Обстеження й посилення кам'яних будівель на базі чисельного моделювання несучих систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ

ПРИРОДООХОРОННОГО ТА КУРОРТНОГО БУДІВНИЦТВА

УДК 624.04:681.3

Обстеження й посилення кам`яних будівель на базі чисельного моделювання несучих систем

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Васил`єв Михайло Вікторович

Сімферополь 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній академії природоохоронного та курортного будівництва Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Лінченко Юрій Петрович, Національна академія природоохоронного та курортного будівництва, доцент кафедри залізобетонних конструкцій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Городецький Олександр Сергійович, Державне підприємство «Державний науково-дослідний інститут автоматизованих систем в будівництві», заступник директора з наукової роботи

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кукунаєв Володимир Сергійович Державне підприємство «Головний територіальний науково-дослідний і проектний інститут «КримНДІпроект», заступник директора з наукової роботи

Захист відбудеться «22» квітня 2009 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 52.079.01 в Національній академії природоохоронного та курортного будівництва за адресою: 95006, м. Сімферополь, вул Павленко, 5; к. 102.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної академії природоохоронного та курортного будівництва за адресою: 95006, м. Сімферополь, вул Павленко, 5.

Автореферат розісланий «20» березня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.А. Рубель

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Існує велика кількість будівель з кам'яними стінами, побудованих у період із середини 19-го століття і дотепер. Конструктивні рішення і характеристики міцності несучих конструкцій цих будівель часто не відповідають вимогам чинних норм будівництва в сейсмічних районах. Для сучасних каркасно-кам'яних будівель, конструктивні рішення яких рекомендуються для будівництва в сейсмічних районах, відсутня методика розрахунку з використанням програмних засобів, заснованих на методі скінченних елементів (МСЕ).

Оцінка технічного стану конструкцій і будівлі в цілому є першочерговим заходом для ухвалення об'єктивного рішення про можливість експлуатації існуючої будівлі або виконання ефективних заходів по відновленню експлуатаційних якостей будівлі. Необхідність у подібних рішеннях виникає при втраті експлуатаційної придатності будівель внаслідок впливу зовнішніх факторів, при розширенні функціональних потреб будівель старої забудови, при збільшенні поверховості, при капітальному ремонті і т.д. На сьогодні питання оцінки технічного стану конструкцій і будівлі в цілому залишається до кінця не вирішеним, оскільки відсутня методика розрахункової оцінки технічного стану будівель, виконаних з кам'яних матеріалів за результатами розрахунку МСЕ.

Норми проектування будівельних конструкцій в основному орієнтовані на проектування нових будівель і містять лише загальні вказівки або тільки деякі окремі випадки по посиленню і реконструкції, особливо в складних інженерно-геологічних умовах. При обстеженні будівель виявляють конструктивні рішення, яки не відповідають вимогам, а, іноді, і не передбачені нормами. Пряме виконання вимог норм проектування, особливо конструктивних, неможливо в існуючих будівлях. У цих випадках необхідний поглиблений аналіз із застосуванням чисельних методів.

На сьогодні розроблені потужні засоби аналізу напружено-деформованого стану (НДС) несучих систем будівель і споруд на основі МСЕ. Посібники із застосування програмних комплексів розкривають їхній інтерфейс і засоби моделювання. Питання аналізу (конструктивне рішення - адекватна модель) розглядаються не достатньо.

Необхідно розвивати методи моделювання із застосуванням сучасних програмних засобів, аналізу несучої здатності на основі моделювання та верифікації моделей несучих систем будівель з кам'яними стінами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження теоретичного і прикладного характеру виконані відповідно до тем НДР Міністерства освіти і науки України «Принципи проектування та експлуатації будівель в складних геологічних умовах з забезпеченням їх безпеки та енергозбереження» № державної реєстрації 0198 U 005857; «Забезпечення надійності територій і споруд, що реконструюються, в умовах недоліку вхідної інформації» № державної реєстрації 0102 U 005494; «Розробка методики аналізу несучої здатності і посилення будівель з кам'яними стінами в складних інженерно-геологічних і експлуатаційних умовах на основі моделювання програмним комплексом «ЛІРА» та методики теплотехнічного проектування при реконструкції цивільних будівель з урахуванням енергозбереження» № державної реєстрації 0104 U 003266; «Методики чисельного аналізу несучих систем будинків у сейсмічних районах» № державної реєстрації 0107 U 000773.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень даної роботи є обґрунтування ефективних методів посилення кам'яних будівель при забезпеченні їхньої сейсмостійкості.

У зв'язку з поставленою метою необхідно вирішити наступні завдання:

- запропонувати методи моделювання несучих систем з кам'яної кладки з їхньою верифікацією;

- розробити методи оцінки несучої здатності кам'яних стін відповідно до чинних норм за результатами скінченноелементного розрахунку НДС;

- розробити рекомендації із застосування різних методів посилення з оцінкою їх технічної ефективності.

Наукова новизна одержаних результатів. Короткий зміст наукових положень і результатів, отриманих автором, полягає в наступному:

- Розроблена методика моделювання кам'яних будівель при складному НДС несучої системи.

- Розроблена та обґрунтована методика оцінки несучої здатності за моделями кам'яних конструкцій при позацентровому стиску, зрізі та дії головних ростягуючих напруг за результатами розрахунку МСЕ.

- Обґрунтована необхідність і ефективність верифікації розрахункової моделі по фізичному прототипу на підставі результатів обстеження, фізичних експериментів, нормованих розрахунків.

- Виконаний аналіз ефективності найпоширеніших методів посилення кам'яної кладки. кам'яний несучий стіна напружений

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати були використані при проектуванні, оцінці технічного стану та розробці рекомендацій з реконструкції і подальшої експлуатації більше ніж 20 об'єктів.

Методика моделювання і оцінки несучої здатності каркасно-кам'яних конструкцій використана при розрахунку 9-ти поверхової каркасно-кам'яної будівлі, запроектованої інститутом «Консоль-Проект» для будівництва в м. Сімферополі.

Особистий внесок здобувача. По темі дисертації здобувачем особисто, без співавторів, опубліковані п'ять наукових праць і дев'ять спільних публікацій (у тому числі один патент). Автором виконані:

- розробка методики оцінки несучої здатності кам'яних конструкцій за результатами розрахунку МСЕ;

- розробка програми чисельних експериментів;

- побудова і верифікація по фізичних аналогах локальних і просторових чисельних моделей;

- аналіз отриманих результатів розрахунків моделей;

- удосконалення способу посилення кам'яних конструкцій залізобетонними оболонками шляхом устрою жорстких шпонок, що з'єднують стіну із оболонкою посилення.

Апробація результатів дисертації. Основні положення виконаних досліджень докладені на:

- міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми відновлення та реконструкції будівель і споруд» (МДЦ Артек, Гурзуф, жовтень 2002 р.);

- IV і V Всеукраїнській науково-технічній конференції «Будівництво в сейсмічних районах України» (м. Ялта, 18-21 травня 1999 р., 24-29 травня 2004 р.);

- семінарі «Информационные технологии проектирования объектов строительства и машиностроения» (м. Київ, 18-22 квітня 2005 р.);

- семінарі «Информационные технологии в проектировании» (МДЦ Артек, Гурзуф, 15-20 травня 2006 р.);

- підсумкових науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів і студентів НАПКС (м. Сімферополь, 26-28 квітня 2004 р., 26-28 квітня 2005 р., 25-27 квітня 2006г, 24-26 квітня 2007г, 22-24 квітня 2008 р.).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 12 статтях, 1 доповіді; зареєстрований патент на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури (124 найменування) та додатку. Матеріали викладені на 169 сторінках друкованого тексту, у тому числі 97 сторінок основного тексту, 83 малюнка, 20 таблиць, додаток на 2 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ присвячений обґрунтуванню теми дисертаційної роботи та її актуальності. У ньому наведена структура та загальна характеристика, дані про публікації і апробацію дисертації.

У першому розділі проведений аналіз робіт з досліджень міцності та деформацій кам'яної кладки, у тому числі з урахуванням посилення, особливостям поводження будівель зі стінами із кладки при складному НДС, оцінці несучої здатності конструкцій існуючих будівель при технічному обстеженні, сучасним програмним комплексам для розрахунку несучих систем будівель.

Сучасні уявлення про НДС кам'яної кладки, у тому числі з урахуванням посилення, при різних видах навантаження пов'язані в першу чергу з роботами професорів Л.И. Онищика, С.В. Полякова, а також з роботами Н.З. Гельмана, В.М. Гоменюка, А.С. Дмитрієва, П.Л. Еременка, В.М. Журавльова, Ю.В. Ізмайлова, А.В. Комишева, В.И. Коноводченко, Р.Л. Кулієва, В.Ф. Майбороди, С.В. Макарова, Ф.М. Оруджева, З.Г. Садихова, А.Н. Селімова, С.А. Семенцова, Н.Т. Турсунова, А.Г. Фігарова, Д.Н. Шиленко, С.С. Шукюрова, Н.П. Еделєва та інших.

Виконано аналіз робіт вчених по оцінці технічного стану і підвищенню сейсмостійкості будівель зі стінами з кам'яної кладки, а саме Н.Ю. Анкянец, В.В. Болотина А.И. Гаврилової, С.В. Гутеневой, И.С. Гучкина, М.П. Ємельянова, В.В. Жигни, А.А. Землянського, А.А. Калініна, Д.Ю. Калинчука, Э.Я. Кільвандера, В.Г. Козачека, А.Е. Копейко, В.И. Кравченко, В.С. Кукунаєва, Ю.П. Лінченко, П.А. Літовченко, А.И. Мартемьянова, И.В. Матвєєва, В.И. Муленкової, Н.В. Нечаєва, Т.Д. Никифорової, С.Н. Нотенко,, Е.Ф. Панюкова, В.П. Радіна, Я.В. Савинова, Н.В. Савицького, В.М. Сребняка, Е.Н. Сушко, Е.Ю. Худолея, В.П. Чиркова, А.Л. Шагіна, В.В. Ширіна та інших.

Вивчено праці по використанню сучасних програмних комплексів для оцінки НДС несучих систем будівель; серед них слід зазначити роботи А.А. Алямовського, В.А. Банаха, М.С. Барабаша, Л.Г. Батрак, А.В. Бондарєва, Ю.В. Гензерського, Ю.Д. Гераймович, О.С. Городецького, Д.О. Городецького, О.О. Диховічного, И.Д. Євзерова, В.С. Карпиловського, А.Н. Кекух, Э.З. Криксунова, А.Н. Куценко, М.В. Лазнюка, В.П. Максименко, Д.В. Марченко, С.Л. Мельникова, М.А. Микитаренко, С. Ортис Родрігеса, А.В. Перельмутера, В.И. Слівкера, Е.Б. Стрілець-Стрєлецького, В.П. Тітка, В.С. Шмуклера та інших.

За багато років досліджень роботи кам'яної кладки накопичений значний обсяг інформації. Було досліджено різні види дій, вплив властивостей каменю та розчину на несучу здатність кам'яних конструкцій, розроблені різні способи посилення кладки.

Традиційні методи оцінки технічного стану кам'яних конструкцій за результатами візуального та інструментального обстеження не завжди дають достовірні результати. Як правило, будівлі мають складну архітектурну форму, нерегулярну в плані і по висоті. Матеріали і перерізи конструкцій теж можуть безсистемно змінюватися. Тому при аналізі такого об'єкта, особливо при складному зовнішньому впливі на нього, не завжди очевидні найбільш уразливі місця.

Наявний інструментарій для оцінки НДС складних просторових розрахункових моделей в основному націлений на залізобетонні і сталеві конструкції. Методика створення веріфікованої розрахункової моделі і перевірки несучої здатності кам'яних конструкцій за результатами розрахунку МСЕ, що використовують усі поширені програмні комплекси для розрахунку будівельних конструкцій, відсутня. У програмному комплексі «Мономах» закладена перевірка несучої здатності при позацентровому стиску і зрізі, однак перевірка на дію головних ростягуючих напруг, які є визначальними при сейсмічному впливі, відсутня.

У другому розділі викладені методика та обсяг чисельних експериментів.

У роботі проведено 4 групи чисельних експериментів:

1. Дослідження способів закріплення розрахункової моделі будівлі в просторі (модель «будівля-основа»).

2. Моделювання кам'яної кладки з урахуванням нелінійних властивостей матеріалів і верифікація моделей за даними проведених раніше фізичних експериментів.

3. Дослідження впливу на розрахункову модель будівлі способів спряження елементів, що моделюють кладку стін і конструкції перекриттів, а також послідовності зведення будівлі.

4. Дослідження ефективності різних способів посилення кам'яної кладки.

Інструментом дослідження моделі був МСЕ, реалізований у програмному комплексі «ЛІРА».

У складній інженерно-геологічній ситуації на роботу системи «основа - споруда» впливає значна кількість процесів, доскональне урахування яких призведе до зайвого ускладнення розрахункової моделі основи, а отримана точність не потрібна при виконанні інженерних розрахунків. Наявність у розрахунку динамічного (сейсмічного) впливу на будівлю додатково ускладнює це завдання. Беручи до уваги це, найбільш прийнятною моделлю основи є закріплення всіх вузлів контакту зміннима коефіцієнтами жорсткості по всіх напрямках. Поведінка основи під навантаженням визначається інтегральними коефіцієнтами жорсткості.

Для вирішення задач, поставлених у даній роботі, основна увага була приділена моделюванню наступних видів НДС кладки:

1) Позацентровий стиск;

2) Перекіс у площині простінка.

Розглянуті наступні методи розрахунку:

1) лінійний;

2) фізично нелінійний з експонентною залежністю, що описує діаграму для елементів, що моделюють кладку;

3) теж з кусочно-лінійною залежністю.

Крім моделювання властивостей матеріалів стін і ґрунтової основи для наближення властивостей розрахункової моделі до реальної конструкції виконана оцінка впливу на результати наступних факторів:

- сполучення елементів, що моделюють перекриття і стіни (жорстке сполучення, шарнірне сполучення, ексцентриситет);

- послідовність зведення будівлі (лінійний розрахунок, розрахунок з урахуванням процесу зведення моделі по поверху або по ряду СЕ)

- наявність пошкоджень конструкцій (розмір зони пошкодження, розташування зони пошкодження);

- розрахунок з урахуванням посилення (посилення стін залізобетонною рамою, вертикальним армуванням, діагональними сталевими сполученнями, сталевими обоймами, армованими оболонками).

Для кам'яних конструкцій при розрахунку просторової моделі з використанням сучасних програмних засобів результатами розрахунку є напруги або реакції у вузлах скінченних елементів (СЕ).

Для оцінки несучої здатності конструктивних елементів відповідно до вимог норм необхідно зв'язати розрахункові залежності норм із компонентами напруженого стану.

Третій розділ присвячений верифікації розрахункової моделі основи.

В 1981-1988 р. інститутами НДІБК, КиївЗНДІЕП і Донецьким ПромбудНДІпроектом були проведені натурні випробування восьми відсіків дев'ятиповерхових великопанельних і великоблочних будівель. Будівля була випробувана на вплив ступневих осідань основи з розташуванням уступів поперек.

Нами були проведені дві серії розрахунків, результати яких були зіставлені з результатами натурних випробувань. Мета цих розрахунків полягала в тім, щоб визначити можливість моделювання нерівномірних осад елементами визначеної жорсткості.

У першій серії основу розглядали як вінклеровську пружну модель.

У другій серії розрахунків основу моделювали у вигляді нелінійно-пружної системи. Як розрахункову залежність між тиском під підошвою фундаменту і осіданням основи була прийнята формула запропонована С.Н. Клепіковим:

. (1)

У натурних випробуваннях розглядали взаємодію зовнішньої поздовжньої стіни з основою. Стіна, для зменшення обсягу оброблюваної інформації, приведена до одномірної системи - балки, завантаженої рівномірно розподіленим навантаженням. Основу задавали окремими вертикальними стрижнями (мал. 1.). Як результати розрахунку фіксували:

- осад основи (окремо фіксували осад точки початку уступу);

- тиск під підошвою фундаменту.

1)

2)

3)

Мал. 1 Розрахункові моделі для прийнятих варіантів навантаження.

Модель основи Вінклера дає досить точні результати розрахунку осаду основи і тиску під підошвою фундаменту за умови, що:

- тиск під підошвою фундаменту не перевищує розрахункового опору ґрунту основи;

- коефіцієнт жорсткості основи визначений з достатнім ступенем вірогідності.

Застосування розрахункової схеми основи з нелінійним законом деформування доцільно у випадку:

- значного нерівномірного осаду основи;

- тиску під підошвою фундаменту, близький або перевищуючий розрахунковий опір ґрунту основи;

- при виникненні ситуації відриву підошви фундаменту від основи.

У четвертому розділі представлені результати моделювання кам'яної кладки та верифікація моделей по даним проведених іншими авторами фізичних експериментів і методиці розрахунку міцності кладки відповідно до норм проектування. На підставі опублікованих результатів випробувань зразків кладки були створені чисельні моделі, деформаційні властивості яких відповідають фізичним прототипам. Доповнивши отримані розрахункові моделі різними способами посилення кладки, була виконана оцінка ефективності останніх.

Усього моделювали 14 фізичних зразків:

1) чотири зразки (Ц1-Ц4), випробувані С.В. Макаровим на центральний стиск (розрахунковий опір кладки від 0,7 до 1,12 МПа);

2) чотири зразки (ОЦ1-ВЦ4), випробувані А.Г. Фігаровим на позацентровий стиск (ексцентриситет від 0 до 1/3 h);

3) шість зразків, чотири з яких (П1-П4), випробувані З.Г. Садиховим і два зразки (П5-П6), випробувані Ф.М. Оруджевим, на перекіс у площині простінка (чотири прямокутних, два квадратних, міцність розчину від 1,86 до 11,7 МПа).

Для зразків, випробуваних на центральний та позацентровий стиск, розглянуті наступні варіанти розрахункової моделі:

1) фізично нелінійна з експонентною залежністю ;

2) те ж, з кусочно-лінійною залежністю ;

3) лінійна з модулем деформації за даними фізичних випробувань;

4) те ж, з модулем деформації, обчисленим за методикою СНиП II-22-81 Каменные и армокаменные конструкции.

Вихідні дані для кусочно-лінійної залежності обчислювали по формулі, яка була запропонована С.В. Поляковим і В.И. Коноводченко:

(2)

Найбільш близькі до фізичного зразка результати при центральному та позацентровому стиску дає кусочно-лінійна залежність. Відносні деформації центрально стиснутих моделей при напругах, близьких до руйнуючих, відрізнялися від даних фізичних випробувань у середньому на 11 %. Моделі з лінійною залежністю і модулем деформації за даними випробувань дали занижені значення (у середньому на 30%). При використанні модуля деформацій, що рекомендується нормами, моделі кладок з маломіцним розчином (міцність до 1 МПа) дали так само занижені значення (у середньому на 14%). При більш міцному розчині відносні деформації були вище отриманих при випробуваннях у середньому на 46 %.

Моделювання позацентрово стиснутих зразків кладки показало, що, зі збільшенням ексцентриситету навантаження, росте відхилення значення від даних фізичного експерименту з 11 до 70% для нелінійної моделі і з 40 до 78 % для лінійної.

Результати випробувань фізичних зразків на перекіс показали, що руйнівне навантаження залежить від міцності кладки при розтяганні. При завданні останнього рівним розрахунковому опору головним розтягуючим напругам, руйнування відбувалося при навантаженні, яке склало в середньому 50% від руйнуючого за даними випробувань. Для одержання моделей, адекватних фізичним прототипам по руйнівному навантаженню і деформаціям при руйнуванні, були відкориговані значення початкового модуля деформацій і граничного значення напруги на розтягання. Останнє було збільшено в середньому в 2,3 рази, початковий модуль деформацій - в 2,5 рази.

Надалі, з використанням моделей, для яких напруги і деформації найбільш близькі до результатів випробування фізичних зразків, була виконана оцінка ефективності різних способів посилення кам'яної кладки.

Ці моделі були доповнені такими способами посилення:

1) вертикальне армування (210 А240 по бічних гранях);

2) діагональне армування (210 А240 по передній і задній гранях);

3) сталева обойма (50х50х5, планки 5х50);

4) двостороння залізобетонна оболонка (бетон В10) товщиною 50 мм зі сталевими зв'язками між оболонками (10А240 із кроком 500х500мм;

5) однобічна залізобетонна оболонка (бетон В10) товщиною 50 мм зі сталевими зв'язками між оболонкою та стіною (10А240 із кроком 500х500мм;

6) двостороння залізобетонна оболонка (бетон В10) товщиною 50 мм зі сталевими зв'язками між оболонками 10 А240 і бетонними шпонками 50 мм із кроком 500х500мм;

7) однобічна залізобетонна оболонка (бетон В10) товщиною 50 мм зі сталевими зв'язками між оболонкою та стіною (10А240 і бетонними шпонками із кроком 500х500мм (мал. 2).

На останні два способи посилення автором і науковим керівником отриманий патент України.

Мал. 2 Схема посилення кам'яної кладки залізобетонною оболонкою зі шпонками: 1 - стіна; 2 - бетон оболонки; 3 - арматурна сітка; 4 - скоба; 5 - шпонка; 6 - арматурний стрижень у тілі шпонки

Як результати розрахунків оцінювали напруги в елементах, моделюючих кладку при руйнуючому значенні навантаження для моделі без посилення, а по ступеню їхнього зниження - ефективність способу посилення.

При центральному та позацентровому стиску найбільш ефективними способами посилення є сталева обойма та залізобетонна оболонка. При дії головних розтягуючих напруг, сталева обойма стає неефективною.

Наявність шпонок при виконанні залізобетонної оболонки підвищує ефективність останньої на 12-19% при центральному та позацентровому стиску і на 16-22% при дії головних розтягуючих напруг. Наявність жорстких шпонок суттєво підвищує міцність контакту оболонка-стіна, особливо при маломіцному камені.

При навантаженні моделі будівлі навантаженнями, близькими або перевищуючими значення розрахункових, у несучій системі з'являться локальні пошкодження (зріз швів, тріщини в кладці). При цьому знижується загальна жорсткість будівлі та відбувається перерозподіл напруг між конструкціями. Запропоновано два способи урахування пошкоджень.

1) Визначення понижуючих коефіцієнтів для розрахункового опору кладки залежно від ступеня та місця розташування пошкодження за допомогою локальних моделей.

2) Оцінка двох варіантів розрахункової моделі. У першому випадку елементам, що моделюють кладку, призначений модуль деформації відповідно до норм по проектуванню кам'яних конструкцій. Цей варіант моделі дозволить одержати максимальні напруги в кладці. У другому варіанті модуль деформацій елементів, що моделюють кладку, знижений. Цим ураховується нелінійний характер деформування кладки при навантаженнях, близьких до руйнуючих, а так само поява пошкоджень кладки при сейсмічному впливі. Другий варіант розрахункової моделі дозволить отримати максимальні напруги в елементах, що моделюють залізобетонні включення стін будівлі або елементи посилення.

Для оцінки несучої здатності кам'яної кладки за результатами розрахунку МСЕ запропоновані дві методики перевірки. Перша - методика експрес-оцінки несучої здатності кладки по напругах у СЕ, що дозволяє оперативно виявити найнебезпечніші ділянки стін будівлі. Перерізи в цих зонах необхідно перевіряти за допомогою другої методики оцінки несучої здатності по реакціях у вузлах СЕ, що повністю відповідає діючим нормам по проектуванню кам'яних конструкцій.

При використанні першої методики, в результаті розрахунку несучої системи будівлі, одержуємо компоненти напруженого стану в СЕ. Для суми навантажень G1 (постійне), V1 (тимчасове тривале), V2 (короткочасне), S1 (сейсмічне по осі Х), S2 (сейсмічне по осі Y) і S3 (сейсмічне по осі Z) створюємо розрахункове сполучення навантажень (РСН). При цьому навантаження вводять у РСН із відповідними коефіцієнтами з розрахункових залежностей норм проєктування. Урахування коефіцієнтів у РСН дозволяє перейти до прямого порівняння напруг у СЕ з характеристиками міцності кладки.

Залежності для перевірки несучої здатності за різними критеріями мають наступний вигляд.

Несуча здатність при позацентровому стиску в площині простінка:

, (3)

де - максимальні нормальні стискаючі напруги в скінченних елементах перерізу по РСН-1 (табл. 1); - коефіцієнт, що враховує ступінь дискретизації конструктивного елемента на скінчені, прийнятий рівним при кількості СЕ в перерізі: 1 - 2.0, 2 - 1.52, 3 - 1.25, 4 - 1.14. Коефіцієнт дискретизації враховує непружну роботу стиснутої зони кладки і вплив на точність визначення напруг у СЕ ступеня дискретизації конструктивного елемента.

Несуча здатність при розтяганні по неперев'язаному перерізі (нормальне зчеплення):

, (4)

де - максимальні нормальні ростягуючи напруги в скінченних елементах перерізу РСН-2 (див. табл. 1), - розрахунковий опір кладки розтяганню.

Несуча здатність при зрізі по неперев'язаному перерізу:

, (5)

де - максимальне дотичне напруження в скінчених елементах перерізу по РСН-3 (див. табл. 1), - нормальна напруга в середньому по ширині перерізі простінка по РСН-3.

Несуча здатність по головних розтягуючих напругах:

, (6)

де - максимальне значення головних розтягуючих напруг в скінчених елементах перерізу по РСН-4 (див. табл. 1).

Таблиця 1

Значення коефіцієнтів сполучення

Навантаження	РСН-1	РСН-2	РСН-3	РСН-4
G1	0,747	0,9	0,45	0,81
V1	0,664	0,8	0,40	0,72
V2	0,415	0,5	0,25	0,45
S1	0,833	1,0	1,0	1,0
S2	0,833	1,0	1,0	1,0
S3	0,833	-1,0	-1,0	-1,0

Для другої методики в якості вихідних даних для перевірки несучої здатності простінка використовуємо компоненти реакцій у вузлах СЕ, розташованих у розрахунковому перерізі: зосереджені сили уздовж відповідних осей , , і зосереджений момент із площини простінка або залежно від розташування простінка.

При перевірці несучої здатності простінка на косий позацентровий стиск сумарна поздовжня сила в перерізі:

, (7)

Ексцентриситети сили в площині та із площини простінка:

, (8)

, (9)

де - крок вузлів при рівномірній сітці, - ширина простінка.

Площа стиснутої частини перерізу:

, (10)

де - товщина простінка.

Несуча здатність при зрізі. При розташуванні простінка в площині Y0Z або X0Z, значення поперечної сили визначають по формулах:

, (11)

або

. (12)

(13)

При чому, для позацентрового стиску з ексцентриситетами, що виходять за межі ядра перерізу (для прямокутних перерізів , ), у розрахункову площу перерізу включається тільки площа стиснутої частини перерізу , що визначається по формулі (10).

Несуча здатність по головних розтягуючих напругах:

. (14)

Запропоновані методики оцінки несучої здатності кладки за результатами скінченоелементного розрахунку були веріфіковані по нормах розрахунку кам'яних конструкцій. На прикладі косого позацентрового стиску було виконано наступне. Розглядаємо простінок, схема якого показана на мал. 3.

Мал. 3 Розрахункова схема перерізу при косому позацентровому стиску

У результаті розрахунку по нормах отримані максимальні значення розрахункової поздовжньої сили при вигині простінка із площини (328 кН) і в площині (344 кН). Потім була створена скінченоелементна модель із аналогічними геометричними характеристиками (мал. 4).

Мал. 4 Варіанти розрахункової моделі простінка

При використанні в якості вихідних даних для перевірки несучої здатності простінка на позацентровий стиск напруг у СЕ, на точність розрахунку впливає ступінь дискретизації конструктивного елемента на СЕ. Цей недолік відсутній, якщо в якості результатів розрахунку використовувати реакції у вузлах СЕ.

П'ятий розділ присвячений методиці розробки просторових розрахункових моделей несучих систем кам'яних будівель і їхній верифікації.

Виконано аналіз впливу на зусилля в елементах, що моделюють простінок, способу сполучення елементів стін і перекриттів і урахування послідовності зведення будівлі. Оцінювали вплив жорсткості вузла і ексцентриситету опорної реакції елементів перекриттів при передачі навантаження на стіни. Отримані результати показали, що найбільш адекватною є модель, у якій елементи, що моделюють перекриття, з'єднують із елементами стін за допомогою абсолютно жорстких стрижнів. Довжина останніх дорівнює фактичному ексцентриситету. При розрахунку рекомендується враховувати послідовність зведення і навантаження будівлі.

Для ілюстрації методики експрес-оцінки несучої здатності кладки по напругах у СЕ представлений розрахунок 9-ти поверхової каркасно-кам'яної будівлі (мал. 5). Виконано перевірку несучої здатності кладки на позацентровий стиск, зріз і дію головних розтягуючих напруг. Отримані результати показали, що в окремих простінках 9-го поверху головні розтягуючи напруги, перевищують розрахунковий опір кладки (мал. 6). Зазначені простінки необхідно перевірити по більш точній методиці з використанням реакцій у вузлах СЕ.

Мал. 5 Загальний вид розрахункової моделі

Виконані роботи показали високу ефективність моделювання просторової несучої системи будівлі з подальшою її верифікацією із даними спостережень. Як приклади можна навести обґрунтування посилення фундаментів кутової секції 9_ ти поверхової великопанельної будівлі по вул. Дружби в м. Сімферополі.

В іншому випадку при провадженні робіт по статичному випробуванню плити перекриття були отримані графіки теоретичних і фактичних прогинів, які мали однаковий характер, що свідчить про відповідність розглянутої моделі та схеми її навантаження випробовуваної конструкції. Однак значення прогинів, отриманих з розрахунку, в 2-3 рази перевищували фактичні. Було показано, що, якщо модель плити буде враховувати розподіл напруг по товщині конструкції, то картина деформацій буде іншою. При дослідженні НДС перекриттів необхідно враховувати вплив жорсткості вертикальних конструкцій, у тому числі арковий ефект у плитах і виникнення розпору. Вплив аркового ефекту можна простежити на елементарних моделях і врахувати за допомогою коефіцієнтів до результатів розрахунку загальної моделі.



Мал. 6 Головні розтягуючи напруги, по РСН-4

При комплексному обстеженні будинків на Великому марьїнському зсуві досліджували 5_ ти поверхові будівлі, розташовані на активізованому, але малорухомому зсуві. Будівлі мають аварійні пошкодження. Норми в такій ситуації передбачають заходи щодо стабілізації зсуву. І, вже при відсутності нерівномірних деформацій основи, розглядається питання про подальшу експлуатацію будівлі.

Просторова розрахункова модель будівлі була веріфікована по тріщинах у реальному об'єкті. У результаті аналізу були прийняті найнебезпечніші схеми руйнування і значення граничних розтяжних зусиль, при досягненні яких розшивали вузли для моделювання утворення тріщини.

У результаті пошкоджень (зріз швів у вузлах обпирання перемичок на стінові блоки, сколювання кутів блоків, розколювання блоків по висоті) піддатливість будівлі збільшилася в 25 разів. Через це, навіть невеликі зсувні тиски порядку 0,2...1,0 т/м можуть викликати нерівномірні горизонтальні переміщення 50…500 мм.

За результатами розрахунків була запропонована схема посилення шляхом збільшення жорсткості та міцності цокольної частини будівлі.

Таким чином чисельна скінченоелементна модель несучої системи будівлі є інструментом обстеження та прийняття рішень про посилення. Схема обстеження на базі чисельного моделювання несучої системи представлена на мал. 7.

Рис. 7 Схема обстеження кам'яних будівель на базі чисельного моделювання несучої системи

ВИСНОВКИ

1. На сьогодні відсутня методика оцінки несучої здатності кам'яних конструкцій за результатами розрахунку просторових моделей МСЕ на поширених програмних засобах у випадку складного напруженого стану.

2. Розроблено методику розрахунково-аналітичної оцінки несучої здатності кладки по розрахункових сполученнях навантажень скінченоелементного розрахунку, що дозволяє оперативно виявити найнебезпечніші ділянки стін будівлі. Перерізи в цих зонах необхідно перевіряти за допомогою розробленої методики оцінки несучої здатності по реакціях у вузлах СЕ, що повністю відповідає діючим нормам по проектуванню кам'яних конструкцій.

3. Методом чисельного експерименту обґрунтовані ефективні способи посилення кладки залежно від виду НДС. Якщо несуча здатність визначається міцністю при позацентровому стиску, то вузькі простінки доцільно підсилювати сталевими обоймами. Останні є неефективними для широких простінків, а так само при сейсмічному впливі, коли руйнування відбувається в результаті дії головних розтягуючих напруг. У цьому випадку раціонально виконати посилення залізобетонними оболонками.

4. Запатентовано спосіб устрою залізобетонних оболонок із жорсткими шпонками. Конструктивне рішення дозволяє надійно з'єднати кладку із оболонкою посилення та підвищити ефективність останнього.

5. Методом чисельного експерименту обґрунтовані способи розрахунку кам'яних будівель з використанням просторових моделей, що враховують наявність пошкоджень у конструкціях, вплив на внутрішні зусилля послідовності зведення будівлі, фактичне з'єднання перекриттів і стін.

6. Обґрунтовано необхідність і ефективність верифікації розрахункової моделі по фізичному прототипу на підставі результатів обстеження, фізичних експериментів, нормованих розрахунків.

7. Методики оцінки несучої здатності кам'яних конструкцій за результатами розрахунку МСЕ впроваджені в практику нового проектування та при обстеженні і розробці рекомендацій з реконструкції існуючих будівель.

8. Розроблено послідовність і методика застосування чисельного моделювання в процесі обстеження і науково-технічного супроводу реконструкції. Сучасні програмні засоби чисельного аналізу конструкцій є ефективним інструментом розрахунково-аналітичної оцінки технічного стану і ефективності посилення будівель.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Белавский В.А. Методики численного моделирования несущих систем зданий в сейсмических районах на программном комплексе «Лира». / В.А. Белавский, М.В. Васильев, Ю.П. Линченко, А.Ю. Линченко // Міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць (будівництво) / НДІБК. 2006. Вып. 64. с. 727-730.

2. Васильев М.В. Моделирование стержневых несущих систем с учетом образования пластических шарниров средствами программного комплекса Recon. / М.В. Васильев // Сб. науч. трудов КИПКС. Симферополь: Таврия, 1997. с. 161-169.

3. Васильев М.В.. Моделирование напряженно-деформированного состояния системы «основание-сооружение» при воздействии оползня./ М.В. Васильев // Сб. науч. трудов КАПКС. Строительство и техногенная безопасность. 2001. Выпуск 4. с. 64-70.

4. Васильев М.В.. Модель основания при оползневых воздействиях. / М.В. Васильев // Сб. науч. трудов КАПКС. Строительство и техногенная безопасность. 2001. Выпуск 5. с. 39-43.

5. Васильев М.В.. Расчетная модель основания при неравномерных осадках здания с учетом нелинейных свойств грунта. / М.В. Васильев // Сб. науч. трудов КАПКС. Строительство и техногенная безопасность. 2002.Выпуск 7. с. 135-141.

6. Васильев М.В.. Увеличение жесткости цокольной части здания на оползнеопасных территориях. / Сб. науч. трудов КАПКС. Строительство и техногенная безопасность. 2002.Выпуск 6. с. 158-161.

7. Линченко Ю.П. Анализ прочности каменной кладки по результатам расчета НДС на ПК Лира при косом внецентренном сжатии. / Ю.П. Линченко, М.В. Васильев. // Сб. науч. трудов КАПКС. Строительство и техногенная безопасность. 2003. Выпуск 8. с. 31-36.

8. Линченко Ю.П. Расчет прочности каменных конструкций при сейсмическом воздействии по результатам анализа НДС на ПК "Лира". / Ю.П. Линченко, М.В. Васильев. // Міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць (будівництво) / НДІБК. 2004. Вып. 60. с. 255-259.

9. Линченко Ю.П. Метод анализа прочности каменных конструкций реконструируемых зданий в сейсмических районах на ПК «Лира» / Ю.П. Линченко, В.А. Белавский, М.В. Васильев // Сб. науч. трудов НАПКС. Строительство и техногенная безопасность. 2005. Выпуск 10. с. 38-42.

10. Линченко Ю.П. Дефекты незавершенного здания из монолитного железобетона и предложения по их оценке. / Ю.П. Линченко, М.В. Васильев. // Сб. науч. трудов НАПКС. Строительство и техногенная безопасность. 2005. Выпуск 12. с. 32-36.

11. Линченко Ю.П. Расчетная модель панельного здания при неравномерной осадке с усиленным основанием. / Ю.П. Линченко, М.В. Васильев. // Сб. науч. трудов КИПКС. Строительство и техногенная безопасность. Симферополь: Таврия, 1999. с. 3…8.

12. Линченко Ю.П. Особенности работы плиты перекрытия здания из монолитного железобетона. / Ю.П. Линченко, М.В. Васильев. // Сб. науч. трудов НАПКС. Строительство и техногенная безопасность. 2005. Выпуск 11. с. 28-32.

13. Пат. 14384 Україна, МПК (2006) Е04В 2/00. Спосіб посилення стін залізобетонними оболонками / Ю.П. Лінченко, М.В. Васил`єв; заявник Національна академія природоохоронного та курортного будівництва. № u 2005 10796; заявл. 15.11.2005; опубл. 15.05.2006, Бюл. № 5.

14. Линченко Ю.П. Расчетные модели зданий на неравномерно деформируемом оснований и их идентификация. Ю.П. Линченко, М.В. Васильев. // «Будівництво в сейсмічних районах України»: IV Науково-технічна конференція, 18_21 травня 1999 р.: доповіді. Ялта, 1999. с. 250-251.

Аннотация

Васильев М.В. Обследование и усиление каменных зданий на базе численного моделирования несущих систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Национальная академия природоохранного и курортного строительства. Симферополь, 2009.

Данная работа посвящена численному моделированию несущих систем каменных зданий для определения напряженно-деформированного состояния кладки и проверки ее несущей способности, как при новом проектировании, так и при оценке технического состояния существующих зданий. Объектом исследования является расчетная модель каменной кладки. Методом исследования для решения поставленных задач является численный эксперимент. В работе проведено 4 группы численных экспериментов:

1. Исследование способов закрепления расчетной модели здания в пространстве (модель «здание-основание»).

2. Моделирование каменной кладки с учетом нелинейных свойств материалов и верификация моделей по данным проведенных ранее физических экспериментов.

3. Исследование влияния на расчетную модель здания способов сопряжения элементов, моделирующих кладку стен и конструкции перекрытий, а также последовательности возведения здания.

4. Исследование эффективности различных способов усиления каменной кладки.

Для оценки несущей способности каменной кладки по результатам расчета МКЭ предложены две методики проверки. Первая - методика расчетно-аналитической оценки несущей способности кладки по расчетным сочетаниям нагрузок конечноэлементного расчета, позволяющая оперативно выявить наиболее опасные участки стен здания. Сечения в этих зонах необходимо проверять при помощи разработанной методики оценки несущей способности по реакциям в узлах КЭ, которая полностью соответствует действующим нормам по проектированию каменных конструкций.

Проведенные численные эксперименты показали, что винклеровская модель основания дает достаточно точные результаты расчета осадок основания и давления под подошвой фундамента при условии, что:

- давление под подошвой фундамента не превышает расчетного сопротивления грунта основания;

- коэффициент жесткости основания определен с достаточной степенью достоверности.

Применение расчетной схемы основания с нелинейным законом деформирования целесообразно в случае:

- значительных неравномерных осадок основания;

- давления под подошвой фундамента, близкого или превышающего расчетное сопротивление грунта основания;

- при возникновении ситуации отрыва подошвы фундамента от основания.

Установлено, что при центральном и внецентренном сжатии наиболее эффективными способами усиления являются стальная обойма и железобетонная рубашка. При действии главных растягивающих напряжений стальная обойма становится неэффективной. Запатентованная методика усиления при помощи железобетонных оболочек с жесткими шпонками позволяет обеспечить надежное соединение кладки с усилением и включение последнего в работу.

При загружении модели здания нагрузками, близкими или превышающими значение расчетных, в несущей системе появятся локальные повреждения (срез швов, трещины в кладке). При этом снижается общая жесткость здания и происходит перераспределение напряжений между конструкциями. Предложены два способа учета повреждений.

1) Определение, при помощи локальных моделей, понижающих коэффициентов для расчетного сопротивления кладки в зависимости от степени и месторасположения повреждения.

2) Рассматривают два варианта расчетной модели. В первом случае элементам, моделирующим кладку, назначен модуль деформации в соответствии с рекомендациями норм по проектированию каменных конструкций. Этот вариант модели позволит получить максимальные напряжения в кладке. Во втором варианте - модуль деформаций элементов, моделирующих кладку, понижен. Этим учитывается нелинейный характер деформирования кладки при нагрузках близких к разрушающим, а так же появление повреждений в кладки при сейсмическом воздействии. Второй вариант расчетной модели позволит получить максимальные напряжения в элементах, моделирующих железобетонные включения стен здания или элементов усиления.

Выполнен анализ влияния на усилия в элементах, моделирующих простенок, способа сопряжения элементов стен и перекрытий и учета последовательности возведения здания. Оценивали влияние жесткости узла и эксцентриситета опорной реакции элементов перекрытий при передаче нагрузки на стены. Полученные результаты показали, что наиболее адекватной является модель, в которой элементы, моделирующие перекрытия соединяют с элементами стен при помощи абсолютно жестких стержней. Длина стержней равна фактическому эксцентриситету. При расчете рекомендуется учитывать последовательность возведения и нагружения здания.

Обоснована необходимость и эффективность верификации расчетной модели по результатам обследования несущей системы здания. На основе комплекса экспериментальных данных и программных средств анализа несущих систем МКЭ строят пространственную модель (расчетную схему) несущей системы здания. Анализ результатов расчета выявляет несоответствие параметров модели данным натурных наблюдений. Далее производят коррекцию параметров и структуры расчетной модели, вводят повреждения конструкций и узлов сопряжения. Методом итерации получаем модель заданной точности. Необходимо отметить, что верифицированная модель адекватна лишь в период наблюдения за объектом. Однако адекватная модель позволяет рассмотреть объект в ретроспективе, а также сделать экстраполяцию его при изменении внешних условий.

Ключевые слова: каменные конструкции, численная модель, адекватность модели, обследование, усиление, несущая способность.

АНОТАЦІЯ

Васил`єв М.В. Обстеження й посилення кам'яних будівель на базі чисельного моделювання несучих систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Національна академія природоохоронного та курортного будівництва. Сімферополь, 2009.

Дана робота присвячена чисельному моделюванню несучих систем кам'яних будівель для визначення напружено-деформованого стану кладки та перевірки її несучої здатності, як при новому проектуванні, так і при оцінці технічного стану існуючих будівель.

Розроблено методику розрахунково-аналітичної оцінки несучої здатності кладки по розрахункових сполученнях навантажень скінченоелементного розрахунку, що дозволяє оперативно виявити найнебезпечніші ділянки стін будівлі. Перерізи в цих зонах необхідно перевіряти за допомогою розробленої методики оцінки несучої здатності по реакціях у вузлах скінчених елементів, що повністю відповідає діючим нормам по проектуванню кам'яних конструкцій.

Запатентовано методику посилення за допомогою залізобетонних оболонок із жорсткими шпонками, що дозволяє забезпечити надійне з'єднання кладки з посиленням і включення останнього в роботу.

Обґрунтовано необхідність і ефективність верифікації розрахункової моделі за результатами обстежень, фізичних експериментів, нормованих методів розрахунку.

Ключові слова: кам'яні конструкції, чисельна модель, адекватність моделі, обстеження, посилення, несуча здатність.

The summary

Vasil'yev M. Inspection and strengthening of stone buildings on basis the computational modeling structural layout of buildings. - Typescript.

Thesis for candidate technical sciences degree by specialty 05.23.01 -Bulding constructions, building and structure. National academy of nature preserve and resort building. Simferopol, 2009.

This thesis is devoted to problems of computational modeling structural layout of stone buildings for determination of deflected mode and bearing capacity of laying. These problems are solved in course of construction and technical diagnosis of existing buildings.

The methodic design-analytical estimation of bearing capacity stone laying according to design combinations loads of finite elements calculation is elaborated. This methodic is find the dangerous section of stone walls and estimate the bearing capacity of stone laying by reactions in nodes of finite elements.

The methodic of strengthening by reinforce concrete shells with tough dowels is patenting. This methodic is create safe connection and launch an exploitation stone laying with construction of strengthening.

The idea of necessity and verification projected models the structural layout of buildings by result of technical diagnosis was proposed and validated.

Key words: masonry cost ructions, computational modeling, adequacy of model, investigation, strengthening, bearing capacity.

Размещено на Allbest.ru

...