Строительство

Расчеты и графические построения при моделировании самоуравновешивающейся опорной системы

Д.т.н., проф. С.А. Жуков, д.т.н. С.В. Тищенко,

к.т.н. Н.П. Мельниченко, магистр А.Д. Гук

В связи с созданием опорной системы, состоящей из фундаментных плит, сжимаемых стержней и растягиваемых канатов, возникла необходимость в разработке новых синтетических подходов к конструированию и расчету. При этом механическая модель упругого основания строится на математической основе с использованием ряда гипотез в расчете фундаментных плит и канатов, относительно свойств грунтового основания.

При расчете конструкций, лежащих на упругом основании, используются разные механические модели грунтов (Г.Э. Проктора, Н.М. Герсиванова, М.И. Горбунова-Посадова, В.Н. Жемочкина, А.П. Синицына, В.А. Флорина, О.Я. Шехтера, А.С. Малиева, Д. Н. Соболева, К.Е. Егорова, Б.И. Далматова, С.Н. Сотникова, Ю.Ф. Тугаенко, И.П. Бойко, В.М. Макарова и др.).

В вопросе о толщине сжимаемого слоя следует учитывать условность назначения этой величины Hc, которая определяется сложностью ее экспериментального вычисления. Нормы проектирования оснований содержат условный прием назначения глубины сжимаемой толщи Н_с, основанный на ее ограничении на соотношении вертикальных осевых нормальных напряжений σ_zp от внешней нагрузки и вертикальных напряжений σ_zg от собственного веса.

Напряженно-деформационное состояние конструкций зданий, значительно зависит от характера взаимодействия фундаментов с основой, поэтому нужно детальнее анализировать все процессы, все нагрузки, действующие на фундамент. Строительство в сложных инженерно-геологических условиях требует от фундаментов восприятия ими дополнительных усилий от основания.

В строительстве на сегодняшнее время имеется много разработок, но они далеко не все имеют практическое использование. Известны решетчатые фундаменты М.И. Фидарова, которые имеют полости на боковых поверхностях. В этих фундаментах эффективно используется пространственная работа за счет "арочного эффекта" за структурой фундамента. Проектирование решетчатых фундаментов с повышенной нагрузкой на основание отмечается сниженной надежностью, особенно в условиях выявления неравномерных деформаций самой основы, когда происходит перераспределение эпюры сопротивления с образованием дополнительно напряженных зон. После образования в опорных элементах повышенного сопротивления, стабилизация всей контактной эпюры за счет существующих полостей и перемещения в эти полости грунта происходит только после полного формирования предельных ядер жесткости. Решетчатые фундаменты также не приспособлены к снижению нагрузок от контактирующего грунта в условиях развития вынужденных горизонтальных перемещений грунтового массива.

Авторами разработано решение фундаментной системы сооружений башенного типа, проседающей неравномерно, когда необходимо обеспечить уравнивание нагрузки от сооружения на основание по всей его площади.

Первым и простейшим предположением о зависимости осадки грунта от приложенной к нему нагрузки была мысль о пропорциональности между ними. В ряде практических случаев схемой линейного распределения реактивных давлений пользуются как прикидочной. Когда расчет по гипотезе Винклера лишь начинал внедряться в проектную практику, отмечались недостатки этой гипотезы и предлагались новые, с использованием решений теории упругости. До сих пор, при расчете гибких фундаментов совместно с грунтовым основанием применяются эти две теории: теория местных упругих деформаций, основанная на гипотезе Винклера-Циммермана и теория общих упругих деформаций, основанная на гипотезе упругого полупространства.

Следует отметить, что широко применяемая на практике программа "Лира/Scad" для расчета строительных конструкций включает модуль, позволяющий рассчитывать гибкие фундаменты, базирующийся в свою очередь на методе местных упругих деформаций.

Тенденция роста предаварийных и аварийных ситуаций на объектах строительства, обусловленная проявлением неравномерных деформаций грунтов оснований и, как следствие, кренов зданий, трещин, сдвигов и разломов в несущих конструкциях, требует разработки и применения эффективных и надежных методов и средств защиты сооружений от подобного рода деформаций. Одним из возможных путей решения сложившейся проблемы является разработка названной авторской новой фундаментной системы, уравнивающей нагрузки от сооружения на все плиты фундамента и адаптивно реагирующей на возможные неравномерные деформации основания.

Известны различные системы подъема и выравнивания многоэтажных зданий и сооружений. Например, устройство для подъема и выравнивания положения сооружения при неравномерных осадках основания, включающее гидравлические домкраты, установленные между фундаментом и цокольной частью здания или сооружения. Также известна фундаментная конструкция Живодерова Н.А. с термопластичными элементами для выравнивания и другие системы. В последнее время данными проблемами занимался ряд научно-исследовательских и проектных организаций (НИИСК, КиевЗНИИЕП, Донецкий Промстройдниипроект, Донбассгражданпроет, Укрниистройпроект, МакИБИ, Донецкпроект, Запорожское отделение НИИСК и др.).

В последние годы отделением Запорожского Научно-исследовательского института строительных конструкций Минстроя Украины (НИИСК) разработан и развивается практически единственный в Украине способ выравнивания сооружений, имеющих крены. Для этого используется выбуривание грунта из-под фундаментов мелкого заложения. Применяются специальные станки горизонтального бурения скважин. Технология отработана на тридцати сооружениях жестких конструктивных систем – бескаркасных домах, дымовых трубах, резервуарах, сооружениях башенного типа.

Программа «Платон» – моделирования работы фундаментных систем – не имеет аналогов среди отечественных и зарубежных программных продуктов. Существующие программы моделирования грунтов как правило не разделяют застройку на существующие и строящиеся сооружения, предполагая единую для обоих структуру грунта основания. В связи с последним расчетные деформации нередко выходят прямо противоположного характера, чем имеем при фактических измерениях уже возведенных и примыкающих к ним старых зданий. Причина в том, что под существующими зданиями происходят необратимые изменения структуры грунта, грунт уплотняется, образуя новые связи, при этом характеризуется новым модулем деформации. Новые здания, располагаемые вблизи существующих, садятся своими частями на уплотненный грунт, потому получить реальную картину деформаций без учета структурных изменений в грунте в условиях городской застройки практически невозможно.

Программа построена на методе конечных элементов, плитные конструкции фундаментов моделируются плоскими треугольными элементами, грунт – объемными, тетраэдрической формы. Пользователь не участвует в разбивке на элементы, хотя при желании может управлять их параметрами. Интерфейс устроен максимально удобно, практически вся геометрия, геодезия и нагрузки вводятся с помощью мышки на экран, геология задается прямым переносом данных по скважинам из отчета инженерно-геологических изысканий. Трехмерная графика расчетной схемы с управлением движением мыши существенно облегчает зрительный контроль исходных данных.

Программа выдает необходимую информацию для проектирования фундамента, а именно: максимальную (среднюю) осадку и крен всех существующих и проектируемой конструкций, цветные поля перемещений, моментов и поперечных сил в проектируемой плите. Одновременно происходит расчет армирования плиты с выводом на экран цветных полей продольного армирования каждой грани плиты по каждому направлению. Формирование отчета полностью автоматическое.

Рассмотренные здесь методы из широкого спектра направлений моделирования значительно облегчают расчет и конструирование предлагаемых триплетных блочно-модульных фундаментных систем.