CC BY
233. Савйовский В.В., Болотских О.Н. «Ремонт и реконструкция гражданских зданий». -X. : ВАТЕРПАС, 2002. - 288 с.
4. Шагин Ю.В. «Реконструкция зданий и сооружений» : Учебное пособие для строит, спец. вызов. - М. : Высшая школа, 1991. - 352 с.
5. Прядко Н.В. «Обследование и реконструкция жилых зданий» : Учебное пособие. Макеевка : ДонНАСА, 2006. - 156 с.
6. Алексеенко В.Н. Многофакторный анализ эксплуатационных характеристик несущей системы SPA-центра / В.Н. Алексеенко, О.Б. Жиленко // Зб1рник наукових праць «Ресурсоекономш матер1али, конструкци, буд1вл1 та споруди». Вип. 25, 2013. - Р1вне, 2013. - С. 505-506.
7. «Отчет о техническом обследовании реконструируемого жилого дома по адресу: п.г.т. Гурзуф, ул. Артековская №4 с разработкой рекомендаций и технических решений по завершению строительства» / В.Н. Алексеенко, О.Б. Жиленко. - Симферополь, 2013. - 87 с.
УДК 624.151.5
Дьяков И.М., к.т.н., доцент
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ОЦЕНКИ ЖИВУЧЕСТИ УДЕРЖИВАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И ПОДПОРНЫХ СТЕН
На основании теоретических и экспериментальных исследований в области работы удерживающих конструкций и подпорных стен с повреждениями рассмотрены вопросы оценки их живучести. Предложены методы и проанализированы результаты оценки живучести рассматриваемых конструкций
Подпорные стены, удерживающие конструкции, живучесть, прогрессирующее разрушение
Введение
Постоянный рост в Мире числа аварий зданий и сооружений способствовал активизации исследований в области прогрессирующего разрушения. Многие зарубежные страны интегрировали в нормы проектирования требования оценки живучести либо стойкости к прогрессирующему разрушению наиболее ответственных конструкций и сооружений. Определенные шаги начинают предприниматься и в Украине. Так в соответствии с ДБН В.1.2-14-2009 [1] строительные конструкции и основания «...должны иметь достаточную живучесть относительно локальных разрушений и предусмотренных нормами аварийных влияний, исключая при этом явления прогрессирующего разрушения, когда общие повреждения выявляются значительно большими, нежели первичное возмущение, которое их вызвало». Тем не менее, нормативные методики и общепринятые подходы к оценке живучести конструкций, зданий или сооружений, как в Украине, так и большинстве зарубежных стран, отсутствуют.
Развитие оползней и обрушения откосов грунта на закрепленных участках достаточно распространенное явление, сопровождающееся экологическими и техногенными авариями и катастрофами. Оно характерно для многих регионов Украины и Крыма, поэтому исследования в области прогрессирующего разрушения, живучести подпорных стен и удерживающих конструкций достаточно актуальны.
Значительная часть подпорных стен и удерживающих конструкций, как в Крыму, так и на других сложных территориях Украины, выполнена в виде массивных конструкций из каменной кладки и свайных конструкций. За счет них осуществляется удержание откосов грунта и оползней, что обеспечивает нормальную эксплуатацию расположенных выше или ниже по рельефу зданий и сооружений. Учитывая уровень ответственности многих из таких
сооружений, целесообразно оценивать их живучесть для предотвращения возможности возникновения прогрессирующего разрушения [2].
Анализ публикаций
Отечественные и зарубежные исследования в сфере прогрессирующего разрушения и живучести зданий и сооружений проводятся относительно недавно и в основном охватывают надземные здания и сооружения и их элементы: большепролетные конструкции и пространственные оболочки, многоэлементные структуры, многоэтажные каркасные и панельные здания. В этой области наиболее известны работы: Н.С. Стрелецкого, Н.П. Абовского, В.И. Колчунова, Г.А. Гениева, Г.И. Шапиро, В.И. Травуша, Н.В. Клюевой, А.В. Перельмутера, П.Г. Еремеева, Б.С. Расторгуева, В.М. Бондаренко, Я.М. Айзенберга, Ю.И. Кудишина, В.О. Алмазова, А.И. Плотникова, А.Г. Тамразяна, В.М. Ройтмана, С.В. Доронина, В.В. Тура, В.К. Вострова, Ю.П. Назарова, В.Н. Симбиркина и др.
Исследования в области прогрессирующего разрушения и живучести конструкций, взаимодействующих с грунтом, в том числе подпорных стен и удерживающих конструкций, не проводились.
Цель и постановка задач
Цель статьи: рассмотреть общие методические подходы к оценке живучести некоторых типов подпорных стен и удерживающих конструкций.
Задачи статьи:
- обосновать выбор подхода к оценке живучести удерживающих конструкций и подпорных стен;
- обосновать выбор оптимального программного комплекса для выполнения численных экспериментов;
- рассмотреть особенности оценки живучести удерживающих конструкций и подпорных стен.
Результаты и их анализ В практике оценки живучести надземных конструкций и сооружений сформировались и развиваются такие основные методы расчета, как:
- расчет стойкости к запредельным (не учтенным нормами) нагрузкам и воздействиям;
- оценка стойкости при возникновении повреждений.
Первый метод в большинстве случаев трудно применим к подпорным стенам и удерживающим конструкциям в связи со сложностью определения вида и уровня запредельных воздействий. Неоднородность грунта, как источника воздействия и основания конструкции, изменчивость при различных внешних факторах его физико-механических свойств, ползучесть и другие свойства приводит к непредсказуемости и сложности в прогнозировании запредельного влияния на конструкцию.
Второй метод достаточно распространен и применяется для оценки живучести надземных сооружений и конструкций, например: многопролетных сооружений, каркасных, панельных и монолитных многоэтажных зданий, большепролетных и др. сооружений. Как правило, в основу расчетов положен подход оценки единичной живучести. В нем рассматривается возможность отказа только одного элемента конструкции, после чего эксплуатация сооружения должна быть приостановлена. При этом конструкция обладает достаточной живучестью, если произошло перераспределение усилий на другие элементы или участки конструкции и не произошло прогрессирующее разрушение.
Применение второго метода для таких подпорных и удерживающих сооружений, как консольные на свайном ростверке и консольно-анкерные, на современном этапе представляется наиболее рациональным, так как в этих сооружениях можно выделить элементы, для которых возможен единичный отказ.
Для разработки методики и оценки единичной живучести свайных удерживающих конструкций были проведены численные эксперименты в программном комплексе «Plaxis 3D Foundation». Выбор данной программы связан с рядом ее преимуществ для решения
рассматриваемой задачи. Это: возможность поэтапного моделирования стадий загружения; использование нескольких типов элементов для моделирования различных видов напластования грунтов; описание поведения грунта нелинейной моделью Кулона-Мора и др. Программный комплекс «Р1ах1з» соответствует нормам Еврокода, а также имеет сертификат Госстандарта Российской Федерации.
Оценку единичной живучести осуществляли путем «выключения» одной из свай в процессе «работы» сооружения. Модели грунтового массива принимались многослойными на основе реальных данных оползневых участков. Использование трехмерной модели грунта позволило учесть резервы работы конструкции и грунтового массива, возникающие за счет неравномерного распределения усилий между элементами, сил распора и других эффектов. В численном эксперименте использовались четыре варианта моделей свайных удерживающих конструкций: 1-я модель - с 1-рядным расположением свай; 2-я модель - с 2х-рядным расположение свай с параллельными ростверками; 3-я модель - с 2х-рядным «шахматным» расположение свай с параллельными ростверками; 4-я модель - с двухрядным расположением свай и общим ростверком (рис.1).
С4 С5 С6
Рис. 2. Варианты удерживающих конструкций с различным расположением свай: а-г - модели 1-4 соответственно
Для всех моделей был выполнен первоначальный расчет без удерживающей конструкции, который у большинства из них прервался сообщением «Soil body collapses» («грунтовое тело разрушено»), что связано с значительные необратимые деформации конечных элементов, приведших к разрушению. В реальных условиях - это начало оползневого процесса или обрушение откосов грунта. Методика оценки живучести сооружения в «Plaxis 3D Foundation» включала этапы: установка свайной удерживающей конструкции; активация конструкции и грунтового массива; исключение из работы одной из свай; оценка последствий исключения сваи для грунтового массива и элементов конструкции [3].
В процессе эксперимента, во всех моделях удерживающих конструкцией при «выключении» сваи из работы было выявлено перераспределение усилий между сваями и изменение величины максимального изгибающего момента в сваях и ростверке сооружения. Проведенный анализ позволил выявить характерные особенности поведения моделей при возникновении единичных повреждений. Так, при однорядном расположении свай (модель 1), наибольшее увеличение максимального изгибающего момента наблюдалось в сваях, расположенных рядом с поврежденной. Конструкция в большинстве случаев переставала выполнять свои функции из-за просачивания грунта в образовавшееся пространство.
В моделях с параллельным расположением однорядных свайных ростверков (модели 2 и 3), большей живучестью обладает сооружение с шахматным расположением свай. Связано это с меньшим ростом максимальных изгибающих моментов в соседних с поврежденной конструкцией сваях и более равномерным перераспределением усилий на близлежащие конструкции. Двухрядная удерживающая конструкция изначально характеризовалась более равномерным распределением усилий между сваями. В то же время, при выключении одной из свай, перераспределение усилий на другие сваи происходило неравномерно, в результате чего значительно возрастали максимальные
изгибающие моменты в рядом расположенных конструкциях. Так в моделях 2 и 3 максимальное увеличение изгибающего момента в сваях, соседних с поврежденной, составило 17,97%, а в модели 4 оно достигло 47,01%.
Как показало изучение характера аварий массивных подпорных стен, процесс их разрушения носит прогрессирующий характер. Достаточно большая протяженностью конструкции, неравномерное распределением нагрузки по длине стены, неоднородность грунта основания, деградация отдельных участков кладки стены и многие другие факторы способствуют тому, что разрушение стены не может происходить в виде одновременного опрокидывания или сдвига всей конструкции. Изучение состояния массивных бутобетонных подпорных стен Южнобережного региона Крыма показало наличие значительного количества локальных повреждений [4], что подтверждает необходимость оценки живучести для многих из них.
Как показали исследования, типичными локальными повреждениями для бутобетонных стен являются: вывалы либо наличие участков с местной потерей устойчивости стены; крены стены на ограниченных участках; вертикальные и наклонные трещины, повреждения грунтового основания. При этом вертикальные трещины не представляют интерес для оценки живучести конструкции, так как они являются по характеру работы аналогом традиционных деформационных швов в стене и могут существенно влиять на общую устойчивость конструкции. Вывалы и участки местной потери устойчивости можно рассматривать как однотипные виды повреждений, так как вывал в ряде случаев является последствием потери устойчивости локального участка стены. Учет наклонных трещины при отсутствии горизонтальных перемещений или кренов фрагментов стены зависит от их конфигурации и характера происхождения. В большинстве случаев такие трещины приводят к последующему образованию вывалов, горизонтальным перемещениям фрагмента стены и т.д.
Таким образом, в первом приближении, оценку живучести континуальных подпорных стен целесообразно осуществлять в следующих направлениях:
- оценка работы с вывалами (путем выключения из работы участка стены);
- оценка работы стены с изменением конфигурации конструкции (локальным креном участка);
- оценка работы стены при изменении характеристик и сплошности грунтового основания.
В качестве критериев потери живучести целесообразно рассматривать активизацию процесса разрушения сооружения, просачивание грунта через повреждение, горизонтальные подвижки грунта совместно с изменением положения конструкции (опрокидыванием или сдвигом). При оценке живучести существующей конструкции континуальной подпорной стены повреждения могут задаваться в соответствии с реальными повреждениями. При отсутствии повреждений или при проектировании новой конструкции, расчетная оценка живучести массивных подпорных стен ввиду неопределенности величины и вида повреждений, причин их образования, требует определенных подходов к нормированию параметров задаваемых повреждений. Такое нормирование должно учитывать конструктивные особенности подпорной стены или удерживающей конструкции, вероятность возникновения тех или иных повреждений в данных инженерно-геологических условиях. Соответственно для этого требуются проведение дополнительных исследований.
Выводы
Учитывая сложный характер работы, изменяющиеся во времени внешние нагрузки и воздействия, а так же высокий уровень ответственности сооружений, наиболее ответственные подпорные стены и удерживающие конструкции должны оцениваться с точки зрения стойкости к прогрессирующему разрушению.
На современном этапе, в связи с отсутствием полномасштабных исследований в данной области, оценку живучести подпорные стены и удерживающие конструкции целесообразно осуществлять путем расчета на единичную живучесть.
Предложенная методика в программном комплексе «Plaxis 3D Foundation» дает возможность оценить живучесть свайных удерживающих конструкций и подпорных стен, оптимизировать конструкцию с точки зрения максимизации стойкости к прогрессирующему разрушению;
Расчет живучести свайных удерживающих конструкций и подпорных стен позволяет не только принять необходимые меры по изменению проектных решений или усилению существующих конструкций, но и установить наиболее оптимальные варианты конструктивных решений.
Для совершенствования методики расчета живучести удерживающих конструкций, подпорных стен и других сооружений, взаимодействующих с грунтом, требуются дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования, связанные с выявлением и классификацией первичных повреждений, установления их связи с процессами, происходящими в массивах грунта и др.
список литературы
1. ДБН В. 1.2-14-2009. Общие принципы обеспечения надежности и конструктивной безопасности зданий, сооружений строительных конструкций и оснований. К. Мшрегюнбуд Украши, 2009. — 41 с.
2. Дьяков И. М. Предпосылки и некоторые аспекты применения теории живучести к оценке работы подпорных стен на запредельные нагрузки / И. М. Дьяков // Строительство и техногенная безопасность. Сб. науч. трудов. — Симферополь : НАПКС, 2011. — Вып. 39. — С. 29—34.
3. Дьяков И. М. Оценка живучести свайных удерживающих конструкций / И. М. Дьяков // Строительство, материаловедение, машиностроение. Сб. науч. трудов. — Дн-вск : ГВУЗ ЭПГАСА, 2013. — Вып. 69. — С. 169—174.
4. Дьяков И. М. Виды и причины локального разрушения гравитационных подпорных стен в сложных инженерно-геологических условиях Крыма / И. М. Дьяков, Д. А. Мравец // Строительство и техногенная безопасность. Сб. науч. трудов. — Симферополь : НАПКС, 2011. — Вып. 37. — С. 80—88.
УДК 624.046; 69.059.2 Кореньков П.А., аспирант
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
ПОСТРОЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ПРИ АНАЛИЗЕ ОПАСНОСТИ ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО ОБРУШЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КАРКАСОВ
На примере расчета шестнадцатиэтажного здания предложена методика оперативного построения расчетной модели с учетом физической нелинейности работы материала при анализе опасности прогрессирующего обрушения зданий повышенной этажности с железобетонным каркасом. Установлена возможность применения сертифицированных в Украине программных комплексов для анализа опасности прогрессирующего обрушения зданий повышенной этажности с железобетонным каркасом. Выявлена необходимость дальнейших исследований в данном направлении. Ключевые слова: здания повышенной этажности, аварии, живучесть, прогрессирующее обрушение, численное моделирование, физическая нелинейность
