сотрудник
Ростов-на-Дону, Ростовская область, Россия
сотрудник
студент
ГРНТИ 67.23 Архитектурно-строительное проектирование
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ОКСО 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
ББК 302 Проектирование
ББК 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
ТБК 5411 Теоретические основы строительства
В статье рассмотрены природные условия возникновения карста, факторы его развития и влияние данного геологического процесса на напряженно-деформированное состояние каркаса здания. В программном комплексе SCAD разработаны 10 вариантов моделей каркасно-монолитного многоэтажного здания, учитывающие варьирование локализации карста. Учет влияния карстовых процессов на напряженно-деформированное состояние каркаса здания позволило рассчитать перемещения фундаментной плиты в зависимости от расположения воронки, выявить наибольшие перемещения и подобрать армирование, обеспечивающее необходимую прочность каркаса здания при любом неблагоприятном карстовом процессе.
карстовые провалы, напряженно-деформированное состояние, конечно-элементная модель, метод конечных элементов, каркас здания, вариация моделей
Карстовый процесс является функцией нескольких основных условий, включающих наличие растворимых водопроницаемых карбонатных и сульфатных пород, а также движущихся подземных вод, агрессивных к этим породам. Эти условия зависят от ряда факторов, определяющих питание карстовых вод, их движение и разгрузку, и, в конечном итоге, активность и скорость развития карстового процесса. К первой группе факторов относят климатические (атмосферные осадки, их состав, дефицит влажности воздуха, испарение, конденсация и др.), ко второй — геологическое строение и геоморфологические условия (состав пород, их трещиноватость и пр.), рельеф, степень его расчлененности, и к третьей группе—гидрогеологические условия (химический состав, динамика и режим подземных вод) [1-2].
Карстовые провалы сопровождаются внезапным обрушением толщи грунта. Диаметры воронок могут достигать нескольких десятков метров. Поэтому данное явление представляет наибольшую опасность для большинства зданий и сооружений [3].
На территории России достаточно много областей, подверженных карстовым процессам, интенсивность которых постоянно возрастает. Поэтому вопрос проектирования и исследования напряженно-деформированного состояния элементов каркаса с учетом образования карстовых провалов является актуальным.
Целью работы является выявление наибольших деформаций, оптимального армирования фундаментной плиты, колонн и диафрагм жесткости каркаса здания с учетом многовариантного образования карстовых воронок в основании.
Для проведения исследования влияния карстовых процессов на напряженно-деформированное состояние каркасно-монолитного здания разработаны модели в программном комплексе SCAD без учета и с учетом образования карстовых воронок. Конечно-элементная модель по плитно-стержневой схеме представлена на рисунке 1.
При создании диафрагм жесткости и плит перекрытий использовались трех узловые оболочечные конечные элементы с 18-ю степенями свободы и четырех узловые оболочечные конечные элементы с 24-я степенями свободы; для колонн - пространственные стержни с 12-ю степенями свободы [4-5].
Сопряжение балок и плит перекрытий выполнено при помощи абсолютно жестких вставок. Оси балок сбиты относительно осей плит перекрытия на величину эксцентриситета, равного полуразности высоты балки и толщины плиты перекрытия.
Рис. 1. Конечно-элементная модель каркаса здания
Материал конструктивных элементов – бетон класса B25 плотностью r =2500 кг/м3 с модулем упругости Е=30000 Мпа и коэффициентом Пуассона n = 0,2. Используемые типы жесткостей приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Жесткости конструктивных элементов расчетной схемы
|
№ |
Название |
Сечение |
|
1 |
Колонны 500 |
500´500 мм |
|
2 |
Колонны 600 |
600´600 мм |
|
3 |
ФП 900 |
t=900 мм |
|
4 |
ПП 200 |
t=200 мм |
|
5 |
ДЖ_200 |
t=200 мм |
|
6 |
ДЖ_250 |
t=250 мм |
|
7 |
ДЖ_300 |
t=300 мм |
|
8 |
ДЖ_400 |
t=400 мм |
|
9 |
ДЖ_450 |
t=450 мм |
|
10 |
ЛП_200 |
t=200 мм |
|
11 |
ЛМ_150 |
t=150 мм |
|
12 |
ЖБ балка |
350´450 мм |
Естественное основание соответствует модели Винклера с коэффициентом постели 245 т/м3 [6-7]. Для проведения численного эксперимента по влиянию локализации карстовой воронки на базе полученной конечно-элементной модели разработана модель с образованием карстового процесса путем удаления коэффициента постели из заданной области основания.
План многоэтажного здания имеет нессимитричную форму, поэтому локализация карста предполагалась в угловых точках здания, по центру периметра и под наиболее нагруженными колоннами (рис. 2).
В режиме «Вариация моделей» выполнен анализ напряженно-деформированного состояния элементов каркаса.
Рис. 2. Места локализации карстовых воронок
Наибольший разброс перемещений определен по оси Y и составляет около 69%, при этом максимальные перемещения не превышают предельного значения. Максимальные горизонтальные перемещения каркаса без воронок по направлению Y составляют 4,77 мм (рис. 3а), с карстовой воронкой в правом нижнем углу - 15,45 мм (рис. 3б).
Рис. 3. а) перемещения по оси Y расчетной схемы без карстовых воронок;
б) перемещения по оси Y расчетной схемы с воронкой в правом нижнем углу
Анализ вертикальных перемещений показал, что в случае без карстовых провалов изополя перемещений соответствуют крену здания в поперечном направлении. Максимальные перемещения в схемах с воронками обнаружены с карстовым провалом в левом верхнем углу и составляют 128 мм (рис. 4а), что на 26% больше перемещений в схеме без воронок (рис. 4б) [8].
Относительная разность осадок без карстовых воронок составляет 0,0011, а с карстовыми воронками 0,0029. При этом максимальное предельно допустимое значение 0,003.
Рис. 4. а) вертикальные перемещения фундаментной плиты с воронкой в левом верхнем углу; б) вертикальные перемещения фундаментной плиты без воронок;
Результаты армирования фундаментной плиты представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Сравнение интенсивности армирования фундаментной плиты
|
Интенсивность армирования |
Исходная схема |
Вариация моделей |
|
интенсивность S1 (площадь нижнего армирования по оси Х) см2 |
45,42 |
49,69 |
|
интенсивность S2 (площадь верхнего армирования по оси Х) см2 |
25,92 |
30,45 |
|
интенсивность S3 (площадь нижнего армирования по оси Y) см2 |
43,83 |
49,21 |
|
интенсивность S4 (площадь верхнего армирования по оси Y) см2 |
29,49 |
35,3 |
Интенсивность армирования в режиме «вариация моделей» увеличилась в среднем на 12,5%.
Результаты армирования колонн подвала здания представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Сравнение интенсивности армирования колонн подвала здания
|
Интенсивность армирования |
Исходная схема |
Вариация моделей |
|
интенсивность S1 (площадь верхнего армирования) см2 |
12,33 |
18,4 |
|
интенсивность S2 (площадь нижнего армирования) см2 |
12,85 |
18,65 |
|
интенсивность S3 (площадь бокового армирования) см2 |
10,32 |
16,75 |
|
интенсивность S4(площадь бокового армирования) см2 |
10,32 |
16,75 |
На рисунке 5 представлено распределение армирования для колонн. Максимальное различие армирования составляет 38%.
|
а)
|
б)
|
|
|
|
Рис. 5. а) интенсивность армирования S3, S4 колонн подвала для схемы без воронок; б) интенсивность армирования S3, S4 колонн подвала для схемы с карстовыми провалами
Результаты распределения арматуры в диафрагмах жесткости и стенах подвального этажа представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Сравнение интенсивности армирования диафрагмы жесткости
|
Интенсивность армирования |
Исходная схема |
Вариация моделей |
|
интенсивность S1 (площадь нижнего армирования по оси Х) см2 |
45,72 |
54,8 |
|
интенсивность S2 (площадь верхнего армирования по оси Х) см2 |
41,28 |
51,33 |
|
интенсивность S3 (площадь нижнего армирования по оси Y) см2 |
22,02 |
47,71 |
|
интенсивность S4 (площадь верхнего армирования по оси Y) см2 |
16,72 |
48,07 |
Интенсивность армирования диафрагм жесткости и стен подвала представлена на рис. 6а, 6б. Наибольший разброс армирования составил 65,9%.
|
а)
|
б)
|
|
|
|
Рис. 6. Интенсивность армирования S4 (площадь верхнего армирования) диафрагм жесткости и стен подвала для схемы: а) без воронок; б) с карстовыми воронками
Анализ полученных результатов показал, что образование карстовой воронки под фундаментной плитой здания приводит к увеличению вертикальных и горизонтальных перемещений.
При сравнении результатов армирования диафрагм жесткости и стен подвального этажа, проведенных на базе обобщенных расчетных сочетаний усилий, выявлено, что при образовании карста увеличились зоны максимального армирования и площадь требуемого армирования на 65 %.
Площадь требуемого армирования колонн в пределах подвального этажа при возникновении карстового провала в основном увеличилась минимум на 25%, в наиболее нагруженных колоннах на 60%.
Исследование влияния карстовых процессов на напряженно-деформированное состояние каркаса здания позволило сравнить перемещения фундаментной плиты в зависимости от расположения воронки, выявить наибольшие перемещения и подобрать такое армирование, которое обеспечит необходимую прочность каркаса здания при любом неблагоприятном карстовом процессе.
1. Дублянский В.Н., Дублянская Г.Н., Мясоедова Н.Л. Распространение карстующих пород на земном шаре. // Сергеевские чтения. Выпуск 6. Инж. геология и охрана геол. среды. Современное состояние и перспективы развития. – М., ГЕОС, 2004, с 130-135.
2. Сорочан Е. Анализ аварий сооружений на закарстованных территориях/ Российская геотехника – шаг в 21 век. – 2007. - №2. – С. 154.
3. Толмачёв В.В. Оценка карстовых рисков как один из принципов устойчивого развития карстовых регионов //Труды конгресса Международного научно-промышленного форума «Великие реки-2013», Нижний Новгород, том 1, ННГАСУ, 2014. С. 96 – 99
4. Кравченко Г.М., Савельева Н.А., Шарипов Э.Р. Исследование напряженно - деформированного состояния каркаса здания с учетом совместной работы системы «здание - основание - грунт» // Сборник статей по материалам международной научно - практической конференции «Концепция динамического равновесия в новых технологиях», - 2017. - С. 42 - 45
5. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Колтырина В.Н. Определение напряженно - деформированного состояния фундаментной плиты по различным моделям основания// Научные основы современного прогресса; сборник статей Международной научно-практической конференции: в 2 частях. 2017. С. 50-54.
6. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Думбай В.А., Камеш Ю.А. Исследование неравномерной осадки основания спортивно-оздоровительного комплекса Технопарка РГСУ методом конечных элементов // Инженерный вестник Дона. - 2016. - № 1 (40).- С. 42.
7. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Кубашов Т.Р. Влияние модели основания грунта на напряженно-деформированние состояние фундаментной плиты// В сборнике: «Строительство - 2015: современные проблемы строительства»: материалы международной научно-практической конференции. Ростовский государственный строительный университет, Союз строителей Южного Федерального округа, Ассоциация строителей Дона.- 2015. -С. 481-483.
8. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Назаренко Д.И., Шарипов Э.Р. Расчет здания общежития Технопарка Ростовского Государственного Строительного Университета (РГСУ) с применением различных моделей основания // Инженерный вестник Дона.- 2015. - № 3 (37). - С. 112.
