№8(19)(2013)

В данной статье предложена методика расчета элементов усиления зданий в условиях развития неравномерных деформаций основания. Расчет выполняется методом конечных элементов. Методика позволяет определить усилия во всех элементах, включая элементы усиления.

Градостроительная деятельность человека способствует изменению естественной инсоляции территории, вызывает замачивание грунтов технологическими водами. Все это приводит к изменению гидрогеологических условий территории застройки и, как следствие, ухудшению строительных свойств грунтов.

Изменение гидрогеологических условий площадок и деформативных свойств почв способствует развитию неравномерных деформаций основания, фундаментов и надземных частей зданий. При отсутствии конструктивных мер защиты (фундаментные, цокольные и поэтажные железобетонные или армокаменные пояса) в элементах зданий развиваются трещины.

Усиление конструкций зданий, получивших повреждения в результате развития неравномерных деформаций основания, выполняется, как правило, путем стягивания металлическими элементами. При этом главным остается выполнение расчета конструкций здания для обоснованного назначения сечений элементов усиления. Предложенная методика расчета ориентирована на использование вычислительных комплексов, применяющих метод конечных элементов (МКЭ).
Анализ последних достижений и публикаций (решению таких проблем посвящены конференции, которые регулярно проводятся как в Украине, так и за рубежом) свидетельствует о необходимости продолжения исследований, направленных на решение важной народнохозяйственной задачи – продление срока службы строительных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений. Решение этой задачи возможно с помощью различных методов, прежде всего моделирования работы конструкций с использованием МКЭ и современных вычислительных комплексов. В ходе решения задачи моделируется появление и развитие трещин (характер и расположение трещин определяются по результатам обследования) путем изменения характеристик жесткости элементов. Усилия, которые могли бы возникнуть в элементах усиления, определяются после изменения характеристик жесткости или введения в расчетную схему дополнительных стержневых элементов. Такой подход дает несколько завышенные данные об усилии в элементах, которое идет в запас прочности.

Усиление конструкций металлическими элементами требует дополнительных мер защиты при воздействии пожара. Данный вопрос вообще остался не до конца изученным, поскольку не всегда можно смоделировать такое состояние конструкций, которое может вызвать высокотемпературные воздействия как на элементы здания, так и на элементы усиления.

В данной статье остановимся на разработке методики расчета конструкций зданий и сооружений в условиях развития неравномерных деформаций основания с учетом наличия действительного напряженно-деформированного состояния (НДС) и возможных высокотемпературных воздействий.
Для определения технического состояния конструкций выполняется их обследование. Обследование и оценка технического состояния конструкций включают следующие этапы:
 Изучение имеющейся проектной и исполнительной документации, анализ конструктивной системы здания. Определяются:

• конструктивные особенности здания, характер передачи нагрузки на конструкции и основание, наличие и характер подземного сетевого хозяйства, места возможных протечек вод из трубопроводов систем водоснабжения, канализации и теплоснабжения, характер грунтовых условий и возможность проявления независимых от силовых действий деформаций грунтов вследствие подделки территории, замачивания почв и т. д.;
• номенклатура конструкций и возможные характеристики материалов и грунтов основания.

Если проектные материалы отсутствуют, на этом этапе проводится только осмотр конструкций.
Натурное обследование конструкций, установление повреждений и деформаций фундаментов, несущих и ограждающих конструкций. Выполняются:

• строительно-обмерные работы, в ходе которых уточняются или устанавливаются конструктивная система здания, вид, характер и состав отдельных конструктивных элементов, их соответствие требованиям действующих нормативных документов (в т. ч. и с позиций морального износа), реальное расположение подземного сетевого хозяйства;
• визуально инструментальное обследование конструкций, включая определение прочностных характеристик материалов, определение характера и размеров повреждений (дефектов конструкций, появившихся при изготовлении, монтаже или в процессе эксплуатации, ширины раскрытия трещин, смещений с плоскости и др.), составление ведомостей дефектов;
• исследования грунтов основания в условиях прогрессирующей локальной деформации конструкций;
• анализ режима эксплуатации, определение характера и величин внешних силовых, атмосферных (морозного выпячивания почв при небольшой глубине заложения подошвы, изменения уровня грунтовых вод; неравномерной инсоляции территории застройки и др.) и технологических воздействий, включая деформационные со стороны основания вследствие замачивания грунтов и подделки территории при разработке полезных ископаемых подземным способом.

 Анализ дефектов и повреждений, оценка технического состояния обследуемых конструкций. Проводятся:

• анализ дефектов, повреждений, установление степени износа конструкций и опасности для дальнейшей эксплуатации в соответствии с требованиями действующих нормативных документов;
• подготовка исходных данных для математического моделирования строительных конструкций, зданий и сооружений в целом;
• математическое моделирование конструкций с учетом установленного НДС;
• расчет конструкций, определение усилий и деформаций в элементах расчетной схемы;
• сравнение характера деформаций реального объекта и математической модели, уточнение, при необходимости, характеристик жесткости материалов элементов модели;
• расчет уточненной модели, определение усилий и перемещений;
• оценка технического состояния строительных конструкций, зданий и сооружений;
• корректировки расчетной схемы здания с учетом установки элементов усиления и расчет новой модели;
• проектирование элементов усиления, учитывая разработку мер защиты конструкций усиления от пожара;
• расчет конструкций с учетом высокотемпературных воздействий на элементы, конструкции, здания и сооружения, определение неблагоприятного НДС здания, разработка соответствующих мер защиты.

 Подготовка заключения о техническом состоянии строительных конструкций зданий с разработкой рекомендаций по обеспечению их безопасной эксплуатации.

Предложенная методика была использована при проведении натурных обследований ряда жилых домов, построенных в 50-е годы в городе Алчевске, которые получили повреждения в результате длительной эксплуатации. Конструктивная система зданий представляла собой бескаркасную систему с продольными и поперечными несущими стенами и перекрытиями, выполненными по деревянным и железобетонным балкам.

Металлические элементы усиления были защищены путем нанесения слоя штукатурки цементно-песчаным раствором по металлической сетке. Толщина слоя штукатурки составляла не менее 60 мм (рис. 1).

Методика была использована при расчете конструкций усиления жилого дома № 19 по ул. Стадионная в Киеве (рис. 2). Здание построено в 1962 году и состоит из одного блока прямоугольной формы в плане с максимальными размерами 39,46 х 12,64 м. Количество этажей – пять основных и цокольный. Конструктивная система здания – бескаркасная с продольными несущими и поперечными редкоразмещенными самонесущими стенами. Поперечные внешние стены и стены лестничных клеток, кроме защитных и ограждающих функций, выполняют функции диафрагм жесткости. Стены кирпичные на известково-песчаном растворе толщиной 380 (внутренние) и 510 (внешние) мм. Перекрытия из сборных железобетонных многопустотных плит пролетом 6 м, опирающихся на продольные внутреннюю и внешние несущие стены. Проектная документация была представлена в виде материалов технического паспорта БТИ.
Пространственная жесткость и устойчивость строительных конструкций здания обеспечиваются жесткостью продольных несущих и поперечных самонесущих стен, стен лестничных клеток и жесткими дисками перекрытий, работающих совместно со стенами.

Продольные несущие стены здания имели дефекты, появление которых вызвано неравномерными осадками грунтового основания. Вертикальные трещины расширяются кверху и сосредоточены в локальной зоне в районе расположения лестничных клеток (рис. 2). Первые трещины в продольных стенах появились в 1989 году. Они систематически развивались и на 2004 год достигли ширины раскрытия 60... 70 мм. Таким образом, состояние продольных стен здания было признано непригодным для нормальной эксплуатации.

Характер развития деформаций свидетельствовал о возможном наличии источников замачивания под торцами здания или слоев сильносжимаемых (насыпных) грунтов.

Замачивание грунтов у торца здания или наличие сильносжимаемых грунтов в основании приводят к снижению контактной жесткости основания на этих участках. Снижение контактной жесткости вызывает развитие неравномерных деформаций основания и, при отсутствии конструктивных мер защиты (разрезание на отсеки деформационными швами, наличие фундаментных, цокольных и поэтажных поясов и др.), развитие вертикальных трещин в кладке стен.
Полученные в ходе проведения обследований данные были использованы при моделировании внутренней продольной стены как пластинчато-стержневой системы, состоящей из СЭ вычислительного комплекса «ЛИРА». Характеристики жесткости элементов принимались по данным обследования. В местах расположения трещины характеристики жесткости стержневых элементов принимались на три порядка меньше, чем для остальных элементов. Основание моделировалось КЭ типа КЭ-51 «Связь конечной жесткости». Жесткость элементов типа КЭ-51 принималась согласно модели переменного коэффициента жесткости, такой, которая равна жесткости заменяемых участков почвы (равномерная осадка стены определялась методом послойного суммирования по данным инженерно-геологических исследований).

Расчет был выполнен в два этапа. На первом этапе последовательной сменой характеристик жесткости элементов, моделирующих грунтовое основание, был достигнут НДС модели, который отвечал реальному положению (ширина раскрытия трещины на уровне чердачного перекрытия составила 65 мм). На втором этапе после увеличения жесткости стержневых элементов в месте расположения трещины (моделирование введения элемента усиления) были определены усилия в данных элементах. При этом характеристики жесткости основания принимались по данным расчета на первом этапе. Сечения элементов усиления были подобраны по результатам расчетов второго этапа. После завершения расчетов было выполнено моделирование высокотемпературных воздействий, возникающих при пожаре, и разработаны соответствующие меры защиты металлических конструкций усиления.

Таким образом, можно сделать вывод, что предложенная методика расчета строительных конструкций, зданий и сооружений с учетом наличия реального НДС, определенного по результатам обследования, позволяет путем изменения деформационных характеристик основания определить усилия в элементах здания и элементах усиления, а также выполнить конструирование элементов усиления. Она нашла практическое применение при разработке проектов усиления ряда объектов. За счет моделирования высокотемпературных воздействий, которые возникают при пожаре, можно определить неблагоприятное НДС и разработать соответствующие методы защиты.