автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Влияние несущего каркаса здания на напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты

На правах рукописи

Шулятьев Станислав Олегович

ВЛИЯНИЕ НЕСУЩЕГО КАРКАСА ЗДАНИЯ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ФУНДАМЕНТНОЙ ПЛИТЫ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные

сооружения

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва - 2013 00554**»»"

005542038

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский центр «Строительство» Научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова (ОАО «НИЦ «Строительство -НИИОСП им. Н.М. Герсеванова)

Научный руководитель: кандидат технических наук

старший научный сотрудник Федоровский Виктор Григорьевич

Официальные оппоненты: Орехов Вячеслав Валентинович

доктор технических наук, профессор ДПГС МФ ОАО «Энекс» начальник центра безопасности гидротехнических сооружений

Кабапцев Олег Васильевич

кандидат технических наук ООО "МонолитСтройПроект" генеральный директор — главный конструктор

Ведущая организация: ООО "Инфорспроект"

Защита состоится " декабря 2013 года в час. на заседании

диссертационного совета Д 212.138.08,созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государствешшй строительный университет»

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Знаменский Владимир Валерианович

Актуальность темы исследования обусловлена широким распространением и недостаточной изученностью работы фундаментной плиты в составе здания с полным каркасом на податливом основании.

В соответствии с этим цель диссертационной работы заключается в выполнении расчетно-теоретических исследований влияния основания и несущего каркаса здания на напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты с разработкой рекомендаций по расчету и проектированию фундаментных плит в составе зданий с полным каркасом.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

• выполнить анализ существующего состояния вопроса в области взаимодействия основания, фундамента и сооружения, наметить область проведения необходимых исследований;

• разработать расчетную модель для выполнения исследований взаимодействия системы "основание-фундамент-сооружение";

• исследовать влияние модели и параметров основания, а также жесткостных параметров фундаментной плиты и конструкций здания на НДС фундаментной плиты;

• проанализировать влияние процесса возведения каркаса здания на НДС фундаментной плиты;

• определить необходимое и достаточное количество этажей для выполнения расчетов фундаментной плиты;

• разработать методику выполнения совместных расчетов основания, фундамента и конструкций здания с учетом процесса его возведения;

• сформулировать рекомендации по оптимальному проектированию и проведению расчетов фундаментных плит;

• провести апробацию результатов исследований и разработанных методик на примере натурных экспериментальных данных строительства высотных зданий в г. Москва.

Научную новизну диссертационной работы составляют:

• исследования влияния грунтового основания и каркаса здания на НДС фундаментной плиты, позволяющие оценить достоверность выполненных расчетов и определить необходимость учета ряда факторов при расчете фундамента;

• зависимость влияния количества этажей и толщины плиты перекрытия на жесткость здания с полным каркасом при его взаимодействии с фундаментной плитой и основанием;

• результаты исследования характера изгиба и распределения усилий в фундаментной плите в зависимости от величины вылета консоли при различных жесткостях каркаса здания и распределения нагрузки между вертикальными элементами;

• зависимость, связывающая жесткостные характеристики здания, возведенного "мгновенно" и с учетом процесса возведения;

• критерий оценки жесткости каркасного здания, позволяющий определить характер деформирования фундаментной плиты.

Достоверность научных положений и результатов обеспечивается:

• применением стандартных и специально разработанных методик и методов численных расчетов при выполнении исследований;

• учетом мирового опыта в данной области знаний при выполнении численных исследований и положений отечественных и зарубежных нормативных документов;

• приемлемым совпадением результатов разработанных методик и выявленных закономерностей с данными мониторинга при строительстве высотных зданий в г. Москва.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

• разработана методика выполнения совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение" с учетом процесса возведения каркаса, позволяющая существенно сократить время и трудозатраты

при проектировании фундаментных плит и выполнении экспресс проверки принятых конструктивных решений фундамента;

• сформулированы рекомендации по назначению оптимальной величины вылета консоли, в ряде случаев позволяющей выравнивать прогибы и усилия в фундаментной плите;

• разработаны рекомендации по ведению совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение", которые по сравнению с ранее применявшимися решениями позволяют повысить точность и сократить время расчетов фундаментов, повысить технико-экономические показатели эффективности их проектирования, оценить достоверность выполненных расчетов и разработанных проектных решений фундаментов;

• предложен способ регулирования неравномерных осадок многоэтажных зданий путем изменения жесткости его конструкций, позволяющий получить технико-экономический эффект за счет сокращения общей материалоемкости и в некоторых случаях отказаться от необходимости проведения работ по усилению конструкций здания и грунта основания или перехода на свайный тип фундамента;

• предложен критерий оценки жесткости каркасного здания, позволяющий предварительно назначить жесткость и определить характер деформирования фундаментной плиты.

На защиту выносятся результаты исследований влияния каркаса здания на усилия в фундаментной плите, на базе которых разработаны методики и рекомендации по расчету плитных фундаментов с учетом процесса возведения здания, включающие:

• результаты исследований влияния вида и характеристик основания, жесткостных параметров фундамента и каркаса здания на НДС фундаментной плиты;

• методику учета жесткости каркаса здания для выполнения расчетов и проектирования фундаментных плит;

• методику выполнения совместных расчетов трехкомпонентной системы "основание-фундамент-сооружение", в том числе с учетом возведения здания;

• рекомендации по ведению совместных расчетов трехкомпонентной системы "основание-фундамент-сооружение";

• внедрение результатов исследования в практику проектирования и строительства.

Апробация работы была осуществлена на следующих конференциях и семинарах:

• 65 Научная конференция профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета СПбГУПС. (Санкт-Петербург, 2008);

• Международная конференция по геотехнике: Развитие городов и геотехническое строительство (Санкт-Петербург, 2008);

• Международная научно-техническая конференция: Численные методы расчетов в практической геотехнике (Санкт-Петербург, 2012);

• Научно-практический семинар "расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office" (Москва, 2013);

• 5 Международная конференция молодых инженеров — геотехников 5 IYGEC'13 (Париж, 2013).

Личный вклад автора состоит в:

• анализе существующего состояния вопроса в области взаимодействия основания, фундамента и сооружения;

• проведении расчетно-теоретических исследований влияния основания и несущего каркаса здания на напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты;

• установлении количественных и качественных зависимостей влияния различных факторов, связанных с основанием и каркасом здания, на НДС фундаментной плиты;

• разработке методики выполнения совместных расчетов основания, фундамента и конструкций здания с учетом процесса его возведения;

• разработке рекомендаций по расчету и проектированию фундаментных плит в составе зданий с полным каркасом;

• апробации результатов исследований и разработанных методик на примере натурных экспериментальных данных строительства высотных зданий в г. Москва.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 научных работ (включая авторское свидетельство).

Внедрение результатов исследований диссертационной работы при проектировании Транспортного терминала Московского международного делового центра "Москва-Сити" (участок №11) и офисно-административного комплекса в ЦАО г. Москвы на ул. Можайский вал, вл.8, заключающийся в снижении материальных затрат при устройстве фундаментных плит до 20%. Экономическая эффективность проведенных исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационной работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 163 страницы, из них основного текста 136 страниц, 95 рисунков, 2 таблица, список литературы из 251 наименования, в том числе 64 на иностранном языке.

Автор выражает глубокую признательность своему руководителю Федоровскому Виктору Григорьевичу за научное воспитание и необычный подход к решению задач, а также сотрудниками НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, НИИЖБ им. A.A. Гвоздева и ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко за обсуждения и советы, данные при написании работы. Кроме того, автор искренне благодарен директору НИИОСП Петрухину Валерию Петровичу за оказанную помощь и ценные замечания.

Основное содержание работы

В первой главе рассмотрены работы по взаимодействию здания со сжимаемым основанием, основоположником которых считается G.G. Meyerhof, который на примере задачи расчета рамы на податливом основании показал, что функция распределения нагрузки по фундаменту существенно зависит от жесткостных характеристик сооружения. В дальнейшем его исследования были развиты трудами М.И.Горбунова-Посадова, Б.Н. Жемочкина, С.Н. Клепикова,

A.П. Синицына, Е.Е. DeBeer, Р.Т. Brown, S. Chamecki, Н. Grasshofí", М. Капу,

B.Q. Zhang и др., а с появлением численных методов расчета работами В.А. Барвашова, JI.A. Бартоломея, И. Бойко, Е.З. Болтянского, A.B. Вронского,

A.Д. Джакели, В.А. Ильичева, О.В. Кабанцева, Г.Г. Кашеваровой, Э.Н. Кодыша, И.В. Колыбина, Б.А. Косицына, В.И. Лишака, Т.А. Маликовой, В.В. Михеева,

B.И. Обозова, В.В. Орехова, С.А. Ривкина, Д.Д. Сергеева, Д.Н. Соболева, В.И. Соломина, A.C. Сытника, В.И. Травуша, К.Г. Шашкина, В.И. Шейнина, В.М. Улицкого, F.A. Danziger, J.F. Gong, G.P. Giani, A.D. Gusmao, N.R. Krishnaswamy, C.M. Silva, S.K.R. Yu и др. были выделены общие и частные зависимости, проявляющиеся при взаимодействии здания с основанием. В частности I.K. Lee, GJ.W. King, Z.E. Yao, H.G. Poulos и др. получили, что с увеличением отношения между жесткостями здания и основания эффекты взаимодействия усиливаются. Большинство из исследований проводились для бескаркасных зданий, строительство которых в 70-80 годах было достаточно велико. Так некоторыми авторами рассматривалась задача моделирования жесткости бескаркасного здания балкой с одной или двумя жесткостными характеристиками, однако решения данной задачи для каркасных зданий до сих пор получено не было. Кроме того, следует отметить, что балочная модель здания не позволяет оценивать НДС фундаментной плиты. Исследования, связанные с работой фундаментной плиты в составе зданий с полным каркасом на податливом основании, носят единичный характер, а детальный анализ процессов, происходящих при взаимодействии не производился. Тем не менее, объем строительства каркасных зданий растет с каждым годом, а их жесткость и работа

Сводная таблица результатов исследования. Таблица 1.

в

о

О

©

Фактор

Параметры НДС фундаментной плиты

Влияние фактора на параметры НДС фундаментной плиты

Высокое более 50%

Модуль деформации, глубина сжимаемой толщи

Коэффициент Пуассона

Толщина фундаментной плиты"

Вылет консоли при прогибе/выгибе плиты

Количество этажей"

толщина плит перекрытия2

Высота этажа и сечения колонн

Ошибки, получаемые при расчете фундаментной плиты

Контактная модель с одной или двумя жесткостными _характеристиками3_

Контактная модель с переменными коэффициентами жесткости

Податливость основания

Упруго-пластическое поведение основания6

Жесткость здания , определение нагрузки с помощью МГП

Процесс строительства каркаса

Примечания: Рассматривается изменение фактора на 50 %.

При изменении в пределах одной жесткостной категории.

3 Рассматривается ошибка относительно варианта расчета с основанием в виде упругого полупространства, моделируемого объемными конечными элементами.

4 Рассматривается случай частичного игнорирования жесткости при моделировании этажного каркаса одним этажом.

5 Отношение между усилиями в центральной к угловой колонне по обрезу фундамента.

6 При среднем давлении не превышающем расчетного сопротивления основания.

90 м К=(Е.1)Ср/2). Нагрузка задается равномерно распределенной по поверхности каждого участка плиты и определяется с учетом количества этажей с действующими на них нагрузками.

Геотехническая Геотехническая

модель основания модель основания

Условные обозначения:

П - кол-во этажей со средней толщиой плиты перекрытия бер;

8пр. - приведенная толщина плиты перекрытия;

£Р - сумма сил, действующих на участок площадью А Рис.6. Моделирование каркаса здания в соответствии с разработанной методикой

Разработанная методика может применяться на предпроектной стадии проектирования для сокращения времени, трудозатрат и повышения точности расчетов оснований и фундаментов (плит), достигаемой благодаря возможности упрощенного задания конструкций каркаса здания с более детальной разработкой модели основания. Кроме этого, разработанная методика позволяет определить жесткость каркаса здания при выполнении расчетов фундамента по плоским схемам, в том числе при выполнении оценки влияния. Как показали результаты поверочных расчетов с использованием разработанной методики, при моделировании жесткости зданий с полным каркасом (при количестве этажей от 3 до 40 с шагом колонн от 3 до 9 м) разница в получаемых результатах НДС фундаментной плиты не превышает 10 % относительно традиционного расчета. В случае действия незначительной ветровой нагрузки при усилиях в колоннах, несущественно отличающихся от получаемых при расчете конструкций каркаса,

разработанную методику можно применять и на других стадиях проектирования фундамента.

С целью сокращения времени и трудозатрат при выполнении расчетов каркасов здания с учетом процесса возведения в диссертации приводится альтернативный способ, основанный на снижении жесткости исходного "мгновенно возведенного" здания. На основании проведенных исследований было получено, что жесткость-аналог при расчете здания с учетом монтажа линейно зависит от жесткости всего сооружения в целом. Эта зависимость может быть описана следующей приближенной формулой:

N — 0,6 ■ ЫтоШ - 1, (4)

где Нпош - количество этажей, рассчитанное с учетом последовательности возведения, а N - количество этажей, вычисляемое без учета монтажа.

Данная зависимость определена в пределах от 3 до 100 этажей и может быть использована, в качестве дополнения к разработанной методики совместных расчетов. При получении дробного количества этажей-аналогов по формуле (7) эти значения следует округлять до целых чисел в соответствии с правилами округления дробей. В качестве обобщения проведенных исследований и разработанных методик в конце третьей главы приводятся рекомендации, содержащие указания по расчету оснований и фундаментов с учетом влияния надфундаментного строения и процесса его строительства.

В четвертой главе проводится сопоставление результатов расчета с архивными данными мониторинга при строительстве высотных зданий с полным каркасом в г. Москва, таких как Министерство иностранных дел на Смоленской площади и гостиница "Украина" на Дорогомиловской набережной с целью экспериментальной проверки исследований, разработанных методик и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе. Конструкции здания моделировались с помощью МКЭ в ПК А^УБ. Для моделирования основания выбраны объемные ЗЭ элементы (рис.7).

В процессе строительства здания гостиницы "Украина" велись наблюдения за изменением реактивного давления под подошвой коробчатого фундамента.

Сопоставление результатов измерений с расчетами фундамента на упругом основании показало, что зона предельного напряженного состояния концентрируется под краями и распространяется не более чем на 15% от общей площади плиты, не вызывая значительных изменений в НДС фундаментов и конструкций здания. Кроме этого в результате измерений усилий в колоннах было получено, что в процессе строительства происходит перераспределение усилий от центральных колонн к крайним, с конечным соотношением усилий, отличающимся от получаемого при выполнении расчета с условно "моментальным" возникновением конструкций, на 45 % в большую сторону. В результате при выполнении расчетов фундамента с условно "мгновенным" возникновением каркаса неравномерная осадка получилась меньше измеренной на 30 % для здания гостиницы "Украина" и на 60 % для здания МИД РФ.

I

Рис.7. Расчетная модель "основание-фундамент-сооружение" для здания гостиницы "Украина" (слева) и Министерства иностранных дел (справа)

В случае игнорирования жесткости каркаса и определения нагрузок методом грузовых площадей получаемое соотношение усилий между центральными и крайними колоннами каркаса получается завышенными относительно результатов наблюдения в два раза, что вызывает преувеличение неравномерных осадок на 70 %. Проведенный сопоставительный анализ показал, что наилучшее совпадение результатов расчета с данными наблюдений достигается при учете полной жесткости каркаса и процесса его возведения, когда получаемое распределение усилий в колоннах каркаса отличается от действительного менее чем на 20 %, а отличия в неравномерных осадках не

превышают 25 %. Таким образом, результаты исследований, проведенных во второй главе были подтверждены данными измерений с сопоставлением с результатами расчетов.

реактивного давления под подошвой фундаментной плиты и осадок фундамента. Продольный разрез. Усилия в колоннах: 1 - результаты измерений, 2 - усилия в колоннах по методу грузовых площадей, 3 - "мгновенное" возведение конструкций, 4 - учет монтажа конструкций. Контактное давление: 5 - результаты измерений, б - упругий расчет. Осадка фундамента: 7 -результаты измерений (стабилизированные осадки), 8 - расчет с учетом монтажа конструкций

О 10 20 30 40 50

-60 -70 -80 -90 -100 -110 -120 -130 -140

Рис.9. Сопоставление данных мониторинга (стабилизированные осадки) с результатами расчетов здания гостиницы "Украина". Продольный изгиб фундамента

С целью проверки разработанной методики учета жесткости каркаса здания при расчете фундамента была выполнена серия сопоставительных расчетов для здания МИД РФ и гостиницы "Украина". В соответствии с разработанной методикой жесткости обоих зданий были заменены одним этажом переменной жесткости в плане (для здания гостиницы "Украина" выделяются три характерные высотные зоны, для здания МИД - две). В результате сопоставления было полученно (рис.10), что разница в осадках составляет менее 2%, относительная разность осадок — менее 7%, а изгибающих моментов - менее 10%. Проведенное сопоставление показало, что учет жесткости здания с полным каркасом при расчете фундаментов по приведенной методике (формула 3) позволяет моделировать жесткость всего каркаса с достаточной для инженерных целей точностью.

-0.5 9.5 19.5 29.5 39.5 49.5 59.5 69.5 79.5 89.5 99.5

Результаты наблюдений Ь, м

-58 , . ■■ ~ *

^ Метод грузовых площадеп у ж

Расчет по разработанной методике ^ '

-68' Ч —Чт- * -

-73 ■ : \ : '¿г

Рис. 10. Сопоставление данных мониторинга с результатами расчетов по приведенной методике. Продольный изгиб фундамента МИДа

В приложениях приводятся акты внедрения результатов диссертационной работы и способ регулирования неравномерных осадок многоэтажных зданий, заключающийся в оптимальном расположении и включении в работу элементов жесткости каркаса здания, позволяющий получить технико-экономический эффект за счет сокращения материалоемкости и трудозатрат на устройство фундаментной плиты, а в некоторых случаях и отказаться от необходимости проведения работ по усилению конструкций здания и грунта основания или от применения свайного фундамента.

Результаты наблюдений Ь, м

ч , Метод грузовых площадей ♦ У У

ч Расчет по разработанной методике У У у У

ч У у Л у ,'уУ

.У

8, мм — \ Расче т по трах методр (ИЦИОННС гее

На основании результатов комплексных экспериментальных и теоретических исследований, проведенных в диссертационной работе, можно сформулировать следующие основные выводы:

1. В результате расчетно-теоретических исследований, проведенных для зданий с полным каркасом численным методом, выполнен комплексный анализ влияния различных факторов, связанных с моделью и параметрами основания, а также с жесткостными характеристиками фундамента и каркаса здания на НДС фундаментной плиты.

2. Исследования показали, что изменение модуля деформации и глубины сжимаемой толщи основания на 50 %, не приводит к изменению пропорциональности между неравномерными и абсолютными осадками, перераспределению усилий в колоннах и существенному изменению изгибающих моментов в фундаментной плите.

3. При суммарной нагрузке на основание не превышающей трети ее несущей способности, влияние пластических деформаций основания на изменение НДС фундаментной плиты и перераспределение усилий между колоннами каркасного здания является незначительным и составляет менее 15 %.

4. На основании анализа результатов исследований жесткостных характеристик фундаментных плит получено, что, изменяя величину вылета консоли фундаментных плит конечной жесткости, можно добиться снижения неравномерной осадки до 70% при увеличении изгибающих моментов не более чем на 30 %. На основании проведенного анализа сформулированы рекомендации по предварительному назначению величины вылета консолипри проектировании фундаментных плит.

5. Чем большей жесткостью обладает каркас здания, тем значительнее перераспределяются усилия от центральных колонн к крайним, в результате чего фундаментная плита может изменить характер деформирования с прогиба на выгиб, неравномерные осадки могут измениться до двух раз, а изгибающие моменты в три и более раз. Поэтому при использовании метода грузовых площадей для определения нагрузок на фундамент от верхнего

строения НДС фундамента может качественно отличаться от получаемого в результате мониторинга.

6. В процессе возведения каркаса происходит перераспределение усилий между колоннами, отличное от получаемого при "мгновенном" расчете. В результате неравномерные осадки фундаментной плиты увеличиваются до 60 %, а изгибающие моменты - до 30 %. Данный эффект усиливается с увеличением жесткости каркаса здания, что подтверждается результатами мониторинга при строительстве высотных зданий в г. Москва. В соответствии с этим при выполнении расчетов фундаментных плит необходимо учитывать полную жесткость каркаса и процесс его возведения.

7. В результате исследования влияния процесса строительства каркаса здания на НДС фундаментной плиты получена зависимость, связывающая жесткостные характеристики здания, возведенного последовательно и "мгновенно", полученная исходя из условия удовлетворительного совпадения НДС фундаментной плиты и усилий в колоннах. Это позволяет заменить "последовательный" расчет с учетом полного каркаса (см. выше п.4) "мгновенным" расчетом здания меньшей этажности.

8. Получена зависимость, объединяющая количество этажей с толщиной плит перекрытий в жесткость одного этажа, на основании которой разработан критерий оценки жесткости каркасного здания и методика, позволяющая выполнять многовариантные расчеты фундамента с учетом жесткости каркаса и процесса его возведения с минимальными затратами времени.

9. Предложен способ, основанный на изменении жесткостных параметров каркасного здания, для регулирования неравномерных осадок фундаментов, позволяющий получить технико-экономический эффект за счет сокращения общей материалоемкости, а в некоторых случаях отказаться от применения свайного типа фундамента.

10.Результаты исследований подтверждаются данными мониторинга при строительстве высотного здания на Смоленской площади и здания гостиницы "Украина", что указывает на достоверность разработанных методик и сформулированных рекомендаций.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Шулятьев, С.О. Эффекты учета работы фундаментной плиты в составе несущего каркаса здания на ее напряженно-деформированное состояние/ С.О. Шулятьев, С.Г. Безволев // Геотехника: Научные и прикладные аспекты строительства надземных и подземных сооружений на сложных грунтах: межв. сб. тр./ Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет - СПб, 2008-С.29.

2. Безволев, С.Г. Влияние учета работы несущего каркаса высотного здания на расчетные деформации и усилия в фундаментной плите/ С.Г.Безволев, С.О. Шулятьев// Развитие городов и геотехническое строительство: тр. Межд. конф по геотехнике Том №4, НПО "Геореконструкция-фундаментпроект".—СПб, 2008,- С.471.

3. Шулятьев, С.О. Расчет фундаментной плиты в составе здания с полным каркасом методом численного моделирования с учетом последовательности возведения/ С.О. Шулятьев, В.Г. Федоровский, С.И. Дубинский //Численные методы расчетов в практической геотехнике: сб. ст. межд. науч. - технич. конф./ Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. - СПб, 2012. - С 36.

4. Шулятьев, O.A. Из практики проектирования ограждающей конструкции и фундаментной плиты административного комплекса зданий с 4-х уровневой подземной автостоянкой / O.A. Шулятьев, B.C. Поспехов, С.О. Шулятьев// Жилищное строительство. - 2012. -№9. - С.50.

5. Шулятьев, С.О. О строительстве высотного здания МИД, результатах наблюдений за его осадками и сопоставление с результатами расчетов/ С.О. Шулятьев, В.Г.Федоровский// Основания, фундаменты и механика грунтов. - 2012. - №6. - С.14.

6. Шулятьев, С.О. Контактные модели основания при проектировании фундаментных плит/ С.О. Шулятьев, В.Г. Федоровский// Строительная механика и строительные конструкции: сб. ст./Скад Софт — М.,2013.-С.407.

7. Федоровский, В.Г. Методика приведения жесткости здания с полным каркасом к жесткости одного этажа / В.Г. Федоровский, А.И. Канцыбко,

С.О. Шулятьев// Строительная механика и расчет сооружений. — 2013. — №4.-С. 78.

8. Shulyatev S. An alternative method of solving soil-structure interaction problem for foundation design/ S. Shulyatev// Proceedings of the 5th international young geotechnical engineers' conference, IOS press. - Paris, 2013.-P.281.

9. Пат. 129968 Российская Федерация. МПК51 Е04Н 1/00 Полезная модель Здание с плитным или плитно-свайным фундаментом/ Шулятьев С.О., Шулятьев О.А., Федоровский В.Г.; заявитель и патентообладатель М. ОАО «НИЦ «Строительство» - № 2012156716/03, заявл. 26.12.12; опубл. 10.07.13, Бюл. № 19. - 5с.: ил.

Заказ №9194 Тираж: 100 экз.

Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР "СТРОИТЕЛЬСТВО" (ОАО "НИЦ"СТРОИТЕЛЬСТВО")

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ, ПРОЕКТНО-ИЗЫСКАТЕЛЬСТКИЙ И КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ОСНОВАНИЙ и ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИМ. Н.М. ГЕРСЕВАНОВА (НИИОСП ИМ. Н.М. ГЕРСЕВАНОВА)

ВЛИЯНИЕ НЕСУЩЕГО КАРКАСА ЗДАНИЯ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ФУНДАМЕНТНОЙ ПЛИТЫ

Специальность 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

На правах рукописи

04201453708

Шулятьев Станислав Олегович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель канд. техн. наук Федоровский Виктор Григорьевич

Москва - 2013

Оглавление

Стр.

Введение........................................................................................................................................................................................................4

Глава I. Обзор развития и современное состояние исследований по вопросу

совместной работы здания и основания....................................................................................................................10

1.1. Исследования взаимодействия здания со сжимаемым основанием......................................10

1.2. Учет процесса строительства здания при расчетах системы "основание-фундамент-сооружение"..............................................................................................................................................24

1.3. Современные методы выполнения совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение"..............................................................................................................................................28

1.4. Упрощенные методы учета жесткости здания для расчета фундаментов......................31

1.5. Анализ развития конструктивных схем высотных зданий............................................................35

1.6. Выводы и задачи дальнейших исследований............................................................................................37

Глава II. Численное исследование влияния грунтового основания, параметров фундаментной плиты, конструктивных особенностей каркасного здания и

процесса его возведения на НДС фундаментной плиты........................................................................39

11.1. Исследование влияния модели и параметров основания на НДС фундаментной плиты............................................................................................................................................................................................40

И.1.1. Влияние модели основания на НДС фундаментной плиты..........................................41

II. 1.2. Влияние параметров модели основания на НДС фундаментной плиты..........44

11.1.3. Влияние пластических деформаций основания на НДС фундаментной

плиты..............................................................................................................................................................................47

11.2. Исследование изменения параметров фундаментной плиты....................................................49

11.2.1. Влияние жесткости фундаментной плиты на ее НДС..........................................................49

11.2.2. Влияние вылета консоли на НДС фундаментной плиты....................................................52

11.3. Влияние жесткости конструкций здания на НДС фундаментной плиты....................54

11.4. Исследование изменения НДС фундаментной плиты по мере возведения здания..........................................................................................................................................................................................58

11.5. Обобщение проведенных исследований......................................................................................................60

11.6. Выводы по главе................................................................................................................................................................65

Глава III. Методики и рекомендации по выполнению совместных расчетов

системы "основание-фундамент-сооружение"..................................................................................................66

III. 1. Методика учета жесткости каркаса здания для выполнения совместных

расчетов основания, фундамента и конструкций высотного здания..............................66

111.2. Методика учета нарастания жесткости каркаса здания при его возведении для выполнения совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение"..................................................................................... 71

111.3. Методика выполнения совместных расчетов основания, фундамента и конструкций высотного здания с учетом его возведения.............................. 74

111.4. Критерий оценки жесткости каркаса здания............................................ 78

111.5. Рекомендации по конструированию фундаментных плит и выполнению совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение"............... 80

II 1.6. Выводы по главе................................................................................ 92

Глава IV. Результаты мониторинга при строительстве высотных зданий в г. Москва, их сопоставление с результатами расчетов и проведенных

исследований............................................................................................. 93

IV. 1. Результаты мониторинга при строительстве здания Министерства

иностранных дел на Смоленской площади................................................. 93

IV. 1.1. Конструктивные особенности здания Министерства иностранных дел и

инженерно-геологические условия площадки строительства.................. 94

IV. 1.2. Результаты мониторинга при строительстве Министерства иностранных

дел и их анализ..................................................................................................... 96

IV.2. Результаты мониторинга при строительстве здания гостиницы "Украина" на

Дорогомиловской набережной.............................................................. 99

IV.2.1. Конструктивные особенности здания гостиницы "Украина" и инженерно-

геологические условия площадки строительства................................ 99

1V.2.2. Результаты мониторинга при строительстве гостиницы "Украина" и их

анализ...................................................................................... 102

1V.3. Сопоставление данных мониторинга с результатами расчетов и проведенных

исследований.................................................................................... 107

1 V.4. Апробация результатов исследований на данных мониторинга.................... 112

1V.5. Выводы по главе............................................................................... 116

Заключение............................................................................................. 117

Литература.............................................................................................. 120

Приложение 1. Акты внедрения..................................................................... 140

Приложение 2. Способ регулирования неравномерных осадок многоэтажного здания...................................................................................................... 142

Введение

Актуальность темы исследования обусловлена широким распространением и недостаточной изученностью работы фундаментной плиты в составе здания с полным каркасом на податливом основании.

В соответствии с этим цель диссертационной работы заключается в выполнении расчетно-теоретических исследований влияния основания и несущего каркаса здания на напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты с разработкой рекомендаций по расчету и проектированию фундаментных плит в составе зданий с полным каркасом.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. выполнить анализ существующего состояния вопроса в области взаимодействия основания, фундамента и сооружения, наметить область проведения необходимых исследований;

2. разработать расчетную модель для выполнения исследований взаимодействия системы "основание-фундамент-сооружение";

3. исследовать влияние модели и параметров основания, а также жесткостных параметров фундаментной плиты и конструкций здания на НДС фундаментной плиты;

4. проанализировать влияние процесса возведения каркаса здания на НДС фундаментной плиты;

5. определить необходимое и достаточное количество этажей для выполнения расчетов фундаментной плиты;

6. разработать методику выполнения совместных расчетов основания, фундамента и конструкций здания с учетом процесса его возведения;

7. сформулировать рекомендации по оптимальному проектированию и проведению расчетов фундаментных плит;

8. провести апробацию результатов исследований и разработанных методик на примере натурных экспериментальных данных строительства высотных зданий в г. Москва.

Научную новизну диссертационной работы составляют:

• исследования влияния грунтового основания и каркаса здания на НДС фундаментной плиты, позволяющие оценить достоверность выполненных расчетов и определить необходимость учета ряда факторов при расчете фундамента;

• зависимость влияния количества этажей и толщины плиты перекрытия на жесткость здания с полным каркасом при его взаимодействии с фундаментной плитой и основанием;

• результаты исследования характера изгиба и распределения усилий в фундаментной плите в зависимости от величины вылета консоли при различных жесткостях каркаса здания и распределения нагрузки между вертикальными элементами;

• зависимость, связывающая жесткостные характеристики здания, возведенного "мгновенно" и с учетом процесса возведения;

• критерий оценки жесткости каркасного здания, позволяющий определить характер деформирования фундаментной плиты.

Достоверность научных положений и результатов обеспечивается:

• применением стандартных и специально разработанных методик и методов численных расчетов при выполнении исследований;

• учетом мирового опыта в данной области знаний при выполнении численных исследований и положений отечественных и зарубежных нормативных документов;

• приемлемым совпадением результатов разработанных методик и выявленных закономерностей с данными мониторинга при строительстве высотных зданий в г. Москва.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

• разработана методика выполнения совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение" с учетом процесса возведения каркаса, позволяющая существенно сократить время и трудозатраты при проектировании фундаментных плит и выполнении экспресс проверки принятых конструктивных решений фундамента;

• сформулированы рекомендации по назначению оптимальной величины вылета консоли, в ряде случаев позволяющей выравнивать прогибы и усилия в фундаментной плите;

• разработаны рекомендации по ведению совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение", которые по сравнению с ранее применявшимися решениями позволяют повысить точность и сократить время расчетов фундаментов, повысить технико-экономические показатели эффективности их проектирования, оценить достоверность выполненных расчетов и разработанных проектных решений фундаментов;

• предложен способ регулирования неравномерных осадок многоэтажных зданий путем изменения жесткости его конструкций, позволяющий получить технико-экономический эффект за счет сокращения общей материалоемкости и в некоторых случаях отказаться от необходимости проведения работ по усилению конструкций здания и грунта основания или перехода на свайный тип фундамента;

• предложен критерий оценки жесткости каркасного здания, позволяющий предварительно назначить жесткость и определить характер деформирования фундаментной плиты.

На защиту выносятся результаты исследований влияния каркаса здания на усилия в фундаментной плите, на базе которых разработаны методики и рекомендации по расчету плитных фундаментов с учетом процесса возведения здания, включающие:

• результаты исследований влияния вида и характеристик основания, жесткостных параметров фундамента и каркаса здания на НДС фундаментной плиты;

• методику учета жесткости каркаса здания для выполнения расчетов и проектирования фундаментных плит;

• методику выполнения совместных расчетов трехкомпонентной системы "основание-фундамент-сооружение", в том числе с учетом возведения здания;

• рекомендации по ведению совместных расчетов трехкомпонентной системы "основание-фундамент-сооружение";

• внедрение результатов исследования в практику проектирования и строительства.

Апробация работы была осуществлена на следующих конференциях и семинарах:

• 65 Научная конференция профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета СПбГУПС. (Санкт-Петербург, 2008);

• Международная конференция по геотехнике: Развитие городов и геотехническое строительство (Санкт-Петербург, 2008);

• Международная научно-техническая конференция: Численные методы расчетов в практической геотехнике (Санкт-Петербург, 2012);

• Научно-практический семинар "расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office" (Москва, 2013);

• 5 Международная конференция молодых инженеров - геотехников 5 1YGEC13 (Париж, 2013).

Личный вклад автора состоит в:

• анализе существующего состояния вопроса в области взаимодействия основания, фундамента и сооружения;

• проведении расчетно-теоретических исследований влияния основания и несущего каркаса здания на напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты;

• установлении количественных и качественных зависимостей влияния различных факторов, связанных с основанием и каркасом здания, на НДС фундаментной плиты;

• разработке методики выполнения совместных расчетов основания, фундамента и конструкций здания с учетом процесса его возведения;

• разработке рекомендаций по расчету и проектированию фундаментных плит в составе зданий с полным каркасом;

• апробации результатов исследований и разработанных методик на примере натурных экспериментальных данных строительства высотных зданий в г. Москва.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 научных работ (включая авторское свидетельство).

Внедрение результатов исследований диссертационной работы при проектировании Транспортного терминала Московского международного делового центра "Москва-Сити" (участок №11) и офисно-административного комплекса в ЦАО г. Москвы на ул. Можайский вал, вл.8, заключающийся в снижении материальных затрат при устройстве фундаментных плит до 20%. Экономическая эффективность проведенных исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационной работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 142 страницы, из них основного текста 136 страниц, 79 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 252 наименований, в том числе 64 на иностранном языке.

Автор выражает глубокую признательность своему руководителю Федоровскому Виктору Григорьевичу за научное воспитание и необычный подход к решению задач, а также сотрудниками НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, НИИЖБ им. A.A. Гвоздева и ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко за обсуждения и советы, данные при написании работы. Кроме того, автор искренне благодарен директору НИИОСП Петрухину Валерию Петровичу за оказанную помощь и ценные замечания.

В первой главе рассмотрено развитие представлений о взаимодействии системы "основание-фундамент-сооружение" начиная от Винклера до наших дней. На основании анализа современного состояния вопроса выявлены области проведения необходимых исследований. Проанализированы существующие методики учета жесткости надфундаментного строения при расчете фундаментов. Рассмотрены современные методики ведения совместных расчетов основания, фундамента и сооружения.

Вторая глава посвящена исследованиям влияния грунтового основания, параметров фундаментной плиты, конструктивных особенностей каркасного здания и процесса его возведения на НДС фундаментной плиты. В этой главе рассмотрено влияние на НДС фундаментной плиты таких факторов, как: модель грунтового основания, глубина сжимаемой толщи, деформационные характеристики и упруго-пластическое поведение основания, жесткость фундамента и его геометрические размеры, в том числе вылет консолей и шаг несущих конструкций, количество учитываемых этажей сооружения, толщина плит перекрытий и высота этажа, общая жесткости сооружения и процесс его возведения, а также метода задания, определения и величины нагрузки. Приводиться обобщение проведенных исследований с выделением основных закономерностей, возникающих при выполнении совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение".

В третьей главе на основе анализа и обобщения проведенных исследований разработана методика и составлены рекомендации по выполнению совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение". Методика выполнения совместных расчетов системы "основание-фундамент-сооружение "основана на зависимости между количеством этажей и толщиной плиты перекрытия, для получения которой в диссертации рассмотрена задача определения эквивалента по жесткости многоярусной рамы одноярусной. На основе данной зависимости разработан критерий оценки жесткости каркаса здания. Для сокращения времени и трудозатрат при выполнении расчетов каркасов здания с учетом процесса возведения, в диссертации в качестве альтернативного способа приводится способ снижения жесткости за счет уменьшения количества этажей исходного "мгновенно возведенного" здания. В качестве обобщения проведенных исследований и разработанных методик в конце третьей главы приводятся рекомендации, содержащие указания по расчету оснований и фундаментов с учетом влияния надфундаментного строения и процесса его строительства, по оптимальному проектирования фундаментных плит и оценке достоверност