К вопросу об усилении коротких балок на упругом основании Фусса-Винклера

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

К вопросу об усилении коротких балок на упругом основании Фусса-Винклера

Бакушев Сергей Васильевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Механика»

Аннотация

Данная статья посвящена вопросам усиления коротких балок на упругом основании Фусса-Винклера путём подведения дополнительной шарнирной опоры в середине пролёта. Рассмотрены балки со свободными концами, с одним закреплённым концом и двумя закреплёнными концами. Показано, что подведение опор под концы свободно лежащей балки приводит к уменьшению её несущей способности. Подведение дополнительной шарнирной опоры под середину пролёта балки с разными условиями закрепления концов приводит к неоднозначному решению о повышении или понижении её несущей способности.

Ключевые слова: запас прочности, короткие балки, несущая способность, опорные конструкции, упругое основание Фусса-Винклера, усиление балок

Введение

Первые три пункта 1.1, 1.2, 1.3 ГОСТ 27751-88 «Надёжность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчёту» 2003 года выпуска [1] определяют основы расчёта строительных конструкций и основания:

1.1.Строительные конструкции и основания должны быть запроектированы таким образом, чтобы они обладали достаточной надёжностью при возведении и эксплуатации с учётом, при необходимости, особых воздействий (например, в результате землетрясения, наводнения, пожара, взрыва).

1.2. Основным свойством, определяющим надёжность строительных конструкций, зданий и сооружений в целом, является безотказность их работы - способность сохранять заданные эксплуатационные качества в течение определённого срока службы.

1.3. Строительные конструкции и основания следует рассчитывать по методу предельных состояний, основные положения которого должны быть направлены на обеспечение безотказной работы конструкций и оснований с учётом изменчивости свойств материалов, грунтов, нагрузок и воздействий, геометрических характеристик конструкций, условий их работы, а также степени ответственности (и народнохозяйственной значимости) проектируемых объектов, определяемой материальным и социальным ущербом при нарушении их работоспособности.

Безопасность эксплуатации зданий и сооружений обеспечивается надёжной совместной работой системы “основание - фундамент - надземные конструкции”, несмотря на то, что составляющие этой системы рассчитываются и проектируются, вообще говоря, независимо. Проектирование оснований и фундаментов выполняется в частности в соответствии с нормативным документом [2]. Для проектирования и расчёта надземной части сооружения имеются другие нормативные документы, предназначенные, в частности, для металлических конструкций, железобетонных конструкций, деревянных конструкций и так далее.

Появление трещин либо значительных деформаций в ограждающих и несущих конструкциях вплоть до разрушения строения являются следствием полного или частичного нарушения надёжной работы элементов системы “основание - фундамент - надземные конструкции”.

Отказы оснований возникают за счёт проявления природных и техногенных процессов, а также за счёт отклонений от нормативных документов, допускаемых при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации. Основными причинами отказов, в частности, являются [3]:снижение прочностных и деформационных свойств грунтов при увлажнении, и также проявление процесса набухания грунта, морозное пучение, плывунность грунтов и так далее;

проведение земляных работ в пределах или вблизи застройки, прокладка коммуникаций;

увеличение нагрузок на основание, особенно сопровождаемое появлением эксцентриситета их приложений;

вибрационные или динамические воздействия от авто- и железнодорожного транспорта, линий метрополитена, оборудования, установленного в сооружениях и промышленных установок, расположенных вблизи. Состояние фундаментов во многом определяет надёжность и долговечность зданий и сооружений. При реконструкции, восстановлении и перепрофилизации существующих гражданских и промышленных зданий достаточно часто приходится выполнять работы по усилению фундаментов.

Укрепление и усиление фундаментов проводят в случаях: снижения прочности материала фундамента в результате его разрушения, физического и химического выветривания или износа;

при реконструкции здания, вызывающей увеличение нагрузок или появление дополнительных воздействий, например, вибрации от оборудования;

при новом строительстве рядом расположенного здания, подземного сооружения, прокладке коммуникаций и тому подобное;

при появлении чрезмерных деформаций в конструкциях, общем крене здания.

Следует отметить, что при реконструкции фундаментов отсутствует возможность разработки типовых схем усиления. Схемы усиления должны приниматься в каждом конкретном случае в зависимости от нагрузок на фундаменты, наличия подвала и других подземных сооружений, инженерно-геологических и гидрогеологических условий и так далее. Работы по усилению фундаментов и подземных сооружений в сложных условиях должны проводиться при научном сопровождении специализированной научно-исследовательской организации.

Усиление оснований и фундаментов осуществляется при реконструкции зданий или сооружений или ликвидации их аварийных осадок. При этом может оказаться, что [4]:

- реконструкция существующих зданий сопровождается увеличением постоянных и временных нагрузок при отсутствии резерва несущей способности грунтов основания;

- реконструкция соседних зданий или уплотнительная застройка в городе влияют на активную зону основания рассматриваемого здания;

- освоение подземного пространства при реконструкции центра города захватывает активную зону основания существующего здания;

- естественный физический износ фундамента здания в результате длительной его эксплуатации превышает 60%;

- допущены нарушение технологии ведения работ нулевого цикла, недооценка сложности инженерно-геологических условий при проектировании.

Повышение несущей способности оснований и фундаментов при реконструкции может быть обеспечено за счёт усиления и изменения конструкции или размера фундамента; закрепления грунтов основания инъектированием, механическим уплотнением, армированием.

Нормы проектирования предусматривают следующие методы усиления фундаментов [3]:

- укрепление тела фундамента путём инъекций, которое применяется при небольших разрушениях материала фундамента и незначительном повышении нагрузок на фундаменты;

- устройство обойм без уширения или с уширением подошвы фундамента;

- подведение конструктивных элементов (плит, столбов, стен) под существующие фундаменты, осуществляемое при необходимости повышения несущей способности основания или углубления фундаментов;

- подведение новых фундаментов с использованием, главным образом, свай различных видов - вдавливаемых, буронабивных, буроинъекционных, бурозавинчивающихся и так далее, которое осуществляется при значительном увеличении нагрузок и значительной глубине залегания несущего слоя грунта;

- переустройство столбчатых фундаментов в ленточные и ленточных в плитные;

- устройство щелевых (шлицевых) фундаментов.

Техническая эффективность усиления фундаментов реконструируемых и аварийных зданий оценивается по материалам геодезического наблюдения за их осадками и кренами. Уменьшение скорости осадок и полная их стабилизация достигаются после включения в работу усилительных элементов. Инструментальное геодезическое наблюдение за осадками и кренами производится в течение года после завершения всех работ по реконструкции и ликвидации аварии и приложения всех нагрузок.

Следует учитывать, что любые работы по усилению оснований и изменению конструкций фундаментов неизбежно вызывают, при их осуществлении, деформации оснований и осадки фундаментов. Более того, как показывают исследования, изменение расчётной схемы фундаментных балок может привести к ухудшению их работы.

1. Основная часть

балка шарнирный опора несущий

Рассмотрим короткую балку на упругом основании Фусса-Винклера. Балка находится под действием системы двух сосредоточенных сил и собственного веса (рис. 1).

Соотношение геометрических размеров поперечного сечения задано следующим:

.

Материал стержня одинаково сопротивляется растягивающим и сжимающим напряжениям. Требуется: I. Подобрать сечение балки для различных случаев закрепления её концов: a. Левый и правых концы балки свободны от опор.

b. Левый конец балки имеет шарнирное опирание, правый - свободен от опоры.

c. Левый конец балки свободен от опоры, правый - жёстко защемлён.

d. Левый конец балки жёстко защемлён, правый - имеет шарнирное опирание.

II. Подобрать сечение балки при её усилении путём подведения дополнительной шарнирно-неподвижной опоры в середине пролёта (рис. 2).

III. Оценить результаты усиления балки на упругом основании Фусса-Винклера. Вопросы усиления балок на упругом основании Фусса-Винклера путём подведения опорных конструкций под концы свободно лежащей балки рассматривались в работе [5].

Исходные данные:- ; ; ;

- коэффициент постели ;

- модуль упругости материала стержня ;

- расчётное сопротивление по нормальным напряжениям ;

- расчётное сопротивление по касательным напряжениям ;

- допускаемый прогиб стержня ;

- ; ; ; ;

- коэффициент надёжности по нагрузке:o для сосредоточенных сил ;

o для распределённой нагрузки - коэффициент условий работы .

Поперечное сечение балки показано на рис. 3.

Расчёты выполнялись методом начальных параметров с использованием функций А.Н. Крылова. При этом вычислялись геометрические размеры поперечного сечения исходя из условия, что запас прочности по нормальным напряжениям не должен превосходить 0,5%. Кроме того определялся запас прочности по касательным напряжениям и запас по жёсткости. Результаты расчётов сведены в табл. 1 и 2.

В таблице 1 приведены типы балок, геометрические размеры их поперечных сечений, а также запасы прочности по нормальным и касательным напряжениям, и запас по жёсткости. Как следует из табл. 1 установка любого вида опоры под конец свободно лежащей балки приводит к понижению её несущей способности, поскольку размеры сечения для восприятия той же нагрузки приходится увеличивать.

Из таблицы 1 также следует, что наибольшим запасом по жёсткости имеет балка с жёстким защемлением на одном конце и шарнирным опиранием на другом. Наименьший запас по жёсткости имеет балка со свободными концами.

Таблица 1 Расчёт без промежуточной опоры

В таблице 2 приведены величины запасов прочности по нормальным напряжениям указанных типов балок, если для данной балки с фиксированными геометрическими размерами поперечного сечения изменять типы закрепления её концов. Из табл. 2 также следует, что установка любого вида опоры под конец свободно лежащей балки приводит к понижению её несущей способности.

Таблица 2 Расчёт без промежуточной опоры

В таблице 3 приведены типы балок с дополнительной шарнирной опорой в середине пролёта, геометрические размеры их поперечных сечений, а также запасы прочности по нормальным и касательным напряжениям, и запас по жёсткости.

Таблица 3 Расчёт с промежуточной опорой

Как следует из таблиц 1 и 3, усиление балки со свободными концами путём установки промежуточной шарнирной опоры в середине пролёта приводит к понижению её несущей способности. Этот же вывод справедлив и для балки с шарнирной опорой на одном из концов, то есть установка дополнительной шарнирной опоры в середине пролёта балки с шарнирным опиранием одного из концов приводит к понижению её несущей способности. Такой же результат мы наблюдаем и для балки с жёстким защемлением на одном из концов: установка дополнительной шарнирной опоры в середине пролёта балки с жёстким защемлением одного из концов приводит к понижению её несущей способности. Что касается балки с жёстким защемлением одного из её концов и шарнирным опиранием на другом её конце, то при её усилении шарнирной опорой в середине пролёта, её несущая способность повышается.

Если балку со свободными концами усилить промежуточной шарнирной опорой в середине пролёта, а потом закрепить один из её концов шарнирной опорой, то её несущая способность увеличится; если же один из её концов закрепить жёстким защемлением, то её несущая способность уменьшится; если один из её концов жёстко защемить, а на другом установить шарнирную опору, то её несущая способность увеличится.

Для балок с дополнительной опорой наибольшим запасом по жёсткости, как это следует из таблицы 3, имеет балка с жёстким защемлением на одном конце и шарнирным опиранием на другом. Наименьший запас по жёсткости имеет балка с шарнирной опорой на одном конце. В таблице 4 приведены величины запасов прочности по нормальным напряжениям указанных типов балок с одной промежуточной шарнирной опорой в середине пролёта, если для данной балки с фиксированными геометрическими размерами поперечного сечения изменять типы закрепления её концов. При этом, по сравнению с балкой со свободными концами, несущая способность балки с шарнирным закрепление на одном конце и балки с шарнирным закрепление на одном конце и жёстким на другом - увеличивается в то время как несущая способность балки с жёстким защемление на одном конце уменьшается.

Таблица 4 Расчёт с промежуточной опорой

Заключение

Численные расчёты коротких балок на упругом основании Фусса-Винклера показывают:1. Усиление свободно лежащей на упругом основании Фусса-Винклера балки любыми типами концевых опор приводит к понижению её несущей способности.

2. Усиление свободно лежащей на упругом основании Фусса-Винклера балки промежуточной шарнирной опорой приводит к понижению её несущей способности.

3. Усиление балки с любой опорой на одном конце, лежащей на упругом основании Фусса-Винклера, шарнирной опорой в середине пролёта, приводит к понижению её несущей способности.

4. Усиление балки с любыми видами опор на концах, лежащей на упругом основании Фусса-Винклера, шарнирной опорой в середине пролёта приводит к повышению её несущей способности.Выполненные расчёты и их анализ показывает, что, решение об изменении расчётной схемы коротких (фундаментных) балок при реконструкции зданий следует принимать с осторожностью и тщательно обосновывать прочностными расчётами принятое проектное решение.

Библиографический список

1. ГОСТ 27751-88. Надёжность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчёту. М., 2003, 4 с.

2. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*, М., 2011, 166 с.

3. Рекомендации по проектированию и устройству оснований, фундаментов и подземных сооружений при реконструкции гражданских зданий и исторической застройки / М.: МОСКОМАРХИТЕКТУРА., 1998, 57 с.

4. Система нормативных документов в строительстве московские городские строительные нормы основания, фундаменты и подземные сооружения/ МГСН 2.07-97, М., 1998, 81 с.

5. Бакушев С.В. К вопросу об усилении балок на упругом основании Фусса-Винклера / Безопасность и эффективность строительных конструкций [Текст]: сб. статей Международ. науч.-технической конф. - Пенза: ПГУАС, 2011. - 16-19с.

Размещено на Аllbest.ru