12Изготовление нестандартных узлов при проектировании зданий и сооружений
Александровский Максим Вячеславович
кандидат технических наук, доцент, кафедра строительной и теоретической механики, "Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет" (НИУ МГСУ), AleksandrovskiyMV@mgsu.ru
На данном этапе развития строительной отрасли существует тенденция увеличения объемов работ по строительству и реконструкции в условиях плотной городской застройки и освоение территорий со сложными инженерно-геологическими условиями. При реконструкции часто возникает необходимость выполнения дополнительных элементов жесткости, чтобы привести конструктивную схему здания в соответствие с действующими нормам, в таких случаях часто необходимо усиливать существующие или добавлять новые фундаменты. Реконструкция зданий в условиях уплотненной городской застройки, как правило, связано со значительными осложнениями конструктивных, технологических и организационных решений на всех этапах проектирования и реконструкции здания. Укрепление фундамента является одним из основополагающих этапов реконструкции или реставрации здания. Деформации конструкций, в частности фундамента, происходят в процессе длительной эксплуатации зданий и сооружений. Основными процессами, влияющими на разрушение, деформацию и усадку оснований и фундаментов зданий, являются увеличение нагрузки, разрушение кладки, снижение гидроизолирующих свойств, ухудшение условий устойчивости фундаментов или грунтов в их основе, увеличение деформативности грунтов, недопустимое перемещение конструкций. Например, надстройка с увеличением нагрузок на фундаменты сопровождается восстановлением процесса оседания здания. Множество домов надстраивают, порой неоднократно. Ключевые слова: узел, проектирование, здания, сооружения, методика.
В значительной степени на деформативность фундамента также влияет физическое воздействие, то есть строительные работы, которые проводятся в городе - развитие метрополитена, трамвайных путей, трасс, инженерных систем, оказывающих динамическое воздействие на фундаменты зданий снаружи.
В каждом конкретном случае проводится тщательное обследование технического состояния строительных конструкций существующего здания и инженерно-геологические изыскания. На основе полученных данных, а также с учетом цели реконструкции, технических решений по конструктивным схемам надстройки и технологии выполнения работ, принимаются проектные конструктивные и технологические решения по усилению конструкций фундаментов, и при необходимости и самого здания.
Часто усиление фундаментов сваями выполняют, особенно в случаях увеличения этажности здания и нагрузки [6], а также в связи с ухудшением несущей способности основания. Несмотря на то, что сваи применяются давно и в различных почвенных условиях, остается еще довольно много вопросов.
Во многих городах, построены в вблизи бывших рек, на берегах озер актуальной является тема разрушения зданий тех частей города, где неравномерной осадки фундаментов обусловлено неоднородными и слабыми грунтами основания [7]. Вследствие чего наблюдаются деформации зданий, раскрываются трещины в наружных и внутренних стенах, что создает опасность для людей и приводит к постепенному разрушению зданий.
В частности возникает необходимость реконструкции и капитального ремонта жилых и общественных зданий в центральной части городов [8], многие из которых включены в перечень памятников , охраняемых ЮНЕСКО
Выбор метода, а также технологии усиления фундамента зависит от многих факторов, в частности: категории технического состояния здания [3], конструктивной схемы здания, геологических условий, плотности застройки и так далее.
У И Ч % '
/ || |[ \
Л45' |±=±| \ * * * * * * * *
' г
Рисунок 1. Примеры традиционных методов усиления фундаментов: 1 - существующий фундамент; 2
- обойма; 3 - распорка из металлических профилей; 4 - армирование обоймы; 5 - арматурный каркас; 6
- анкеры.
Как правило в литературе приведены традиционные методы усиления фундаментов [4]. Однако последние годы в странах Европы активно развиваются современные способы усиления, а также новые технологии выполнения работ и соответствующее
оборудование [1]. В некоторых случаях целесообразно сочетание традиционных и современных методов реконструкции фундаментов и оснований.
Рассмотрим традиционные способы усиления фундаментов. Большинство традиционных методов усиления оснований и фундаментов сводятся к увеличению площади опирания подошвы существующих фундаментов, таким образом уменьшая давление на грунт основания [4]. Типичные способы усиления, предложенные в 50-х годах прошлого века приведены на рис.1.
За счет выполнения железобетонных обойм можно обеспечить увеличение площади подошвы фундаментов, которые необходимо усилить. Однако расширение подошвы фундаментов не всегда является эффективным методом при наличии слабых водонасыщенных грунтов. Как показывает практика, расширение подошвы фундаментов включается в работу при увеличении нагрузки на фундаменты, когда есть дополнительные осадки. А это в свою очередь может быть критичным для старого здания и потребует дополнительного усиления здания.
Рисунок 2. Способы химического закрепления грунтов основы: 1 - существующий фундамент; 2 - химический раствор; 3 - скважина; 4 - труба по которой подается раствор; 5 - закрепленный грунт; 6 -форсунки.
Принципиальные приемы усиления фундаментов традиционными способами сводятся к следующим работам. Сперва усилительный фундамент разбивают на захватки 1,5-2,0 м. на которых вручную выполняют траншеи шириной 1,2-2.0 м. относи-
тельно подошвы. После этого в фундамент забивают металлические штыри или необходимое армирование, устанавливают опалубку и бетонируют расширение. Таким образом подобные методы усиления есть достаточно сложные и дорогостоящие в исполнении, а также в основном выполняются вручную. В местах, где уровень подземных вод достаточно высок, есть необходимость откачивать воду, при этом стоимость выполнения работ значительно возрастает.
Другими эффективными методами усиления фундаментов является усиление грунтов основания (рис. 2) [4]. Существует большой выбор химических реагентов, способных закрепить почву основы на достаточно долгий период времени.
Химические способы закрепления имеют ряд преимуществ: высокий уровень механи-зациии работ; низкая трудоемкость, сравнительно невысокая стоимость материалов.
Недостатками таких методов является неконтролируемый процесс химического закрепления основ в условиях слабых грунтов, а также при наличии существующих коммуникаций плотной застройки города.
В мировой практике все чаще применяют новые способы усиления оснований и фундаментов. Последние годы разрабатываются новые технологии и принципиальные методы усиления фундаментов как в свою очередь минимизируют ручную работу и имеют высокую степень механизации.
Одним из таких методов является усиление фундаментов с помощью инъекционных и буроинъекционных свай [6], которые проходят сквозь существующий фундамент (рис. 3; рис. 4). При этом железобетонную плиту включают в совместную работу с существующим фундаментом.
буроинъекционные сваи;
MICRO PILE (TYP)
кА ¿st
Рисунок 4. Усиление фундаментов буроинъекционными микроплощадями:
Рисунок 5. Принцип устройства усиления фундаментов исторической застройки микроплощадями
В условиях плотной застройки городов является необходимость разработки метода усиления фундаментов для специфических геологических условий, который бы позволил без существенных разрушений существующих зданий, с максимальным их сохранением, усилить существующие фундаменты и позволить увеличить нагрузку на здание надстройкой дополнительных этажей или мансардных помещений. Особенно эффективным в таком случае является применение микроплощадей (рис. 4).
Одним из вариантов использования подобных свай является применение их вместе с монолитными плитами в подвальных помещениях зданий. Плита заводится в стены фундамента здания с помощью штраб и соединяется с ними. Плита вместе со сваями выполняет стабилизирующую функцию для каркаса здания, включение в работу только плиты дает возможность перераспределить нагрузку на основания. А рациональное распределение свай в пределах монолитной плиты дает возможность стабилизировать неравномерные осадки здания, а соответственно и ее наклон.
Однако сегодня, наряду с требованиями надежности фундаментов и технологичности их выполнения, большое влияние на выбор того или иного типа фундаментов имеет экономическая целесообразность их устройства и соответствие требованиям природоохранного законодательства, что предусматривает проведение работ с низким уровнем шума и малыми энерго - и трудозатратами.
Этим требованиям полностью соответствуют микроплощади, устраиваемые методом безударного вдавливания [8].
Микроплощади - железобетонная свая круглого, прямоугольного или трапецеидального поперечного сечения площадью до 300 см2 и длиной до 6,0 м.
Было исследовано усиление существующих фундаментов микроплощадями, которые вдавливаются в грунт. Так, в работе [3] описано усиление существующих фундаментов здания спортивного зала трубобетонными вдавленными миркоплощадями в условиях ограниченного пространства и существующих сооружений (рис. 6). Технология усиления заключалась в выполнении следующих работ. Сперва секции металлических свай, заполненных инъекционным вяжущим раствором, вдавливали в почву на необходимую глубину (рис. 8). Усилие вдавливания свай передавали на железобетонную монолитную балку, которую предварительно выполнили, чтобы исключить сминание кирпичных стен. После устройства микроплощадей, штрабы в стенах и фундаментах замоноличивали и замуровывали (рис. 7). Шаг свай - 1,5 м; максимальное расчетное усилие на микроплощади-120 кН. (максимальная длина свай - 6 м).
Рисунок 6. Схема усиления фундаментов: а) схема выполнения усиления фундаментной ленты; Ь) разрез по фундаментной ленте; с) фронтальный вид фундаментной ленты после получения усиления.
В результате выполненного усиления фундаментов микроплощадями, осадки свай после 6 месяцев эксплуатации находились в пределах нормативных значений погрешности, а экономический эффект данного усиления более как в 3 раза дешевле, чем другие альтернативные методы усиления оснований и фундаментов.
Рисунок 8. Процесс вдавливания микроплощади (фото)
В работе описан практический опыт выполнения усиления фундаментов для стабилизации усадок исторического дома (рис. 9).
К-К
ягит рлктЕяи
Рисунок 9. Схема усиления фундаментов исторического дома
В условиях плотной исторической застройки города, данный метод усиления фундаментов микроплощадями был достаточно эффективным, менее трудоемким в выполнении (по сравнению с другими методами усиления фундаментов), а также способствовал уменьшению усадок здания, что в свою очередь предотвращает расширению трещин в несущих и ограждающих конструкциях сооружения.
Исследованиям совместной работы кустов микроплощадей посвящена работа иностранных авторов [4]. В частности, в этой работе описан положительный эффект усиления фундаментов «кустом» микроплощадей. Поскольку нагрузка от сооружения передается на массив уплотненного и усиленного микроплощадями грунта, а не на отдельные микроплощади, это дает впрыскиванию значительно лучший эффект для уменьшения оседания (рис. 10).
Также, в работе [2] авторы приводят примеры применения различных типов микроплощадей для усиления и нового строительства опор мостов (Нью-Джерси, США), транспортных сооружений (Бруклин, Нью-Йорк), подпорных стен, пирсов (Армстронг, США), др (рис. 11). Через малые габариты установки для устройства микроплощадей, а также скорость монтажа их можно устраивать в сложных условиях строительства, укрепления откосов и на берегах рек и водоемов.
Свайные фундаменты в существующих зданиях следует устраивать без значительных динамических воздействий на основу. В противном случае это может привести к неравномерным осадкам и развитию трещин в усиливающемся здании и соседних домах. Поэтому, наиболее рациональный метод - это вдавливание многосекционных свай в грунт непосредственно из подвальных помещений. Именно поэтому актуальным является использование металлических труб, которые вдавливались в грунт, с последующим укладыванием в них арматурных стержней и заполнением их бетоном. Металлическая труба вдавливается в грунт отдельными секциями, длина которых определяется высотой подвала и особенностями технологического оборудования.
£3
PALI RADICE (ROOT PILE) RET 1СULATED STRUCTURE
Рисунок 10. Схема усиления фундаментов «кустом» микроплощадей
NEW BRIDGE STRUCTURE
BRIDGE ABUTMENT
MICROPILE FOUNDATION SUPPORT (TYP)
A) BRIDGE FOUNDATION SUPPORT
ROADWAY
/
MICROPILES
SOFT GROUND TUNNEL
B) MICROPILE FOUNDATION SUPPORT FOR SOFT GROUND TUNNELING BENEATH EXISTING STRUCTURES
SOUNDWALL
_J
MICROPILE (TYP)
MICROPILE (TYP)
C) FOUNDATION SUPPORT FOR CAST IN PLACE REINFORCED CONCRETE RETAINING WALS
D) FOUNDATION SUPPORT FOR HIGHWAY SOUNDWALLS
Рисунок 11. Примеры применения микроплощадей для строительства инженерных сооружений
В результате изучения литературных источников, применению микроплощадей для усиления и нового строительства имеет широкое применение в мировой практике, однако использование микроплощадей в стране сдерживается недостаточным уровнем существующих методик их расчета. Это прежде всего связано с недостаточным уровнем изучения взаимодействия вдавливаемой сваи с почвой основания и зданием.
Дальнейшее развитие и совершенствование свайных фундаментов, в том числе по технологии вдавливания свай, возможен лишь при детальном изучении взаимодействия свай данного вида с окружающим грунтом и разработке надежных и точных методов и алгоритмов их расчета при реконструкции.
Литература
1. Chipps, K. A., Bardayan, D. W., Blackmon, J. C., Browne, J., Couder, M., Erikson, L. E., ... Wiescher, M. (2013). A gas jet target for radioactive ion beam experiments. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1525, pp. 625-629). https://doi.org/10.1063/1.4802403
2. Confuorto, P., Di Martire, D., Infante, D., Novellino, A., Papa, R., Calcaterra, D., & Ramondini, M. (2019). Monitoring of remedial works performance on landslide-affected areas through ground- and satellite-based techniques. Catena, 178, 77-89. https://doi.org/10.1016/j.catena.2019.03.005
3. Geertsen, C., & Vernageau, S. (2014). Designing and building a buried high integrity pipeline for 150°C emulsion transportation. In Society of Petroleum Engineers - SPE Heavy Oil Conference Canada 2014 (Vol. 2, pp. 827-836). https://doi.org/10.2118/170077-ms
4. Huang, S., Li, C., & Luo, L. (2017). Landslide Monitoring Network Establishment within Unified Datum and Stability Analysis in the Three Gorges Reservoir Area. Journal of Sensors, 2017. https://doi.org/10.1155/2017/9819214
5. Khatib, T., Shaar, A., Alhamad, F., Dwikat, H., Shunnar, R., & Othman, M. (2018). Development of SolenX: A reliable and cost effective solar aid box for underserved and rural areas in Palestine. Energy Conversion and Management, 174, 863-873. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.08.066
6. Olatinsu, O. B., Oyedele, K. F., & Ige-Adeyeye, A. A. (2019). Electrical resistivity mapping as a tool for post-reclamation assessment of subsurface condition at a sand-filled site in Lagos, southwest Nigeria. SN Applied Sciences, 1(1). https://doi.org/10.1007/s42452-018-0028-5
7. Sakharovsky, A. V, & Strokova, L. A. (2020). Determining landslide slope stability when designing a bridge over the river poshnarka in the Chuvash Republic. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Geo Assets Engineering, 331(1), 125-134. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/1/2454
8. Zeng, N., Ye, X., Peng, X., & König, M. (2019). Applying Kanban system in construction logistics for real-time material demand report and pulled replenishment. In Proceedings of the 36th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, ISARC 2019 (pp. 1018-1025). https://doi.org/10.22260/isarc2019/0136
Production of non-standard components in the design of buildings and structures Aleksandrovsky M.V.
National Research Moscow State University of Civil Engineering
At this stage of development of the construction industry, there is a tendency to increase the volume of construction and reconstruction work in conditions of dense urban development and the development of territories with complex engineering and geological conditions. During reconstruction, it is often necessary to perform additional elements of rigidity in order to bring the structural scheme of the building in accordance with current standards, in such cases it is often necessary to strengthen existing or add new foundations. Reconstruction of buildings in conditions of dense urban development, as a rule,
is associated with significant complications of structural, technological and organizational solutions at all stages of design and reconstruction of the building. Strengthening the foundation is one of the fundamental stages of reconstruction or restoration of the building. Deformations of structures, in particular foundations, occur during the long-term operation of buildings and structures. The main processes affecting the destruction, deformation and shrinkage of the foundations and foundations of buildings are an increase in the load, the destruction of masonry, a decrease in waterproofing properties, deterioration of the stability conditions of foundations or soils at their base, an increase in the deformability of soils, unacceptable movement of structures. For example, the superstructure with increasing loads on the foundations is accompanied by the restoration of the process of subsidence of the building. Many houses are being built on, sometimes repeatedly.
Keywords: node, design, buildings, structures, methodology.
References
1. Chipps, K. A., Bardayan, D. W., Blackmon, J. C., Browne, J., Couder, M., Erikson, L. E.....Wiescher, M. (2013). A gas jet
target for radioactive ion beam experiments. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1525, pp. 625-629). https://doi.org/10.1063/1.4802403
2. Confuorto, P., Di Martire, D., Infante, D., Novellino, A., Papa, R., Calcaterra, D., & Ramondini, M. (2019). Monitoring of remedial works performance on landslide-affected areas through ground- and satellite-based techniques. Catena, 178, 7789. https://doi.org/10.1016Zj.catena.2019.03.005
3. Geertsen, C., & Vernageau, S. (2014). Designing and building a buried high integrity pipeline for 150°C emulsion transportation. In Society of Petroleum Engineers - SPE Heavy Oil Conference Canada 2014 (Vol. 2, pp. 827-836). https://doi.org/10.2118/170077-ms
4. Huang, S., Li, C., & Luo, L. (2017). Landslide Monitoring Network Establishment within Unified Datum and Stability Analysis in the Three Gorges Reservoir Area. Journal of Sensors, 2017. https://doi.org/10.1155/2017/9819214
5. Khatib, T., Shaar, A., Alhamad, F., Dwikat, H., Shunnar, R., & Othman, M. (2018). Development of SolenX: A reliable and cost effective solar aid box for underserved and rural areas in Palestine. Energy Conversion and Management, 174, 863-873. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.08.066
6. Olatinsu, O. B., Oyedele, K. F., & Ige-Adeyeye, A. A. (2019). Electrical resistivity mapping as a tool for post-reclamation assessment of subsurface condition at a sand-filled site in Lagos, southwest Nigeria. SN Applied Sciences, 1(1). https://doi.org/10.1007/s42452-018-0028-5
7. Sakharovsky, A. V, & Strokova, L. A. (2020). Determining landslide slope stability when designing a bridge over the river poshnarka in the Chuvash Republic. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Geo Assets Engineering, 331(1), 125-134. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/1/2454
8. Zeng, N., Ye, X., Peng, X., & Konig, M. (2019). Applying Kanban system in construction logistics for real-time material demand report and pulled replenishment. In Proceedings of the 36th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, ISARC 2019 (pp. 1018-1025). https://doi.org/10.22260/isarc2019/0136
