автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Регулируемые фундаменты каркасных зданий. Конструкция, технология и расчет при подъеме и выравнивании

005534729

На правах рукописи

, ....

ЗОТОВ Александр Михайлович

РЕГУЛИРУЕМЫЕ ФУНДАМЕНТЫ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И РАСЧЕТ ПРИ ПОДЪЕМЕ И ВЫРАВНИВАНИИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения 05.23.08 - Технология и организация строительства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

Ростов-на-Дону 2013

005534729

Работа выполнена на кафедре «Железобетонные и каменные конструкции» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

Научный руководитель: заслуженный строитель РФ,

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор МАИЛЯН ЛЕВОН РАФАЭЛОВИЧ (05.23.01)

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

МАИЛЯН АЛЕКСАНДР ЛЕВОНОВИЧ (05.23.08)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Сочинского государственного университета, профессор кафедры Строительных конструкций ПЕРЕСЫПКИН ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ

доктор технических наук, профессор, директор комплексного научно-исследовательского института РАН БАТАЕВ ДЕНА КАРИМ-СУЛТАНОВИЧ

Ведущая организация: ОАО «Ростовский ПромстройНИИпроект»

Защита состоится 24 октября 2013 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162, РГСУ, главный корпус, ауд. 111, тел/факс 8(863)2019015, 8(863)2407221; E-mail: dis_sovet_rgsu@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета и на сайте www.rgsu.ru

Автореферат разослан «24» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.В.Налимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время в России насчитывается около 100 млн. м2 аварийного и ветхого жилья и в ближайшие годы тенденция к его росту сохранится. Условия признания жилья аварийным сформулированы в п.38 ч.Ш постановления Правительства РФ № 47 - «Жилые помещения в многоквартирных домах, получивших повреждения в результате взрывов, аварий, пожаров, землетрясений, неравномерной просадки грунтов, других сложных геологических явлений, следует признавать непригодными для проживания, если проведение восстановительных работ технически невозможно или экономически нецелесообразно. Указанные многоквартирные дома признаются аварийными и подлежащими сносу».

Однако существует возможность восстановления геометрического положения в пространстве здания, получившего сверхнормативный крен в результате сложившейся геологической ситуации.

В последние годы наиболее эффективным и безопасным показал себя метод подъема и выравнивания зданий с помощью гидродомкратных систем. Его особенностью является устройство регулируемых фундаментов, позволяющих обеспечить сохранность и пространственную жесткость здания во время выравнивания.

Важными, но малоизученными вопросами являются конструирование, технология и расчет регулируемых фундаментов каркасных зданий, особенно с учетом их все возрастающего объема за последние годы.

В связи с этим, тема диссертационной работы представляется актуальной и важной.

Целью диссертационной работы является разработка конструкции, технологии устройства и методов расчета и проектирования регулируемых фундаментов проектируемых и эксплуатируемых каркасных зданий и сооружений с железобетонным и металлическим каркасом.

Задачи исследования:

- проанализировать существующие методоы корректировки геометрического положения здания, их достоинства и недостатки, изучить типы регулируемых фундаментов, существующих в настоящее время;

- разработать технологии устройства и конструктивные решения регулируемых фундаментов для проектируемых и эксплуатируемых каркасных зданий с железобетонным и металлическим каркасом;

- выявить влияние различных расчетных схем, возникающих в процессе подъема и выравнивания здания, на напряженно - деформированное состояние регулируемых фундаментов;

- провести численные и экспериментальные исследования работы регулируемых фундаментов с различными жесткостными характеристиками при изменении расчетной схемы в процессе подъема и выравнивания здания;

- выявить возможные случаи работы бетона и арматуры регулируемых фундаментов на всех стадиях их работы в процессе подъема и выравнивания здания;

- предложить аналитическое описание вариантов трансформации диаграмм деформирования материалов регулируемых фундаментов на всех стадиях их работы;

- разработать методы расчета и проектирования регулируемых фундаментов на основании трансформированных диаграмм деформирования материалов регулируемых фундаментов на всех стадиях их работы;

- подтвердить их достоверность и надежность сходимостью экспериментальных и теоретических результатов.

Объект и предмет исследования - железобетонные регулируемые фундаменты проектируемых и эксплуатируемых зданий с железобетонным и металлическим каркасом.

Методы исследований. Численные исследования с использованием метода конечных элементов и экспериментальные исследования с применением тензометрического метода.

Достоверность разработанных рекомендаций и методов расчета подтверждается результатами статистической обработки численных и экспериментальных исследований автора и многих других исследователей.

Научная новизна работы:

- разработаны новые конструкции и технология устройства регулируемых фундаментов для проектируемых и эксплуатируемых зданий с железобетонным и металлическим каркасом;

- впервые получены экспериментальные данные о напряженно-деформированном состоянии плитной части железобетонных регулируемых фундаментов с учетом изменения расчетной схемы в процессе подъема и выравнивания каркасных зданий;

- исследовано влияние жесткостных характеристик плитной части на напряженно - деформированное состояние регулируемых фундаментов каркасных зданий на всех стадиях их работы при подъеме и выравнивании зданий;

- разработаны рекомендации по проектированию и расчету плитной части регулируемых фундаментов каркасных зданий.

Практическая ценность и внедренне результатов работы

Разработаны практические рекомендации по устройству регулируемых фундаментов каркасных зданий, по технологии их подъема и выравнивания и по их расчету и проектированию, использованные в ОАО «СевКавНИПИагропром» при проектировании реальных объектов.

Результаты исследований использованы ООО НПФ «Интербиотех» в регулируемых фундаментах для подъема и выравнивания объектов «Жилой дом поэта Майкова» в Москве и комплекса офисных 5 и 10-этажных зданий в г. Туапсе.

Результаты исследований внедрены также в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете и Кабардино-Балкарском государственном университете.

Апробация диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на: Международной конференции «ГЕОТЕХНИКА: научные и прикладные аспекты решения геотехнических задач в условиях нового строительства или реконструкции» (Санкт-Петербург, 2009); Международных научно-практических конференциях «Строительство 2009-2013гг.» (Ростов-на-Дону, 2009-2013гг.); III академических чтениях ЮРО PA ACH по проблемам строительных наук (Кисловодск, ЮРО PA ACH, 20102012гг.); 40,41,42 научно-технических конференциях СевКавГТУ (Ставрополь, 2011-2013гг.); международной конференции по геотехнике «Актуальные вопросы инженерной геологии, механики грунтов и фундаментостроения», (Санкт-Петербург, 2010 г.); научно-практической конференции, посвященной памяти профессоров Ю.Н. Мурзенко и А.П. Пшеничкина (Новочеркасск, 2010).

За разработку и внедрение конструкций регулируемых фундаментов, а также технологий по подъему и выравниванию зданий и сооружений решением президиума РОМГГИФ автор был удостоен диплома им. профессора С.Б. Ухова (Москва, 2010).

Публикации. Основные результаты опубликованы в 19 работах, включая 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 11 патентах на изобретения и полезные модели и б статьях в других изданиях.

Личный вклад автора состоит в разработке новых конструктивных решений регулируемых фундаментов для проектируемых и эксплуатируемых зданий с металлическим и железобетонным каркасом, в разработке алгоритма выполнения работ при подъеме и выравнивании каркасных зданий, в проведении натурного эксперимента и разработке методики расчета плитной части регулируемых фундаментов каркасных зданий на основании анализа расчетных и экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

- разработанные технологии по устройству регулируемых фундаментов для эксплуатируемых и вновь возводимых зданий с металлическим и железобетонным каркасом;

- результаты численного моделирования;

- результаты экспериментальных данных;

- рекомендации расчета и проектирования плитной части регулируемых каркасных зданий, основанные на анализе сходимости численных и экспериментальных данных.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 166 с. состоит из введения, пяти глав, общих выводов и содержит 132 страницы машинописного текста, 64 рисунка, 12 таблиц, библиографический список из 134 наименований и 8 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель, задачи, объект, предмет и методы исследования, достоверность полученных результатов, научная новизна, практическая значимость и внедрение результатов, апробация, публикации, структура и объем работы.

В первой главе рассматривается современное состояние проблемы устранения кренов зданий.

Описываются причины возникновения неравномерных деформаций грунтового основания зданий. Приводятся существующие методы корректировки их геометрического положения, из которых выделяются регулируемые фундаменты для проектируемых и эксплуатируемых зданий и сооружений. Рассматриваются основные типы железобетонных регулируемых фундаментов, их классификация, достоинства и недостатки.

Анализируются методы расчета элементов железобетонных конструкций и перспективы их развития. Рассматриваются методы оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов и работа бетона, арматуры и железобетонных элементов при одноцикловых и малоцикловых знакопостоянных и знакопеременных нагружениях с промежуточными выдержками, свойственными регулируемым фундаментам.

На основе анализа существующих исследований делаются выводы по главе и ставятся цели и задачи исследования.

Во второй главе проводится разработка конструктивно-технологических решений регулируемых фундаментов каркасных зданий для их подъема и выравнивания.

Рисунок 1 - Регулируемый фундамент для проектируемых зданий с

железобетонным каркасом: 1 - плитная часть фундамента; 2 - фигурная железобетонная плита;

3 - железобетонная плита; 4 - стаканная часть фундамента;

5 - горизонтальные связи Разрабатывается конструкция и технология устройства регулируемых фундаментов железобетонных каркасных проектируемых зданий (рисунок 1), особенностью конструкции которых является возможность расположения в них домкратной группы, при помощи которой в дальнейшем возможно осуществление подъема и выравнивания здания.

На предложенное конструктивно-технологическое решение получен патент Российской Федерации на полезную модель №84871 от 20.07.2009 г.

Вводится классификация регулируемых фундаментов каркасных зданий по материалу каркаса (железобетонный или металлический) и по стадии, в которой находится здание (проектируемые или эксплуатируемые).

а) вИ б) вяц

Рисунок 2 - Регулируемый фундамент для эксплуатируемых зданий с железобетонным каркасом

Далее предлагаются конструкция и технология устройства регулируемых фундаментов для эксплуатируемых зданий с железобетонным каркасом, отличия которого от проектируемых зданий заключается в том, что опорой для домкратов является стаканная часть, а упорный элемент монтируется на колоне здания (рисунок 2).

На предложенное конструктивно-технологическое решение получен патент Российской Федерации на полезную модель № 96381 от 27.07.2010 г.

КОЛОННА

Рисунок 3 — Регулируемый фундамент для эксплуатируемых и проектируемых зданий с металлическим каркасом

Далее разработана конструкция и технология устройства регулируемых фундаментов зданий с металлическим каркасом - проектируемых и эксплуат ируем ых.

Отличие конструкции этих регулируемых фундаментов от фундаментов зданий с железобетонным каркасом состоит в том, что крепление упорного элемента осуществляется без устройства металлической обоймы - все его детали привариваются к телу колонн (рисунок 3).

На предложенное конструктивно-технологическое решение получен патент Российской Федерации на полезную модель № 96380 от 27.07.2010 г.

Рассмотрены особенности подъема и выравнивания проектируемых и эксплуатируемых зданий с железобетонным и металлическим каркасом на регулируемых фундаментах.

Описаны особенности алгоритма подъема для каждого типа разработанного регулируемого фундамента: проектируемые здания, с железобетонным каркасом (рисунок 4); эксплуатируемые здания, с железобетонным каркасом (рисунок 5); проектируемые и эксплуатируемые здания, с металлическим каркасом (рисунок 6).

а

а)

Рисунок 5 - Регулируемый фундамент эксплуатируемых зданий с железобетонным каркасом: а - общий вид; б - подъем и выравнивание; в - восстановление арматурных связей; г —бетонирование образовавшегося зазора, демонтаж всех вспомогательных элементов

Рисунок 4 - Регулируемый фундамент для проектируемых зданий с железобетонным каркасом в процессе подъема и выравнивания: - подъем и выравнивание здания; б - бетонирование образовавшегося

зазора

т б)

Рисунок 6 - Регулируемый фундамент для зданий с металлическим каркасом: а - общий вид; б - отрезка колонны; в - подъем и выравнивание; г - восстановление колонны, демонтаж всех вспомогательных элементов В третьей главе проводятся численные и экспериментальные исследования регулируемых фундаментов каркасных зданий.

Анализируются изменения расчетных схем при подъеме и выравнивании каркасных зданий с регулируемыми фундаментами. На примере отдельного фундамента рассматривается изменение его НДС в процессе подъема и выравнивания каркасного здания, состоящее из четырех основных этапов: «монтаж гидродомкратной системы из четырех домкратных узлов -обжим рабочей группы домкратов - подъем здания - перемонтаж рабочей группы домкратов.

То есть в процессе одного цикла подъема расчетная схема - как здания, так и фундамента — изменяется трижды, в связи с чем, при расчете и проектировании необходимо рассматривать четыре расчетные схемы.

Первая — проектное положение, нагрузка от здания равномерно передается на плиту фундамента через стакан:

Ч=М/8с, (1)

где N — нагрузка, приходящаяся на стаканную часть площадью 8с.

УПОРНЫЙ ЗЛЕЮТ

" м- :и "| ]г*'* | | ?

НЕРА : А

Вторая - обжим рабочей группы домкратов, вследствие чего на плиту через стакан передается уже только 50% нагрузки, а оставшиеся 50% воспринимает и передает рабочая группа домкратов.

Нагрузка, передаваемая одним домкратом на плитную часть, составляет:

q« = N/Sfl, (2)

где Sa - рабочая площадь одного домкрата.

Третья — на рабочую группу основных домкратов подается давление, необходимое для подъема здания, и вся нагрузка передается на плиту через две сосредоточенные силы от домкратов.

Четвертая — после того как у рабочей группы домкратов заканчивается запас хода, осуществляется их перемонтаж путем подачи давления на вспомогательную группу домкратов.

При необходимости подъем может выполняться с помощью рабочей группы основных домкратов, состоящей из четырех домкратных узлов.

Далее выполнялись численные исследования работы плитной части регулируемых фундаментов различной жесткости при подъеме и выравнивании здания.

Были запроектированы 4 опытных регулируемых фундамента (ОРФ) с различной жесткостью плитной части - ОРФ-25, ОРФ-ЗО, ОРФ-35, ОРФ-ЗОм.

В процессе расчета определены: моменты Мх, My в плитной части фундамента на каждой стадии изменения расчетной схемы; наиболее неблагоприятная расчетная схема, при которой возникают наибольшие напряжения в плитной части фундамента; армирование плитных частей фундаментов, необходимое для восприятия максимальных напряжений в процессе изменения расчетных схем.

Конечно-элементные модели реализованы в программном комплексе Lira

9.6.

Для каждого этапа работы были построены графики зависимости армирования от жесткости плит, анализ которых выявил: на втором этапе изменение расчетной схемы не влияет на армирование плитной части фундамента, совпадающее с армированием на первом этапе; на третьем этапе изменение расчетной схемы влечет за собой увеличение армирования, при этом для плитной части с наименьшей жесткостью (ОРФ-25) возникает необходимость дополнительного армирования верхней грани; на четвертом этапе армирование снижается по сравнению с армированием в проектном положении за счет перераспределения нагрузки по плите.

Анализ результатов численных исследований выявил, что изменение расчетных схем фундаментов в процессе подъема и выравнивания зданий

влечет за собой перераспределение напряжений в арматуре, при этом характер распределения напряжений на каждом этапе одинаков, а величина усилий зависит от жесткости плит.

Наибольшие усилия в арматуре возникают на третьем этапе, соответствующем подъему здания с помощью рабочей группы домкратов из двух домкратных узлов, поэтому подбор армирования необходимо вести по усилиям из расчета по расчетной схеме именно этого этапа.

Изменение жесткости плиты влияет на величину усилий в арматуре, и как следствие, на процент армирования - увеличение жесткости позволяет снизить процент армирования, но является нерациональным при увеличении толщины плиты свыше 0,3 м для нашего примера.

После выявления в численных исследованиях качественной картины распределения усилий и напряжений в арматуре были проведены экспериментальные исследования регулируемых фундаментов.

Планирование эксперимента осуществлялось из условия одновременного испытания четырех фундаментов с помощью специальной нагрузочной платформы (рисунок 7 б).

Всего были изготовлены и испытаны 4 большеразмерных образца с различными толщинами плитной части с армированием, подобранным по расчету. На арматуру трех плитных частей были установлены тензометрические датчики, для определения фактических напряжений, возникающих в процессе изменения расчетных схем. Под четвертым образцом с маркировкой — ОРФ-ЗОм были установлены месдозы для определения фактических напряжений, возникающих на подошве фундамента с песчаным основанием.

Для передачи нагрузки на плитную часть фундамента были изготовлены 4 стаканные части с предусмотренными упорами, необходимыми для восприятия сосредоточенных усилий от домкратов (рисунок 7 а).

Стаканная часть устанавливалась в центре плит на песчаном растворе, потом монтировалась балочная клеть из двух главных и трех второстепенных балок. Для каждого опытного фундамента был вырыт котлован, засыпанный песком до уровня земли.

В испытаниях было применено силовое, тензометрическое, осциллографическое, геодезическое оборудование.

На первой стадии нагружение осуществляли фундаментными блоками ФБС-24-б-б в 10 этапов по 8 блоков (рисунок 7 в), на каждом этапе фиксировали показания датчиков силы для определения нагрузки на каждый

фундамент, осадку которых измеряли с помощью тахеометра. Определяли начальный модуль деформации грунта.

Рисунок 7 - Проведение эксперимента: а - монтаж плитной и стаканной части; б - монтаж нагрузочной платформы; в - нагружение фундаментов; г — монтаж гидродомкратной системы.

На второй стадии производили монтаж гидродомкратной системы для подъема и выравнивания нагруженной системы (рисунок 7 г). Затем осуществляли обжим рабочей группы домкратов.

На третьей стадии производили моделирование процесса подъема и выравнивания здания с помощью рабочей группы домкратов из двух домкратных узлов на каждом опытном фундаменте. После достижения высоты в 1 см, подъем останавливали для снятия показаний приборов.

На четвертой стадии осуществляли моделирование подъема и выравнивания здания с помощью рабочей группы домкратов из четырех домкратных узлов на каждом регулируемом фундаменте. После того как высота подъема достигала 2 см, его останавливали для снятия показаний.

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что на всех этапах работы по оси абсцисс напряжения в арматуре нижней грани плит были растягивающими, а по расчету - растягивающими под домкратами и сжимающими между ними; по оси же ординат характер распределения опытных и расчетных напряжений в арматуре нижней грани плит совпадал.

В плите фундамента наименьшей жесткости напряжения в арматуре по обеим осям верхней грани возрастали, после второго этапа сжимающие напряжения заменялись на растягивающие - в отличие от расчетных данных.

Форма эпюр распределения контактных вертикальных напряжений по подошве имела седлообразное очертание, близкое к очертанию эпюры напряжений под жестким штампом, а изменение напряжений по подошве было незначительным и не превышало 3-7%.

В экспериментальных исследованиях было получено существенное различие опытных и теоретических данных — не только количественное, но и качественное, что свидетельствует о необходимости совершенствования расчетного аппарата для регулируемых фундаментов.

В четвертой главе разработаны методы оценки НДС элементов железобетонных регулируемых фундаментов при одноцикловом и малоцикловом знакопостоянном и знакопеременном нагружении с длительными выдержками.

Вначале проводился выбор направления построения расчетного аппарата для регулируемых фундаментов на всех стадиях их работы.

Решено было использовать известные программные комплексы, но с введением в них полных диаграмм «б - £» бетона и арматуры при сжатии и растяжении с учетом их соответствующей трансформации вследствие возможной догрузки, разгрузки и нагружения обратного знака.

Необходимо учесть и то, что процессы изменения НДС в реальных условиях могут быть разделены временными интервалами, к чему добавится и неоднократность приложения нагрузки от этапов подъема, что существенно усложняет задачу по сравнению с кратковременным однократным нагружением.

Основные расчетные предпосылки, постулаты и допущения базировались на необходимости иметь диаграммы деформирования бетона: первоначальные -этап 1; трансформированные в связи с однократной разгрузкой и однократной же догрузкой того же или обратного знака - этап 2; трансформированные в связи с неоднократным поэтапным нагружением и в связи с промежуточными выдержками под нагрузкой - этапы 3,4.

Исходные диаграммы деформирования бетона (этап 1) принимаются по рекомендациям ЕКБ-ФИП; трансформированные в связи с однократной разгрузкой и догрузкой того же или обратного знака (этап 2) - по предложениям Л.Р.Маиляна и М.М. Аль-Хайфи; трансформированные в связи с неоднократным поэтапным нагружением и промежуточными выдержками под нагрузкой (этапы 3,4) - по рекомендациям Л.Р.Маиляна, М.Ю.Беккиева, Г.Р. Силя и А.Е. Шейкина.

Главный вопрос при построении расчета - как определять и учитывать в нем, на каком именно этапе находится то или иное сечение или волокно бетона?

Исчерпывающий ответ на этот вопрос дает использование шагово-итерационного подхода, в котором с определенным шагом будет задаваться, например, деформация наиболее нагруженного волокна сечения фундамента и итерационным способом будет происходить поиск решения, удовлетворяющего уравнениям равновесия в сочетании с начальными условиями.

Возможные режимы работы бетона регулируемых фундаментов при знакопеременном и знакопостоянном нагружении были определены при рассмотрении деформирования произвольного нормального сечения.

Выявлено, что необходимо располагать расчетными диаграммами «б - £» бетона при следующих режимах его работы: «сжатие - разгрузка -растяжение»; «растяжение - разгрузка - сжатие»; «сжатие - сжатие»; «растяжение — растяжение».

Диаграммы деформирования бетона при «сжатии-сжатии» и «растяжении-растяжении». При первоначальном нагружении бетон в сжатой зоне работает по исходной диаграмме «бь — £ь» до точки А (Ог, ии1, £ь,цп1> (рисунок 8). Сочетание внешних воздействий может приводить к догрузкам, разгрузкам или знакопеременным нагружениям, разделенным во времени, и дальнейшее деформирование происходит, начиная с точки А', не совпадающей с точкой А.

Будем считать, что при первоначальном воздействии в регулируемом фундаменте возникают усилия, не превышающие своих эксплуатационных уровней и остающиеся постоянными в процессе последующей длительной выдержки, при этом деформации сечений их волокон по высоте нарастают с течением времени, а напряжения остаются постоянными.

Тогда координаты точки А' (бь,ипь Еь.иы + А£ь) будут отличаться от координат точки А только по оси деформации - на величину Д£ь , которая определяется с помощью предлагаемого в работе приближенного способа.

Последующее деформирование начинается с точки А' и идет уже по иной кривой, не совпадающей с исходной диаграммой «бь - Еь».

При предварительном длительном сжатии происходит изменение прочностных и деформативных характеристик бетона, оцениваемое коэффициентами КгЬ; КЕЬг; КЕЬ: К = В0 + В1ЯЬ + В2Т] - В30 - В^2Ь - В5т,2 - В6р2 - В7ЯЬТ) + В8Ивр + В9г]р. (3)

То есть, после длительного сжатия диаграмма «бь - £ь» будет иметь уже новые прочностные и деформативные характеристики КЛЯЬ; КЕЬг £Ьг; КЕЬ Еь, и описываться, также функцией ЕКБ-ФИП, но с новыми характеристиками, что приведет к изменению ее очертания (кривая 2 на рисунке 8).

е. IWRi ------------- -------- _____ с

FJ ✓ 1 \ \ 1 X

at- ¿8« ¿5.3 Л / /п / //VF I / j /j Л Ob | /jL/\ \ 1 I I I I I I

L! W №3» iTlt.uriL R«. IWRk ff., 6 s* ftam- &

Рисунок 8 - Диаграммы деформирования бетона при «сжатии - сжатии» и «растяжении — растяжении» Начало новой диаграммы «бь-£ь» - точка О1 будет отстоять на величину £ьо, которая может быть приближенно представлена как сумма деформаций rem (остаточных при полной разгрузке после кратковременного сжатия) и Д£ь (прироста при длительной выдержке при первоначальном сжатии).

Величина £ет зависит от уровня первоначального сжатия и прочности и может быть определена по формуле:

ь__2 __^ь

- а

b.unl >

а - ■

6.0R,,

(4)

Целесообразно пользоваться в расчетах и диаграммой «Дбь — Д£ь» в приращениях напряжений и деформаций, которую можно описать:

у = ах + а2х + а3х2 , где у = Д ; х = Д . (5)

Используя граничные условия, получим:

^ _ 2(KrbRb- b.unl) j Ь К Ьг Ьг_( b.unl+J Ь)

гЛ I ■

[К Ьг Ьг~( (мт1+Л ¡>)Г " ^ ^

Диаграмма деформирования бетона при «растяжении - растяжении» будет получена, производя выкладки, аналогичные описанным:

Ы Ы,ип1) л КгЬс[{Ь(

А „, =■

К

Ыг Ыг - ( Ы,ит + А ьс) [к Ыг Ьг - ( Ы ип1 + А

Для растянутого бетона коэффициенты Кш и КГыг к величинам Яы и £Ыг.

К = В0 - В^В2 - т?) + В3р(В4 -р) + В5. (8)

Диаграмма деформирования бетона при «сжатии - разгрузке -растяжении» имеет некоторые особенности (рисунок 9).

Первое - предельная растяжимость бетона £ы>и, соответствующая трещинообразованию в железобетонном элементе, не является постоянной и может быть определена при максимуме продольного усилия в растянутой зоне

Л „,--

2 bf

(7)

сечения. Но ЕЬ|,и ПРИ однократном нагружении и при знакопеременном нагружении не одинакова. Очевидно, что и с увеличением деформации первоначального сжатия £ЬиП| предельная растяжимость бетона при знакопеременном нагружении тоже увеличивается по сравнению с однократным нагружением £Ь11|

Второе - в регулируемых фундаментах нагружение и разгрузка с обратным нагружением могут быть разделены во времени, что в существующих рекомендациях не учитывается. Вместе с тем, влияние предварительного длительного сжатия или растяжения может до 30-40% изменять прочностные и деформативные характеристики бетона при последующей его работе на растяжение или сжатие соответственно, что необходимо учитывать в расчете.

Для этого предлагается ввести коэффициенты КгЬ,

и К^ьи- к величинам

и Ыг соответственно (с этой целью на рисунке 9 коэффициенты КгЬ, и КсЬ1г приведены в скобках). Значения коэффициентов К^, и К[Ь,Г могут быть также определены по формулам (3) с подстановкой соответствующих значений Ь„

Рисунок 9 - Диаграмма «б - £» бетона при «сжатии - разгрузке -растяжении»

Анализ диаграмм разгрузки и растяжения бетона после его предварительного сжатия позволяет говорить, что в качестве аппроксимирующего также может быть принят степенной полином второй степени (5).

Задавая граничные условия в соответствии с которыми диаграмма должна проходить через точки А1, В и С и иметь экстремум в точке С, определим зависимость «б - £» бетона при разгрузке и последующем растяжении после первоначального сжатия в приращениях:

_ _ 2( Ъ,ип1 + КцыПы) д__2( Ь.иШ + КяыНы) ^ 2 /дч

Ь.иш [ ь.ит(1-аь ь,иш)+К Ыг Ыг} [ Ьип,(1 -аь Ьмп1)+К Ыг Ь£г]2

Диаграмма деформирования бетона при «растяжении - разгрузке — сжатии» несколько сложнее, чем предыдущая по причине образования трещин и выключение волокна бетона из работы на растяжение и вновь его включение в работу при разгрузке и последующем сжатии.

Кроме того, даже при отсутствии трещин при первоначальном нагружении часть растянутого бетона работает уже на нисходящей ветви диаграммы «6bt - £ы» а часть - еще на восходящей, что необходимо учитывать в расчетах.

В целом, если бетонное волокно находится в зоне сечения, перерезанной трещиной, то его деформирование происходит по исходной диаграмме «бь, -Еь.» (участок OA на рисунок 10 а) до величины bt = £btu, затем происходит скачкообразное снижение напряжения до нуля (образование трещины) при дальнейшем возможном росте деформации (раскрытие трещины).

При последующей выдержке под нагрузкой идет прирост деформации Д£Ь(. Разгрузка бетонного волокна, перерезанного трещиной, происходит по кривой, почти совпадающей с осью абсцисс (с достаточной точностью можно считать, что до точки 0'), а последующее сжатие происходит по кривой О'С. При этом начало координат новой диаграммы «Дбы - Л£ы» бетона, учитывая отрезок, совпадающий с осью, поместим в точке 0', а вершину - в точку С.

Для унификации расчетных зависимостей, функцию «Дбы — Д£ы» примем также в виде (5), а с учетом граничных условий она будет иметь вид: 2 KrbRb KrhRh -

А bt = ?-Т1Г-Т4 bt~~r-—-<10)

I bt,u ' br br) ( btM + K br br)

У бетонного волокна над трещиной деформации при первоначальном растяжении будут равны £ы,ип| = Д £ы,и = It (рисунок 10 б). При выдержке под нагрузкой деформации увеличиваются на АЕЫ при практически неизменных напряжениях. Диаграмма «Дбы - ДЕы» будет тогда начинаться в точке О1, пересекать ось абсцисс в точке с координатами 0; £ы,о = rem + и иметь вершину в точке С.

Для аналитического описания диаграммы «Дбы - ДЕы» используем вновь функцию (5) с соответствующими граничными условиями, тогда:

2iirh/?h KrhRh i

л bt= 7-—-bt---гА bt-

(, bt.unl + a bt+K br br) ( btnnl +a bt + К br br)

Рисунок 10 - Диаграммы работы бетона при «растяжении — разгрузке -

сжатии»

Для бетонного волокна, работающего на восходящей ветви диаграммы «бы — £ы». деформирование по исходной кривой происходит до точки А с координатами бЬип1, Еы.ип! (рисунок 10 в). При выдержке происходит прирост деформации на величину Д£ь, и точка А перемещается в точку 0', с которой и начинается разгрузка и последующее сжатие. Здесь используются вновь

функция вида (5) и те же граничные условия, и получается та же функция «Лбы - АЕ|,1», что и в предыдущем случае.

Однако, несмотря на равенство коэффициентов и идентичность функции «Дбы - ЛЕы» Для двух последних случаев, деформирование в них будет происходить по разным кривым потому, что будет различаться местонахождение начала координат (точки О1) - из-за деформирования на нисходящей и восходящей ветвях, а также координаты вершин диаграмм (точки С).

Величина ДЕЬ1 может быть найдена способом, приводимом ниже.

Дело в том, что величины коэффициентов Ккь, К(Ьг, учитывающих изменение прочности и деформативности бетона при предварительном длительном растяжении, являются функциями и уровня первоначального нагружения. Но одинаковые напряжения бы,ип1 будут иметь место на восходящей и нисходящей ветвях. Чтобы не получилось, что для точек с одинаковыми напряжениями, но с разными деформациями коэффициенты Ккь и К£Ьг были бы одинаковы, для нисходящей ветви при определении коэффициентов Ккь и КЕЬг в формулы следует подставлять уровень первоначального нагружения I.

В целом же, величины коэффициентов Ккь и К£Ьг могут быть определены на основании рекомендации о влиянии длительного предварительного растяжения с подстановкой соответствующих коэффициентов В!.

Трансформирование диаграмм деформирования бетона в связи с малоцикловым повторным нагружением осуществим, используя симбиоз рекомендаций Л.Р.Маиляна, М.Ю.Беккиева, Г.Р. Силя и А.Е. Шейкина, с введением в расчет новых изменившихся прочностных и деформативных характеристик бетона, а также новой диаграммы «напряжения-деформации».

Изменение характеристик бетона при малоцикловых нагружениях предлагается учитывать регрессионными уравнениями:

у = Ьо+Ьи1(1+Ьи1+ЬзР+ Ып) +Ь5р (1+ЬбР+Ь7п) +Ьап (1+Ья Д) (12) где в качестве функции у приняты параметры К, учитывающие изменение прочностных Я и деформативных Дг, Е характеристик бетона, а в качестве аргументов — уровень повторных нагружений //, относительная прочность бетона р и количество циклов нагружения и в относительных показателях.

Значения коэффициентов Ь„ Ья для определения параметров К, учитывающих изменение прочностных и деформативных характеристик бетона, определенные Л.Р. Маиляном, М.Ю. Беккиевым и Г.Р. Силем и А.Е. Шейкиным, пришлось откорректировать - для этого нами были использованы отдельные

результаты наших выборочных испытаний в условиях, соответствующих работе контрольных сечений регулируемых фундаментов.

Изменение же диаграммы деформирования бетона при малоцикловых нагружениях предлагается производить, в целях унификации, по формуле ЕКБ-ФИП, вводя в нее изменившиеся в результате малоцикловых повторных нагружений прочностные и деформативные характеристики бетона.

Анализ показал, что характеристики бетона и его диаграммы деформирования, построенные по нашим рекомендациям, удовлетворительно описывают соответствующие опытные параметры.

Далее предлагается алгоритм оценки НДС сечений железобетонных регулируемых фундаментов с учетом выдержки под нагрузкой.

Состояние I соответствует максимальной нагрузке при первоначальном нагружении. Расчетная оценка здесь производится по существующим программным комплексам с помощью введения в них расчетных диаграмм деформирования бетона и арматуры, постоянных для всех волокон и сечений.

Состояние 2 соответствует окончанию выдержки под нагрузкой. Оно отличается приростом деформаций и напряжений в арматуре и бетоне, изменением высот сжатой и растянутой зон, связанного с этим изменения знака деформаций и напряжений в волокнах бетона вблизи нейтральной оси.

Но главное отличие в том, что в состоянии 2 бетон имеет уже различные по высоте диаграммы "б - £", обусловленные разным уровнем деформаций и напряжений при первоначальном нагружении и различным изменением характеристик и диаграмм деформирования как по высоте, так и по длине элементов при длительной выдержке под нагрузкой.

Все это существенно усложняет задачу расчетной оценки работы регулируемых фундаментов после длительной выдержки, и еще более - в процессе собственно подъема и регулирования положения здания.

Для ее решения рекомендуется использовать для расчета на стадии 2 тот же самый программный комплекс, что и на стадии I, но с подстановкой в него уже не постоянных, а переменных характеристик и диаграмм волокон бетона по высоте сечения и по длине участков элементов регулируемых фундаментов, определенных по нашим рекомендациям.

Для этого необходим критерий определения, какой именно этап рассматривается для каждого волокна бетона по высоте или по длине. Им может быть сравнение деформаций каждого волокна, получаемых на каждом этапе шагово-итерационного расчета, с величинами, полученными на предыдущем этапе расчета по нагрузке. В зависимости от результата сравнения делается вывод о том, по какой диаграмме работает рассматриваемое волокно -

«сжатие-сжатие», «растяжение-растяжение», «сжатие-разгрузка-растяжение» или «растяжение-разгрузка-сжатие».

В целом же, предлагаемый способ определения НДС расчетного сечения элемента железобетонного регулируемого фундамента с учетом длительной выдержки под нагрузкой или поэтапного изменения его работы и деформирования базируется на шагово-итерационном подходе в совокупности с гипотезой плоских сечений, распространяющейся на прирост деформаций в сжатом и растянутом бетоне и арматуре и учитывает все особенности расчета регулируемых фундаментов при знакопостоянном и знакопеременном нагружении после длительной выдержки.

Описанный расчет дает в результате массивы значений усилий и жесткостей, на основании которых производится оценка НДС.

Таким образом, расчетная оценка НДС сечений регулируемых железобетонных фундаментов при знакопостоянном и знакопеременном нагружении шагово-итерационным методом полностью разработана на всех этапах - первоначальном кратковременном нагружении, длительной выдержке и последующем знакопостоянном и знакопеременном нагружении.

Анализ сходимости опытных данных с теоретическими рекомендациями, реализованными с учетом промежуточной выдержки под нагрузкой и мапоцикловым нагружением, был реализован в конечно-элементных моделях и рассчитан в программном комплексе Lira 9.6.

Без учета разработанных рекомендаций наблюдалось количественное и качественное различие опытных и теоретических данных, что свидетельствовало о необходимости совершенствования методов расчета регулируемых фундаментов. Учет разработанных рекомендаций резко улучшил сходимость опытных и теоретических данных, как в количественном, так и в качественном отношении, что свидетельствует о целесообразности применения разработанных рекомендаций в расчетах регулируемых фундаментов на всех стадиях работы.

В пятой главе рассматривается практическое внедрение предлагаемых конструктивных, технологических и расчетных решений.

В 2010г. с участием автора был выполнен подъем объекта культурного наследия - жилого дома поэта Майкова, XVIII века в Москве.

Результатом работ стал подъем надземной части здания по отношению к фундаментной части на 750 мм, что позволило восстановить архитектурный вид ансамбля исторических зданий.

В 2012-2013гг. с участием автора было проведено устранение сверхнормативных кренов комплекса из 5 и 10-этажных домов в г.Туапсе.

Особенность работ заключалась в стесненной застройке, а здания различных конструктивных решений были возведены в различное время.

Все объекты были возвращены в рабочее состояние путем применения конструкторских, технологических и расчетных предложений автора.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложена классификация регулируемых фундаментов проектируемых и эксплуатируемых зданий с железобетонным и металлическим каркасом.

2. Разработаны новые конструктивные решения регулируемых фундаментов проектируемых и эксплуатируемых зданий с железобетонным и металлическим каркасом, защищенные тремя патентами РФ на полезные модели.

3. Предложены технологические решения устройства регулируемых фундаментов проектируемых и эксплуатируемых зданий с железобетонным и металлическим каркасом.

4. Разработаны технологии подъема и выравнивания проектируемых и эксплуатируемых зданий с железобетонным и металлическим каркасом на регулируемых фундаментах.

5. Проведены численные исследования регулируемых фундаментов каркасных зданий, показавшие, что при расчете и проектировании плитной части необходимо учитывать изменение расчетных схем, возникающих в процессе подъема и выравнивания здания; наибольшие усилия в арматурных стержнях плитной части возникают на этапе подъема здания рабочей группой из двух домкратных узлов, в связи с чем, подбор ее армирования необходимо вести по усилиям, полученным по расчетной схеме, соответствующей именно этому этапу; изменение жесткости плитной части влияет на величину усилий в арматуре, и как следствие на процент и характер армирования - увеличение ее позволяет снизить процент армирования, но при увеличении толщины плитной части свыше определенной величины (0,3 м для рассматриваемого примера) является не рациональным.

6. Проведенные экспериментальные исследования регулируемых фундаментов каркасных зданий показали: на всех этапах работы по оси абсцисс - опытные напряжения в арматурных стержнях нижней грани плитной части были растягивающими, а расчетные - сжимающими; по оси ординат - характер распределения опытных и расчетных напряжений в арматурных стержнях нижней грани плитной части совпадает, и эти напряжения растягивающие; форма эпюр распределения контактных вертикальных напряжений по подошве

имеет седлообразное очертание, близкое к эпюре напряжений под жестким штампом, а изменение напряжений по подошве незначительно (< 3-7%).

7. Анализ проведенных численных и экспериментальных исследований показал существенное различие опытных и теоретических данных - не только количественное, но и качественное - на некоторых этапах работы, что свидетельствует о необходимости совершенствования расчетного аппарата и методов расчета регулируемых фундаментов.

8. Получены расчетные диаграммы "напряжения-деформации" бетона при всех возможных режимах его работы в железобетонных регулируемых фундаментах при знакопостоянном и знакопеременном нагружениях с длительной выдержкой - "сжатии - сжатии", "сжатии - растяжении", "растяжении - сжатии" и "растяжении - растяжении".

9. Учтено влияние малоцикловых нагружений на прочностные и деформативные характеристики бетона и его диаграммы деформирования при сжатии и растяжении путем произведенной корректировки значений коэффициентов регрессионных уравнений.

10. Предложен алгоритм расчетной оценки напряженно-деформированного состояния сечений железобетонных регулируемых фундаментов при длительной выдержке под нагрузкой постоянного уровня.

11. Разработан шагово-итерационный метод расчета железобетонных регулируемых фундаментов после длительной выдержки при знакопостоянном и знакопеременном нагружении.

12. Проведено сопоставление экспериментальных данных с расчетными, вычисленными по разработанным зависимостям, на всех стадиях работы железобетонных регулируемых фундаментов, показавшее хорошую сходимость, существенно лучшую по сравнению с имеющимися рекомендациями.

13. Разработанные конструктивно-технологические решения и уточнения расчета и проектирования регулируемых фундаментов успешно внедрены в практическое строительство - при подъеме и выравнивании реальных объектов - жилой дом поэта Майкова XVIII века в Москве и комплекс офисных 5 и 10-этажных зданий в г. Туапсе, что подтвердило достоверность и надежность предлагаемых решений и методов расчета.

Основные положения диссертации опубликованы в 19 работах:

- в 2 изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Гусаренко С.П., Скибин М.Г., Зотов A.M. Регулируемые фундаменты // Вестник гражданских инженеров. - 2009. — №2. - С.139-141.

2. Зотов М.В., Кутасов И.А, Зотов A.M., Скибин М.Г. Особенности производства работ по подъему и выравниванию в условиях стесненной застройки//Интернет-журнал «Инженерный вестник Дона», 2013, вып. 3.

- в 11 патентах РФ:

3. Регулируемый фундамент для крупнопанельных зданий. Пат. на полезную модель № 84029 РФ; опубл. 27.06.09. Бюл. №18. Зотов М.В., Скибин М.Г., Гусаренко С.П., Зотов A.M.

4. Регулируемый фундамент для каркасных железобетонных зданий. Пат. на полезную модель № 84871 РФ; опубл. 20.07.09. Бюл. №20. Зотов М.В., Зотов A.M.

5. Регулируемый фундамент эксплуатируемого крупнопанельного здания. Пат. на полезную модель № 86961 РФ; опубл. 20.09.09. Бюл. №26. Зотов М.В., Скибин М.Г., Гусаренко С.П., Зотов A.M.

6. Регулируемый фундамент для эксплуатируемых кирпичных зданий. Пат. на полезную модель № 91347 РФ; опубл. 10.02.2010 Бюл. №4. Зотов М.В., Скибин М.Г., Гусаренко С.П., Зотов A.M.

7. Регулируемый фундамент для проектируемых кирпичных зданий. Пат. на полезную модель № 91348 РФ; опубл. 10.02.2010 Бюл. №4. Зотов М.В., Скибин М.Г., Гусаренко С.П., Зотов A.M.

8. Регулируемый фундамент эксплуатируемого крупнопанельного здания. Пат. на полезную модель № 92669 РФ; опубл. 27.03.2010 Бюл. №9. Зотов М.В., Скибин М.Г., Гусаренко С.П., Зотов A.M.

9. Регулируемый фундамент для эксплуатируемых зданий с металлическим каркасом. Пат. на полезную модель № 96380 РФ; опубл. 27.07.2010. Зотов М.В., Скибин М.Г., Гусаренко С.П., Зотов A.M.

10. Регулируемый фундамент для эксплуатируемых каркасных железобетонных зданий. Пат. на полезную модель № 96381 РФ; опубл. 27.07.2010. Зотов М.В., Скибин М.Г., Гусаренко С.П., Зотов A.M.

11. Регулируемый фундамент для сейсмических районов. Пат. №99499 РФ; опубл. 20.11.2010 Бюл. №32. Зотов М.В., Скибин М.Г., Гусаренко С.П., Зотов A.M.

12. Регулируемый фундамент с переменной жесткостью опорной части. Пат. №99790 РФ; опубл. 27.11.2010 Бюл. №33. Зотов М.В., Скибин М.Г., Гусаренко С.П., Зотов A.M.

13. Способ выравнивания монолитных железобетонных сооружений. Пат. №2426837 РФ; опубл. 20.08.2011 Бюл. №23. Зотов М.В., Скибин М.Г., Гусаренко С.П., Зотов A.M.

- в 6 других изданиях:

14. Зотов М.В., Зотов A.M. Причины возникновения неравномерных деформаций зданий и методы их устранения//«Строительство-2007». матер. Междун. научно-практич. конференц. -Ростов н/Д:РГСУ, 2007. -С.178-179.

15. Зотов М.В., Зотов A.M. Особенности подготовки крупнопанельных зданий к подъему и выравниванию//«Строительство-2008»: матер. Междун. научно-практич. конференц. - Ростов н/Д: РГСУ, 2008. -С.46-47.

16. Зотов М.В., Зотов A.M. Конструктивные решения при подготовке здания к подъему с помощью плоских домкратов//«Строительство - 2009»: матер. Юбилейн. международн. научно-практич. конференции. -Ростов н/Д: РГСУ, 2009. - С. 58-59.

17. Zotov M.V., Zotov A.M. The levelling of multistorey buildings by means of hydraulic flat jack systems. ISA International Housing Conference - 2009, 1-4 September. University of Glasgow. Glasgow, 2009. - P. 260.

18. Скибин М.Г., Гусаренко С.П., Зотов A.M., Особенности изменения напряжений в конструкциях зданий при устройстве в них регулируемых фундаментов.//межвузовский тематический сборник трудов: Научно-практические и теоретические проблемы геотехники: Том 1, Санкт-Петербург, 2009 — С.108-113.

19. Гусаренко С.П., Зотов A.M., Скибин М.Г. Регулируемые фундаменты кирпичных зданий//межвузовский тематический сборник трудов: Научно-практические и теоретические проблемы геотехники: Том 1, Санкт-Петербург, 2009-С.113-117.

Подписано в печать 23.09.13. Формат 60x84 1/16. Ризограф. Бумага писчая. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 603. Редакционно-издательский центр Ростовского Государственного Строительного Университета 344002, г.Ростов-на-Дону, ул.Социалистическая, 162

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

На правах рукописи

Зотов Александр Михайлович

РЕГУЛИРУЕМЫЕ ФУНДАМЕНТЫ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И РАСЧЕТ ПРИ ПОДЪЕМЕ И ВЫРАВНИВАНИИ 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения 05.23.08 - Технология и организация строительства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: член-корреспондент РААСН, заслуженный строитель Российской Федерации, доктор технических наук, профессор

Маилян Л.Р. Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

Маилян А.Л.

СО

см

со со со

со

о см

СМ ю

™ см

Ростов-на-Дону -2013

Содержание

Введение..................................................................................................................6

1 Современное состояние проблемы устранения кренов зданий..............11

1.1 Причины возникновения неравномерных деформаций грунтового основания зданий..............................................................................................11

1.2 Существующие методы корректировки геометрического положения зданий.................................................................................................................13

1.3 Основные типы регулируемых фундаментов ..........................................16

1.4 Обзор существующих экспериментальных и теоретических исследований работы железобетонных элементов при однократных знакопостоянных и знакопеременных нагружепиях. Задачи исследования .............................................................................................................................22

1.4.1 Методы оценки напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов..............................................................................22

1.4.2 Работа бетона, арматуры и железобетонных элементов при одноцикловых и малоцикловых знакопостоянных и знакопеременных нагружепиях с промежуточными выдержками..............................................24

1.5 Выводы по главе. Задачи исследований...................................................34

2 Разработка конструктивно-технологических решений регулируемых фундаментов каркасных зданий для их подъема и выравнивания.........38

2.1 Классификация регулируемых фундаментов каркасных зданий...........38

2.2 Разработанная конструкция и технология устройства регулируемых фундаментов железобетонных каркасных проектируемых зданий.............39

2.3 Предлагаемая конструкция и технология устройства регулируемых фундаментов для эксплуатируемых зданий с железобетонным каркасом. 41

2.4 Новое конструктивно-технологическое решение регулируемых фундаментов зданий с металлическим каркасом - проектируемых и эксплуатируемых...............................................................................................44

2.5 Особенности подъема и выравнивания проектируемых и эксплуатируемых зданий с железобетонным и металлическим каркасом на регулируемых фундаментах.............................................................................45

2.6 Выводы по главе 2.......................................................................................49

3 Численные и экспериментальные исследования регулируемых фундаментов каркасных здании при подъеме и выравнивании..............50

3.1 Анализ изменения расчетных схем при подъеме и выравнивании каркасных зданий с регулируемыми фундаментами.....................................50

3.2 Численные исследования работы плитной части регулируемых фундаментов различной жесткости при подъеме и выравнивании здания 52

3.3 Анализ результатов численных исследований влияния различных расчетных схем на изменение напряжений в арматуре плитной части регулируемых фундаментов различной жесткости.......................................61

3.4 Экспериментальные исследования работы регулируемых фундаментов .............................................................................................................................69

3.4.1 Основные положения, цели и задачи..................................................... 69

3.4.2 Методика экспериментальных исследований. Приборы, материалы и оборудование.....................................................................................................70

3.4.3 Особенности проведения экспериментальных исследований.............78

3.5 Анализ результатов экспериментальных исследований.........................82

3.5.1 Распределение напряжений в арматуре регулируемых фундаментов на всех этапах работы.......................................................................................82

3.5.2 Распределение вертикальных контактных напряжений в основании опытных регулируемых фундаментов............................................................91

3.6 Выводы по главе 3.......................................................................................93

4 Методы оценки напряженно-деформированного состояния элементов железобетонных регулируемых фундаментов при одиоинкловом и малоцикловом знакопостоянном и знакопеременном нагружснии с длительными выдержками...............................................................................95

4.1 Направление построения расчетного аппарата для оценки напряженно-деформированного состояния регулируемых фундаментов на всех стадиях их работы............................................................................................................ 95

4.2 Основные расчетные предпосылки, постулаты и допущения................96

4.3 Возможные режимы работы бетона и сечений железобетонных регулируемых фундаментов при знакопеременном и знакопостоянном нагружении......................................................................................................100

4.4 Диаграммы деформирования бетона при «сжатии-сжатии» и «растяжении-растяжении».............................................................................103

4.5 Диаграмма деформирования бетона при «сжатии - разгрузке -растяжении».....................................................................................................108

4.6 Диаграмма деформирования бетона при «растяжении - разгрузке -сжатии»............................................................................................................. 112

4.7 Трансформирование диаграмм деформирования бетона при малоцикловом повторном нагружении.........................................................117

4.8 Алгоритм расчетной оценки напряженно-деформированного состояния сечений железобетонных регулируемых фундаментов с учетом выдержки под нагрузкой..................................................................................................120

4.9 Особенности расчета регулируемых фундаментов при знакопостоянном и знакопеременном нагружении шагово-итерационным методом после длительной выдержки.....................................................................................125

4.10 Анализ сходимости теоретических рекомендаций с опытными результатами....................................................................................................129

4.11 Выводы по главе 4...................................................................................133

5 Практическое внедрение предлагаемых конструктивно -технологических н расчетных решений.......................................................135

5.1 Внедрение регулируемого фундамента при подъеме и выравнивании объекта «Жилой дом поэта Майкова, XVIII век» в г. Москва...................135

5.2 Применение регулируемого фундамента при устранении сверхнормативных кренов комплекса офисных зданий в г. Туапсе..........137

5.3 Выводы по главе 5.....................................................................................143

Основные выводы.............................................................................................144

Библиографический список............................................................................147

Приложения........................................................................................................160

6

Введение

Актуальность темы. В настоящее время в России насчитывается около 100 млн. м2 аварийного и ветхого жилья и в ближайшие годы тенденция к его росту сохранится. Условия признания жилья аварийным сформулированы в п.38 ч.Ш Постановления Правительства РФ № 47 -«жилые помещения в многоквартирных домах, получивших повреждения в результате взрывов, аварий, пожаров, землетрясений, неравномерной просадки грунтов, других сложных геологических явлений, следует признавать непригодными для проживания, если проведение восстановительных работ технически невозможно или экономически нецелесообразно и техническое состояние этих домов и строительных конструкций характеризуется снижением несущей способности и эксплуатационных характеристик, при которых существует опасность для пребывания людей и сохранности инженерного оборудования. Указанные многоквартирные дома признаются аварийными и подлежащими сносу».

Однако существует возможность восстановления геометрического положения в пространстве здания, получившего сверхнормативный крен в результате сложившейся геологической ситуации.

В последние годы наиболее эффективным и безопасным показал себя метод подъема и выравнивания зданий с помощью гидродомкратных систем. Его особенностью является устройство регулируемых фундаментов, позволяющих обеспечить сохранность и пространственную жесткость здания во время выравнивания.

Важными, но малоизученными вопросами являются конструирование, технология и расчет регулируемых фундаментов каркасных зданий, особенно учитывая их возрастающий объем за последние годы.

В связи с этим, тема диссертационной работы представляется актуальной и важной.

Цель диссертационной работы - разработка конструкции, технологии устройства и методов расчета и проектирования регулируемых фундаментов

проектируемых и эксплуатируемых каркасных зданий и сооружений с железобетонным и металлическим каркасом.

Для достижения цели необходимо решить задачи исследования:

- проанализировать существующие методы корректировки геометрического положения здания, их достоинства и недостатки, изучить типы регулируемых фундаментов, существующих в настоящее время;

- разработать технологии устройства и конструктивные решения регулируемых фундаментов для проектируемых и эксплуатируемых каркасных зданий с железобетонным и металлическим каркасом;

- выявить влияние различных расчетных схем, возникающих в процессе подъема и выравнивания здания, на напряженно деформированное состояние регулируемых фундаментов;

- провести численные и экспериментальные исследования работы регулируемых фундаментов с различными жесткостными характеристиками при изменении расчетной схемы в процессе подъема и выравнивания здания;

- выявить возможные случаи работы бетона и арматуры регулируемых фундаментов на всех стадиях их работы в процессе подъема и выравнивания здания;

предложить аналитическое описание вариантов трансформации диаграмм деформирования материалов регулируемых фундаментов на всех стадиях их работы;

- разработать методы расчета и проектирования регулируемых фундаментов на основании трансформированных диаграмм деформирования материалов регулируемых фундаментов на всех стадиях их работы;

- подтвердить их достоверность и надежность сходимостью экспериментальных и теоретических результатов.

Объект и предмет исследования - железобетонные регулируемые фундаменты проектируемых и эксплуатируемых каркасных зданий.

Методы исследований. Для достижения поставленных задач использовались численные исследования с использованием метода конечных элементов и экспериментальные исследования с использованием тензометрического метода.

Достоверность разработанных рекомендаций и методов расчета подтверждается результатами статистической обработки численных и экспериментальных исследований автора и многих других исследователей.

Научная новизна работы:

- разработаны новые конструкции и технологии устройства регулируемых фундаментов для проектируемых и эксплуатируемых зданий с железобетонным и металлическим каркасом;

- впервые получены экспериментальные данные о напряженно-деформированном состоянии плитной части железобетонных регулируемых фундаментов с учетом изменения расчетной схемы в процессе подъема и выравнивания каркасных зданий;

- исследовано влияние жесткостных характеристик плитной части на напряженно-деформированное состояние регулируемых фундаментов каркасных зданий на всех стадиях работы при их подъеме и выравнивании;

- разработаны рекомендации по проектированию и расчету плитной части регулируемых фундаментов каркасных зданий.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

Разработаны практические рекомендации по устройству регулируемых фундаментов каркасных зданий, по технологии их подъема и выравнивания и по их расчету и проектированию.

Результаты исследований использованы ООО НПФ «Интербиотех» при проектировании регулируемых фундаментов для подъема и выравнивания объекта культурного наследия «Жилой дом поэта Майкова, XVIII век» в г.Москва, ул.Б.Спасская, Д.19-А и комплекса офисных зданий в г.Туапсе, ул.Сочинская, д.40.

Результаты исследований внедрены также в учебный процесс в Ростовском государственном строительном университете, Южно-Российском государственном техническом университете и Кабардино-Балкарском государственном университете.

На защиту выносятся:

- разработанные конструктивно-технологические решения регулируемых фундаментов для эксплуатируемых и проектируемых зданий с металлическим и железобетонным каркасом;

- результаты численных и экспериментальных исследований регулируемых фундаментов каркасных зданий;

- рекомендации по расчету и проектированию плитной части регулируемых каркасных зданий, основанные на анализе сходимости расчетных данных с результатами численных и экспериментальных исследований.

Апробация работы.

- международной конференции «ГЕОТЕХНИКА: научные и прикладные аспекты решения геотехнических задач в условиях нового строительства или реконструкции» (Санкт-Петербург, 2009);

- международных научно-практических конференциях «Строительство 2009...2013» (Ростов-на-Дону. 2009...2013);

- III академических чтениях ЮРО PA ACH по проблемам строительных наук (Кисловодск, ЮРО РААСН, 2010.. ,2012г.);

- 40,41,42 научно-технической конференции СевКавГТУ (Ставрополь, 2011 ...2013гг.);

- м еж ду народно й конференции по геотехнике «Актуальные вопросы инженерной геологии, механики грунтов и фундаментостроения», (Санкт-Петербург, 2010 г);

- научно-практической конференции, посвященная памяти профессоров Ю.Н. Мурзенко и А.П. Пшеничкина (Новочеркасск, 2010).

За разработку и внедрение конструкций регулируемых фундаментов, а также технологий по подъему и выравниванию зданий и сооружений решением президиума РОМГГИФ автор был удостоен диплома им. профессора С.Б. Ухова (Москва, 2010).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 19 работах, включая 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 11 патентов на изобретения и полезные модели и 6 статей в других изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 166 стр. состоит из введения, пяти глав, общих выводов и содержит 132 страницы машинописного текста, 64 рисунка, 12 таблиц, библиографический список из 134 наименований и 6 страницы приложений.

1 Современное состояние проблемы устранения кренов зданий

1.1 Причины возникновения неравномерных деформаций грунтового основания зданий

При проектировании зданий и сооружений в период эксплуатации должно уделяться внимание изучению возможных причин и последствий проявления и развития неравномерных деформаций грунтового основания.

Во многих случаях эти деформации связаны с внешней нагрузкой на основание, что обусловлено изменением плотности грунта под давлением, и проявляются в виде осадок, просадок и горизонтальных смещений. Такие деформации наиболее прогнозируемы ввиду того, что происходят вследствие явного действия внешних сил на грунтовое основание.

Наиболее же опасными и мало предеказуемыми являются деформации основания от изменения структуры грунта вследствие химических, гидрогеологических и суффозионных процессов - они носят внезапный характер и проявляются в виде провалов, оседаний, подъемов и просадок.

Причиной неравномерных деформаций грунтовых оснований часто выступает человеческий фактор - ошибки на стадии проектирования и проведения геологических изысканий, нарушения технологий устройства фундаментов, погрешности при эксплуатации инженерных коммуникаций и другие.

Добавим к этому и причины, не связанные с техногенным воздействием - неравномерное распределение жесткостных параметров зданий и сооружений, неоднородность и разнообразие инженерно-геологического строения грунтового основания на обширных территориях застройки.

Неравномерные деформации грунтового основания влекут за собой изменение положения зданий и сооружений в пространстве, а также напряженно-деформнрованного состояния их конструкций.

Согласно нормативным документам [52, 55, 100, 101, 103, 111, 115], здания и сооружения необходимо рассчитывать с учетом совместной деформации их конструкций и грунтового основания - для этого введены нормативные значения совместных деформаций для зданий с различными объемно-планировочными и конструктивными решениями, которые характеризуются определенными регламентируемыми параметрами, зависящими от жесткости и гибкости надземных и подземных конструкций.

Неравномерные деформации оснований зданий и сооружений имеют распространение в районах со сложными инженерно-геологическими условиями, которые покрывают большие территории Российской Федерации и