CC BY
23
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 539.3+622.83+519.682.6
В.И. Данилов
заместитель главного инженера -начальник отдела качества, ФГУП «ГУССТ № 8 при Спецстрое России»
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ПРОЕКТИРУЕМЫХ ФУНДАМЕНТНЫХ ПЛИТ ПРИ ВОЗМОЖНЫХ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Аннотация. Рассмотрено имитационное моделирование проектов безопасной реконструкции существующих строений, подверженных возможным естественным и техногенным воздействиям.
Ключевые слова: имитационное моделирование, безопасность строений, напряженно-деформированное состояние, фундамент.
V.I. Danilov, Spetsstroy Russia
SIMULATION MODELING OF THERMO-MECHANICAL PROPERTIES OF THE DESIGNED BASE PLATES
FOR POSSIBLE NATURAL AND MAN-MADE INFLUENCES
Abstract. Considered a safe simulation projects of reconstruction of existing buildings subject to possible naturel and man-made influences.
Keywords: simulation, security structures, the stress-strain state, the foundation.
Строительные здания - это объекты длительной эксплуатации, во время которой они подвержены внешнему воздействию, даже тем, что не были ожидаемы во время проектирования (непроектными воздействиями). К таким воздействиям можно отнести реконструкцию сооружений, пристрои либо встраивание в застройку дополнительных сооружений, все это ведет к дополнительным эксплуатационным нагрузкам, а также к неравномерным осадкам фундаментов, которые дополняют осадки с момента основного строительства. Неравномерные осадки также бывают обусловлены изменением физико-механических характеристик грунтов, которые залегают под фундаментом, к этому приводят негативные геодинамические процессы, как то повышение либо понижение уровня грунтовых вод, выход на поверхность карстовых воронок и т.д., а также увлажнение просадочных или набухающих грунтов по причине неправильной технологии при постройке здания либо из-за нарушения правил эксплуатации. Такие воздействия часто вызывают разные варианты деформации здания, трещины и иногда даже разрушения всего сооружения.
На рисунке 1 представлена конфигурация железобетонной фундаментной плиты, изображенная в плане строительства нового сооружения.
В расчете НДС плиты учитывались следующие нагрузки:
- масса здания, передающая вес на фундамент посредством несущих стен. Нагрузки прикладывались к линиям, конфигурация которых повторяет планировку подвального помещения жилого дома;
- вес слоя грунта, высота которого равняется двум метрам, грунт лежит над областями фундаментной плиты, которые находятся вовне контура внешних стен строения, прикладывается, как равномерно распределенная поверхностная нагрузка;
- собственный вес фундамента.
Помимо граничных условий в напряжениях, которые были указаны ранее, также были заданы граничные условия в перемещениях, то есть на гранях массива грунта, длина и ширина
которого приблизительно на 20 метров превышают ширину и высоту фундаментной плиты заданы симметричные граничные условия, характеризующиеся запретом перемещений в перпендикулярном направлении к соответствующей грани и жестким закреплением нижней поверхности основания.
Рисунок 1 - Фундаментная плита. Рисунок 2 - Схема нагружения
1 - подвальная часть, фундаментной плиты
2 - подземная часть
Задача определения напряженно-деформированного состояния системы "фундаментная плита-основание" под действием нагрузки от нового дома решалась в линейно-упругой постановке методом конечных элементов. Для дискретизации трехмерных областей (фундамент, основание) применялись объемные восьмиузловые конечные элементы первого порядка шести и пятигранной конфигурации.
Расчетная схема задачи изображена на рисунке 3.
Было рассмотрено 4 слоя основания различной толщины, в расчет брались усредненные свойства, которые были получены в ходе инженерно-геологических изысканий. Данные сведены в таблице 1, нумерация слоев соответствует нумерации на расчетной схеме рисунке 3.
Рисунок 3 - Расчетная схема фундаментной плиты, стоящей на упругом основании
Таблица 1 - Свойства основания
Номер слоя Вид грунта Нормативный модуль деформаций, Ео, МПа Коэф-т Пуассона Плотность кг/м3
2 Суглинок 4.9 0.42 1950
3 Глина мягкопластичная 7.5 0.42 2000
4 Глина тугопластичная 17 0.42 2000
5 Суглинок 7.7 0.42 2000
6 Глина 19 0.42 2000
В соответствии с рекомендациями СНиП общая толщина слоя грунта определялась по формуле [1]:
Н = 9 + 0,15В (для глинистых оснований),
где В - опорная ширина конструкции плиты и составила 10 метров.
Была выбрана схема армирования бетонной плиты, показанная на рисунке 4.
Рисунок 3 - Расчетная схема фундаментной Рисунок 4 - Направления укладки арматуры в плиты, стоящей на упругом основании фундаментной плите
Материал плиты - бетон класса В15, армированный в продольном и поперечном направлениях арматурой класса А400 диаметром 14 мм с шагом 30 см. Сетка укладывается в верхней и нижней зонах с защитным слоем бетона 30 мм. Механические свойства бетона и арматуры приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Свойства бетона и армирующей стали
Свойства Начальный модуль упругости МПа Коэф-т Пуассона Расчетное сопротивление на растяжение, МПа Расчетное сопротивление на сжатие, МПа Плотность кг/м3
Бетон 23000 0.22 0.75 8.5 2400
Арматура 200000 0.28 365 365 7800
Для расчета плита по толщине разбита на три слоя с разными свойствами, которые разбивались на объемные конечные элементы первого порядка. Толщина внешних (армированных) слоев равна удвоенной глубине укладки арматуры (по 60 мм каждый). Средний слой -без арматуры. Это позволяет учитывать направление, объемное содержание и механические свойства арматуры.
Рисунок 6 - Напряжения стх на верхней поверхности плиты (Па)
Рисунок 7 - Напряжения стх характерные для нижней поверхности плиты (Па)
-.94ЭЕ-ЛЧ -.7Э2Е-КП
-.3 10Е-КП -ЭВЭБЕЭ
. игг-нт? .эгэЕ-гат
.53 4Е4СП . ■745Е+07 .Э5 6Е-Ю7
Рисунок 8 - Напряжения сту характерные для верхней поверхности плиты (Па)
Рисунок 9 - Напряжения сту на нижней поверхности плиты (Па)
Рисунок 10 - Напряжения в верхнем слое арматуры в направлении оси х (Па)
Рисунок 11 - Напряжения в верхнем слое арматуры в направлении оси у (Па)
Рисунок 12 - Напряжения в нижнем слое арматуры в направлении оси х (Па)
Характерные размеры плиты и распределение внешних нагрузок обуславливают ее поведение, как оболочки на упругом основании. Следовательно, наибольшие (изгибные) напряжения будут располагаться на наружных поверхностях плиты. С помощью упругого расчета было найдено распределение напряжений по всему объему плиты и напряжения в арматуре. На рисунке 5 в качестве примера приведено распределение напряжений сту в бетоне по толщине плиты в левом верхнем углу здания (наиболее опасная зона).
На рисунках 6-9 изображены компоненты тензора напряжений на наружных поверхностях фундамента. Направления осей координат показаны на рисунках 3 и 4.
Как видно из приведенных рисунков, самые большие растягивающие напряжения появляются на нижней поверхности фундамента и достигают 9,5МПа, что больше нормативного сопротивления бетона растяжению ^ ы п,= 1,15МПа), и может привести к образованию трещин.
Напряжения в арматуре получены при линейно-упругом расчете и показаны на рис. 10-13. Максимальные напряжения равны 60 МПа и не превышают расчетного сопротивления арматуры (см. табл. 2).
Рисунок 13 - Напряжения в нижнем слое арматуры в направлении оси у (Па)
Осадка плиты. На рисунке 14 показаны вертикальные перемещения фундаментной плиты в метрах. Наблюдается две области максимальных осадок: 1) область в левом верхнем углу фундамента, обусловленная большой концентрацией нагрузок от несущих стен; 2) область в центре правой половины дома, причиной возникновения которой, наряду с достаточно большими вертикальными нагрузками, является наличие податливого слоя суглинка (слой 5 в табл. 1 и на рис. 3). Максимальная осадка составляет 4.5 см.
Рисунок 14 - Осадка фундамента (в метрах)
Осадка основания. Вертикальные перемещения основания, происходящее на одном уровне с нижней гранью фундаментной плиты, под плитой, а также в областях, расположенных рядом, показаны на рисунках 15-16. Как видно из рисунков осадка основания сходит на нет на расстоянии где-то 1.5-2.5 метра от конца плиты.
Максимальное давление, возникающее в грунте под фундаментной плитой в зоне наружной стены левого верхнего угла здания равно 2.13кг/см (рис. 17). Среднее давление на ос-
нование составляет приблизительно 1 кг/см
Рисунок 15 - Осадка основания в левой части здания (верхний угол), метры
Рисунок 16 - Осадка основания в правой части здания, метры Раскрытие трещин в бетонном фундаменте
Наибольшие растягивающие напряжения возникают на нижней поверхности фундаментной плиты и достигают 9,5МПа. Это больше нормативного сопротивления бетона растяжению ^Ип,=1,15МПа) и может привести к образованию трещин. Поэтому был выполнен нелинейный расчет, учитывающий упруго-хрупкое разрушение бетона, демонстрирующий присутствие трещин в самых опасных зонах.
Присутствие трещин в железобетонном фундаменте допустимо, однако регламентирована ширина их раскрытия асгс, поэтому был выполнен расчет по формуле [2]:
а„„ =
8'9п(о*) х 20 х (3.5 -100/)^б (мм),
Е
где ст5 - растягивающее напряжение в арматуре, Ел - модуль упругости арматуры, / - коэффициент армирования, б — диаметр арматуры (мм),
'о , о 30,
л ' л '
в19п(оз) =
0, о < 0.
Рисунок 17 - Давление на основание (Па)
Результаты расчета ширины раскрытия трещин на верхней и нижней поверхностях плиты представлены на рис. 18-21.
Рисунок 18 - Величина раскрытия трещин в направлении х на верхней поверхности плиты (мм)
Рисунок 19 - Величина раскрытия трещин в направлении у на верхней поверхности плиты (мм)
о
Рисунок 20 - Величина раскрытия трещин в направлении х на нижней поверхности плиты (мм)
и
Рисунок 21 - Величина раскрытия трещин в направлении у на нижней поверхности плиты (мм)
Максимальная величина ширины раскрытия трещины составляет 0.05 мм, что приблизительно в 8 раз меньше предельного значения 0.4 мм [2].
Таким образом, проведенные исследования напряженно-деформированного состояния фундаментной плиты совместно с грунтовым основанием дают возможность рекомендовать как фундамент под новое сооружение монолитную железобетонную плиту, толщина которой будет 300 мм, из бетона класса В15, армированного сетками с шагом стержней 300 мм в верхней и нижней зонах и с защитным слоем 30 мм (арматура - диаметром 14 мм класса А-400). При расчете по методике, рекомендованной СНиП [2] необходимая толщина плиты составляет ~ 700мм.
Список литературы:
1. Горбунов-Пассадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. М.: Стройиздат, 1984. 679с.
2. СНиП 2.01.03-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования.
3. Муравьев К.А. Методики оценки трещиностойкости конструкционных сталей [Текст] / К.А. Муравьев // Приволжский научный вестник - 2012. - № 3 (7). - С. 18-27.
4. Юшков Б.С. Определение величины выпора куста из двуконусных свай силами морозного пучения в полевых условиях [Текст] / Б.С. Юшков, А.О. Добрынин // Приволжский научный вестник. - 2012. - № 12 (16). - С. 23-37.
5. Елисеев В.Н. Особенности моделирования взаимосвязи пространственных данных различного характера [Текст] / В.Н. Елисеев, М.В. Телегина // Приволжский научный вестник -
2012. - № 5 (9). - С. 13-15.
6. Зубенко В.Л. Методика применения CAD/CAM/CAE - систем в научных исследованиях [Текст] / В.Л. Зубенко, И.В. Емельянова, Н.В. Емельянов // Приволжский научный вестник. -
2013. - № 2 (18). - С. 18-23.
List of referencts:
1. Gorbunov-Passadena M.I. Calculation of structures on elastic foundation / M.I. Gorbunov-Passadena, T.A. Malikov, V.I. Solomin. - M.: Stroyizdat, 1984. - 679 p.
2. SNIP 2.01.03-84 * . Concrete and reinforced concrete structures . Design standards .
3. Ants K.A. Methodology for assessing the fracture toughness of structural steels [Text] / K.A. Ants // Scientific Bulletin Volga. - 2012. - № 3 (7). - P. 18-27.
4. Yushkov B.S. Determination of the uplift of the bush dvukonusnyh driving forces of frost heaving in the field [Text] / B.S. Yushkov, A.O. Dobrynin // Scientific Bulletin Volga. - 2012. - № 12 (16). - P. 23-37.
5. Eliseev V.N. Features relationship modeling spatial data of different nature [Text] / V.N. Eliseev, M.V. Telegina // On the Volga - entific Gazette - 2012 . - № 5 (9). - P. 13-15.
6. Zubenko V.L. Technique of application of CAD / CAM / CAE - systems research [Text] / Zubenko V.L., Emelyanova I.V., Emel'yanov N.V. // Scientific Bulletin Volga. - 2013. - № 2 (18). - P. 18-23.
