У даній статті запропонована методика розрахунку елементів підсилення будинків за умов розвитку нерівномірних деформацій основи. Розрахунок виконується методом скінченних елементів. Методика дає змогу визначити зусилля в усіх елементах, зокрема й елементах підсилення

Голоднов О.І., д.т.н., проф., вчений секретар ВАТ «УкрНДІпроектстальконструкція ім. В.М. Шимановського»,
Фоміна І.П., начальник кошторисно-договірного відділу ПАТ «ХК «Київміськбуд»

Містобудівна діяльність людини сприяє зміні природної інсоляції території, викликає замочування ґрунтів технологічними водами. Все це призводить до зміни гідрогеологічних умов території забудови і, як наслідок, погіршення будівельних властивостей ґрунтів.

Зміна гідрогеологічних умов майданчиків і деформативних властивостей ґрунтів сприяє розвитку нерівномірних деформацій основи, фундаментів і надземних частин будівель. За відсутності конструктивних заходів захисту (фундаментні, цокольні та поповерхові залізобетонні або армокам’яні пояси) в елементах будівель розвиваються тріщини.

Підсилення конструкцій будівель, які отримали пошкодження в результаті розвитку нерівномірних деформацій основи, виконується, як правило, шляхом стягування металевими елементами. При цьому основ­ним залишається виконання розрахунку конструкцій будівлі для обґрунтованого призначення перетинів елементів підсилення. Запропонована методика розрахунку орієнтована на використання обчислювальних комплексів, які використовують метод скінченних елементів (МСЕ).

Аналіз останніх досягнень і публікацій (вирішенню таких проблем присвячені конференції, що регулярно проводяться як в Україні, так і за кордоном) свідчить про необхідність продовження досліджень, направлених на рішення важливої народногосподарської задачі – продовження терміну служби будівельних конструкцій експлуатованих будівель і споруд. Вирішення цієї задачі можливе за допомогою різних методів, насамперед моделюванням роботи конструкцій з використанням МСЕ і сучасних обчислювальних комплексів. У процесі рішення задачі моделюються поява і розвиток тріщин (характер та розташування тріщин визначаються за результатами обстеження) шляхом зміни характеристик жорсткості елементів. Зусилля, які могли б виникнути в елементах підсилення, визначаються після зміни характеристик жорсткості або введення в розрахункову схему додаткових стрижньових елементів. Такий підхід дає дещо завищені дані про зусилля в елементах, що йде в запас міцності.

Підсилення конструкцій металевими елементами потребує додаткових заходів захисту при дії пожежі. Таке питання взагалі залишилося не вивченим, оскільки не завжди можна змоделювати такий стан конструкцій, який може спричинити високотемпературні впливи як на елементи будівлі, так і на елементи підсилення.

У даній статті зупинимося на розробці методики розрахунку конструкцій будівель та споруд в умовах розвитку нерівномірних деформацій основи з урахуванням наявності дійсного напружено-деформованого стану (НДС) і можливих високотемпературних впливів.

Для визначення технічного стану конструкцій виконується їхнє обстеження. Обстеження й оцінка технічного стану конструкцій включають такі етапи:

1) Вивчення наявної проектної та виконавчої документації, аналіз конструктивної системи будівлі. Встановлюються:

• конструктивні особливості будівлі, характер передачі навантаження на конструкції та основу, наявність і характер підземного мережевого господарства, місця можливих протікань вод з трубопроводів систем водопостачання, каналізації та теплопостачання, характер ґрунтових умов і можливість прояву незалежних від силових дій деформацій ґрунтів унаслідок підроблення території, замочування ґрунтів тощо;
• номенклатура конструкцій і можливі характеристики матеріалів та ґрунтів основи.

Якщо проектні матеріали відсутні, на цьому етапі проводиться тільки огляд конструкцій.

2) Натурне обстеження конструкцій, встановлення пошкоджень і деформацій фундаментів, несучих і огороджувальних конструкцій. Виконуються:

• будівельно-обмірні роботи, під час яких уточнюються або встановлюються конструктивна система будівлі, вигляд, характер і склад окремих конструктивних елементів, їх відповідність вимогам чинних нормативних документів (в т. ч. і з позицій морального зносу), реальне розташування підземного мережевого господарства;
• візуально-інструментальне обстеження конструкцій, включаючи визначення характеристик міцності матеріалів, визначення характеру і розмірів пошкоджень (дефектів конструкцій, що з’явилися при виготовленні, монтажі або в процесі експлуатації, ширини розкриття тріщин, зсувів з площини тощо), складання відомостей дефектів;
• дослідження ґрунтів основи за умов прогресуючої локальної деформації конструкцій;
• аналіз режиму експлуатації, визначення характеру та величин зовнішніх силових, атмосферних (морозного випинання ґрунтів при невеликій глибині закладення підошви; зміни рівня ґрунтових вод; нерівномірної інсоляції території забудови тощо) і технологічних впливів, включаючи деформаційні з боку основи внаслідок замочування ґрунтів і підроблення території при розробці корисних копалин підземним способом.

3) Аналіз дефектів і пошкоджень, оцінка технічного стану обстежуваних конструкцій. Проводяться:

• аналіз дефектів, пошкоджень, встановлення ступеня зносу конструкцій і небезпеки для подальшої експлуатації відповідно до вимог чинних нормативних документів;
• підготовка початкових даних для математичного моделювання будівельних конструкцій, будівель та споруд у цілому;
• математичне моделювання конструкцій з урахуванням встановленого НДС;
• розрахунок конструкцій, визначення зусиль і деформацій у елементах розрахункової схеми;
• порівняння характеру деформацій реального об’єкта і математичної моделі, уточнення, за потреби, характеристик жорсткості матеріалів елементів моделі;
• розрахунок уточненої моделі, визначення зусиль і переміщень;
• оцінка технічного стану будівельних конструкцій, будівель і споруд;
• коректування розрахункової схеми будівлі з урахуванням установки елементів підсилення і розрахунок нової моделі;
• проектування елементів підсилення, враховуючи розробку заходів захисту конструкцій підсилення від пожежі;
• розрахунок конструкцій з урахуванням високотемпературних впливів на елементи, конструкції, будівлі та споруди, визначення несприятливого НДС будівлі, розроблення відповідних заходів захисту.

4) Підготовка висновку про технічний стан будівельних конструкцій будівель з розробкою рекомендацій щодо забезпечення їхньої безпечної експлуатації.

Запропонована методика була використана при проведенні натурних обстежень низки житлових будинків, побудованих у 50-ті роки в місті Алчевську, які отримали пошкодження в результаті тривалої експлуатації. Конструктивна система будівель являла собою безкаркасну систему з поздовжніми і поперечними несучими стінами та перекриттями, виконаними по дерев’яних і залізобетонних балках.

Металеві елементи підсилення були захищені шляхом нанесення прошарку штукатурки цементно-піщаним розчином по металевій сітці. Товщина прошарку штукатурки становила не менш ніж 60 мм (рис. 1).

Методика була використана при розрахунку конструкцій підсилення житлового будинку № 19 по вул. Стадіонна в місті Києві (рис. 2). Будівля побудована в 1962 році та складається з одного блоку прямокутної форми в плані з максимальними розмірами 39,46 х 12,64 м. Кількість поверхів – п’ять основних і цокольний. Конструктивна система будівлі – безкаркасна з поздовжніми несучими і поперечними рідкорозташованими самонесучими стінами. Поперечні зовнішні стіни та стіни сходових кліток, крім захисних і огороджувальних функцій, виконують функції діафрагм жорсткості. Стіни цегляні на вапняно-піщаному розчині завтовшки 380 (внутрішні) і 510 (зовнішні) мм.

Перекриття зі збірних залізобетонних багатопустотних плит прольотом 6 м, що спираються на поздовжні внутрішню і зовнішні несучі стіни. Проектна документація була представлена у вигляді матеріалів технічного паспорта БТІ.

Просторова жорсткість і стійкість будівельних конструкцій будівлі забезпечуються жорсткістю поздовж­ніх несучих та поперечних самонесучих стін, стін сходових кліток і жорсткими дисками перекриттів, що працюють спільно зі стінами.

Поздовжні несучі стіни будівлі мали дефекти, поява яких викликана нерівномірними осіданнями ґрунтової основи. Вертикальні тріщини розширюються догори і зосереджені в локальній зоні в районі розташування сходових кліток (рис. 2). Перші тріщини в поздовжніх стінах з’явилися в 1989 році. Вони систематично розвивались і станом на 2004 рік досягли ширини розкриття 60…70 мм. Таким чином, стан поздовжніх стін будівлі було визнано непридатним для нормальної експлуатації.

Характер розвитку деформацій свідчив про можливу наявність джерел замочування під торцями будівлі або прошарків сильностискуваних (насипних) ґрунтів.

Замочування ґрунтів біля торця будівлі або наявність сильностискуваних ґрунтів у основі призводять до зниження контактної жорсткості основи на цих ділянках. Зниження контактної жорсткості викликає розвиток нерівномірних деформацій основи і, за відсутності конструктивних заходів захисту (розрізання на відсіки деформаційними швами, наявність фундаментних, цокольних і поповерхових поясів тощо), розвиток вертикальних тріщин у кладці стін.

Отримані під час проведення обстежень дані були використані при моделюванні внутрішньої поздовжньої стіни як пластинчасто-стрижньової системи, що складається з СЕ обчислювального комплексу «ЛІРА». Характеристики жорсткості елементів приймалися за даними обстеження. У місцях розташування тріщини характеристики жорсткості стрижньових елемен­тів приймалися на три порядки менше, ніж для решти елементів. Основа моделювалася СЕ типу КЕ-51 «Зв’язок кінцевої жорсткості». Жорсткість елементів типу КЕ-51 приймалася відповідно до моделі змінного коефіцієнта жорсткості, такої, що дорівнює жорсткості замінюваних ділянок ґрунту (рівномірне осідання стіни визначалося методом пошарового підсумовування за даними інженерно-геологічних досліджень).

Розрахунок був виконаний у два етапи. На першому етапі послідовною зміною характеристик жорстко­сті елементів, що моделюють ґрунтову основу, був досягнутий НДС моделі, який відповідав реальному стану (ширина розкриття тріщини в рівні горищного перекриття склала 65 мм). На другому етапі після збільшення жорсткості стрижньових елементів у місці розташування тріщини (моделювання введення елемента підсилення) були визначені зусилля в цих елементах. При цьому характеристики жорсткості основи приймалися за даними розрахунку на першому етапі. Перетини елементів підсилення були підібрані за наслідками розрахунків другого етапу. Після завершення розрахунків було виконано моделювання високотемпературних впливів, що виникають під час пожежі, та розроблені відповідні заходи захисту металевих конструкцій підсилення.

Таким чином, можна зробити висновок, що запропонована методика розрахунку будівельних конструкцій, будівель та споруд з урахуванням наявності реального НДС, визначеного за результатами обстеження, дає змогу шляхом зміни деформаційних характеристик основи визначити зусилля в елементах будівлі та елементах підсилення, а також виконати конструювання елементів підсилення. Вона знайшла практичне застосування при розробці проектів підсилення низки об’єктів. За рахунок моделювання високотемпературних впливів, що виникають під час пожежі, можливо визначити несприятливий НДС і розробити відповідні заходи захисту.

За матеріалами сайту "Незалежний АУДИТОР"