CC BY
62
УДК 539.3+622.83+519.682.6 Данилов В.И.
ФГУП «ГУССТ № 8 при Спецстрое России», г. Ижевск МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЕКТОВ БЕЗОПАСНОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ СУЩЕСТВУЮЩИХ СТРОЕНИЙ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА ТЕРРИТОРИЯХ РАЗВИТИЯ КАРСТА, ПРИ УСЛОВИИ ПРИСТРАИВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ
Аннотация. Рассмотрено имитационное моделирование проектов безопасной реконструкции существующих строений, расположенных на территориях развития карста. Определены дополнительные осадки грунта и изменения напряженно-деформированного состояния фундамента и строения от возводимых пристроек. Численными исследованиями установлена возможность решения трехмерной проектировочной задачи о безопасной реконструкции и надстройке существующего здания на закарстован-ной территории с учетом выхода на поверхность карстовых воронок и обоснованы варианты конструкции усиления существующего здания.
Ключевые слова: реконструкция строений, безопасность строений, пристраивание, карсты.
Математическое моделирование с применением численных методов и ЭВМ является одним из наиболее эффективных способов (а во многих ситуациях и единственно возможным) установить действительный характер работы конструкций, зданий и сооружений [1, 2] и позволяет путем относительно невысоких затрат детально исследовать работу самых сложных сооружений, находящихся в разнообразных условиях эксплуатации и внешних воздействий.
Описание проблемы.
При разработке проекта реконструкции двухэтажного кирпичного здания, которое предполагалось 1) надстроить мансардой, 2) с одной стороны здания - пристроить лестничную клетку, 3) с другой стороны - пристроить новое здании, требовалось исследовать, как эти новые строения повлияют на существующие фундамент и здание, и при этом учесть возможность выхода на поверхность карстовых воронок, т.е. обеспечить безопасность реконструкции на закарстованной территории.
При решении данной проблемы было выделено 3 задачи:
1. Определение дополнительных осадок от пристраиваемых конструкций (мансарды, лестничной клетки и пристроя) и анализ напряженно-деформированного состояния здания и фундамента.
2. Анализ напряженно-деформированного состояния здания и фундамента от пристраиваемых конструкций с учетом возникновения карстовых воронок.
3. Численный анализ конструкции усиления существующего здания.
Определение дополнительных осадок от пристраиваемых конструкций и анализ напряженнодеформированного состояния здания и фундамента.
В расчетную схему включены коробка здания, фундамент и основание. Размеры здания в плане 12мх32м. Здание кирпичное 2-х этажное в хорошем состоянии. Физико-механические характеристики кирпичной кладки приведены в табл. 1. Фундамент ленточный, монолитный железобетон, армированный стальными бурильными трубами марки БК, термообработанными группы прочности Д, с наружным диаметром 146 мм и толщиной стенки 9мм (см. табл. 1).
Пространственная конечно-элементная модель системы «здание-фундамент-основание» (рис. 1, 2) была создана с использованием разработанной программы для базовой математической модели прочностного анализа системы ЗФО без включения оконных и дверных проемов. Использовались объемные 8-узловые элементов первого порядка шести и пятигранной конфигурации.
Таблица 1 - Физико-механические свойства материалов
Свойства Модуль упругости, МПа Коэф-т Пуассона Расчетное сопротивление растяжению, МПа Расчетное сопротивление сжатию, МПа Плотность, кг/м3
Кирпичная кладка 720 0,25 0,021 0,9 1800
Бетон 23500 0.22 0.75 8.5 2800
Арматура 200000 0.28 365 365 7800
Арматура трубы 210000 0.30 365 365 7 660
Рис. 1. Компьютерная модель существующего 2-х этажного здания
ную
на
Рис. 2. Разрез сооружения
Основание, в соответствии с результатами инженерно-геологических структуру, как по длине и ширине здания, так и по глубине (см. рис. 1 соответствуют номерам слоев в таблице 2.
Таблица 2 - Свойства основания.
изысканий рис. 1 и
имеет
табл.
Номер слоя Вид грунта Нормативный модуль деформаций, Ео, МПа Коэф-т Пуассона Плотность кг/м3
i Суглинок 1 9.1 0.35 1950
2 Суглинок 2 13.2 0.35 2000
3 Суглинок 3 14.8 0.35 2000
неоднород-2). Номера
По данным инженерно-геологических изысканий математическими зависимостями смоделировано 3 слоя грунта, захватывающих блок основания размерами 150х150х12,4 м, с осредненными свойствами, которые приведены в табл. 2. На гранях объема основания заданы граничные условия в перемещениях, т.е. запрет перемещений в направлении нормали к соответствующей грани и жесткое закрепление нижней поверхности.
Для оценки осадки существующего здания к наружным несущим стенам прикладывалась нагрузка от веса мансарды (17.4 т/м) . Пристрой и лестничная клетка были смоделированы поверхностными элементами (т.е. жесткость фундаментных плит не учитывалась) и к ним были приложены равномерно распределенная нагрузка, включающая в себя вес пристроя 22х12м - 5т/м2, вес лестничной клетки 3х6м, - 13,7 т/м2 и вес фундаментных плит, соответственно.
Весь представленный ниже расчетный материал получен в линейно-упругой постановке. Материал основания и стен принимался изотропным. Материал фундаментной плиты - анизотропный с эффективными упругими характеристиками, полученными с учетом направления, свойств и объемного содержания арматуры.
По результатам расчетов дополнительные осадки здания после возведения мансарды, пристроя и лестницы составили 2,61 см (рис. 3, 4), что меньше нормативного значения (10 см) [3].
Рис. 3. Значения дополнительных осадок, возникающих после возведения мансарды, пристроя и
лестничной клетки.
а) б)
Рис. 4. Значения максимальных дополнительных осадок, возникающих после возведения мансарды, пристроя и лестничной клетки: а) со стороны пристроя, б) со стороны лестничной клетки
В несущих стенах здания максимальные растягивающие напряжения не превышают 0,0203МПа, что соответствует работе кирпичной кладки в линейно-упругой области.
Рис. 5. Распределение напряжений в фундаменте после возведения мансарды, пристроя и лестничной клетки, в направлении оси у
Однако в фундаменте даже без учета выхода на поверхность карстовых воронок по направлению вдоль оси у появляются растягивающие напряжения (максимальные - 0.855МПа) (рис. 5), превышающие расчетное сопротивление бетона растяжению. Это вызвано двумя причинами:
1. влиянием дополнительных осадок от пристроя;
2. тем, что надстраиваемая мансарда опирается только на наружные продольные стены, что вызывает дополнительный изгиб и, соответственно, напряжения в торцах здания.
Анализ напряженно-деформированного состояния здания и фундамента с учетом возникновения карстовых воронок.
В соответствии с проведенными инженерно-геологическими изысканиями и рекомендациями заказчиков, при проведении расчетов существующего 2-х этажного кирпичного здания необходимо учесть возможность выхода на поверхность карстовых воронок диаметром до 4,6 м.
Было смоделировано появление двух карстовых воронок, наиболее неблагоприятное расположение которых изображено на схеме рис. 6. Одна в наиболее опасном месте - угол здания (в месте примыкания к пристрою), вторая - в центре под фундаментом существующего здания.
Рис. 6. Схема образования карстовых воронок под фундаментом
Как показал расчет, запас прочности фундамента достаточен, чтобы выдержать появление карстовой воронки в центральной части здания, но карст под углом в месте примыкания пристроя крайне опасен. Дополнительные осадки после появления воронок невелики и не превышают значения 4см, что меньше предельного значения 10см. Но растягивающие напряжения в бетоне фундамента составляют 3,54 МПа по оси х и 4,97 МПа по оси у (мансарда, пристрой) (рис. 7), что превышает предельные значения (0,9Мпа).
а) б)
Рис. 7. Максимальные значения напряжений в фундаменте после образования карстовых воронок (с учетом мансарды и пристроев)
а) по направлению оси х, б) по направлению оси у
Напряжения в кирпичной кладке стены по осям х и у не превысят предельных значений, при условии отсутствия трещин в бетоне.
Численный анализ конструкции усиления существующего здания.
Учитывая полученные результаты, а также то, что невозможно точно предсказать место выхода карстовой воронки на поверхность, было принято решение усилить существующий фундамент. Дополнительной причиной принятия такого решения являлось то, что проект надстройки мансарды с опи-ранием только на наружные несущие стены и неодновременное возведение пристроев по обеим сторонам здания могут вызвать дополнительные растягивающие напряжения в торцевых стенах здания.
В результате проведенных численных экспериментов был предложен вариант усиления железобетонным каркасом с шагом 3 м и шириной ребра 1м (рис. 8).
Рис. 8. Железобетонный каркас усиления фундамента
Выбор такого варианта усиления по сравнению с традиционной сплошной плитой усиления обусловлен тем, что даже в наихудшей ситуации плита будет работать лишь на 10% ее площади. Каркас же будет задействован ~ на 30% и позволит перераспределить напряжения с торцевой части здания. Кроме того, сооружение каркаса потребует меньших затрат рабочего времени и меньшего расхода материалов
Результаты численных расчетов показали, что возникающие растягивающие напряжения полностью воспринимаются арматурой. Максимальные напряжения в арматуре каркаса усиления значительно ниже предельных (рис. 9). Перераспределение напряжений позволит снизить усилия в торцевых стенах более чем в два раза. Трещины в бетоне, после первоначального раскрытия и перераспределения напряжений на арматуру, полностью закрываются.
а) б)
Рис. 9. Максимальные значения напряжений каркасе усиления фундамента (с учетом карстовых воронок, мансарды и пристроев):
а) по направлению оси х, б) по направлению оси у
Численными исследованиями установлена возможность решения трехмерной проектировочной задачи о безопасной реконструкции на закарстованной территории с учетом выхода на поверхность карстовых воронок и обоснованы варианты конструкции усиления существующего здания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Маковецкий О.А. Оценка и прогнозирование надежности систем «основание-фундамент-здание». Пермь, 2005. 331 с.
2. Алейников. С.М. Метод граничных элементов в контактных задачах для упругих пространственно неоднородных оснований. М.: Изд-во АСВ, 2000. 754 с.
3. Бартоломей Л.А. Прогноз осадок сооружений с учетом совместной работы основания, фундамента и надземных конструкций. / Перм.гос.техн.ун-т., Пермь, 1999. - 147 с.
4. Кашеварова Г.Г. Компьютерное моделирование и анализ НДС пространственной системы «здание - фундамент - основание» с использованием программного комплекса ANSYS. // Информация, инновации, инвестиции: Сб. материалов конференции / Пермь, ЦНТИ, 2001г. с.31-33.
