Rostov-na-Donu, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-on-Don, Russian Federation
GRNTI 67.23 Архитектурно-строительное проектирование
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
OKSO 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
BBK 302 Проектирование
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
TBK 5411 Теоретические основы строительства
The article deals with the natural conditions of the karst, the factors of its development and the impact of this geological process on the stress-strain state of the building frame. In the software complex SCAD developed 10 versions of models of frame-monolithic multi-storey building, taking into account the variation of karst localization. Taking into account the influence of karst processes on the stress-strain state of the frame of the building allowed to calculate the movement of the base plate, depending on the location of the funnel, to identify the greatest movement and choose the reinforcement that provides the necessary strength of the frame of the building in any adverse karst process.
karst dips, stress-strain state, finite element model, finite element method, building frame, model variation
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. Dublyanskiy V.N., Dublyanskaya G.N., Myasoedova N.L. Rasprostranenie karstuyuschih porod na zemnom share. // Sergeevskie chteniya. Vypusk 6. Inzh. geologiya i ohrana geol. sredy. Sovremennoe sostoyanie i perspektivy razvitiya. - M., GEOS, 2004, s 130-135.
2. Sorochan E. Analiz avariy sooruzheniy na zakarstovannyh territoriyah/ Rossiyskaya geotehnika - shag v 21 vek. - 2007. - №2. - S. 154.
3. Tolmachev V.V. Ocenka karstovyh riskov kak odin iz principov ustoychivogo razvitiya karstovyh regionov //Trudy kongressa Mezhdunarodnogo nauchno-promyshlennogo foruma «Velikie reki-2013», Nizhniy Novgorod, tom 1, NNGASU, 2014. S. 96 - 99
4. Kravchenko G.M., Savel'eva N.A., Sharipov E.R. Issledovanie napryazhenno - deformirovannogo sostoyaniya karkasa zdaniya s uchetom sovmestnoy raboty sistemy «zdanie - osnovanie - grunt» // Sbornik statey po materialam mezhdunarodnoy nauchno - prakticheskoy konferencii «Koncepciya dinamicheskogo ravnovesiya v novyh tehnologiyah», - 2017. - S. 42 - 45
5. Kravchenko G.M., Trufanova E.V., Koltyrina V.N. Opredelenie napryazhenno - deformirovannogo sostoyaniya fundamentnoy plity po razlichnym modelyam osnovaniya// Nauchnye osnovy sovremennogo progressa; sbornik statey Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii: v 2 chastyah. 2017. S. 50-54.
6. Kravchenko G.M., Trufanova E.V., Dumbay V.A., Kamesh Yu.A. Issledovanie neravnomernoy osadki osnovaniya sportivno-ozdorovitel'nogo kompleksa Tehnoparka RGSU metodom konechnyh elementov // Inzhenernyy vestnik Dona. - 2016. - № 1 (40).- S. 42.
7. Kravchenko G.M., Trufanova E.V., Kubashov T.R. Vliyanie modeli osnovaniya grunta na napryazhenno-deformirovannie sostoyanie fundamentnoy plity// V sbornike: «Stroitel'stvo - 2015: sovremennye problemy stroitel'stva»: materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. Rostovskiy gosudarstvennyy stroitel'nyy universitet, Soyuz stroiteley Yuzhnogo Federal'nogo okruga, Associaciya stroiteley Dona.- 2015. -S. 481-483.
8. Kravchenko G.M., Trufanova E.V., Nazarenko D.I., Sharipov E.R. Raschet zdaniya obschezhitiya Tehnoparka Rostovskogo Gosudarstvennogo Stroitel'nogo Universiteta (RGSU) s primeneniem razlichnyh modeley osnovaniya // Inzhenernyy vestnik Dona.- 2015. - № 3 (37). - S. 112.
