Банах Андрій Вікторович. Вплив динамічних дій на міцність і комфортність будівель, що експлуатуються у складних інженерно-геологічних умовах

Короткий опис

Запорожская государственная инженерная академия
На правах рукописи
Банах Андрей Викторович
УДК 624.042.8:624.046:624.131.5
ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПРОЧНОСТЬ И КОМФОРТНОСТЬ ЗДАНИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: Кулябко Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор
Запорожье - 2011

2
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
Раздел 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕ¬ДОВАНИЯ 13
1.1. Общие положения 13
1.2. Факторы, влияющие на прочность и комфортность зданий 14
1.3. Динамические воздействия на здания и способы их учета 17
1.4. Расчетные модели зданий при динамических воздействиях и
их особенности 23
1.5. Выводы 33
Раздел 2. УЧЕТ СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЯХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗДА¬НИЙ С ОСНОВАНИЯМИ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИ¬ЯХ 35
2.1. Общие положения 35
2.2. Сложные инженерно-геологические условия и их влияние на эксплуатируемые здания при динамических воздействиях 36
2.3. Деформированная схема здания и ее учет в динамических рас¬четных моделях 49
2.4. Способы передачи динамических воздействий через грунто¬вые основания 61
2.5. Выводы 65
Раздел 3. ВЛИЯНИЕ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЧНОСТИ И КОМФОРТ¬НОСТИ ЗДАНИЙ МЕХАНИЗМА ПЕРЕДАЧИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ЧЕРЕЗ ГРУНТОВЫЕ ОСНОВАНИЯ 67
3.1. Общие положения 67
3.2. Моделирование передачи динамических воздействий через грунт в расчетных моделях взаимодействия зданий с основаниями 71

3
3.3. Влияние на здания динамических воздействий от источников, расположенных в грунтовой толще 88
3.4. Учет совместной работы зданий с основаниями при искус¬ственном улучшении их свойств в сложных инженерно -геологических услови- 104
ях
3.5. Выводы 114
Раздел 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЧНОСТИ И КОМ¬ФОРТНОСТИ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЗДАНИЙ ПРИ ТЕХНОЛОГИ¬ЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ И ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ ИХ МО¬ДЕЛЕЙ 118
4.1. Общие положения 118
4.2. Влияние пространственной работы конструкций на показатели прочности и комфортности эксплуатируемых зданий при динамических воздействиях 120
4.3. Особенности динамических расчетов зданий на технологиче - ские воздействия при реконструкции 127
4.4. Проверка адекватности предлагаемых динамических моделей
по результатам натурных наблюдений и экспериментов 139
4.5. Выводы 142
Раздел 5. МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕ¬ЛЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С ОСНОВА¬НИЯМИ И ПРИМЕРЫ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ 145
5.1. Методика формирования динамических моделей зданий, экс¬плуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях, и реко¬мендации по ее применению 145
5.2. Расчет жилого 16-этажного каркасного здания на динамиче¬скую составляющую ветровой нагрузки 151
5.3. Расчет жилых 23-этажных монолитных каркасных зданий на

4
динамические воздействия 154
5.4. Расчет каркасного производственного здания совместно с ос¬нованием на динамическую импульсную нагрузку от технологического оборудования 159
5.5. Расчет металлической дымовой трубы высотой 72 м с учетом
деформированной схемы 166
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 173
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 177
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Справки о принятии к использованию результатов
научных исследований 198
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Перспективные направления дальнейших научных исследований 203

Список літератури

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

176

1. В работе сформулированы (на основании теоретических исследований, натурных обследований и численных экспериментов) основные положения ин­женерной методики формирования адекватных динамических моделей зданий (сооружений), эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических услови­ях, для выполнения расчетов конечноэлементными программными комплекса­ми с целью унификации расчетов строительных объектов при различных видах динамических воздействий, в различных условиях и на различных стадиях жизненного цикла зданий (сооружений). Показано влияние неравномерно- деформируемых оснований зданий (сооружений) на их динамическую реакцию и параметры напряженно-деформированного состояния.

2. Учет деформированной схемы при возможности возникновения нерав­номерных деформаций грунтовых оснований проектируемых зданий и наличии деформаций эксплуатируемых зданий позволяет более достоверно оценить ди­намические характеристики и параметры напряженно-деформированного со­стояния их конструкций при динамических воздействиях. Результаты сопостав­ления параметров напряженно-деформированного состояния, а именно пере­мещений узлов исследованных расчетных моделей 5- и 9-этажных бескаркас­ных зданий, показали, что учет предварительных деформаций при динамиче­ских расчетах зданий и сооружений приводит к увеличению перемещений на 12,5.33,3 % для моделей с учетом грунтового основания специальными ко­нечными элементами, и на 0,6.12,5 % для моделей с учетом основания в виде грунтового массива, представленного объемными конечными элементами.

3. Для корректного моделирования передачи на здание динамических воздействий, распространяющиеся через дорожное покрытие и поверхностные слои грунта, для бескаркасных зданий высотой до 9 этажей с длительным сро­ком эксплуатации достаточно упрощенной модели грунтового массива из про­странственных конечных элементов, но с учетом односторонних упругих свя­зей между элементами фундамента и грунта. Моделирование основания, кото­

177

рое учитывается введением односторонних упругих связей в узлы контакта мо­дели здания с основанием, рекомендовано при наличии данных прямых замеров параметров динамических воздействий. Варианты моделирования оснований пространственными конечными элементами дают минимальное отклонение па­раметров динамических воздействий (7.11 % для амплитуд, виброскоростей и виброускорений) при сопоставлении с фактически замеренными.

4. При передаче динамических воздействий через грунтовую толщу, представленную пространственными конечными элементами даже с учетом од­носторонних связей и физической нелинейности в элементах, наблюдается несоответствие динамической реакции модели фактически замеренным значе­ниям динамических параметров, так как в работу включается весь массив, что и приводит к резкому уменьшению значений динамических реакций (амплитуд, виброскоростей и виброускорений). При этом искусственное ограничение грун­тового массива в пространстве увеличивает время его активной реакции на возмущение. Также это связано с применением фиксированного значения лога­рифмического декремента колебаний для материала конструкций зданий и грунтового массива.

5. При передаче на здания динамических воздействий, которые возника­ют при подготовке оснований гидровзрывом, через грунтовую толщу, исполь­зование расчетной модели взаимодействия с грунтовым основанием, представ­ленным объемными конечными элементами, дает приемлимые для проектной практики результаты (отклонения натурных и расчётных динамических пара­метров от 7,7 до 18,2 %). Это объясняется кратковременностью взрывного (им­пульсного) воздействия, когда мгновенная реакция системы близка к упругой, и диссипативные свойства основания не успевают проявиться в полной мере. Устройство конструкций типа сейсмозащитных экранов способно существенно снизить влияние на здания динамических воздействий, передаваемых через массив грунта, и привести показатели прочности и комфортности для эксплуа­тируемых зданий в соответствие с требованиями нормативных документов.

6. Для некоторых видов конструкций изменение напряженного состояния,

178

вызванное динамическими воздействиями малой интенсивности, может ока­заться существенным и привести к потере их эксплуатационных качеств. По­дробный и полный учет в расчетных моделях динамических воздействий малой интенсивности позволяет получить характеристики, влияющие не только на прочность конструкций, но и на показатели комфортности. Учет таких воздей­ствий в расчетных моделях позволяет также прогнозировать негативные по­следствия при локальной или полной реконструкции зданий и сооружений.

7. Критерием адекватности расчетной модели при динамических воздей­ствиях должно быть соответствие собственных динамических характеристик, полученных в результате расчета модели, с характеристиками, замеренными приборами непосредственно в здании или сооружении, например, при их дина­мической паспортизации. В случае неадекватности расчетной модели возникает необходимость корректировки для достижения соответствия ее поведения по­ведению реального объекта при динамических воздействиях.

Положения предлагаемой методики подтверждены численными экспери­ментами, сопоставленными с результатами натурных наблюдений и обследова­ний.

Разработанная методика формирования динамических моделей зданий, эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях, принята к использованию:

- в Запорожском отделении ДП «Государственный НИИ строительных конструкций» - для проверки адекватности применяемых расчетных моделей, используемых для теоретического обоснования мероприятий по реконструкции зданий, и контроля напряженно-деформированного состояния конструкций крупнопанельных зданий при их выравнивании;

- в ООО «Инженерно-строительное предприятие «ФОРТ» - для миними­зации сечений несущих железобетонных элементов жилых 23-этажных моно­литных каркасных зданий при условии обеспечения необходимой простран­ственной жесткости и устойчивости, а также требований санитарных норм и

179

условий комфортности при действии динамической составляющей ветровой нагрузки;

- в ЧП «Научно-производственная фирма «Мой Дом» - для анализа ди­намической реакции 16-этажного жилого здания из монолитного железобетона на динамическую составляющую ветровой нагрузки для соблюдения требуе­мых условий прочности и комфортности, а также действующих санитарных норм;

в ОАО «Запорожский производственный алюминиевый комбинат» - для определения пригодности к дальнейшей эксплуатации и анализа особенно­стей работы на внешние воздействия деформированной вследствие просадоч- ных деформаций грунтового основания стальной трубы высотой 72 м, имеющей дефекты несущих конструкций, на основании результатов ее обсле­дования, оценки технического состояния и расчета на динамическую состав­ляющую ветровой нагрузки с использованием деформированной схемы.