автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Работа жилого здания с монолитным рамным каркасом как системы на упругом основании

Введение.

1 Анализ состояния вопроса.

1.1 Анализ методов теоретических исследований совместной работы системы «здание - упругое основание».

1.2 Напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов каркаса здания.

1.3 Экспериментальные исследования в строительстве.

1.4 Численные методы расчета систем «здание - упругое основание».

2 Совершенствование методики наблюдения за деформированным ф состоянием системы «здание - упругое основание».

2.1 Выбор приборов и оборудования для ведения наблюдений.

2.2 Характеристика объектов исследования.

2.3 Программа проведения натурных исследований системы «здание - упругое основание».

2.3.1 Размещение приборов в горизонтальных несущих конструкциях.

2.3.2 Создание сети для наблюдений за осадками здания.

2.3.3 Создание сети для наблюдения за деформациями колонн

2.4 Результаты натурных исследований и анализ деформированного состояния конструкций здания.

2.4.1 Результаты определения усилий, деформаций и перемещений в горизонтальных конструкциях.

2.4.2 Результаты определения осадок.

2.4.3 Результаты определения деформаций и напряжений в вертикальных конструкциях. ф 3 Численные исследования системы «здание-упругое основание».

3.1 Расчетная схема системы «здание - упругое основание».

3.1.1 Типы конечных элементов при расчете системы.

3.1.2 Нагрузки, действующие на систему.

3.2 Статический расчет здания.

3.3 Сравнение экспериментальных данных с результатами численных исследований.

4 Прогноз состояния здания с учетом одностороннего замачивания основания.

В последние десятилетия ведется крупномасштабное строительство высотных домов в сложных инженерно-геологических условиях. На практике при выполнении расчетов строительных конструкций по пространственным схемам с помощью программных комплексов во многих случаях не проводится тщательное компьютерное моделирование для различных вариантов расчетных схем, учитывающих изменение расчетных моделей в процессе возведения и эксплуатации, геометрическую и физическую нелинейность, динамический характер воздействий и реакций конструкций. Современные программные комплексы, реализующие метод конечных элементов, являются лишь инструментом моделирования, дающим некоторое приближенное решение. Результаты расчета могут значительно отличаться для сложных объектов при использовании различных программных комплексов. Как следствие, имеют место просчеты в проектировании, в ряде случаев приводящие к аварийным ситуациям в ходе строительства и эксплуатации. При этом проектирование должно осуществляться при выполнении следующих условий:

- учет совместной работы системы «здание-упругое основание»;

- расчет оснований по двум группам предельных состояний.

Выполнение этих условий затруднен без экспериментальных исследований в натурных условиях. Недостаточная изученность влияния инженерно-геологических условий на работу системы «здание - упругое основание» не позволяет разработать эффективные методы расчетов. Поэтому в зданиях могут возникать недопустимые деформации, которые в дальнейшем невозможно устранить, или их устранение по стоимости сопоставимо с новым строительством.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- методика натурных наблюдений за состоянием конструкций позволяющая оценить работу жилого каркасного здания как системы во время строительства и эксплуатации;

- новые результаты, полученные при комплексном экспериментальном исследовании поведения основных несущих элементов здания в течение всего процесса его возведения и в начальный период его эксплуатации;

- новые физические эффекты, выявленные в результате проведения экспериментальных исследований системы «здание - упругое основание».

Целью диссертации является комплексное экспериментально-теоретическое исследование поведения элементов системы «здание -упругое основание» при сложных конфигурации здания и инженерно-геологических условиях, определение напряженно-деформированного состояния основных несущих элементов в течение всего процесса возведения здания и начальный период его эксплуатации.

На защиту выносятся:

- программа и методика комплексного наблюдения за системой «здание - упругое основание»;

- новые экспериментальные данные, полученные при комплексном экспериментальном исследовании поведения основных несущих элементов здания в течение всего процесса его возведения и в начальный период его эксплуатации;

- новые физические эффекты, выявленные в результате проведения экспериментальных исследований системы «здание - упругое основание»;

- результаты численного расчета основных несущих конструкций здания с применением современных подходов и вычислительных методов, используемых в проектной практике, и результаты сопоставления этого расчета с экспериментальными данными;

- результаты исследования поведения здания при изменении инженерно-геологических условий в заключительной стадии его строительства.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 4 международных научно-технических конференциях проходивших в городах Брянск 2003, Пенза 2004, Алма-Ата 2004, Санкт-Петербург 2005, Москва 2006, а также на научно-техническом семинаре «Проектирование и эксплуатация оснований и фундаментов в сложных условиях городской застройки», проходившем в г. Белгород в 2005.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 133 страницах, включает 60 иллюстрации (рисунков и фотографий), 21 таблицу, 1 приложение на 4 страницах. Библиографический список включает 114 источник.

Основные выводы

Обобщая результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований, можно сделать вывод о том, что в диссертации получены новые научные и практические данные, имеющие важное значение для теории и практики проектирования и строительства объектов сложной конфигурации и в сложных инженерно-геологических услови-ия. Среди наиболее важных результатов необходимо отметить следующие:

1. Разработана научно обоснованная программа комплексного мониторинга системы «здание - упругое основание» и методика проведения экспериментальных исследований, которые позволяют вводить корректировки в принятые проектные решения в процессе возведения здания, не нарушая надежности работы этой системы.

2. Получены новые экспериментальные данные по поведению несущих элементов системы и изменению их напряженно-деформированного состояния в процессе возведения здания, которые принципиально отличаются от общепринятых в проектной практике представлений.

3. В процессе экспериментов установлены новые физические эффекты, возникающие в элементах системы в результате учета совместности их работы в процессе постепенного нагружения при строительстве, а именно:

- оказалось, что фундаментная плита при принятых конструктивных размерах работает не как гибкая конструкция, а как штамп;

- при постепенном и равномерном увеличении нагрузки на фундаментную плиту рост напряжений в растянутой арматуре в отдельных частях плиты происходил существенно неравномерно;

- на начальном этапе строительства (при возведении первых трех этажей здания) в растягиваемой арматуре в центральной части фундаментной плиты, вопреки расчетным данным, возникали сжимающие усилия, что, частично объясняется влиянием усадки бетона, а частично - изменением работы отдельных участков плиты в процессе твердения бетона и одновременного нагружения фундамента;

- на периферийных участках плиты рост растягивающих напряжений в растягиваемой арматуре начался сразу же с началом нагружения фундамента;

- после приложения к фундаменту полной нагрузки от собственного веса здания в арматуре центральной части плиты произошло снижение растягивающего напряжения до 40%, что свидетельствует о весьма сложных процессах перераспределения усилий в фундаментной плите на стадии строительства объекта;

- в заключительной стадии строительства рассматриваемого объекта отмечено некоторое увеличение напряжений во всех установленных датчиках, что объясняется изменением инженерно-геологических условий в основании в связи с интенсивным таянием снегов и появлением воды в верхних слоях грунта;

4. Численные расчеты системы «здание - упругое основание» с применением современных вычислительных методов и комплексов, используемых в проектных организациях (например, proFEt STARK ES), показали, что теоретические и экспериментальные данные существенно отличаются:

- деформации фундаментной плиты в соответствии с расчетными данными отвечают ее гибкой работе, в то время как экспериментальные данные показали, что плита работает как штамп;

- фактические осадки фундамента под колоннами больше теоретических на 20.60%;

- фактические напряжения в колоннах выше расчетных более, чем в два раза.

Численные расчеты крена здания показали: при частично»/замачивании грунтов в основании возможна, корректировка крена здания; частичное замачивание грунтов влечет за собой изменение напряженно-деформированного состоянии в надземных конструкциях.

1. Абелев М.Ю. Слабые водонасыщенные грунты как основания промышленных и гражданских сооружений. Автореф. дисс.д-ра техн.наук. М.,1978.

2. Аванесов М.П., Бондаренко В.М., Римшин В.И. Теория силового сопротивления железобетона Барнаул: АГТУ, 1996.

3. Баженов Ю.М. Технология бетона М.: Высшая школа, 1987.-415 с.

4. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М., Стройиздат, 1982.-448 с.

5. Байков В.Н., Горбатов СВ., Димитров З.А. Построение зависимости между напряжениями и деформациями сжатого бетона по системе нормируемых показателей // Изв. Вузов. Сер. Строительство и архитектура. 1977.

6. Бамбура А.Н. Диаграмма «напряжения-деформации» для бетона при центральном сжатии: В сб.: Вопросы прочности, деформативности и трещиностойкости железобетона. Ростов н/Д: РИСИ, 1980.

7. Бачинский В.Я. Связь между напряжениями и деформациями бетона при кратковременном неоднородном сжатии / В.Я. Бачинский, А.Н. Бамбура, С.С. Ватагин // Бетон и железобетон. 1984. - №10

8. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычислений М.: Физматгиз, 1962.

9. Бондаренко В.М., Бондаренко С.В. Инженерные методы нелинейной теории железобетона. М.: Стройиздат, 1982. - 287 с.

10. Бондаренко В.М., Боровских А.В. Износ, повреждения и безопасность железобетонных сооружений. М.: И.Д. Русанова, 2000.

11. Бугров А. К. Метод конечных элементов в расчетах консолидации водонасыщенных грунтов. //Гидротехническое строительство. 1975. №7.

12. Бугров А. К. О решении смешанной задачи теории упругости и теории ^ пластичности грунтов //Основания, фундаменты и механика грунтов,6, 1974.

13. Бугров А. К., Голубев А. И. Упруго-пластическая модель консолидирующегося водонасыщенного грунта. /Тез. докл. науч.-техн. конф. //Системы автоматизированного проектирования фундаментов и оснований. Челябинск, 1988.

14. Власов В.З. Леонтьева Н.Н. Балки плиты и оболочки на упругом основании. М.: Госстройиздат, 1960. -491 с.г. 15. Воеводин В.В. Линейная алгебра. М.: Наука, 1980. 348 с.

15. Герсеванов Н.М. Функциональные прерыватели и их применение в ^ строительной механике. Сб. ВИОС №2. Госстойиздат, 1934.

16. Герсеванов Н.М. Польшин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов. М.: Госстройиздат, 1948.

17. Горбунов-Пасадов М.И., Маликова Т.А. Расчет конструкций на упругом ® основании. М.: Стройиздат, 1984. 679 с.

18. Голли А. В. Исследование сжимаемой толщи в связных фунтах под центрально загруженными штампами. Дисс. канд. техн. наук.-Л., 1972.

19. Голуб. Д., Ван Лоун Ч матричные вычисления: пер с англ. М.:Мир, 1999.-548 с.

20. Голышев А.Б., Бачинский В.Я и др. Курс лекций по сопротивлению железобетона. Киев: НИИСК Госстроя СССР, 1987.

21. Голышев А.Б., Полищук В.П., Колпаков Ю.А. Расчёт сборно-монолитных конструкций с учётом фактора времени. Киев: Буд1вельник, 1969.

22. Гуща Ю.П., Лемыш JLJL Расчёт деформаций конструкций на всех стадиях при кратковременном и длительном нагружениях // Бетон и железобетон,-1985.-№ 11.26. Далматов Б. И., Сотников С. Н., Дорошкевич Н. М., Знаменский В.В.

23. Исследование деформации грунтов в основании сооружений//Тр. VIII Междунар. конгр. по механике грунтов и фундаментостроению. М.: Стройиздат, 1973.

24. Далматов Б. И., Чикишев В. М. Определение осадок фундаментов с учетом изменения модуля деформации глинистого грунта в зависимости от напряженного состояния //Основания, фундаменты и механика грунтов. 1984. №1.

25. Далматов Б.И. Механика грунтов основания и фундаменты. JL: Стройиздат 1988.

26. Джордж А., Дж.Лю. Численные решения больших разреженных систем уравнений . М.: «Мир», 1984. 333 с.

27. Егоров К.Е. Вопросы теории и практики расчета оснований конечной толщины. М., 1961.

28. Егоров К.Е. Расчет оснований под круглой фундаментной плитой конечной жесткости. Труды к VII Междунарожному конгрессу по механике грунтов и фундаментостроению. Стройиздат, 1969.

29. Жемочкин Б.Н. Синицын А.П. Практические методы расчета фундаментных балок на упругом основании. М.: Госстройиздат 1962. -237 с.

30. Зарецкий Ю. К. Вязкопластичность грунтов и расчеты сооружений. М.: Стройиздат, 1988. 352 с.

31. Зарецкий Ю. К. Лекции по современной механике грунтов. Ростов-на-Дону. Изд-во Ростовского ун-та. 1989.

32. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. М. Мир, 1975. -монография

33. Икрамов Х.Д. Разреженные матрицы. В кн.: Математический анализ. Итоги науки и техники. М.:ВИНИТИ, 1982.

34. Ильичев В.А, Фадеев А.Б. Описание европейских правил геотехнического проектирования: основные положения // Санкт-Петербург-2003 Реконструкция городов и геотехническое строительство №5

35. Ильин О.Ф. Сопротивление продольному изгибу стержневых элементов произвольных форм сечений из бетонов и арматуры с различными свойствами // Бетон и железобетон. 1985. - №6.

36. Казикаев Д.М., Борисов О.П., Сергеев С.В. Методические рекомендации по проведению натурных наблюдений в стволах сооружаемых в сложных горно-геологических условиях/ ВИОГЕМ- Белгород. 1985.

37. Казикаев Д.М., Сергеев С.В. Измерение деформаций комбинированной оболочки подземных сооружений в замороженном массиве//Нелинейные методы расчета пространственных конструкций сб.тр./МИСИ, БТИСМ-Белгород. 1988.

38. Казикаев Д.М., Сергеев С.В., Борисов О.П. Устойчивость комбинированной крепи стволов при нагрузках близких к предельным// Горный журнал. 1990 - №1

39. Карпенко Н.И. Теория деформирования железобетона с трещинами. М.: Стройиздат, 1976. - 204 с.

40. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. М.:Стройиздат, 1996.-416 с.г