CC BY
12Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 693.22:624.04
И.И. ПОДШИВАЛОВ, канд. техн. наук, А.А. ФИЛИППОВИЧ, канд. техн. наук ([email protected]),
Р.В. ШАЛГИНОВ, канд. техн. наук
Томский государственный архитектурно-строительный университет (634003, г. Томск, Соляная пл., 2)
Моделирование жилого здания на свайном основании при его надстройке
Приведены материалы моделирования жилого кирпичного здания на свайном основании при его надстройке и анализа напряженно-деформированного состояния несущих конструкций и грунтов основания. Моделирование выполнялось в программно-вычислительном комплексе «MicroFe», который позволяет создать расчетную схему в виде системы «основание - фундамент - надфундаментные конструкции». Расчеты проводились при различных моделях свайно-грунтового основания (абсолютно жесткого и податливого). Так, при абсолютно жестком свайно-грунтовом основании усилия и напряжения в отдельных строительных конструкциях превысили проектные значения, а при податливом - наибольший дефицит армирования составил менее 1% по сравнению с проектом. Таким образом, учет податливости свайно-грунтового основания приводит к сглаживанию и снижению усилий и напряжений в строительных конструкциях.
Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, абсолютно жесткое свайно-грунтовое основание, податливое свайно-грунтовое основание, моделирование.
Для цитирования: Подшивалов И.И., Филиппович А.А., Шалгинов Р.В. Моделирование жилого здания на свайном основании при его надстройке // Жилищное строительство. 2018. № 9. С. 19-23.
I.I. PODSHIVALOV, Candidate of Sciences (Engineering), A.A. FILIPPOVICH, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]),
R.V. SHALGINOV, Candidate of Sciences (Engineering) Tomsk State University ofArchitecture and Building (2, Solyanaya Square, Tomsk, 634003, Russian Federation)
Stress-Strain State Simulation of an Apartment House on Pile Foundation when Constructing Additional Floors
The article presents the materials of modeling a residential brick building on a pile foundation during its superstructure and analysis of the stress-strain state of the supporting structures and foundation soils. The simulation was performed in the software - computing complex «MicroFe», which makes it possible to create a calculation scheme in the form of a system «base - foundation - over-foundation structures». Calculations were conducted for different models of pile-ground foundation (absolutely rigid and pliable). Thus, for a absolutely rigid pile-ground base, the forces and stresses in individual building structures exceeded the design values, for a pliable base- the largest reinforcement deficit was less than 1% compared to the project. So taking into account the pliability of the pile-ground base leads to smoothing and decreasing of forces and stresses in structures.
Keywords: stress-strain state, absolutely rigid pile-ground base, pliable pile-ground base, simulation.
For citation: Podshivalov I.I., Filippovich A.A., Shalginov R.V. Stress-strain state simulation of an apartment house on pile foundation when constructing additional floors. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 9, pp. 19-23. (In Russian).
В существующих зданиях часто имеются значительные запасы прочности по несущей способности и в надземных, и в подземных несущих конструкциях. Это позволяет выполнять надстройку дополнительных этажей как при новом строительстве, так и при реконструкции зданий [1-7].
Несущие стены жилых зданий, выполненные из каменной кладки, по конструктивной схеме чаще всего относятся к жестким системам (СП 15.133302012 «Каменные и армокаменные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-22-81*»). Используя современные высокопрочные материалы кладки - керамический камень, кирпич и раствор, получаем конструкцию кладки стен с повышенными жесткостными и соответственно с пониженными деформа-тивными характеристиками. В такой кладке первые трещины могут образоваться даже при невысокой степени нагружения стен [8, 9]. Поэтому важное значение при расчете системы «основание - фундамент - надфундаментные конструкции» имеет учет податливости свайного грунтового основания, что позволяет существенно сгладить экстремальные усилия и напряжения в кладке стен [2, 10-12].
9'2018 ^^^^^^^^^^^^^
В настоящее время реализуется два основных подхода к расчету здания с учетом основания - «раздельный» и «совместный» [13]. При первом подходе выполняется расчет надфундаментной части в предположении наличия под ним жесткого основания, а затем нагрузка от этой части здания прикладывается на фундамент. Расчет над-фундаментной части зачастую выполняется по грузовым площадям без учета пространственной работы здания, что в принципе для многоэтажных зданий недопустимо. При втором подходе надфундаментная часть, фундамент и основание рассчитываются совместно. Наиболее простые решения получаются при учете основания по модели Винклера. Практика проектирования показывает, что совместная и раздельная схемы могут приводить не только к количественным, но и к качественным отличиям в результатах расчета.
К тому же, согласно Федеральному закону № 384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» (п. 6 ст. 16): «...расчетные модели (в том числе расчетные схемы, основные предпосылки расчета) стро-
- 19
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Компоновочная схема здания с температурными швами между блок-секциями
Рис. 2. Общий вид жилого дома со двора, фасад 30—24 (блок-секция в осях «И—Ж»)
Рис. 3. Инженерно-геологический разрез с привязкой свай, которые испытаны статической вдавливающей нагрузкой
ительных конструкции и основания должны отражать действительные условия работы здания или сооружения, отвечающие рассматриваемой расчетной ситуации. При этом должны быть учтены: ... 2) особенности взаимодействия элементов строительных конструкций между собой и с основанием.»
Выбор расчетной схемы, которая наиболее полно может смоделировать конструктивную схему здания, является одним из важнейших факторов при определении запасов прочности строительных конструкций и фундаментов (Шашкин К.Г. Использование упрощенных моделей основания для решения задач совместного расчета основания и конструкций сооружения (http://www.georec.narod.ru/ mag/1999n1/9.htm); Справочник геотехника. Основания, фундаменты и подземные сооружения / Под общ. ред. В.А. Ильичева и Р.А. Мангушева. М.: АСВ, 2014. 728 с.).
В настоящее время с точки зрения возможности моделирования свайного основания совместно со зданием существующие расчетные компьютерные программы условно можно разбить на три группы. Программы первой группы (SCAD, LIRA, Stark, APMWinmachineStructure 3D и др.) имеют широкие возможности в оценке напряженно-деформированного состояния и конструировании строительных конструкций здания при весьма упрощенном моделировании основания: с помощью коэффициентов постели для фун-
даментов мелкого заложения и связей конечной жесткости для свай (Кравченко В.С., Криксунов Э.З., Перельму-тер М.А., Скорук Л.Н. SCADStructure. Расчет оснований и фундаментов. Руководство пользователя. Версия 1.1. М., 2006. 33 с.; Ковальчук О.А., Колесников А.В., Русанова Е.М. и др. Введение в программный комплекс ЛИРА 10.4. [Электронный ресурс]. М.: МГСУ. 2015. Режим доступа: http:// lira-soft.com/wiki/manuals). Специализированные геотехнические программы второй группы (Plaxis 2D, Plaxis 3D и др.), напротив, имеют широкие возможности в оценке напряженно-деформированного состояния оснований при приближенном моделировании строительных конструкций (PLAXIS Finite Element Code for Soil and Rock Analyses. Руководство пользователя. Версия 7 [Текст]. СПб.: НИП-Информатика, 2004. 274 с.; PLAXIS 3D Foundation / Eds. R.B.J. Brinkgreve & W. Broere. Abingdone.a.: Balkema. 2004. Vol. 1). Программы третьей группы (MicroFe, ЛИРА-САПР, FemModels, MidasCivil+MidasGTSNX и др.) позволяют моделировать расчетную схему в виде системы «основание - фундаменты - надфундаментные конструкции» с различным набором особенностей: сваи в виде стержневых конечных элементов с ограничением допускаемой нагрузки; залегание грунтов в виде неоднородного трехмерного массива; физическая и геометрическая нелинейность поведения материалов конструкций и грунтов (MicroFe-СДК. Программный комплекс конечно-элементных расчетов пространственных конструкций на прочность, устойчивость и шлебания // ООО «ТЕХСОФТ», 2015. Режим доступа: http://www.tech-soft.ru).
Верифицированный проектно-вычислительный комплекс MicroFe (ПВК MicroFe) реализует конечно-элементное моделирование статических и динамических расчетных схем, проверку устойчивости, выбор невыгодных сочетаний усилий, подбор арматуры железобетонных конструкций и сечений стальных конструкций, проверку несущей способности, устойчивости, жесткости строительных конструкций. Ниже приведен пример использования этой программы применительно к расчету жилого дома в г. Томске.
Строительство здания было начато в конце 2009 г. по проекту на девять этажей. В период с 2009 по начало 2011 г. был разработан котлован и выполнено свайное основание. В конце 2011 г. строительство было продолжено. После испытания отдельных свай статической нагрузкой было принято решение о надстройке еще трех этажей. Строительство уже 12-этажного здания было завершено в 2014 г., а в 2015 г. объект был введен в эксплуатацию.
Рассматриваемое жилое здание с гараж-стоянками в подвале, с несущими конструкциями из монолитных железобетонных рам четырехсекционное, кирпичное, Г-образного
20
92018
Научно-технический и производственный журнал
ЖИЛИЩНОЕ
Л
Рис. 4. Совмещенный график результатов испытаний девяти свай
очертания в плане. Конструктивная схема - с несущими продольными и поперечными стенами. Блок-секции разделены деформационными не осадочными, а температурными швами. Компоновочная схема и общий вид здания приведены соответственно на рис. 1, 2.
При создании расчетной модели были использованы фактические геометрические, жесткостные и физические характеристики материалов и конструкций, полученные по результатам обследования здания и испытаний фрагментов кладки, отобранных из стен [1, 2]. Прочность камней в теле кладки и облицовочного кирпича соответствует марке М125, прочность раствора - М100.
В качестве расчетной схемы использовалась пространственная оболочечно-стержневая конечно-элементная модель. Размерность разработанной конечно-элементной модели: количество конечных элементов - 153253; порядок системы решаемых уравнений - 648618. Шаг конечно-элементной сетки назначается ПВК Мюгс^е автоматически
с возможностью ее сгущения в местах расположения столбов и стоек с целью исключения пиковых усилий.
В расчетной схеме кирпичные стены, диски железобетонных перекрытий и ростверк моделировались конечным элементом типа «плоский прямоугольный элемент оболочки». Монолитные железобетонные рамы подвала и сваи фундамента моделировались стержневыми конечными элементами. Грунтовое основание под ростверком принималось в виде слоистого основания из объемных конечных элементов с послойным заданием модуля деформаций и коэффициента Пуассона V = 0,33. Инженерно-геологический разрез площадки с привязкой опытных свай представлен на рис. 3. Слои грунтов имеют следующие физико-механические характеристики: 1-й слой - насыпной гравийно-галечниковый грунт со строительным мусором; 2-й слой - суглинок мягкопластичный с примесью органических веществ плотностью р = 1,89 г/см3; плотностью скелета грунта р^ = 1,89 г/см3; плотностью частиц грунта р5 = 2,68 г/см3; естественной влажностью ц> = 21,2%; коэффициентом пористости e = 0,72; числом пластичности ^ = 8 д. е; показателем текучести I = 0,65 д. е.; углом внутреннего трения ф1 =12 град; удельным сцеплением сп = 19 кПа; модулем деформации E = 9 МПа; 3-й слой -суглинок тугопластичной консистенции с примесью органических веществ плотностью р = 1,91 г/см3; плотностью скелета грунта р^ = 1,44 г/см3; плотностью частиц грунта р5 = 2,69 г/см3; естественной влажностью ц> = 32,4%; коэффициентом пористости e = 0,86; числом пластичности ^ = 16; показателем текучести I = 0,46 д. е.; углом внутреннего трения ф: = 15 град; удельным сцеплением сп = 15 кПа; модулем деформации E = 12 МПа; 4-й слой - супесь текучей консистенции плотностью р = 2 г/см3; плотностью скелета грунта р^ = 1,58 г/см3; плотностью частиц грунта р5 = 2,67 г/см3; естественной влажностью ц> = 32,4%; коэффициентом пористости e = 0,69; числом пластичности ^ = 5; показателем текучести I > 1 д. е.; углом внутреннего трения ф: = 16 град; удельным сцеплением 6 кПа; модулем деформации E = 9 МПа.
По результатам девяти испытаний грунтов статическими нагрузками на сваи (рис. 4) определена несущая способность свай и расчетная нагрузка на сваи, которые составили 740,6 и 617,2 кН соответственно.
Расчет на действие динамической ветровой нагрузки (пульсационная составляющая) выполнялся при абсолютно жестком закреплении конструкций подвала в уровне ростверка. Затем пульсационная составляющая ветровой нагрузки передавалась в расчетную схему здания на свайном основании в качестве дополнительной нагрузки и проводился его статический расчет. Расчетная конечно-элементная схема блок-секции приведена на рис. 5.
Расчет проводился в два этапа: на первом этапе свай-но-грунтовое основание принималось жестким (расчетная
Рис. 5. Расчетная конечно-элементная схема блок-секции здания
Рис. 6. Значения расчетных продольных нагрузок на сваи
Рис. 7. Значения вертикальных перемещений свай
Подземное строительство
------ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
схема № 1); на втором этапе свайно-грунтовое основание моделировалось податливым за счет осадок свай (расчетная схема № 2).
Расчет блок-секции по расчетной схеме № 1 показал, что усилия и напряжения в отдельных строительных конструкциях превысили проектные значения. Например, максимальный дефицит армирования ригелей в монолитных рамах подвала составил 16%.
Расчет блок-секции по расчетной схеме № 2 проводился в следующей последовательности.
Вначале по результатам линейного расчета была определена величина максимального расчетного усилия NpH = 560,38 кН (рис. 6), передаваемого на сваи, которая сравнивалась со значением допускаемой расчетной нагрузки на сваи NCTH = 617,2 кН, полученным испытанием свай статической нагрузкой. В этом случае во всех сваях величина расчетной нагрузки на сваю NCTH = 617,2 кН достигнута быть не может исходя из существующей нагрузки от здания на свайный фундамент и его пространственной жесткости.
Затем выполнялся анализ усилий и осадок в сваях, напряжений и перемещений в строительных конструкциях. Так, наибольший дефицит армирования ригелей в монолитных рамах подвала составил менее 1% по сравнению с проектом. Максимальные напряжения в армокирпичной кладке нижних простенков составили ст = 3,01 МПа и уменьшились на 15,4% по сравнению с жестким свайным основанием и при этом не превысили расчетного сопротивления армо-кирпичной кладки. Максимальная осадка основания здания составила 79,6 мм (рис. 7), что не превышает предельно допускаемые значения 180 мм. Относительная разница деформаций была равна 0,00059, что меньше предельно допускаемого значения 0,0024.
Таким образом, расчет системы «основание - фундаменты - надфундаментные конструкции» рекомендуется проводить следующим образом:
Список литературы
1. Ильичев В.А., Мангушев Р.А., Никифорова Н.С. Опыт освоения подземного пространства российских мегаполисов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2012. № 2. С. 17-20.
2. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение развития городов. СПб.: Геореконструкция, 2010. 551 с.
3. Нургужинов Ж.С., Копаница Д.Г., Кошарнова Ю.Е., Устинов А.М., Усеинов Э.С. Экспериментальные исследования облегченной кладки на центральное и вне-центренное нагружение // Вестник ТГАСУ. 2016. № 2. С. 107-116.
4. Копаница Д.Г., Кабанцев О.В., Усеинов Э.С. Экспериментальные исследования фрагментов кирпичной кладки на действие статической и динамической нагрузки // Вестник ТГАСУ. 2012. № 4. С. 157-178.
5. Кабанцев О.В., Тамразян А.Г. Учет изменений расчетной схемы при анализе работы конструкции // Инженерно-строительный журнал. 2014. № 5. С. 15-26.
6. Kabantsev O. Modeling Nonlinear Déformation and Destraction Masonry under Biaxial Stress. Part 2. Strenht Criteria and Numerical Expiriment // Applied Mechanics and Materials. 2015, рр. 808-819.
22l -
- на основании результатов испытания свай статической нагрузкой (или другим способом, например статическим зондированием свай) задается величина расчетной нагрузки на сваи. Если наибольшее расчетное усилие, передаваемое на сваи от здания, оказывается меньше расчетной нагрузки, которую можно приложить на сваи, то расчет выполняется в линейной постановке;
- если в отдельных сваях (в крайних) расчетное усилие оказывается больше, чем расчетная нагрузка, которую можно приложить на сваю, то в исходных данных статического расчета устанавливается ограничение предельной нагрузки на сваи, равное расчетной нагрузке. Тогда расчет проводится в нелинейной постановке. Т. е. усилия в сваях, которые превышают расчетную нагрузку, передаются на рядом расположенные сваи и догружают их, в результате чего происходит перераспределение усилий между сваями и, как следствие, изменение напряженно-деформированного состояния ростверка и вышерасположенных строительных конструкций по сравнению с линейным расчетом.
Выводы
1. nBKMicroFe позволяет выполнить моделирование напряженно-деформированного состояния системы «основание - фундаменты - надфундаментные конструкции» с учетом как жесткого свайно-грунтового основания, так и податливого свайно-грунтового основания в линейной и нелинейной постановке расчета.
2. При жестком основании здания усилия и напряжения в отдельных строительных конструкциях надфундаментной части могут принимать пиковую форму и превышать проектные значения. Учет податливости свайно-грунтового основания приводит к сглаживанию и снижению усилий и напряжений в строительных конструкциях по сравнению с жестким основанием.
References
1. Ilyichev V.A., Mangushev R.A., Nikiforova N.S. Experience in the development of the underground space of Russian megacities. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2012. No. 2, pp. 17-20. (In Russian).
2. Ulitsky V.M., Shashkin A.G., Shashkin K.G. Geotekchni-cheskoe soprovogdenie razvitiya gorodov [Geotechnical support of urban development]. Sain Peterburg: Georekon-strukciya. 2010. 551 p.
3. Nurguzhinov Z.S., Kopanica D.G., Kosharnova Y.E., Ustinov A.M., Useinov E.S. Pilot studies of the facilitated laying on the central and non-central loading. Vestnik TGASU. 2016. No. 2, pp. 107-116. (In Russian).
4. Kopanica D.G., Kabancev O.V., Useinov E.S. Pilot studies of fragments of a bricklaying on action of static and dynamic loading. Vestnik TGASU. 2012. No. 4, pp. 157-178. (In Russian).
5. Kabancev O.V., Tamrazyan A.G. The accounting of changes of the settlement scheme in the analysis of work of a design. Inzhenerno-stroitelnyj zhurnal. 2014. No. 5, pp. 15-26. (In Russian).
6. Kabantsev O. Modeling Nonlinear Deformation and Destraction Masonry under Biaxial Stress. Part 2. Strenht Criteria and Numerical Expiriment. Applied Mechanics and Materials. 2015, pp. 808-819.
7. Ulibin A.V., Zubkov S.V. Methods of control of strength of
^^^^^^^^^^^^^ |9'2018
Научно-технический и производственный журнал
7. Улыбин А.В., Зубков С.В. О методах контроля прочности керамического кирпича при обследовании зданий и сооружений // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 3. С. 29-34.
8. Ющубе С. В., Подшивалов И. И., Самарин Д. Г., Филиппович А.А., Шалгинов Р.В. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния фрагментов кладки наружных стен из керамического камня // Вестник ТГАСУ. 2017. № 1. С. 174-180.
9. Ющубе С. В., Подшивалов И. И., Филиппович А. А., Шалгинов Р.В. Прочность кладки наружных стен из пустотелого керамического камня // Жилищное строительство. 2018. № 1-2. С. 52-54.
10. Шашкин А.Г., Улицкий В.М. Основы мониторинга механической безопасности сооружений при строительстве и эксплуатации // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 12. С. 6-14.
11. Шашкин В.А.Эффекты взаимодействия оснований и сооружений // Развитие городов и геотехническое строительство. 2012. № 14. С. 141-167.
12. Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Взаимодействие здания и основания: Методика расчета и практическое применение при проектировании / Под ред. проф. В.М. Улицко-го). СПб.: Стройиздат СПб. 2002. 48 с.
13. Карпенко Н.И., Карпенко С.Н., Кузнецов Е.Н. О современных проблемах расчета высотный зданий из монолитного железобетона. II Всероссийская (Международная) конференция: Бетон и железобетон - пути развития: Научные труды конференции в 5 кн. Т. 1. Москва, 2005. С. 149-166.
ceramic bricks in the inspection of buildings and structures. Inzhenerno-stroitelnyj zhurnal. 2012. No. 3, pp. 29-34. (In Russian).
8. Jushhube S.V., PodshivalovI.I., Samarin D.G., Filip-povich A.A., Shalginov R.V. Experimental study of stressstrain state of fragments of masonry of the exterior walls of a ceramic stone. Vestnik TGASU. 2017. No. 1, pp. 174-180. (In Russian)
9. Jushhube S.V., Podshivalov I.I., Samarin D.G., Filippovich A.A., Shalginov R.V. The strength of extrior walls masonry of hollow ceramic stoney. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 1-2, pp. 52-54. (In Russian)
10. Shashkin A.G., Ulitsky V.M. Fundamentals of monitoring the mechanical safety of structures during construction and operation. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2017. No. 12, pp. 6-14. (In Russian).
11. ShashkinV.A. The effects of the interaction of foundations and structures. Razvitie gorodov i geotehnicheskoe stroitel'stvo. 2012. No. 14, pp. 141-167. (In Russian).
12. ShashkinA.G., ShashkinK.G.Vzaimodejstvie zdanija i os-novanija: metodika rascheta i prakticheskoe primenenie pri proektirovanii [The interaction of buildings and grounds: methods of calculation and practical application in the design]. Sain Peterburg: Strojizdat SPb. 2002. 48 p.
13. Karpenko N.I.,Karpenko S.N., Kuznetsov E.N. About modern problems of calculation high-rise buildings from monolithic reinforced concrete. II All-Russian (International) conference. Concrete and reinforced concrete - ways of development. Scientific works of a conference in five books. Vol. 1. Moscow. 2005, pp. 149-166. (In Russian).
Новые требования к составу, содержанию и порядку оформления заключения госэкспертизы
ИНФОРМАЦИЯ
Новые требования к составу, содержанию и порядку оформления заключения государственной экспертизы проектной документации и результатов инженерных изысканий вступили в силу 1 сентября 2018 г. Соответствующий приказ Минстроя России (№ 341/пр) опубликован на официальном интернет-портале правовой информации pravo.gov.ru.
Необходимость изменения существующих требований обусловлена переходом к ведению единого государственного реестра заключений экспертизы проектной документации объектов капитального строительства (ЕГРЗ) и необходимостью оформления заключения в форме электронного документа. В частности, уточняется перечень сведений, подлежащих введению в заключение. Данные сведения необходимы для корректного включения информации о таком заключении в ЕГРЗ, в соответствии с Правилами его
формирования (постановление Правительства РФ от 24 июля 2017 г. № 878).
Кроме того, в новой редакции требований описаны особенности присвоения номеров заключений государственной экспертизы проектной документации и результатов инженерных изысканий с учетом начала ведения ЕГРЗ.
Справочно. Приказ Минстроя России от 8 июня 2018 г. № 341/пр подготовлен в соответствии с п. 37 Положения об организации и проведения государственной экспертизы проектной документации и результатов инженерных изысканий, утвержденного постановлением Правительства Российской Федерации от 5 марта 2007 г. № 145. Документ также признает утратившим силу приказ Минстроя России от 9 декабря 2015 г. № 887/пр.
По материалам Минстроя РФ
