CC BY
56
УДК 69.059.22:622.837+69.059.3
Г.Г. Кашеварова, И.Н. Фаизов, А.Ю. Зобачева
КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕРЫ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ НА ПОДРАБОТАННОЙ ТЕРРИТОРИИ
Изложены результаты вычислительных экспериментов в ПК «АМБУБ» конкретного здания шахтно-бытового корпуса, расположенного в потенциально опасной зоне оседания земной поверхности. Проведен анализ процесса деформирования и разрушения здания с учетом прогноза дальнейшего оседания земной поверхности, а также исследована возможность применения некоторых конструктивных мер защиты здания.
На современном этапе в строительном проектировании происходит переход от основополагающего критерия несущей способности конструкций к критерию безопасности зданий и сооружений, что помимо прочностного анализа предполагает прогнозирование поведения их в аварийных ситуациях при частичной потере несущей способности. В г. Березники Пермского края произошло затопление камер пластов восточных панелей рудника БКПРУ-1 и связанное с ним сдвижение земной поверхности. В зоне влияния горных работ оказались производственные, административные и жилые здания города. Результаты ежемесячных наблюдений за этими зданиями свидетельствуют о возможной тенденции нарастания скоростей оседания земной поверхности. В связи с этим возникла необходимость в оценке степени опасности деформаций зданий и сооружений, расположенных в потенциально опасной зоне, возможности их дальнейшей эксплуатации или необходимости применения конструктивных мер защиты с учетом прогноза увеличения деформаций земной поверхности на начало 2010 г. в среднем на 15-25 %.
Результаты обследования здания на подработанной территории.
На примере конкретного здания шахтно-бытового корпуса ШБК-3 БКПРУ-1 проанализирован процесс его деформирования и появления трещин. Рассмотрено влияние введения некоторых вариантов конструктивных мер защиты на напряженно-деформированное состояние строительных конструкций здания.
Специалистами отдела обследования строительных конструкций ОАО «Г алургия» г. Перми выполнена оценка технического состояния строительных конструкций здания ШБК-3. Конструктивно здание выполнено в неполном каркасе. Несущими конструкциями являются наружные кирпичные стены толщиной 640 мм, внутренние кирпичные стены толщиной 380 мм
и сборные железобетонные колонны и ригели. Внутренние перегородки выполнены кирпичными и сборными железобетонными. Фундаменты под стены ленточные из крупных блоков, под колонны - железобетонные стаканного типа из бетона марки 150. По подвальным стенам предусмотрен железобетонный пояс со стаканами для установки колонн. Междуэтажные и чердачное перекрытия запроектированы из сборных железобетонных многопустотных плит с обычным армированием по серии ИИ-03-02 и плит с предварительно напряженной арматурой. Марка бетона плит М200. Общая устойчивость здания обеспечивается поперечными и продольными наружными и внутренними стенами, внутренними лестничными клетками из сборных железобетонных элементов, дисками перекрытий.
В ходе обследования здания выявлен ряд дефектов и повреждений строительных конструкций. Температурный шов в перекрытии организован неправильно. Плиты перекрытий перекрывают этот шов, опираясь на поперечные стены здания, в результате не обеспечена должная свобода деформаций стен.
В процессе длительной эксплуатации наибольшие повреждения получили наружные и внутренние несущие стены из силикатного кирпича и покрытие здания. В наружных стенах имеется большое количество наклонных и вертикальных трещин с шириной раскрытия 1...3 мм. У отдельных трещин ширина раскрытия достигает 10 мм. Трещины преимущественно расположены в подоконных частях и проходят по вертикальным и горизонтальным швам кирпичной кладки (рис. 1, 2). В отдельных оконных железобетонных перемычках обнаружено разрушение защитного слоя бетона, оголение и коррозия арматуры.
Рис. 1. Фрагменты главного фасада здания
Рис. 2. Схема расположения дефектов и повреждений здания
На момент обследования цокольная часть здания отремонтирована, однако в некоторых местах вновь образовались трещины. Отдельные участки стен проморожены и разрушены. Во внутренних несущих стенах центральных лестничных клеток выявлены трещины шириной раскрытия до 10 мм на всю высоту здания. Внутри здания также выявлены дефекты и повреждения. Температурный шов в процессе ремонта не восстановлен.
Нормы проектирования зданий и сооружений не исключают возможности появления в несущих и ограждающих конструкциях деформаций и трещин, допускаемых по условиям эксплуатации и устранимых при проведении ремонта. В рассматриваемом нами случае требуется найти надежный и экономичный способ защиты здания.
Эта проблема решалась в следующей последовательности:
1. Создавалась расчетная модель сооружения (здание + фундамент) и определялось ее напряженно-деформированное состояние с учетом неупругого деформирования и структурного разрушения упругохрупкого материала конструкций при кинематическом воздействии, что было выявлено в результате мониторинга деформаций земной поверхности. Результаты расчета сравнивались с результатами обследования для оценки адекватности расчетной модели.
2. Исследовалась возможность применения некоторых конструктивных мер защиты здания.
Математическая модель задачи. Математическая модель для описания упругохрупкого поведения бетона разработана К. Вильямом и Е. Ранке [1] и реализована в конечно-элементном пакете А^УБ [2]. При построении математической модели механического поведения бетона материал изначально считается изотропным, линейно-упругим, а при повреждении становится и остается ортотропным. При построении модели неупругого деформирования с учетом структурного разрушения упругохрупкого материала кирпичной кладки [3] в отличие от бетона сделано предположение, что материал изначально является ортотропным (или изотропным) линейно-упругим и, повреждаясь путем растрескивания и/или раскрашивания, остается ортотропным. В качестве критерия прочности принято, что разрушение в материале в общем случае происходит, когда интенсивность напряжений (второй инвариант тензора напряжений) достигает критического значения.
Результаты численного моделирования. Расчетная модель здания создана в конечно-элементном программном комплексе А^УБ. Расчет напряженно-деформированного состояния и процесса разрушения конструкций выполнялся в два этапа:
- на действие эксплуатационных нагрузок (собственного веса и временных нагрузок) в линейной постановке;
- на действие замеренных и прогнозируемых осадок в нелинейной постановке с использованием пространственных конечных элементов 80ЬГО65, позволяющих учесть формирование и развитие систем трещин и разрывов в кирпичной кладке и железобетоне (рис. 3). Механическое поведение упругохрупкого материала кирпичной кладки описывалось математической моделью, в которой учитывалась закритическая стадия, соответствующая ниспадающей ветви полной диаграммы деформирования, полученной в результате проведенных натурных экспериментов.
Рис. 3. Картина распространения трещин от действия эксплуатационных нагрузок
и замеренных осадок
Характер разрушения конструкций здания, выявленный в результате обследования и картина расположения трещин, полученная в результате расчета, качественно похожи, что позволило исследовать возможность применения некоторых конструктивных мер защиты здания. Рассмотрено два варианта конструктивных мер защиты:
1) введение железобетонных поясов усиления;
2) разрезка здания на отсеки.
Наиболее распространенным методом усиления стен с нарушенной пространственной жесткостью является устройство напряженных поясов.
Традиционно при появлении в несущих стенах зданий трещин их укрепляют поясами. При этом пояса чаще всего вводятся интуитивно без расчета такого варианта усиления. В данной работе исследовалась возможность введения поясов усиления на 1-м этаже (в уровне обреза фундаментов), на 2-м этаже, на 3-м этаже и на всех этажах одновременно. Вводимые пояса моделировались двумя способами:
а) с помощью граничных условий (ограничение перемещений по нормали к несущей стене в месте расположения пояса);
б) непосредственным моделированием пояса с реальными размерами.
Следует отметить, что разные модели поясов показали практически эквивалентные результаты (рис. 4).
Как показали результаты расчета, введение поясов усиления практически не влияет на напряженное состояние конструкций здания (см. рис. 4).
шах о Па
1.60Е+08
1.20Е+08
4.00Е+07
0.00Е+00
1 1 1 1 4
Г^1 ] [ ] [ V
без на на на На
поясов 1 этаже 2 этаже 3 этаже всех этажах Положение пояса
Рис. 4. Изменение максимальных напряжений в стенах здания сх при введении поясов усиления на разных уровнях
Разрезка здания на отсеки по температурному шву позволила обеспечить свободу деформаций стен. В результате изменилась картина распространения трещин. На рис. 5 светлым тоном показаны зоны распространения трещин при прогнозируемой осадке здания.
Рис. 5. Картина распространения трещин при прогнозируемой осадке здания
Анализируя полученные результаты обследования технического состояния строительных конструкций здания ШБК-3 и проведенных вычислительных экспериментов, можно сделать следующие выводы:
1. Математическое моделирование с использованием численных методов и ЭВМ позволяет получить адекватную картину деформирования и разрушения уже существующего сооружения на воздействия, не предусмотренные первоначальным проектом.
2. Исследование напряженно-деформированного состояния конкретного здания в потенциально опасной зоне оседания земной поверхности с учетом прогноза увеличения этих деформаций показали, что традиционно применяемое введение поясов усиления при таком воздействии практически не влияет на напряженное состояние конструкций здания.
3. Наиболее эффективной при данном воздействии оказывается такая конструктивная мера защиты, как разрезка здания на отсеки. Но при этом необходимо знать расположение здания в потенциально опасной зоне и прогноз развития осадок земной поверхности.
4. С учетом того, что здания на потенциально опасной территории имеют разную ориентацию, конструктивное решение и дефекты, необходимо провести аналогичные исследования для каждого конкретного объекта с целью прогнозирования его дальнейшего поведения и возможности усиления.
Список литературы
1. Willam K.J., Wamke E.D. Constitutive Model for the Triaxial Behavior of Concrete // Proceedings, International Association for Bridge and Structural Engineering. - Bergamo, Italy, 1975. - Vol. 19. - P.174.
2. ANSYS Basic Analysis Procedures Guide. ANSYS Release 5.6. ANSYS Inc., 1998.
3. Кашеварова Г.Г., Труфанов Н.А. Численное моделирование деформирования и разрушения системы «здание-фундамент-основание»: моногр. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. - 225 с.
Получено 30.08.2010
