексов // Вестник МГСУ 2006. № 1. С. 18—27.
10. Крыжановский А.Л., Рубцов О.И. Вопросы надежности проектного решения фундаментных плит высотных зданий // Вестник МГСУ. 2006. № 1. С. 191—198.
11. Безволев С.Г. Проектирование и расчеты оснований и фундаментов высотных зданий в сложных инженерно-геологических условиях // Развитие городов и геотехническое строительство. 2007. № 11. C. 98—118.
12. Кабанцев О.В., Карлин А.В. Расчет несущих конструкций зданий с учетом истории возведения и поэтапного изменения основных параметров расчетной модели // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 7. С. 33—35.
13. Рекомендации по учету ползучести и усадки бетона при расчете бетонных и железобетонных конструкций. М. : Стройиздат, 1988. 121 с.
14. Климов А.Н. Методика обработки данных системы мониторинга высотного здания // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 12. C. 42—43.
Поступила в редакцию в сентябре 2013 г.
Об авторах: Алмазов Владлен Ованесович — доктор технических наук, профессор кафедры железобетонных и каменных конструкций, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Климов Алексей Николаевич — ассистент кафедры железобетонных и каменных конструкций, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].
Для цитирования: Алмазов В.О., Климов А.Н. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния конструкций высотного здания // Вестник МГСУ 2013. № 10. С. 102—109.
BECTHMK ,n;on<n
10/2013
V.O. Almazov, A.N. Klimov
EXPERIMENTAL RESEARCH INTO THE STRESS-STRAIN STATE OF HIGH-RISE BUILDINGS CONCRETE STRUCTURES
Some results of high-rise buildings monitoring program are presented in this paper. The monitoring system is currently operating at the high-rise apartment building in Moscow. The vibrating wire strain gauges were embedded in the foundation slab and ground-level walls during the construction. Measurements are carried out automatically at 6-hour intervals, and received in real time by the monitoring station. In this paper the result of measuring the strain in the concrete walls during 4 years is reported.
The computer model of the building was made in order to compare the experimental and predicted data. Mathematical models of a high-rise building are simplified, but we are taking into account the main factors, that influence the stress-strain state of reinforced concrete structures. These factors are: influence of soil base, phases of construction and change of concrete deformation characteristics. The total strain in constructions was calculated as a sum of a strain under load, thermal strain, plastic shrinkage and creep. This data was compared with the total strain in structures measured by the gauges.
The analysis of quantitative and qualitative correspondence between the model and actual data was performed. The comparison shows that the theoretical results obtained by the performed procedure are similar to the experimental data. It demonstrates that the model reflects the actual behavior of constructions. The differences found during the comparison are due to the redistribution of stresses from one part of a construction to the other that can occur even if the load is constant. This phenomenon is clearly seen during the suspension of construction. Some differences due to unaccounted factors were found, which should be investigated later.
Key words: monitoring, reinforced concrete, experimental data, stress-strain state, high-rise buildings, finite-element model, comparison of predicted and actual data.
References
1. Casciati F. An Overview of Structural Health Monitoring Expertise within the European Union. In: Wu Z.S., Abe M. Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure — Proceedings of the 1st International Conference on Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure. Lisse, the Netherlands, Balkema. 2003, vol. 1, pp. 31—37.
2. Glisic B., Inaudi D. Fibre Optic Methods for Structural Health Monitoring. John Wiley & Sons, Inc., 2007, 276 p.
3. Ko J.M., Ni Y.Q. Technology Developments in Structural Health Monitoring of Large-scale Bridges. Engineering Strucutres. Elsevier, 2005, vol. 27, no.12, pp. 1715—1725.
4. Katzenbach R, Hoffmann H., Vogler M., Moormann C. Costoptimized Foundation Systems of High-Rise Structures, based on the Results of Actual Geotechnical Research. International Conference on Trends in Tall Buildings, September 5—7, 2001. Frankfurt on Main, pp. 421—443.
5. Schmitt A., Turek J., Katzenbach R. Application of Geotechnical Measurements for Foundations of High Rise Structures. 2nd World Engineering Congress (WEC), 22—25 July 2002. Sarawak, Malaysia, pp. 40—46.
6. Glisic B., Inaudi D., Lau J.M., Fong C.C. Ten-year Monitoring of High-rise Building Columns Using Long-gauge Fiber Optic Sensors. Smart Materials and Structures, 2013, vol. 22, no. 5, paper 055030.
7. Voznyuk A.B., Kapustyan N.K., Tarakanovskiy V.K., Klimov A.N. Monitoring v protsesse stroitel'stva napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya nesushchikh konstruktsiy i gruntov osnovaniya vysotnykh zdaniy v Moskve [Stress-strain State Monitoring of Structures and Soil Base of High-rise Buildings in Moscow]. Budivel'ni konstruktsii [Building Constructions]. Kiev, 2010, vol. 73, pp. 461—467.
8. Almazov V.O., Klimov A.N. Aktual'nye voprosy monitoringa zdaniy i sooruzheniy [Topical Issues of Buildings and Structures Monitoring]. Sbornik dokladov traditsionnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii professorsko-prepodavatel'skogo sostava Instituta stroitel'stva i arkhitektury [Collected Reports of the Traditional Scientific and Technical Conference of the University Faculty of the Institute of Civil Engineering and Architecture]. Moscow, MGSU Publ., 2010, pp. 169—174.
9. Ter-Martirosyan Z.G., Telichenko V.I., Korolev M.V. Problemy mekhaniki gruntov, os-novaniy i fundamentov pri stroitel'stve mnogofunktsional'nykh vysotnykh zdaniy i kompleksov [Problems of Soil Mechanics, Soil Bases and Foundations in the process of Erection of High-rise Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2006, no. 1, pp. 18—27.
10. Kryzhanovskiy A.L., Rubtsov O.I. Voprosy nadezhnosti proektnogo resheniya fun-damentnykh plit vysotnykh zdaniy [Reliability of Foundation Slabs of High-rise Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2006, no. 1, pp. 191—198.
11. Bezvolev S.G. Proektirovanie i raschety osnovaniy i fundamentov vysotnykh zdaniy v slozhnykh inzhenerno-geologicheskikh usloviyakh [Designing Procedure and Calculations of Soil Bases and Foundations of High-rise Buildings in Difficult Geotechnical Conditions]. Raz-vitie gorodovi geotekhnicheskoe stroitel'stvo [Development of Urban Areas and Geotechnical Engineering]. 2007, no. 11, pp. 98—118.
12. Kabantsev O.V., Karlin A.V. Raschet nesushchikh konstruktsiy zdaniy s uchetom istorii vozvedeniya i poetapnogo izmeneniya osnovnykh parametrov raschetnoy modeli [Calculation of Bearing Structures of Buildings with Due Regard to the History of Construction and Stage-by-stage Change of Key Parameters of Computational Model]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2012, no. 7, pp. 33—35.
13. Rekomendatsii po uchetu polzuchesti i usadki betona pri raschete betonnykh i zhe-lezobetonnykh konstruktsiy [Guidance on Accounting for Creep and Shrinkage of Concrete in case of Calculation of Reinforced Concrete Structures]. Moscow, Stroyizdat Publ, 1988, 121 p.
14. Klimov A.N. Metodika obrabotki dannykh sistemy monitoringa vysotnogo zdaniya // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Techniques of Data Processing of Monitoring System of High-rise Buildings]. 2012, no. 12, pp. 42—43.
About the authors: Almazov Vladlen Ovanesovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Klimov Alexey Nikolaevich — Assistant, Department of Reinforced Concrete and Masonry Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].
For citation: Almazov V.O., Klimov A.N. Eksperimental'noe issledovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya konstruktsiy vysotnogo zdaniya [Experimental Research into the Stress-Strain State of High-rise Buildings Concrete Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 10, pp. 102—109.
