автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Методика оценки напряженно-деформированного состояния и эксплуатационной пригодности несущих конструкций каменных зданий

На правах рукописи

Глазков Максим Владимирович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПРИГОДНОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ КАМЕННЫХ ЗДАНИЙ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

На правах рукописи

Глазков Максим Владимирович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПРИГОДНОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ КАМЕННЫХ ЗДАНИЙ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Конструкторское бюро им. А.А. Якушева» Госстроя России

Научный руководитель —

Официальные оппоненты -

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Сопоцько Сергей Юрьевич

доктор технических наук, профессор Кодыш Эмиль Нухимович кандидат технических наук, с.н.с. Грановский Аркадий Вульфович

Ведущая организация —

Федеральное государственное унитарное предприятие «26 Центральный научно-исследовательский институт Минобороны России»

Защита диссертации состоится «Я» июня 2004 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного Совета Д.218.009.02 при Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения (РГОТУПС) по адресу: 125808, Москва, ГСП-47, ул. Часовая, 22/2, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке университета.

Автореферат разослан "_" 2004 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу Совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Б.В. Зайцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В настоящее время значительная часть жилищного фонда России требует ремонта или реконструкции. В первую очередь, это касается кирпичных домов дореволюционной постройки и постройки 30-50-х годов, общая площадь которых только в Москве и Санкт-Петербурге составляет более 70 млн. м2. Как показали исследования межведомственной комиссии по программе «Жилище», 60% всего жилищного фонда старше 70 лет уже имеет износ более 35%; при этом темпы роста физического износа превышают 10% в год. При определении физического износа особое внимание должно быть уделено оценке эксплуатационной пригодности основных несущих конструктивных элементов (фундаментов, стен и простенков, плит и балок, покрытий и перекрытий) и свойств грунтового основания (из-за изменений гидрогеологического режима, протечек и аварий наружных инженерных коммуникаций, строительства новых зданий в зоне старой застройки с нарушениями правил производства работ нулевого цикла и др.).

По результатам анализа, проведенного Главной инспекцией Госар-хстройнадзора России, в период с 1997 по 2001 год на территории 50-ти субъектов Российской Федерации было зарегистрировано 166 строительных аварий различной степени тяжести.

В указанный период наибольшее количество аварий произошло на зданиях и сооружениях из каменных конструкций (72) и сборного и монолитного железобетона (49). На зданиях из стальных конструкций зарегистрировано 34 аварии, деревянных - 10 и на земляных сооружениях — 1 авария (Диаграмма 1 - Рис. 1). В результате аварий погибли 15 человек, 58 получили травмы различной степени тяжести.

Приведенные данные предопределяют необходимость изучения вопроса оценки эксплуатационной пригодности и остаточной несущей способности каменных несущих конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений.

В последние годы в связи с обветшанием жилого фонда актуальность указанных вопросов возросла.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание инженерной методики оценки эксплуатационной пригодности несущих конструкций жилых и общественных каменных зданий, основанной на использовании результатов расчета их напряженно-деформированного состояния с учетом фактических свойств материалов, дефектов и повреждений несущих конструкций, а также свойств подстилающего грунтового основания, выявленных в результате технического обследования.

Рис. 1. Аварии зданий и сооружений в зависимости от конструктивных решений в период с 1997 по 2001 гг.

Основные научные задачи:

— исследование и совершенствование методов расчета напряженно-деформированного состояния несущих конструкций зданий и сооружений применительно к расчету несущих конструкций эксплуатируемых каменных зданий.

— разработка и обоснование критериев и методов оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) и технико-эксплуатационных качеств (прочности, устойчивости, надежности и т.д.) несущих конструкций эксплуатируемых каменных зданий.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При выполнении работы использовались методы теоретической механики, теории упругости, математической статистики, анализа нормативно-технической документации, а также под-

ходы, основанные на численных расчетах конечно-элементной модели несущего остова здания и подстилающего грунтового основания.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

1. Разработана методика расчета НДС системы «каменное здание -грунтовое основание» с учетом механических характеристик материалов несущих строительных конструкций и грунтового основания, изменяющихся со временем и под воздействием природно-климатических факторов и в результате жизнедеятельности человека.

2. Разработаны и обоснованы критерии оценки технико-эксплуатационных качеств несущих конструкций каменных зданий.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

1. Выполнены теоретические исследования НДС несущих конструкций каменных зданий, подверженных физическому износу. Проведенные исследования позволили:

♦ разработать методы адаптации расчетных моделей каменных несущих конструкций, подверженных физическому износу;

♦ разработать методику оценки эксплуатационной пригодности несущих конструкций каменных зданий, учитывающую получаемые в процессе их эксплуатации повреждения, а также их взаимодействие с грунтовым основанием.

2. Предложены методы адаптации расчетных конечно-элементных моделей каменных зданий позволяющие осуществить расчет и теоретический анализ НДС несущих элементов каменных зданий с учетом их конструктивных особенностей, выявленных дефектов, повреждений, разрушений и деформаций.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

1. Разработана инженерная методика оценки эксплуатационной пригодности каменных несущих конструкций зданий, основанная на математическом расчете и анализе напряженно-деформированного состояния его несущих конструкций.

2. Обоснованы принципы адаптации расчетных моделей, повреждений и дефектов несущих конструкций и изменяющихся свойств грунтового основания для проведения практического математического моделирования системы «здание-основание».

3. Обоснованы требования, проведен анализ и сделан выбор вычислительного комплекса для проведения численных расчетов в целях оценки напряженно-деформированного состояния системы «каменное здание — грунтовое основание».

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. По теме диссертации опубликовано пять научных работ: две работы опубликованы в научно-техническом журнале «БСТ» и три депонированы в ВИНИТИ в разделах «Строительная механика» и «Градостроительство».

Диссертационная работа в полном объеме рассматривалась:

1) на заседании научно-технического совета ФГУП ГОССТРОЯ РОССИИ «КБ им. А.А. Якушева» 17 февраля 2004 г.;

2) на заседании научно-технического совета РГОТУПС 30 марта 2004 г.

Материалы диссертационной работы, а также разработанные принципы и методы оценки технико-эксплуатационных качеств несущих конструкций каменных зданий использованы при практическом анализе НДС и эксплуатационной пригодности несущих конструкций ряда каменных зданий:

1) Здание храма Свято-Успенского женского Монастыря (Ивановская область, Шуйский район, с. Дунилово);

2) Здание Московского театра «ЛЕНКОМ» (г.Москва, ул. м. Дмитровка, д. 6)

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из двух частей: первая часть — введение, четыре главы, заключение, список использованных источников из 78 наименований, приложение А (132 страницы машинописного текста, включая 35 рисунков, 1 схему, 9 таблиц)— рассмотрены теоретические вопросы диссертации; вторая часть—приложения Б-Е (243 страницы машинописного текста, включая 175 рисунков, 1 схему, 22 таблицы)—приведены основные расчетно-графические материалы работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ определены актуальность темы, цель работы, методы исследования, научная новизна и практическая ценность.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрены общие положения проблемы, проведена классификация дефектов, повреждений, деформаций и отказов несущих конструкций зданий с кирпичными несущими стенами, выявлены причины и признаки аварийности каменных зданий, физический износ, проведен анализ существующих методик оценки физического износа зданий.

По результатам проведенного анализа литературных источников установлено, что в настоящее время изменение несущей способности конструкций эксплуатируемых зданий изучено недостаточно, что обусловлено отсутствием методики оценки изменения их технических и эксплуатационных показателей во времени. Создание методики оценки искомых показателей требует применения современных технологий математического моделировать с применением ЭВМ, позволяющих рассчитывать несущие конструкции зданий с учетом изменений физико-механических свойств их материалов и грунта основания. Отсутствие такой методики приводит к следующим недостаткам:

— снижение срока службы зданий;

— неадекватная оценка ресурса и стоимости зданий;

— нарушение условий эксплуатации зданий;

— необоснованные сроки проведения текущих и капитальных ремонтов зданий;

— необоснованное финансирование реконструкции и ремонта зданий.

В первой главе проанализированы достоинства и недостатки применяемых в настоящее время методик оценки технического состояния и физического износа зданий и сооружений и иных существующих практических пособий и методических рекомендаций. К общим недостаткам существующих методик следует отнести: отсутствие реально обосно-вашюго ранжирования элементов по степени их значимости в конструкции здания; нечеткость (или отсутствие) определения степени физического износа элемента в зависимости от характера его повреждения; отсутствие учета напряженно-деформированного состояния системы «здание-основание»; определение физического износа здания в целом как суммы физического износа всех его элементов без подразделения на конструктивную и неконструктивную части.

Проведенный расчет физического износа несущих конструкций ряда каменных зданий по некоторым из применяемых в настоящее время методикам и сравнительный анализ результатов расчета показывает на их неоднозначность и значительный разброс итоговых значений (от 8,6% до 45,4%) и, как следствие, на необъективность результатов оценки.

Для исключения указанных недостатков действующих методических норм и рекомендаций проведен анализ характерных дефектов несущих элементов конструкций каменных зданий, рассмотрена возможность моделирования НДС несущих каменных конструкций зданий с применением современных вычислительных комплексов в трехмерной постановке задачи и с учетом изменяющихся свойств грунтового основания, разработаны критерии оценки НДС и эксплуатационной пригодности несущих каменных конструкций зданий.

Выполненный автором анализ, позволил сформулировать требования, выполнение которых должна обеспечить новая методика оценки технико-эксплуатационных показателей несущих конструкций каменных зданий, а именно:

— дать оценку напряженно-деформированного состояния несущих каменных конструкций зданий;

— предоставить возможность четко классифицировать каменные здания в зависимости от степени эксплуатационной пригодности несущих конструкций и характера требуемых ремонтных работ;

— предоставить возможность определять технико-экономическую эффективность проведения реконструкции и капитального ремонта жилых и общественных каменных зданий.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ в развитие теории расчета параметров НДС несущих конструкций эксплуатируемых каменных зданий рассмотрены методы расчета несущих конструкций зданий; выполнено обоснование применения метода конечных элементов для расчета НДС несущих конструкций каменных зданий в трехмерной постановке задачи; обоснован выбор вычислительного комплекса (ВК) для решения этой задачи; рассмотрены теоретические и практические вопросы моделирования системы «здание-основание» с применением выбранного ВК;

При выборе ВК обоснованы необходимые и достаточные требования, которым должны соответствовать электронные вычислительные комплексы для решения поставленной задачи оценки НДС несущих конструкций каменных зданий. Приведено обоснование применения вычислительного комплекса SCAD Office для решения поставленной задачи оценки НДС несущих конструкций каменных зданий.

Приведено теоретическое обоснование применения расчетной модели грунтового основания с двумя коэффициентами постели для моделирования системы «здание-основание», что является неотъемлемой частью решения поставленной задачи оценки НДС несущих конструкций каменных зданий.

При разработке конечно-элементной модели несущего остова здания важнейшими и взаимосвязанными являются следующие пять этапов: расчленение системы на конечные элементы (КЭ) и выбор координатных функций;, построение матриц жесткости и приведение местной нагрузки к узловой для каждого КЭ; построение канонических уравнений; решение канонических уравнений и определение-значений степеней свободы; определение компонентов напряженно-деформированного состояния (перемещений, напряжений) по области элемента.

Одним из важнейших параметров конечно-элементной модели здания, с которым связывают оценки погрешности метода, является параметр элементов А:

где к — максимальный диаметр шара, в который можно вложить любой конечный элемент'расчетной схемы, при А -» 0 соблюдаются условия регулярности, по которому в каждый конечный элемент можно вложить шар радиуса р й С И, где С—константа, не зависящая от А.

г

У

(1)

Это предохраняет от использования т.н. «игольчатых» элементов (слишком вытянутых прямоугольников, треугольников с очень малыми углами и т.п.). Фиксируя все параметры конечно-элементной расчетной модели за исключением размера конечных элементов (их диаметра—Л), получаем последовательность приближенных решений задачи 1!к (сходимость метода конечных элементов подразумевает, что при А —> 0 данная последовательность стремится к точному решению задачи И*). При моделировании несущих конструкций здания конечно-элементной сеткой для совместных конечных элементов установлено, что если (к-1) является степенью полинома, аппроксимирующего перемещения в КЭ, и решается эллиптическая краевая задача порядка 2т, для которой получено приближенное решение в перемещениях 1}к, то ошибка в определении энергии, по сравнению сточным решением II*, составляет:

где к — определенный формулой (9) диаметр сетки конечных элементов; в оценке (2) справа приведена норма — среднеквадратичная величина А-сй производной от искомой функции и.

Для 8-х производных и имеем оценки ошибок:

Пи-и*!!^ если 5 > 2т-к, (3)

||и-и*||,< СА^Ц«!^ если * ^ 2т-к, (4)

При этом следует отметить, что при естественных ограничениях на исходные данные и сетку области сходимость имеет место, и погрешность в определении напряжений и деформаций имеет порядок

СИ/Ь, (5)

где С— константа, зависящая от формы области;

Х—характерный раздел области.

Эта оценка служит ориентиром при назначении шага сетки, в зависимости от желаемой точности. Например, задав точность приближенного решения 5%, нужно выбрать шаг сетки равным примерно 1/20 от характерного размера.

Построение матриц жесткости и приведение местной нагрузки к узловой осуществляется по формулам:

%Г= ¡{Щ1)ТВВ(<р])ЛПг, (6)

где Clr — область r-конечного элемента;

К,. г — компонент матрицы жесткости г-конечного элемента;

Р/г — компонент вектора узловых сил r-конечного элемента; В— матрица операций дифференцирования; D — матрица упругости; ф — вектор координатных функций; lj — элемент матрицы К; I — элемент вектора Р; К— матрица жесткости всей системы; Р — вектор внешней нагрузки в узлах.

Построение компонен к1м и ри, е тс я в местной системе координат КЭ. Матрица жесткости, а также узловые усилия и перемещения переводятся из местной системы координат в общую (относительно которой составляется общая матрица жесткости К) при помощи матрицы направляющих косинусов.

Для составления канонических уравнений используются формулы:

Щ = (8)

kIJ

= (9)

ы

Канонические уравнения (статические, геометрические и физические решаются известными прямыми и итерационными методами преобразования матриц).

В результате решения определяются значения степеней свободы. По найденному вектору степеней свободы q и системе координатных функций {ф/}, которая была назначеназаранее, определяется функция перемещений по всей области системы С1 - и(х), х е П (формула 9), а по ней—напряжения и деформации.

L

u(x) = £ql<pl(x). (10)

/=|

Решение методом КЭ такой задачи как расчет здания целиком в совокупности с грунтовым основанием требует применения ЭВМ. При анализе ВК были рассмотрены сертифицированные вычислительные комплексы - StructureCAD, ЛИРА, Stark ES.

В целях обоснованного выбора ВК для решения поставленной многофакторной задачи проводимого исследования в работе сформулирован перечень требований, которым должен отвечать ВК:

— совместимость с распространенными электронными графическими редакторами типа ArchiCAD, AutoCAD;

— возможность детального фрагментного анализа расчетной схемы на предрасчетном и пострасчетном этапах;

— возможность детального анализа каждого в отдельности конечного элемента без его вычленения из общей модели;

— возможность комплексного и детального анализа разнородных данных нагрузок, воздействий на общей расчетной схеме и ее фрагментах;

— возможность корректного локального сгущения конечиоэлемент-ной сетки разбиения математической модели несущих конструкций для возможности отображения трещин, местных перемещений и других повреждений отдельных фрагментов расчетной схемы;

— наличие системы контроля исходных данных геометрических и жесткостных характеристик элементов, нагрузок и воздействий на расчетную схему.

Анализ показал, что все эти требования к вычислительному комплексу сочетаются в ВК SCAD Office, который и был выбран для проведения экспериментального исследования, а после апробации—для включения его в методику оценки эксплуатационной пригодности несущих конструкций каменных зданий.

В работе моделирование подстилающего грунтового осно-вания несущих конструкций конечно-элементной сеткой в ВК SCAD Office выполнено с учетом распределительных свойств основания, при этом рассмотрены не только непосредственно нагруженные части основания, но и примыкающие к ним области ненагруженного грунта. Двухпарамет-ровая модель дает возможность предсказать изгиб плиты (перекрестно-ленточного фундамента) при равномерном нагружении, а также осадки поверхности упругого основания за пределами плана конструкции. Моделирование и расчет коэффициентов постели упругого основания в ВК SCAD производится во вспомогательной программе КРОСС на основе задания расчетных характеристик грунта, геометрии подошвы фундамента и площадки застройки.

При расчете несущих конструкций зданий МКЭдля элементов типа оболочек и плит на срединной поверхности вычисляются следующие усилия:

• \ю менты-AМу, Мг;

• перерезывающие силы —Qx и Qy;

• напряжения —N^NhN^ — только для оболочек.

Тензор напряжений имеет вид:

так как касательные напряжения Г., Т^ не учитываются.

Для каждой точки, в которой вычислены усилия, главные напряжения определяются на нижней (Я), срединной (С) и верхней (В) поверхностях. При этом:

Тогда главные площадки для верхней и нижней поверхности параллельны одна другой, а главные напряжения рассчитываются по формуле:

Положение главных площадок характеризуется углом наклона главного напряжения ТУ к оси Х{ (здесь и далее через N¡, обозначены главные напряжения , $2, ¿3):

Если Т = 0, то считается, что <р = 0, и в этом случае направления главных площадок совпадают с осями местной системы координат элемента.

Главные напряжения в стержневых элементах определяются по формуле:

где

нормальное и касательные напряжения в характерных точках поперечного сечения стержня.

Для того чтобы определить главные напряжения, сечение элемента-должно быть задано одним из следующих образов:

— как одно из параметрических сечений (положение характерных точек для таких сечений показано на рис. 2);

— с использованием сортамента металлопроката (рис. 3).

При одноосном напряженном состоянии, об опасности действующих напряжений судят, сопоставляя их с экспериментально устанавливаемой величиной (с пределом текучести для пластических материалов или временным сопротивлением для хрупких тел). Для сложного напряженного состояния, характеризующегося главныминапряжениями с,, ст2, cij (iV,, Nv NJ обычно используется некоторая гипотеза (теория прочности) о преимущественном влиянии на прочность материала того или иного фактора. При этом предусматривается возможность сопоставления некоторого эквивалентного напряжения atc пределом а*, который соответствует простому одноосному растяжению.

Условие невозникновеиия предельного состояния в материале записывается в виде:

где kl,...JcK— некоторые константы материала, которые могут и отсутствовать.

В поставленной задаче оценки НДС и эксплуатационной пригодности несущих каменных конструкции анализ эквивалентных напряжений проводился в соответствии с теорией максимальных нормальных напряжений (далее—МНН), охватывающей хрупкие однородные материалы, При ЭТОМ Ot = О,, CTJ = |CTj|.

При определении вида выводимой информации по результатам расчета в ВК SCAD Office приняты следующие условные обозначения:

S1,S2,S3 — главные нормальные напряжения;

NEI—эквивалентное напряжение (приведенное к эквивалентному растяжению) по теории МНН;

NSI — эквивалентное напряжение (приведенное к эквивалентному сжатию) по теории МНН.

При анализе внешних нагрузок и воздействий F{t) отмечено, что они не только зависят от принятых расчетных схем конструктивных элементов и изделий, но и являются также функциями времени. Следовательно, функции нагрузок и воздействий можно представить в виде математической модели следующего вида:

Fin(0 = ^/) = Fm.i(0. (17)

где — текущее значение величин нагрузок и воздействий, дей-

ствующих на конструктивные элементы и изделия; Fm Jit), f^Ji0 — минимальное и максимальное значения соответствешю нагрузок и воздействий за ожидаемый срок службы объекта.

Фактическое описание изменения во времени нагрузок и воздействий в течение сроков службы зданий практически не представляется возможным. Реальное (фактическое) состояние любого конструктивного элемента и его эксплуатационная надежность зависят в конечном итоге не от принятого на стадии проектирования расчетного сочетания внешних воздействий, а от всей истории (эволюции) формирования нагрузок и воздействий с учетом пространственно-временных особенностей и физико-механических свойств материалов, принятых при производстве работ. Однако существующие принципы нормирования внешних воздействий, используемые при расчете и конструировании зданий и сооружений (на этапах проектирования), которые можно рассматривать как системы с распределенными параметрами, не могут быть полностью использованы для периода технической эксплуатации объектов по следующим основным причинам:

1) расчетные схемы конструктивных элементов зданий и сооружений и приложенные к ним внешние воздействия являются адаптированными (идеализированными);

2) в условиях эксплуатации происходит старение материалов, появление и накопление в строительных конструкциях различных повреждений, которые приводят к изменению жесткостных (геометрических и прочностных) параметров конструкций, расчетных схем и граничных условий, что может явиться причиной нерасчетного перераспределения усилий и наступления предельных состояний первой или второй группы;

3) односторонне учитываются температурно-влажностные воздействия природного и техногенного происхождения;

4) при проектировании зданий и сооружений не учитывается фактор времени;

5) предельные состояния по первой и второй группам, принятые в расчетах элементов строительных конструкций на стадии проектирования, стечением времени принимаются постоянными, хотя объективно происходят необратимые процессы старения конструкций, изделий и материалов и следует вносить определенные коррективы непосредственно в структуру предельных состояний, то есть необходимо развивать теорию предельных состояний в направлении их совершенствования для условий технической эксплуатации;

На основании проведенного исследования предложена схема проведения теоретического исследования НДС несущих конструкций эксплуатируемых каменных зданий, подверженных повреждениям, деформациям и т.д. с применением ЭВМ, может быть наглядно представлена в виде следующих этапов:

1. Проведение технического обследования сооружения с заполнением обследовательских карт. (Использование существующих данных обследования здания с внесением необходимых корректив и дополнений).__

2. Проведение анализа конструктивной схемы сооружения и создание эталонных электронных схем и моделей:

а) архитектурной — с помощью программных комплексов архитектурно-строительного проектирования ArchiCAD, AutoCAD;

б) расчетной— в ВК SCAD Office._

3.. Комплексный расчет эталонной модели сооружения с учетом свойств существующего грунтового основания. Выявление зон повышенных деформаций конструкций, напряжений, просадок грунтов, несоответствий данным проекта (при его наличии) и сопоставление результатов первичного расчета с натурными исследованиями._

4. Внесение корректировок в расчетную модель сооружения: дополнительные зафиксированные осадки, деформации, отклонения конструкций от вертикали, моделирование трещин, уточнение свойств грунтового основания на локальных участках и т.д._

5. Итерационный комплексный расчет модели сооружения с учетом внесенных корректив в расчетную схему и сопоставление результатов расчета с натурными исследованиями._

6. Выявление наиболее опасных зон перенапряжений и сверхнормативных деформаций, зон требующих дополнительного обследования, уточнения технических параметров пространственной модели, усиления или замены несущих строительных конструкций._

Для каждого из этапов рассмотрена специфика работ и даны практические рекомендации по их выполнению и анализу.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ проведен анализ существующей застройки и выбор здания-представителя для проведения теоретического исследования напряженно-деформированного состояния и эксплуатационной пригодности его несущих конструкций, разработаны и адаптированы расчетные модели здания-представителя, выполнены расчеты эталонной модели здания-представителя, модели здания-представителя при различных условиях эксплуатации и сравнительный анализ результатов расчета моделей здания-представителя.

Жилые исторические центры городов образованы сблокированными каменными домами переменной этажности и различных годов пост-

ройки, что обусловлено поэтапной застройкой и развитием городов. Сблокироваш1ые каменные дома интересны для исследования не только тем, что они представляют значительную часть строительного фонда России, 80% которого подвержено физическому износу, но и тем, что на них можно проследить следующие явления:

1) взаимодействие отдельных блоков здания через деформационные швы;

2) НДС грунтового основания, подстилающего здание;

3) взаимное влияние неравномерных осадок и деформаций грунтового основания, обусловленных авариями инженерных сетей, суффозион-ными процессами, наличием рядом стоящих зданий и т.п.

На основании выполненного анализа застройки был выбран объект-представитель -сблокированное из шести корпусов каменное общественное здание переменной этажности, расположенное по адресу: Москва, ул. Ватутина, стр. 1. Выбор этого здания в качестве представителя обусловлен и тем, что на него имелись данные технического обследования.

Конечно-элементная модель исследуемого здания, созданная на базе встроенного в ВК SCAD Office графического редактора Forum представлена на рис. 4.

Рис. 4. Конечно-элементная модель исследуемого здания, созданная на базе встроенного в ВК SCAD Office графического редактора Forum

Материалы несущих конструкций здания, характеристики которых приведены в табл. 1, смоделированы как упругие.

Таблица 1

Расчетные характеристики материалов несущих конструкций исследуемого здания

Наименование материала Удельный весЛт/м3 Модуль упругости*, ЯКгЧ/м2 Коэффициент Пуассона Область применения

Кирпичная кладка 1,8 Я™*" 0,1557 £^=0,1178 0,35 Наружные и внутренние несущие стены здания

Бетон В20 2,5 2,75 0,2 Перекрытия, перемычки, балки

Бетон В15 2,5 2,14 0,2 Фундаменты

* Значения модуля упругости кирпичной кладки (Е^ указаны для разных этапов моделирования:

— максимальное значение (Ет ) соответствует эталонной математической модели здания (исходное состояние здания на момент завершения строительства), выявленное по результатам исследования прочностных свойств кладки здания;

— среднее значение соответствует математической модели здания, несущие конструкции которого подвержены деформациям, повреждениям, физическому износу. Значение — среднее значение модуля упругости, полученное в результате исследования прочностных свойств кладки.

Создание расчетной схемы (расчетной модели) здания выполнено в три этапа. Этапное моделирование при анализе НДС необходимо в целях создания расчетной модели исследуемого здания максимально приближенной к оригиналу.

Этап 1. Эталонная модель. Расчетная модель здания представляет собой расчетную схему с продольными несущими кирпичными стенами надземной части здания, жесткими дисками междуэтажных и чердачных перекрытий, бетонными стенами подвала. Пластинчатыми конечными элементами представлены ленточный фундамент, основание фундамента, несущие стены, перекрытия. Стержневыми конечными элементами представлены перемычки над окнами и дверями, балки портальных проездов.

Моделирование деформационных осадочных швов здания выполнено разбиением модели на независимые блоки по всей высоте с разрезкой фундамента.

Грунтовое основание смоделировано введением значений коэффициентов постели в характеристики пластинчатых элементов, моделирующих подошву фундамента. Расчет коэффициентов постели выполнен в программе КРОСС, являющейся частью ВК SCAD Office.

Этап 2. Модель здания, кирпичная кладка несущих стен которого подвержена старению (Еи = грунты основания подвержены локальному замоканию в местах просадки отмостки.

Моделирование мест замокания грунтового массива производится путем введения в основание площадки здания дополнительных локальных скважин с измененными характеристиками грунта (локальная водонасы-щенность слоев грунтового основания до водоупорного горизонта) и отсечением границ замокания скважинами с заданными характеристиками грунтов. Данная операция производится во вспомогательной программе КРОСС, где производится полный перерасчет коэффициентов постели, экспортируемых далее в ВК SCAD). Остальные параметры данной модели соответствуют эталонной.

Этап 3. Модель здания, кирпичная кладка несущих стен которого подвержена старению (Еы = Е^, трещииообразованию, локальному выветриванию, замоканию и деформациям; грунты основания подвержены локальному замоканию в местах просадки отмостки.

Отмеченные по результатам технического обследования трещины, места замокания грунтов основания в местах просадки отмостки здания учитываются указанным ниже образом:

• трещины пластинчатых конечных элементов стен здания моделируются сгущением конечно-элементной сетки в зоне образования трещины. В месте образования сквозной трещины (разрыва узловых связей конечно-элементной сетки) производится удаление конечных элементов. Отдельные трещины моделируются путем замены крупных четырехугольных и треугольных конечных элементов группой га более мелких треугольных конечных элементов по предварительно введенным дополнительным узлам, определяющим положение трещины на плоскости рассматриваемой конструкции стены.

• моделирование зон локального замокания и выветривания кирпичной кладки производится путем снижения жесткостных характеристик пластинчатых элементов на локальных участках в соответствии с результатами обследования (уменьшением высоты сечения пластинчатых элементов, снижением значения модуля упругости кладки).

• моделирование мест замокания грунтового массива производится

методом, описанным выше. В рамках исследования, ввиду отсутствия данных о фактических нагрузках и воздействиях на здание, расчет его несущих конструкций проводится на основное сочетание расчетных нагрузок в соответствии со СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».

Фрагменты результатов расчета здания на различных этапах исследования представлены на рисунках 5-7.

Рис, 5. Изополя вертикальных перемещений по оси Ъ узлов эталонной конечноэлементной расчетной модели исследуемого здания (мм)

Рис. 6. Изополя вертикальных перемещений узлов по оси Ъ конечно-элементной расчетной Модели 2 исследуемого здания (мм)

Рис. 7. Изополя вертикальных перемещений узлов по оси Ъ конечно-элементной расчетной Модели 3 исследуемого здания (мм)

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ разработаны методика оценки эксплуатационной пригодности несущих конструкций жилых и общественных каменных зданий, критерии оценки эксплуатационной пригодности несущих конструктивных элементов здания при анализе напряженно-деформированного состояния по расчетным моделям, этапы проведения оценки НДС и эксплуатационной пригодности несущих каменных конструкций зданий, выполнен пример расчета снижения эксплуатационной пригодности несущих каменных стен здания-представителя.

В качестве критериев эксплуатационной пригодности несущего элемента конструкции здания приняты:

1. Величина локального перенапряжения (ЛП) участка несущей конструкции (или всей конструкции), рассчитываемая как отношение разности расчетного эквивалентного напряжения сжатия/растяжения в рассматриваемом элементе и фактической несущей способности элемента конструкции к фактической несущей способности элемента конструкции, выявленной в результате технического обследования и лабораторных испытаний (формула 18).

2. Эксплуатационная пригодность несущего конструктивного элемента (ЭЯ1), вычисленная как отношение площадей перенапряженных участков несущего конструктивного элемента здания с общей площадью несущего конструктивного элемента (формула 19).

Данные критерии достаточно универсальны, так как напряжения в несущей конструкции могут быть вызваны не только вертикальными нагрузками, но и горизонтальными ветровыми, динамическими, температурными и другими нагрузками и воздействиями. При оценке эксп-

луатационной пригодности несущих конструкций здания должно быть наложено ограничение в виде условий эксплуатации его конструкций. При изменении условий эксплуатации, а также при изменении конструктивной схемы здания в результате его реконструкции, должна быть произведена переоценка эксплуатационной пригодности его несущих конструкций.

ЛП=(№1(№1) - [ст,(а)])/[ст(ст,)] -100%, (18)

ЭЯ1 = (1-(51/£2)) -100%, (19)

величина локального перенапряжения участка конструкции;

эксплуатационная пригодность несущего конструктивного элемента здания;

эквивалентные напряжения (приведенные к эквивалентному растяжению и эквивалентному сжатию, соответственно) по теории МНН;

допустимые расчетные сопротивления сжатию и растяжению материала элемента несущей конструкции, соответственно, выявленные по результатам технического обследования и лабораторных испытаний.

При расчетной эксплуатационной пригодности несущего элемента конструкции здания менее 100% необходимо проводить его ремонт или восстановление.

В общем случае оценка эксплуатационной пригодности несущих строительных конструкций должна быть проведена в объеме указанных ниже этапов с учетом отмеченных в них требований:

1 ЭТАП. Первичное обследование несущих конструктивных элементов здания или сооружения. При первичном обследовании, как и при последующих дополнительных детальных обследованиях, эксперт не должен делать самостоятельные выводы о степени физического износа того или иного конструктивного элемента во избежании необъективности оценки и увеличения погрешности последующего пространственного расчета конструкции обследуемого здания.

2 ЭТАП. Проведение первичного трехмерного математического моделирования и расчета эталонной расчетной модели здания с целью проверки принятых адаптированных к математическому расчету значений жесткостных характеристик материалов несущих конструкций и узлов закрепления несущих конструктивных элементов и анализа напряженно-деформированного состояния несущих конструкций здания и подстилающего его грунтового основания.

где ЛП —

ЭП\ —

—

[а,] и [а,]

3 ЭТАП. Сопоставление данных результатов расчета трехмерной расчетной модели здания с результатами технического обследования и лабораторных испытаний материалов несущих конструкций и подстилающих грунтов основания. Выявление необходимости проведения детального дополнительного обследования.

4 ЭТАП. Итерационный расчет эталонной расчетной модели здания в целях максимальной адаптации расчетной модели к реальной конструктивной схеме здания.

5 ЭТАП. Сопоставление результатов расчета сданными первичного обследования конструкций и выявление возможных причин, приводящих к разрушениям и деформациям.

6 ЭТАП. Введение выявленных дефектов несущих конструктивных элементов в расчетную модель здания и корректировка данных геологии площадки застройки.

7 ЭТАП. Итерационный расчет откорректированной расчетной модели здания в целях максимальной адаптации расчетной модели к реальной конструктивной схеме здания. Если проведенное моделирование и расчет не позволяют достичь заданной точности решения. поставленной расчетной задачи, то в соответствии с «Методикой определения аварийности строений» МГСН 301.03-99 должно быть проведено дополнительное обследование конструктивных элементов. Дополнительное обследование грунтового основания должно быть проведено в соответствии с требованиями по наблюдению задеформациями оснований и фундаментов зданий и сооружений.

8 ЭТАП. Расчет эксплуатационной пригодности несущих конструктивных элементов исследуемого здания. Количественная оценка эксплуатационной пригодности отдельных несущих конструктивных элементов здания производится по формулам 18 и 19 в соответствии с требованиями и при ограничениях, указанных выше.

9 ЭТАП. Расчет совокупной эксплуатационной пригодности каменных несущих конструкций эксплуатируемого здания. Данный расчет должен выполняться ранжировано для каждой группы несущих конструкций, имеющих одинаковое целевое назначение и воспринимающих однородные нагрузки и воздействия как по их качеству, так и по количеству. Например, расчет совокупной эксплуатационной пригодности может быть произведен для группы наружных несущих каменных стен при следующих условиях:

♦ стены имеют одинаковое сечение и выполнены из одного материала;

• уровень нагрузки и воздействий на стены—одинаковый (например, стены 1 -го этажа при единой этажности здания);

• условия опирания стен на фундамент—единые.

В этом случае расчет искомого показателя эксплуатационной пригодности должен быть произведен по формуле:

где ЭП2—совокупная эксплуатационная пригодность каменных несущих конструкций исследуемого здания, выраженная в процентах;

811 — суммарная площадь участков стены здания, расчетные эквивалентные напряжения в которых превышают максимально допустимые значения расчетных сопротивлений;

821 — общая площадь исследуемой стены здания (за вычетом оконных и дверных проемов и т.п.).

10 ЭТАП (дополнительный). После получения окончательных результатов математического моделирования и расчета НДС несущих конструкций здания в трехмерной постановке задачи, должно быть произведено предварительное (укрупненное) вариантное проектирование реконструкции объекта.

11 ЭТАП (дополнительный). На основе технико-экономического сравнения выявляется наиболее экономичный вариант реконструкции при условии, что в результате его реализации будут достигнуты минимальные нормативно требуемые прочностные характеристики отдельных несущих конструктивных элементов и конструкции здания в целом. При этом необходимо учитывать, что в результате ремонтно-восстановительных мероприятий может быть изменена конструктивная схема здания. Все внесенные согласно проекту реконструкции объекта изменения необходимо отразить в расчетной модели объекта, произвести поверочный расчет и, соответственно, проанализировать полученные результаты.

В соответствиями с требованиями новой разработанной методики (этапы 8,9) был проведен расчет снижения эксплуатационной пригодности фрагментов несущих каменных стен здания-представителя. Результаты расчета искомых показателей приведены в таблицах 2,4.

Пороговое (максимально допустимое) значение эквивалентного напряжения сжатия определяется, исходя из следующих условий:

— максимальное расчетное значение сопротивления сжатию кладки каменных стен здания-представителя составляет^ = 1,75 МПа (175 т/м2);

— расчетное сопротивление сжатию кладки каменных стен здания-представителя откорректировано путем введения в значение

Локальное перенапряжение и эксплуатационная пригодность несущих кирпичных простенков первого этажа здания-представителя по оси 31 в осях Р-Н

Стена Этаж Простенок ЛЭТ тал, т/м2 51, м2 52, м2 [о,], т/м2 ЛП, % ЭЯ1, % Прим.

Стена по оси 31 в осях Р-Н 1 900 3,0 9,0 389 67 1»

1 2 550 2,9 3,7 184 199 22 2*

3 550 2,9 3,7 199 22 2*

4 750 2,5 9,0 308 72 3*

1* — Простенок пригоден к эксплуатации на 67%. Требуется проведение ремонтно-восстановительных работ;

2* — Простенок пригоден к эксплуатации на 22%. Требуется проведение ремонтно-восстановительных работ;

3* — Простенок пригоден к эксплуатации на 72%. Требуется проведение ремонтно-восстановительных работ.

расчетного сопротивления коэффициента надежности по ответственности уп = 0,95. Таким образом, пороговое значение расчетного сопротивления сжатию кладки каменных стен исследуемого здания составляет:

[сд = ЯД, =175/0,95= 184 т/м2.

В зависимости от величины локального перенапряжения (Л П), полученной по результатам моделирования и расчета несущих конструкций здания, предлагается проводить оценку фрагментов несущих конструкций в соответствии категорийностью, представленной в табл. 3. Приведенная категорийность состояния фрагментов несущих конструкций зданий в зависимости от величины их локального перенапряжения основана на выполненном анализе НДС несущих конструкций исследуемого комплекса каменных зданий. Ввиду отсутствия подобных статистических данных по другим объектам строительного фонда, данная категорийность может быть рассмотрена как предварительная и требующая уточнения.

В соответствии с требованиями разработанной методики оценки эксплуатационной пригодности, проведен расчет совокупной эксплуатационной пригодности (ЭП2) несущих стен первого этажа здания-представителя. Из результатов расчета ЭП2 наружных каменных несущих стен первого этажа здания-представителя следует:

Категории состояния фрагментов несущих конструкций зданий в зависимости от величины их локального перенапряжения

•Вид необходимых ремонтно-восстановительных работ может отличаться от рассмотренных в табл. 3 и определяться для каждого отдельного случая индивидуально на основе технико-экономического обоснования.

1) Рассмотренные несущие конструкции пригодны к эксплуатации на 80 %;

2) 20% рассмотренных несущих конструкций не пригодны к эксплуатации и требуют восстановления, частичной или полной замены.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертации рассмотрены теоретические аспекты и разработаны практические вопросы, связанные с оценкой напряженно-деформированного состояния и эксплуатационной пригодности несущих каменных конструкций жилых и общественных зданий. Основные результаты проведенного исследования приведены ниже.

1. Проведен анализ частоты проявления дефектов, деформаций и повреждений несущих конструкций каменных зданий, который показал, что наиболее часто встречающимися дефектами и повреждениями являются трещинообразование, отклонения от проектного положения конструктивных элементов, просадки фундаментов, замокание отдельных участков несущих конструктивных элементов.

2. По результатам проведенного анализа применяемых а настоящее время методических рекомендаций и правил по оценке физического износа конструктивных элементов зданий сформулированы факторы, по которым данные методики не соответствуют требованиям объективной оценки

3. Разработана математическая модель пространственной работы сблокированных каменных зданий, несущие конструкции которых подвержены деформациям, дефектам, повреждениям; обоснованы допущения при адаптации расчетных моделей и выбор вычислительного комплекса для проведения моделирования.

4. Проведено моделирование и расчет напряженно-деформированного состояния НДС несущих конструкций комплекса каменных зданий в трехмерной постановке задачи посредством ВК SCAD Office.

5. Разработаны и обоснованы критерии оценки эксплуатационной пригодности несущих конструктивных элементов каменных зданий. В качестве критериев оценки данного показателя предложено считать величину локального перенапряжения для отдельных участков и элементов несущих конструкций и соотношение площадей перенапряженных. участков несущего конструктивного элемента здания с общей площадью несущего конструктивного элемента;

6. Разработана методика оценки эксплуатационной пригодности несущих каменных конструкций жилых и общественных зданий с учетом многофакторности поставленной задачи, что позволило исключить ряд недостатков, присущих при- меняемым методикам.

7. Предложена категорийность несущих каменных элементов зданий в зависимости от величины их локального перенапряжения;

8. Для дальнейших исследований в области оценки напряженно-деформированного состояния и эксплуатационной пригодности несущих конструкций зданий и сооружений в работе предлагается выполнение следующих задач:

— создание для всех типов обследуемых объектов архитектурной электронной базы данных для БТИ в графических системах типа AutoCAD, ArchiCAD и др. и расчетной электронной базы данных в системе типа ВК SCAD Office;

— разработка единой методики и принципов создания расчетных

моделей зданий с различными типами и материалами несущих конструкций, подверженных дефектам, деформациям, повреждениям и т.д.;

—разработка принципов и методов паспортизации зданий и сооружений с учетом эксплуатационного состояния их несущих конструкций.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ в СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Глазков М.В. Целесообразность реконструкции жилищного фонда «первого поколения» и объективность оценки степени физического износа жилых домов // деп. ВИНИТИ 04.04.2003 г. № 618-В 2003. — 7с — Библиогр.: 16 назв. — Рус.

2. Глазков М.В. Моделирование повреждений и дефектов несущих конструкций зданий при анализе их пространственной работы // деп. ВИНИТИ 04.04.2003 г. № 619-В 2003. — 14 с: 7 ил. — Библиогр.: 11 назв. - Рус.

3. Глазков М.В. Применение ВК SCAD Office для оценки напряженно-деформированного состояния несущих конструкций каменных зданий// деп. ВИНИТИ 15.05.2003 г. № 956-В 2003. — 6 с. — Библиогр.: 9 назв. — Рус.

4. Глазков М.В., Сопоцько СЮ. Критерии оценки степени физического износа несущих строительных конструкций зданий и сооружений. Бюллетень Строительной Техники № 7, 2003 - 3 с. Библиогр.: 9 назв. - Рус.

5. Глазков М.В., Сопоцько СЮ. Вычислительный программный комплекс «SCAD Office» для оценки физического износа и реальной несущей способности строительных конструкций жилых и общественных зданий. Бюллетень Строительной Техники №11,2003. — 4 с. Библиогр.: 9 назв. — Рус.

ГЛАЗКОВ Максим Владимирович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПРИГОДНОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ КАМЕННЫХ ЗДАНИЙ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания ___и сооружения_

Тип. зак. 3$& Изд. зак. 328 Тираж 100 экз.

Подписано в печать Гарнитура Times. Офсет

Усл.печ.л. 1,75 Формат 6Qx90i'/16

Издательский центр РГОТУПСа, 125993, Москва, Часовая ул., 22/2

Типография РГОТУПСа, 125993, Москва, Часовая ул., 22/2

:i! 7302

Глава 1 Состояние вопроса физического износа и аварийности несущих строительных конструкций. Обзор методик оценки

1.1 Общие положения проблемы.

1.2 Дефекты, повреждения, деформации и отказы несущих конструкций зданий с кирпичными несущими стенами.

1.3 Аварийность каменных зданий. Причины и признаки.

1.4 Физический износ и определение эксплуатационной пригодности несущих конструкций каменных зданий.

1.5 Анализ методик оценки физического износа зданий.

1.6 Выводы и основные результаты.

Глава 2 Развитие теории расчета параметров напряженно-деформированного состояния несущих конструкций эксплуатируемых каменных зданий

2.1 Исходные положения.

2.2 Методы расчета несущих конструкций зданий.

2.3 Обоснование применения метода конечных элементов для расчета напряженно-деформированного состояния несущих конструкций каменных зданий.

2.4 Обоснование выбора вычислительного комплекса для решения задачи расчета и оценки напряженно-деформированного состояния несущих конструкций каменных зданий.

2.5 Моделирование системы «здание-основание» с применением вычислительного комплекса SCAD Office.

2.6 Методика расчета параметров напряженно-деформированного состояния несущих конструкций эксплуатируемого здания.

2.7 Выводы и основные результаты

Глава 3 Построение, расчет и теоретический анализ расчетных моделей каменных зданий

3.1 Анализ существующей застройки и выбор здания-представителя для проведения теоретического исследования напряженно-деформированного состояния и эксплуатационной пригодности его несущих конструкций.

3.2 Создание и адаптация расчетных моделей здания-представителя.

3.3 Расчет эталонной модели здания-представителя. Анализ полученных результатов.

3.4 Расчет модели здания-представителя, кирпичная кладка несущих стен которого подвержена старению, и подстилающие грунты основания подвержены локальному замоканию. Анализ результатов расчета.

3.5 Расчет модели здания-представителя, кирпичная кладка несущих стен которого подвержена старению, трещинообразованию, локальному выветриванию, замоканию и деформациям, и грунты подстилающего основания подвержены локальному замоканию. Анализ результатов расчета.

3.6 Сравнительный анализ результатов расчета моделей здания-представителя.

3.7 Выводы и основные результаты.

Глава 4 Методика оценки эксплуатационной пригодности несущих конструкций каменных зданий

4.1 Исходные положения

4.2 Критерии оценки эксплуатационной пригодности несущих конструктивных элементов здания при анализе напряженно-деформированного состояния по расчетным моделям.

4.3 Этапы проведения оценки эксплуатационной пригодности несущих конструкций каменных зданий.

4.4 Пример расчета снижения эксплуатационной пригодности несущих каменных стен здания-представителя.

4.5 Методика оценки эксплуатационной пригодности несущих конструкций жилых и общественных каменных зданий.

4.5 Выводы и основные результаты.

Актуальность темы

В настоящее время значительная часть жилищного фонда России требует ремонта или реконструкции. В первую очередь, это касается кирпичных домов дореволюционной постройки и постройки 30-х, 40-х, 50-х годов, общая площадь которых только в Москве и Санкт-Петербурге составляет более 70 млн. м2. Как показали исследования межведомственной комиссии по программе «Жилище», 60% всего жилищного фонда старше 70 лет уже имеет износ более 35%; при этом темпы роста физического износа превышают 10% в год. При определении физического износа особое внимание должно быть уделено оценке эксплуатационной пригодности основных несущих конструктивных элементов (фундаментов, стен и простенков, плит и балок, покрытий и перекрытий) и учету ослабления грунтовых оснований (из-за изменений гидрогеологического режима, протечек и аварий наружных инженерных коммуникаций, строительства новых зданий в зоне старой застройки с нарушениями правил производства работ нулевого цикла и др.).

По результатам технического анализа, проведенного Главной инспекцией Госархстройнадзора России, в период с 1997 по 2001 год на территории 50-ти субъектов Российской Федерации было зарегистрировано 166 строительных аварий различной степени тяжести [1]. Распределение аварий по годам отражено на гистограмме 1 (рисунок 1). Основное количество аварий за указанный период произошло в Удмуртской Республике (16), Ростовской области (13), Кемеровской области (11), Пермской области (7). В Республике Бурятия, Красноярском крае и Ханты-Мансийском автономном округе — по 6 аварий, в Кабардино-Балкарской и Чувашской Республиках, Архангельской, Саратовской и Челябинской областях — по 5. При этом 73 аварии (44%) произошли на производственных зданиях, 43 (26%) - на жилых, 41 (25%) — на общественных и 9 (5%) — на сельскохозяйственных.

А

Z4

П 1 гг\ г 1 М

1997 1998 1999 2000 2001 года Количество аварий

Рисунок 1 — Количество аварий на территории РФ в период с 1997 по 2001 г.г.

В указанный период наибольшее количество аварий произошло на зданиях и сооружениях из каменных конструкций (72) и сборного и монолитного железобетона (49). На зданиях из стальных конструкций зарегистрировано 34 аварии, деревянных - 10 и на земляных сооружениях -1 авария (Диаграмма 1 — Рисунок 2). В результате аварий погибли 15 человек, 58 получили травмы различной степени тяжести.

Земляные сооружения

Метал ло каркас ■ Каменные Деревянный каркас ■ Железобетонные D Всего

Рисунок 2 - Аварии зданий и сооружений в зависимости от конструктивных решений в период с 1997 по 2001 г.г. 6

Из представленной диаграммы следует, что здания и сооружения из каменных конструкций имеют наибольший физический износ. Это предопределяет необходимость изучения вопроса оценки эксплуатационной пригодности и остаточной несущей способности каменных несущих конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений.

При проведении ремонта и реконструкции объектов недвижимости для принятия адекватного технического решения, как того требует ВСН 58-88 (р) [2], необходимы детальный анализ состояния несущих строительных конструкций с выявлением повреждений, разрушений и деформаций и оценка реальной несущей способности конструктивных элементов*.

В последние годы в связи со снижением целевых ассигнований на проведение плановых и капитальных ремонтов жилых домов и, как следствие, с обветшанием жилого фонда актуальность указанных вопросов возросла. Повышены требования к точности, достоверности и многосторонности результатов обследования технического состояния зданий. Все эти факторы должны быть учтены при оценке эксплуатационной пригодности несущих строительных конструкций каменных зданий и сооружений.

Цель работы

Создание инженерной методики оценки эксплуатационной пригодности несущих конструкций жилых и общественных каменных зданий, основанной на использовании результатов расчета их напряженно-деформированного состояния с учетом фактических свойств материалов, дефектов и повреждений несущих конструкций, а также свойств подстилающего грунтового основания, выявленных в результате технического обследования. Термины и определения, принятые в соответствии с [3], приведены в Приложении А.

Научная задача

1 Исследование и совершенствование методов расчета напряженно-деформированного состояния несущих конструкций зданий и сооружений применительно к расчету несущих конструкций эксплуатируемых каменных зданий.

2 Разработка и обоснование критериев и методов оценки напряженно-деформированного состояния и технико-эксплуатационных качеств (прочности, устойчивости, надежности и т.д.) несущих конструкций эксплуатируемых каменных зданий.

Методы исследования

При выполнении работы использовались методы теоретической механики, теории упругости, математической статистики, анализа нормативно-технической документации, а также подходы, основанные на численных расчетах конечно-элементной модели несущего остова здания и подстилающего грунтового основания.

Научная новизна работы

1 Разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния системы «каменное здание — грунтовое основание» с учетом изменяющихся со временем и под воздействием природно-климатических факторов и в результате жизнедеятельности человека механических характеристик материалов несущих строительных конструкций и грунтового основания.

2 Разработаны и обоснованы критерии оценки технико-эксплуатационных качеств несущих конструкций каменных зданий.

Теоретическая значимость работы

1 Выполнены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния несущих конструкций каменных зданий, подверженных физическому износу. Проведенные исследования позволили:

• Разработать методы адаптации расчетных моделей каменных несущих конструкций, подверженных физическому износу;

• Разработать методику оценки технико-эксплуатационных качеств каменных несущих конструкций зданий, учитывающую получаемые каменными зданиями в процессе их эксплуатации повреждения, а также взаимодействие несущих конструкций зданий и грунтового основания.

2 Предложены методы адаптации расчетных конечно-элементных моделей каменных зданий позволяющие осуществить расчет и теоретический анализ напряженно-деформированного состояния несущих элементов каменных зданий с учетом их конструктивных особенностей, выявленных дефектов, повреждений, разрушений и деформаций.

Практическая значимость работы

1 Разработана инженерная методика оценки эксплуатационной пригодности каменных несущих конструкций зданий, основанная на математическом расчете и анализе напряженно-деформированного состояния его несущих конструкций.

2 Обоснованы принципы адаптации расчетных моделей, повреждений и дефектов несущих конструкций и изменяющихся свойств грунтового основания для проведения практического математического моделирования системы «здание-основание».

3 Обоснованы требования, проведен анализ и сделан выбор вычислительного комплекса для проведения численных расчетов в целях оценки напряженно-деформированного состояния системы «каменное здание - грунтовое основание».

Апробация работы

По теме диссертации опубликовано шесть научных работ. Научные работы опубликованы в научно-техническом журнале «БСТ» и депонированы в ВИНИТИ в разделах «Строительная механика» и «Градостроительство» в 2003 г.

Диссертационная работа в полном объеме рассматривалась:

1) на заседании научно-технического совета ФГУП ГОССТРОЯ РОССИИ «КБ им. А.А. Якушева» 17 февраля 2004 г.;

2) на заседании научно-технического совета РГОТУПС 30 марта 2004 г. Материалы диссертационной работы, а также разработанные принципы и методы оценки технико-эксплуатационных качеств несущих конструкций каменных зданий использованы при практическом анализе НДС и эксплуатационной пригодности несущих конструкций ряда каменных зданий:

1) Здание храма Свято-Успенского женского Монастыря (Ивановская область, Шуйский район, с. Дунилово);

2) Здание Московского театра «ЛЕНКОМ» (г.Москва, ул. м. Дмитровка,

Д. 6)

Структура и объем работы

Диссертация состоит из двух частей: первая часть - введение, четыре главы, заключение, список использованных источников из 78 наименований, приложение А. Теоретическая часть диссертации изложена в первой части работы на 132 страницах машинописного текста и включает 35 рисунков, 1 схему, 9 таблиц. Основные расчетно-графические материалы работы отнесены во вторую часть диссертации (приложения Б - Е) и изложены на 243 страницах машинописного текста. Вторая часть диссертации включает 175 рисунков, 1 схему, 22 таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации рассмотрены теоретические аспекты и разработаны практические вопросы, связанные с оценкой напряженно-деформированного состояния и эксплуатационной пригодности несущих каменных конструкций жилых и общественных зданий. Основные результаты проведенного исследования приведены ниже.

1 Проведен анализ частоты проявления дефектов, деформаций и повреждений несущих конструкций каменных зданий, который показал, что наиболее часто встречающимися дефектами и повреждениями являются трегцинообразование, отклонения от проектного положения конструктивных элементов, просадки фундаментов, замокание отдельных участков несущих конструктивных элементов.

2 По результатам проведенного анализа применяемых а настоящее время методических рекомендаций и правил по оценке физического износа конструктивных элементов зданий сформулированы факторы, по которым данные методики не соответствуют требованиям объективной оценки

3 Разработана математическая модель пространственной работы сблокированных каменных зданий, несущие конструкции которых подвержены деформациям, дефектам, повреждениям; обоснованы допущения при адаптации расчетных моделей и выбор вычислительного комплекса для проведения моделирования.

4 Проведено моделирование и расчет напряженно-деформированного состояния НДС несущих конструкций комплекса каменных зданий в трехмерной постановке задачи посредством ВК SCAD Office.

5 Разработаны и обоснованы критерии оценки эксплуатационной пригодности несущих конструктивных элементов каменных зданий. В качестве критериев оценки данного показателя предложено считать величину локального перенапряжения для отдельных участков и элементов несущих конструкций и соотношение площадей перенапряженных участков несущего конструктивного элемента здания с общей площадью несущего конструктивного элемента;

6 Разработана методика оценки эксплуатационной пригодности несущих каменных конструкций жилых и общественных зданий с учетом многофакторности поставленной задачи, что позволило исключить ряд недостатков, присущих применяемым методикам.

7 Предложена категорийность несущих каменных элементов зданий в зависимости от величины их локального перенапряжения;

8 Для дальнейших исследований в области оценки напряженно-деформированного состояния и эксплуатационной пригодности несущих конструкций зданий и сооружений в работе предлагается выполнение следующих задач:

- создание для всех типов обследуемых объектов архитектурной электронной базы данных для БТИ в графических системах типа AutoCAD, ArchiCAD и др. и расчетной электронной базы данных в системе типа ВК SCAD Office;

- разработка единой методики и принципов создания расчетных моделей зданий с различными типами и материалами несущих конструкций, подверженных дефектам, деформациям, повреждениям и т.д.;

- разработка принципов и методов паспортизации зданий и сооружений с учетом эксплуатационного состояния их несущих конструкций.

1. Аварии зданий и сооружений на территории Российской Федерации в 2001 году. Госстрой России Управление инспекцией. Главная инспекция архитектурно-строительного надзора. М.: ГУЛ ЦПП, 2002. - 34 с. ил.

2. Положение об организации и проведении реконструкции, ремонта и технического обслуживания зданий, объектов коммунального и социально-культурного назначения. ВСН 58-88 (р). Госкомархитектуры. Издание официальное. М.ТУП ЦПП, 1989. - 32 с.

3. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. Издание официальное. Издательство стандартов, М. — 1990.С.37.

4. Положение по техническому обследованию жилых зданий. ВСН 57-88 (р). Госкомархитектуры. Издание официальное. Госстрой России. — М.: ГУП ЦПП, 2000.-92 с.

5. Нечаев Н.В. Капитальный ремонт жилых зданий. — М.: Стройиздат, 1990.

6. Технико-экономическое обоснование реконструкции жилой застройки. Методические рекомендации. Киев: Госстрой УССР Киев НИИП градостроительства, 1972.

7. Конецкий В.И., Ситковский Я.Н. Ремонт жилых зданий. — М.: Стройиздат, 1981.

8. Вольфсон В.А., Ильяшенко В.А. Реконструкция и капитальный ремонт жилых и общественных зданий. Справочник производителя работ. — М.: Стройиздат, 1999.

9. Гильен И.А., Сирмаи Т.Н. и др. Ремонт и эксплуатация жилых зданий. — М.: Стройиздат, 1992.

10. Ю.Кутуков В.Н. Реконструкция зданий: Учебное пособие для вузов. — М., 1981.

11. Лысова А.И., Шарлыгина К.А. Реконструкция зданий. Л., 1979.

12. Матвеев Е.П., Мешечек В.В. Технические решения по усилению и теплозащите конструкций жилых и общественных зданий. М., 1997.

13. Реконструкция зданий и сооружений / Под ред. Шагина АЛ.: Учебное пособие для строит, спец. вузов. М., 1991.

14. Бейлезон Ю.В. Конспект лекций по основным принципам оценки технического состояния объектов недвижимости. — М.: Академия оценки Российского общества оценщиков, 1996.

15. Бондаренко И.Н., Князева В.П., Денискина Е.В. Исследования причин разрушения подземных конструкций под воздействием агрессивной среды // Жилищное строительство. — 2000.-№ 4.-е. 9-10.

16. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. М., Стройиздат, 1988, 67.с.

17. Шрейбер К.А. Вариантное проектирование при реконструкции жилых зданий. — М.: Стройиздат, 1991.

18. Дудышкина Л.А. Методы контроля состояния конструкций жилых зданий. М.: ЦМИПКС, 1998.

19. Сендеров Б.В. Аварии жилых зданий. — М.: Стройиздат, 1991.

20. Ройтман А.Г. Предупреждение аварий жилых зданий. — М.: Стройиздат, 1990.

21. Повышение эффективности эксплуатации, ремонта и реконструкции зданий. М.: ОНТИАКХ, 1990.

22. Дудышкина Л.А. Дефекты несущих конструкций жилых зданий и методы их устранения. — М.: МИСИ им. Куйбышева, 1976.

23. Маклакова Т.Г. и др. Проектирование жилых и общественных зданий. — М.: ВШ, 1998.

24. Классификатор основных видов дефектов в строительстве и промышленности строительных материалов. Утвержден Главгосархстройнадзором России 17.11.1993.

25. Правила оценки физического износа жилых зданий: ВСН 53-86 (р). — М.: Госгражданстрой, 1988.

26. Бурак. Л.Я. Техническая экспертиза жилых домов старой застройки. — Л.: Стройиздат, 1986.

27. Бессонова О.Э. Техническое состояние жилищного фонда на экспериментальных участках. — Новосибирск, 1995.

28. Пути повышения качества капитального ремонта, модернизации и реконструкции жилых и общественных зданий. — JL: ЛДНТП, 1976.

29. Ройтман А.Г., Грызлов В.Б. Экспертиза технического состояния жилых зданий. Москва: Аналитическая и информационно справочная газета «Строительный эксперт», №4 (95) февраль 2001 г. стр. 22-23.

30. Методика определения аварийности строений МГСН 301.03-99, утвержденная распоряжением премьера от 01.04.1999г. №276-РП.

31. Мешечек В.В., Матвеев Е.П. Пособие по оценке физического износа жилых и общественных зданий. Москва: Издатцетр «Старая Басманная», отпечатано в ГУПЦПП, 1999 г., 50 стр.

32. Реконструкция панельных домов. Исследование состояния. Финляндская Ассоциация промышленности стройматериалов RTT: МП — Кескус. Хельсинки, 2000.

33. Реконструкция панельных домов. Оценка состояния. Финляндская Ассоциация промышленности стройматериалов RTT: МП — Кескус. Хельсинки, 2000.

34. Мастуров ИЛ. «Автоматизированное проектирование мониторинга объектов строительства как сферы обитания». Дис. к.т.н. 05.13.12. — М., 1999.-156с.ил.

35. Иванова Н.Н. «Организационно-технологическое обеспечение надежности гражданских зданий». Дис к.т.н. 05.23.08. — Ростов н/Д., 2000. -151с.: ил.

36. Быков Н.А. Ведение регистра строящихся жилых домов как основа новой информационной системы в жилищной сфере // Поиск. — 2000.-№ 3-4.-С. 22-24.

37. Рекомендации по обследованию и мониторингу технического состояния эксплуатируемых зданий, расположенных вблизи нового строительства или реконструкции. Москомархитектура. — М.: 1998. — 73с.

38. Гроздов В.Т. Техническое обследование строительных конструкций зданий и сооружений. С.Пб.: 1998. - 98с.: ил.

39. Шлете Г.Н. Надежность несущих строительных конструкций — М.; Стройиздат, 1994.

40. Александров А.В., Потапов В.Д. Сопротивление материалов. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высш. Шк., 2002. — 400 е.: ил.

41. Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. — Киев, Издательство «Сталь», 2002. — 600 е.: ил.

42. Математическое моделирование при расчетах и исследованиях строительных конструкций: Учеб. Пособие / В.В. Горев, В.В. Филиппов, Н.Ю. Тезиков. М.: Высшая школа, 2002. - 206 е.: ил.

43. Карпиловский B.C. Использование и конструирование некоторых типов конечных элементов для задач строительной механики.46.3енкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975. — 542 с.

44. Метод конечных элементов в механике твердых тел / Под общ. ред. А.С. Сахарова и И.И. Альтенбаха. — Киев: Вища школа, 1982. — 480 с.

45. Евзеров И.Д. Оценки погрешности по перемещениям при использовании несовместных конечных элементов. In: Численные методы механики сплошной среды, том. 14, 5: 24-31.

46. Семенов В.И., Семенов П.В. Гибридные конечные элементы для расчета пространственных пластинчатых конструкций // Проект. -1998.-№ 3.-е. 18-19.

47. Криксунов Э.З., Перельмутер А.В. О расчетных моделях сооружений и возможностях их анализа // CADmaster. 2000.-№ З.-с. 38-43.

48. Карпиловский B.C. использование и конструирование некоторых типов конечных элементов для задач строительной механики.52.3енкевич О.Б. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975. — 542 с.

49. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С.И. Пластинки и оболочки. — М.: Наука, 1963. 635 с.

50. Городецкий А.С., Зоворицкий В.И. и др. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооружений. — М.: Транспорт, 1981. — 143 с.

51. STARK ES Программный комплекс для расчета пространственных конструкций на прочность, устойчивость и колебания из серии программных систем MicroFe // Проект. -1998.-№ З.-с. 20.

52. Городецкий А.Н., Горбовец А.Н., Стрелецкий Е.К. Программный комплекс для расчета и проектирования конструкций «ЛИРA-Windows» 8.0 // Проект. -1998.-№ З.-с. 22-23.

53. Карпиловский B.C., Криксунов Э.З., Перельмутер М.А. Программы прочностых расчетов SCAD // Проект. -1998.-№ З.-с. 24-27.

54. Роун П.К. Универсальная 32-битная среда для расчета и проектирования строительных конструкций // Бетон и железобетон. 2001.-№ 1.-е. 26-27.

55. Краковский М. Б. Программа «ОМ СНиП Железобетон» для расчета железобетонных конструкций на ЭВМ // Бетон и железобетон. — 2001.-№ 2.-е. 9-12.

56. Белокопытова И.А., Маляренко А.А., Скорук Л.Н. Анализ некоторых положений СНиП 2.03.01-84* с использованием программы АРБАТ // Бетон и железобетон. — 2002.-№ 1.-е. 20-23.

57. Пастернак П.Л. Основы нового метода расчета фундаментов на упругом основании при помощи двух коэффициентов постели. — М. Л.: Госстройиздат, 1954. — 56 с.

58. Филоненко-Бородич М.М. Простейшая модель упругого основания, способная распределять нагрузку: Тр./МЭМИИТ, 1945. Вып. 53.

59. Власов В.З., Леонтьев Н.Н. Балки, плиты, оболочки на упругом основании. — М.: Физматгиз, 1960. — 492 с.

60. Карпиловский B.C., Криксунов Э.З. и др. Structure CAD для пользователя. Киев, Издательство «Сталь», 2002. - 342 е.: ил.

61. СНиП «Нагрузки и воздействия»

62. Гаврилов Н.Т. Прогнозирование технико-эксплуатационного состояния зданий и сооружений. М.: Издательство «МАКЦЕНТР», 2002. — 203 е.: ил.

63. Шахраманьян М.С., Нигметов Г.М. Техническое заключение по результатам обследования состояния здания, расположенного по адресу: г. Москва, ул. Ватутина, 1. — М.: 2001. — 95 е.: ил.

64. Федоровский В.Г., Безволев С.Г. Прогноз осадок фундаментов мелкого заложения и выбор модели основания для расчета плит // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2000.-№ 4.-е. 10-18.

65. Криксунов Э.З., Перельмутер А.В., Перельмутер М.А., Семенцов А.И., Федоровский В.Г. КРОСС — программа для определения коэффициентов постели // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2002.-№ 1.-е. 10-11.

66. Артюпшн Д.В. «Прочность стен из каменной кладки при совместном действии вертикальных и горизонтальных сил». Дис. К.т.н. 05.23.01. — Пенза, 1999.- 179 е.: ил.

67. Техническое обследование жилых зданий и сооружений: ВСН 56-87 М.: Госкомархитектуры, 1986.

68. Гроздов В. Т. Вопросы строительства зданий после длительного перерыва в производстве строительно-монтажных работ. СПб, Издательский дом KN+, 2000г., стр. 56.

69. Гроздов В. Т. Признаки аварийного состояния несущих конструкций зданий и сооружений. СПб, Издательский дом KN+, 2000 г., стр. 48, 17 рис., 1 таблица.

70. Калантаров Ю.М. Проблема капитального ремонта, модернизации и реконструкции жилых зданий // Жилищное строительство. 2000.-№ 6.-е. 20-22.

71. Пименова Г.А., Волкова В.И., Шик П.Я. Предпроектный анализ основа реконструкции // Жилищное строительство. - 2000.-№ 6.-е. 16-18.

72. Некрасова М.А., Горина Н.С. комплексная реконструкция районов массовой застройки в Москве // Жилищное строительство. — 2000.-№ 7.-е. 22-24.

73. Барков Ю.В., Захаров В.Ф., Опылёва С.Н. Некоторые случаи повреждений и восстановления зданий // Жилищное строительство. -2000.-№ 8.-е. 18-20.

74. Соломонов В.В., Кузнецова И.С. Особенности экспертизы зданий и сооружений в современных условиях // Бетон и железобетон. — 2002.-№ 4.-е. 7-9.