Проектирование | Обследование | Геотехника | BIM

Оценка влияния неравномерных осадок основания на напряженно-деформированное состояние несущего каркаса многоэтажного жилого здания

Проектирование | Обследование | Геотехника | BIM·18 Jul at 12:22 am
Зацепина В.Д., Кунин Ю.С. Оценка влияния неравномерных осадок основания на напряженно-деформированное состояние несущего каркаса многоэтажного жилого здания

Введение

Неравномерные осадки основания способны вызвать дополнительные усилия и деформаций в элементах несущего каркаса здания, что может привести к потере несущей способности, безопасности и долговечности.

Возникновение неравномерных осадок зависит от двух основных причин: неоднородного напряженного состояния грунтов в основании рассматриваемого сооружения и неравномерной сжимаемости грунтов в основании под площадью загружения [1].

При развитии неравномерных осадок в элементах несущего каркаса здания появляются дополнительные усилия, которые ранее могли не учитываются при проектировании строительных конструкций. В результате возможно появление трещин в конструкциях здания. Для предотвращения появления данного процесса при проектировании необходимо уделять внимание оценке и анализу совместной работы грунтов основания, фундамента и несущих конструкций сооружения [1-3].

Целью настоящей работы является оценка влияния неравномерных осадок основания на напряженно-деформированное состояние несущего каркаса многоэтажного жилого здания с использованием программного комплекса ЛИРА САПР 2025.

Формирование расчетной схемы

В качестве объекта для исследования выбрано жилое многоэтажное здание в г. Москва. Здание имеет прямоугольную форму в плане 21х33 м. Конструктивная система здания, принятая в проекте – каркасно-стеновая с ядром жесткости. Каркас образуется системой вертикальных несущих элементов – пилонов, стен и центральных ядер жесткости, в которых расположены лестнично-лифтовые узлы, объединённых в пространственную систему горизонтальными дисками – плитами перекрытий.

Рис. 1. – Исходная расчетная схема в ЛИРА-САПР
Рис. 1. – Исходная расчетная схема в ЛИРА-САПР

Фундамент на естественном основании – монолитная железобетонная фундаментная плита толщиной 800 мм из бетона класса по прочности В40, марки по водонепроницаемости W6, марки по морозостойкости F150. Армирование конструкции выполняется арматурой классов А500С и А240 по ГОСТ 34028-2016. Под фундаментной плитой залегают: ИГЭ-3 – песок средней крупности красно-коричневый, средней плотности, малой степени водонасыщения, с прослоями песка мелкого, супеси твердой.

Рис. 2. – Исходный инженерно-геологический разрез вдоль здания
Рис. 2. – Исходный инженерно-геологический разрез вдоль здания
Рис. 3. – Исходные характеристики грунтов основания
Рис. 3. – Исходные характеристики грунтов основания

Для наглядного рассмотрения влияния неравномерных осадок смоделирована ситуация, при которой в ходе проектирования были получены неполные инженерно-геологические условия.

Неполнота инженерно-геологических условий в данном случае обусловлена недостаточным количеством буровых скважин при проведении изысканий. В результате модель основания формируется на основе усреднённых либо завышенных показателях. Линзообразное залегание слабого грунта выявлено на этапе строительства.

Для исследования будут использоваться две расчетные модели, созданные в программном комплексе ЛИРА-САПР 2025 [4]. Первая расчетная модель является проектной и отражает неполные инженерно- геологические условия площадки строительства. Вторая расчетная модель создана для отображения действительных инженерно-геологических условий и оценки напряженно-деформированного состояния несущего каркаса здания. Результаты этих моделей, полученные в ходе выполнения расчета, будут сравниваться по определенным параметрам.

В двух представленных моделях коэффициент надежности по ответственности для 1 и 2 группы предельных состояний принят равным 1,0. Все конструкции здания рассчитываются на внешние воздействия, в соответствии с СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Статический расчет здания осуществляется методом конечных элементов на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок.

Для получения наиболее точных результатов, приближенных к реальной работе конструкций, необходимо проводить расчет целостной системы «основание-фундамент-несущий каркас». Для этого необходимо смоделировать и добавить модель грунта, учитывающую характеристики грунтов, их залегание и мощность слоев.

При выполнении исследования учитывался опыт других работ, посвященных моделированию работы здания с учетом неравномерных деформаций основания [5-7].

Моделирование грунта в ЛИРА-САПР осуществляется через модуль ЛИРА-ГРУНТ, где на основе данных скважин и характеристик грунтов основания создается объемная модель грунта, после чего вычисляются коэффициенты постели.

В новой дополненной модели грунта отображено линзообразное залегание неучтенного при проектировании слоя грунта: суглинка текучепластичного. Характеристики данного грунта отображены на рис. 4.

Рис. 4. – Характеристики неучтенного слоя грунта
Рис. 4. – Характеристики неучтенного слоя грунта
Рис. 5. – Дополненный инженерно-геологический разрез вдоль здания
Рис. 5. – Дополненный инженерно-геологический разрез вдоль здания

Анализ результатов

Проанализируем получившиеся результаты расчета. Деформированная схема – это визуализация расчетной модели под нагрузкой, показывающая перемещения узлов и деформации элементов. Деформированная схема здания отображена на рис. 6.

Рис. 6. – Деформированная схема здания: а) вдоль здания; б) поперек здания
Рис. 6. – Деформированная схема здания: а) вдоль здания; б) поперек здания

На рис. 7. Расположены эпюры усилий в колонных несущего каркаса здания. Эпюры отображают распределения внутренних усилий по длине конструктивного элемента, возникающих под действием внешних нагрузок и воздействий.

Рис. 7. – Усилия N, Q, M в элементах несущего каркаса^ а) эпюра продольных сил N в колоннах несущего каркаса; б) эпюра поперечных сил Q в колоннах несущего каркаса; в) эпюра изгибающихмоментов M в колоннах несущего каркаса
Рис. 7. – Усилия N, Q, M в элементах несущего каркаса^ а) эпюра продольных сил N в колоннах несущего каркаса; б) эпюра поперечных сил Q в колоннах несущего каркаса; в) эпюра изгибающихмоментов M в колоннах несущего каркаса

В элементах несущего каркаса перераспределяются усилия и в конечном итоге появляются деформации, которые могут превышать допустимые значения [8]. В свою очередь увеличении деформаций свыше предельно допустимых может привести к снижению надёжности, безопасности и долговечности, к потере устойчивости и эксплуатационной пригодности здания [9].

Рассмотрим и сравним как изменились значения во второй расчетной модели по сравнению с первой исходной моделью и с нормативной документацией. Предельное значение средней осадки фундамента принято по табл. Г1 по СП22.13330.2016, значения прогибов и крена принято согласно табл. Л.1 и Л.2 СП 20.133330.2016.

Таблица №1. Сравнение результатов расчетов моделей
Таблица №1. Сравнение результатов расчетов моделей

По данным таблицы можно сделать вывод о том, что изменение инженерно-геологических условий повлияло на несущий каркас здания. Исследуемые параметры увеличились: максимальная осадка фундамента на 40,5%, средняя осадка фундамента на 43,6%, прогиб плиты перекрытия на 38,5% и крен здания на 9,9%. Важно отметить, что значения находятся в диапазоне предельно допустимых согласно нормативной документации.

Кроме того, был рассчитан коэффициент запаса армирования для железобетонных колонн для оценки текущего состояния и потенциального разрушения элемента. Результат показал, что часть колонн -1 и 1 этажа не проходят проверки с заданным армированием.

Рис. 8. – Коэффициенты запаса армирования для колонн -1 и 1 этажа здания
Рис. 8. – Коэффициенты запаса армирования для колонн -1 и 1 этажа здания

Заключение

После получения результатов расчета и их анализа можно сделать вывод о том, что значения рассматриваемых параметров увеличились, однако они находятся в пределах допустимых нормативной документацией. Неравномерная осадка основания вызывает дополнительные усилия и деформации в элементах несущего каркаса.

Особенность данного процесса заключается в том, что первоначальная ошибка носит скрытый характер. Наибольшее число аварий происходит в процессе строительства и в начале периода эксплуатации объекта [10]. В дальнейшем рекомендуется проводить мероприятия для мониторинга и контроля состояния и значений деформаций несущего каркаса здания, а также провести усиление конструкций в случае, если при обследовании здания будет выявлена данная потребность.

Литература

  1. Далматов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии): Учебник. 4-е изд., стер. СПб.: Издательство "Лань", 2026. 416 с.
  1. Ухов С.Б., Семёнов В.В., Знаменский В.В., Тер-Мартиросян З.Г., Чернышев С.Н. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Издательство «Высшая школа», 2007. 566 с.
  1. Берлинов М.В. Основания и фундаменты: Учебник. 4-е изд., испр. СПб.: Издательство «Лань», 2011. 320 с.
  1. Стрелец–Стрелецкий Е.Б., Журавлев А.В., Водопьянов Р.Ю. Под ред. Академика РААСН, докт. техн. наук, проф. Городецкого А.С. ЛИРА–САПР. Книга I. Основы: Издательство LIRALAND, 2019. 154 с.
  1. Панасюк Л.Н., Таржиманов Э.А., Чантха Хо Моделирование работы сооружений с учетом проявления неравномерных деформаций в основании// Инженерный вестник Дона, 2011, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n4y2011/591.
  1. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Думбай В.А., Камеш Ю.А. Исследование неравномерной осадки основания спортивно-оздоровительного комплекса технопарка РГСУ методом конечных элементов // Инженерный вестник Дона, 2016, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/ n1y2016/3495.
  1. Lin, L., Hanna, A., Sinha, A., and Tirca, L. Structural Response to Differential Settlement of Its Foundations. Journal of civil engineering research. 2015. pp. 59-66.
  1. Wenxue Chen, Ph.D. Structural Response of Multi-Story Buildings Subjected to Differential Settlements of its foundation. Concordia University, 2020. 166 p.
  1. Гроздов В.Т. Дефекты строительных конструкций и их последствия. СПб., 2005. 136 с.
  1. Рощина С.И. Лукин М.В., Лисятников М.С., Тимахова Н.С. Техническая эксплуатация зданий и сооружений: учеб. пособие под ред. С.И. Рощиной. М.: КНОРУС, 2016. 232 с.
136 views·23 shares
136 views