МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ В ЗДАНИИ ПОВЫШЕННОЙ ЭТАЖНОСТИ ИЗ МОНОЛИТНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ПРИ УЧЕТЕ ПОЭТАПНОГО ВОЗВЕДЕНИЯ (ЛИНЕЙНЫЙ РАСЧЕТ)

Лекция 5

Приведены результаты моделирования напряженно-деформированного состояния свайных фундаментов в здании из монолитного железобетона с учетом и без учета поэтапного возведения. Строительство здания является процессом многоэтапным и непосредственно связано с последовательностью выполняемых строительно-монтажных работ. Работы по монтажу конструктивных элементов каркаса здания из монолитного железобетона могут выполняться в том или ином порядке, который влияет как на текущее, в стадии строительства, так и на конечное напряженно-деформированное состояние несущих конструкций и свайных фундаментов. При расчете без учета поэтапного возведения в колоннах верхних этажей здания могут возникать достаточно большие растягивающие усилия, наблюдаются нехарактерные горизонтальные отклонения здания от вертикальной оси. Источниками перекоса могут являться – наличие в плане здания элементов каркаса с разными жесткостными характеристиками, а также неравномерные деформации основания здания. Данное обстоятельство можно объяснить, в том числе, и не учетом этапности возведения элементов каркаса, когда считается, что здание построено и нагружается одномоментно.

В статье рассматривается влияние учета поэтапного возведения на усилия и перемещения, возникающие в свайных фундаментах, на примере расчета здания повышенной этажности в программно-вычислительном комплексе «MicroFe» (ПВК «MicroFe»).

Ключевые слова: здание повышенной этажности, монолитный железобетонный каркас, напряженно-деформированное состояние, свайный фундамент, расчетная модель, поэтапное возведение, пошаговая нагрузка, усилия и перемещения

В настоящее время учет поэтапного возведения зданий и сооружений не является обязательной нормой. Поэтому довольно часто расчет зданий и сооружений проводится без учета поэтапного возведения, что может приводить к существенным погрешностям в результатах расчета. В то же время по ФЗ № 384 (ст. 16) расчетные модели (в том числе расчетные схемы) строительных конструкций и оснований должны отражать действительные условия работы зданий или сооружений. Следовательно, задача моделирования напряженно-деформированного состояния зданий и сооружений с учетом поэтапного изменения расчетных моделей является актуальной и требует реализации при проведении расчетов несущих конструкций зданий и сооружений [1].

Существующая практика выполнения расчетов зданий и сооружений, как правило, ограничивается рамками одноэтапного расчета, при котором жесткостные и геометрические характеристики конструкций, величина и характер приложения нагрузок на расчетную модель принимаются постоянными, одномоментно приложенными. В то же время напряженно-деформированное состояние несущих конструкций и свайных фундаментов здания при таком приложении нагрузки может существенно отличаться от ситуации, когда нагрузка прикладывается поэтапно (пошагово) в процессе монтажа элементов монолитного железобетонного каркаса здания. Это происходит за счет изменения расчетной схемы здания при его деформировании в процессе строительства [2].

При расчете без учета поэтапного возведения в колоннах верхних этажей здания могут возникать достаточно большие растягивающие усилия, наблюдаются нехарактерные горизонтальные отклонения здания от вертикальной оси. Источниками перекоса могут являться – наличие в плане здания элементов каркаса с жесткими лестнично-лифтовыми блоками, то есть нерегулярность жесткостей в плане здания, и неравномерные деформации основания здания [3, 4]. Данное обстоятельство можно объяснить в том числе и не учетом этапности возведения элементов каркаса, когда считается, что здание построено и нагружается одномоментно.

Учет последовательности монтажа здания повышенной этажности позволяет определить напряженно-деформированное состояние несущих конструкций возведенной части здания с учетом его начальной деформированности, возникающей при постепенном возведении [5].

При расчете железобетонных каркасов монолитных зданий важно учитывать ползучесть бетона путем изменения его начального модуля упругости. Алгоритм базируется на методе сеточной аппроксимации элементов с введением фактора времени, что позволяет учитывать кроме физической нелинейности работы бетона также ползучесть бетона и последовательность возведения монолитного каркаса [6].

При моделировании процесса возведения здания следует выявлять стадии монтажа, т.е. определить группы конечных элементов, соответствующих монтируемым фрагментам каркаса здания [7]. Поэтапный расчет проводится для расчетного значения собственного веса. После завершения стадии монтажа необходимо реализовать следующие этапы: добавление расчетных нагрузок от фасадов, временных нагрузок, ветровой и снеговой нагрузок. Ползучесть бетона учитывается при нормативном значении длительно действующих нагрузок.

Важным фактором при сопоставлении прогнозируемых деформаций вертикальных несущих конструкций здания с экспериментальными данными, полученными при инструментальном мониторинге, является моделирование напряженно-деформированного состояния здания с учетом стадийности его возведения и изменения деформационных характеристик бетона в процессе строительства [8]. Если выявлены отклонения экспериментальных результатов от расчетных, то это свидетельствует о наличии неучтенных факторов при моделировании напряженно-деформированного состояния несущих конструкций здания, в первую очередь – перераспределение усилий в статически неопределимых системах и реологические свойства бетона. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных может быть использовано при оптимизации расчетных моделей здания.

Для учета последовательности монтажа здания в отечественных и зарубежных программных комплексах [9], а также в ПВК «MicroFe» [10] созданы специальные модули «Монтаж», «Поэтапное возведение», которые позволяют провести моделирование процесса возведения здания, проследив последовательность изменения его конструктивной схемы. На каждой стадии возведения здания производится расчет соответствующей конструктивной схемы, может выполняться учет текущей прочности бетона. Верифицированный ПВК MicroFe позволяет реализовать конечно-элементное моделирование системы «основание – фундамент – здание» в одной модели.

11-ти этажное каркасное здание размером в плане по осям 13,12 х 26,51 м высотой 36,17 м с подвалом имеет систему монолитных железобетонных колонн-стен, Н-образную диафрагму жесткости, лифтовую шахту и лестничную клетку в центральной части здания. Три последние конструкции составляют ядро жесткости каркаса. Колонны-стены имеют размеры 400х900 и 400х1620 мм. Остальные вертикальные элементы каркаса выполнены в виде стен толщиной 300 мм. Несущие элементы перекрытий и покрытия – монолитные железобетонные плиты толщиной 200 мм размером на один этаж. Класс бетона В25. Фундамент здания – монолитный железобетонный ростверк толщиной 600 мм на свайном основании. Сваи приняты сечением 300х300 мм длиной 14 м с опиранием в гравийный грунт ИГЭ-656 с супесчаным заполнителем до 40%. Класс бетона монолитных конструкций В25.

Наружные стены подземной части из монолитного железобетона толщиной 400 мм снаружи обшиты утеплителем «Пеноплэкс». Наружные стены надземной части с поэтажной разрезкой самонесущие, выполнены из газобетонных блоков толщиной 200 мм с утепленным вентилируемым фасадом.

Основные физико-механические характеристики грунтов приведены в табл. 1. Участок сложен насыпными и аллювиальными грунтами. Изучена толща грунтов мощностью до 20 м. Категория сложности инженерно-геологических условий площадки – средней сложности.

Таблица 1

Основные физико-механические характеристики грунтов

№ п/п	ИГЭ	Грунт	Мощ-ность слоя, м	Характеристики грунтов
№ п/п	ИГЭ	Грунт	Мощ-ность слоя, м	плот-ность, г/см³	удельное сцепле-ние, кПа	угол внутренне-го трения, ⁰	модуль деформа-ции, МПа
	ИГЭ-714	насыпной суглинок мягкопластичной консистенции	2-3	1,98	–	–	–
	ИГЭ-304	суглинок аллю-виальный текучей консистенции	4,7-5,2	2,01		20,0	13,0
	ИГЭ-406	супесь аллювиальная мягкопластичной консистенции	7,5-8,1	1,84		24,0	21,0
	ИГЭ-656	гравийный грунт аллювиальный с супесчаным запол-нителем до 40%	более	1,76	2,0	38,0	50,0

В расчетной модели монолитные железобетонные колонны-стены, диафрагмы жесткости, лифтовая шахта и лестничная клетка, диски перекрытий и покрытия, ростверк моделировались конечным элементом типа «плоский прямоугольный элемент оболочки», сваи моделировались конечным элементом типа «стержень» [11, 12]. Грунтовое основание под ростверком принималось в виде трехслойного основания из объемных конечных элементов с послойным заданием модуля деформаций (см. табл. 1) и коэффициента Пуассона ν =0,33. Сопряжение свай с ростверком принималось жестким. По результатам статического зондирования проектная расчетная допускаемая нагрузка на сваи составляет 470 кН. Конструктивная и расчетная конечно-элементная модели здания приведены на рис. 1.

а) б) в)

Рис. 1. 11-ти этажное здание и его конечно-элементная модель (КЭМ):

а – общий вид; б, в – соответственно конструктивная и расчетная КЭМ

Расчет проводился в линейной постановке. В расчетной модели №1 расчет выполнялся без учета стадийности строительства здания. В расчетной модели №2 расчет проводился с учетом этапности возведения здания, всего было выделено 16 этапов:

1 этап – грунтовое трехслойное основание и свайный фундамент;

2 этап – подвал;

3-14 этапы – каждый из 11-ти этажей и надстройка лифтовой шахты;

15 и 16 этапы («псевдо» этапы) – когда после окончания строительства, согласно нормам проектирования, следует учитывать ползучесть материала конструкций путем понижения модуля упругости бетона с помощью условных обобщающих коэффициентов, которые принимались равными 0,8 и 0,6 для вертикальных элементов, 0,65 и 0,3 для перекрытий (первые цифры 15 этап, вторые – 16 этап) с учетом длительности действия нагрузки.

Ниже приведены значения продольных усилий в сваях без учета (рис. 2, а) и с учетом (рис. 2, б) поэтапного возведения, величины вертикальных перемещений свай без учета (рис. 3, а) и с учетом (рис. 3, б) стадийности монтажа, а также, в качестве примера, расчетное нижнее продольное армирование в поперечном направлении ростверка без учета (рис. 4, а) и с учетом (рис. 4, б) этапности возведения каркаса.

Сравнительный анализ продольных усилий в сваях показывает, что при учете поэтапного возведения здания, за счет перераспределения усилий между сваями через ростверк, наибольшие и наименьшие усилия в сваях уменьшились с 298,0 кН до 184,7 кН и с 118,2 кН до 48,9 кН соответственно, т.е. на 38% и 59%. При этом разница между наибольшими и наименьшими усилиями в сваях, в обоих случаях, практически не изменилась и составила порядка 60%.

Следует отметить, что в каждой расчетной схеме наибольшие усилия в сваях не превысили допускаемой расчетной нагрузки, равной 470 кН. Таким образом, расчет можно проводить в линейной постановке [13].

а)

б)

Рис. 2. Продольные усилия в сваях: а – без учета этапности возведения;

б – с учетом этапности возведения

Из рис. 2 видно, что под лестничной клеткой и лифтовой шахтой, где ростверк представляет собой плиту на сплошном свайном поле, усилия в сваях составляют 118-172 кН в расчетной схеме № 1 и 48,9-87,7 кН в расчетной схеме № 2. «Недонагружение» этих свай, относительно максимально нагруженных контурных свай, составляет 42-60% и 53-73% соответственно. Такое состояние вызывает перерасход свай с одной стороны и появление локальной зоны повышенной жесткости в плане здания с другой стороны, что приводит к возникновению вертикальных растягивающих напряжений в колоннах-стенах верхних этажей здания повышенной этажности как с учетом так и без учета его поэтапного возведения.

а)

б)

Рис. 3. Вертикальные перемещения свай: а – без учета этапности возведения;

б – с учетом этапности возведения

Известно, что при одной и той же нагрузке на сваю, ее осадка в составе куста будет больше, чем в одиночном состоянии. Анализируя полученные результаты вертикальных перемещений свай с учетом и без учета стадийности возведения можно сказать, что максимальные их значения наблюдаются в кустовой части свайного поля под лифтово-шахтным блоком и составляют 10,3 и 9,8 мм соответственно, что меньше предельно допустимого значения [100 мм]. При учете поэтапного возведения произошло увеличение наибольших перемещений свай на 5%. Относительная разность вертикальных перемещений свай в расчетных схемах №№ 1 и 2 составила 0,0004 и 0,0005 соответственно, что меньше предельно допустимого значения относительной разности осадок [0,002]. Таким образом, при учете стадийности строительства вертикальные перемещения свай незначительно увеличиваются.

а)

б)

Рис. 4. Расчетное нижнее продольное армирование в поперечном направлении ростверка: а – без учета этапности возведения; б – с учетом этапности возведения

При проектировании важно знать необходимое расчетное армирование ростверка. Как видно из рис. 4, как с учетом, так и без учета поэтапного возведения, например, необходимое нижнее армирование ростверка в поперечном направлении находится в диапазоне Ø12-16/200 А400. Таким образом, при принятии решения о назначении проектного армирования по результатам расчета по принципу «ближайшее большее», учет или не учет стадийности возведения в данном случае принципиального значения не имеет.

12 Следующая ⇒