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

Основные положения по расчету» 2003 года выпуска [1] определяют основы расчета строительных конструкций и основания: 1.1.Строительные конструкции и основания должны быть запроектированы таким образом, чтобы они обладали достаточной надежностью при возведении и эксплуатации с учетом, при необходимости, особых воздействий (например, в результате землетрясения, наводнения, пожара, взрыва). Строительные конструкции и основания следует рассчитывать по методу предельных состояний, основные положения которого должны быть направлены на обеспечение безотказной работы конструкций и оснований с учетом 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 надежной совместной работой системы “основание - фундамент - надземные конструкции”, несмотря на то, что составляющие этой системы рассчитываются и проектируются, вообще говоря, независимо. Повышение несущей способности оснований и фундаментов при реконструкции может быть обеспечено за счет 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 путем инъекций, которое применяется при небольших разрушениях материала фундамента и незначительном повышении нагрузок на фундаменты;Усиление свободно лежащей на упругом основании Фусса-Винклера балки любыми типами концевых опор приводит к понижению ее несущей способности.

Первые три пункта 1.1, 1.2, 1.3 ГОСТ 27751-88 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету» 2003 года выпуска [1] определяют основы расчета строительных конструкций и основания: 1.1.Строительные конструкции и основания должны быть запроектированы таким образом, чтобы они обладали достаточной надежностью при возведении и эксплуатации с учетом, при необходимости, особых воздействий (например, в результате землетрясения, наводнения, пожара, взрыва).

1.2. Основным свойством, определяющим надежность строительных конструкций, зданий и сооружений в целом, является безотказность их работы - способность сохранять заданные эксплуатационные качества в течение определенного 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 учетом 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 надежной 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 расчета 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 надежной работы элементов системы “основание - фундамент - надземные конструкции”.

Отказы оснований возникают за счет проявления природных и техногенных процессов, а также за счет 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 надежность 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 счет 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 путем 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 расчетной 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 ее 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 - жестко защемлен. d. Левый конец балки жестко защемлен, правый - имеет шарнирное опирание.

II. Подобрать сечение балки при ее усилении путем подведения дополнительной шарнирно-неподвижной опоры в середине пролета (рис. 2).

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

Исходные данные: - ; ; ;

- коэффициент постели ;

- модуль упругости материала стержня ;

- расчетное сопротивление по нормальным напряжениям ;

- расчетное сопротивление по касательным напряжениям ;

- допускаемый прогиб стержня ;

- ; ; ; ;

- коэффициент надежности по нагрузке:o для сосредоточенных сил ;

o для распределенной нагрузки - коэффициент условий работы .

Поперечное сечение балки показано на рис. 3.

Расчеты 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 жесткости. Результаты расчетов 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 жесткости. Как следует из табл. 1 установка любого вида опоры под конец свободно лежащей балки приводит к понижению ее несущей способности, поскольку размеры сечения для восприятия той же нагрузки приходится увеличивать.

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

Таблица 1 Расчет без промежуточной опоры

Типы балок Геометрические размеры поперечного сечения, м Запас прочности по нормальным напряжениям, % Запас прочности по касательным напряжениям, % Запас по жесткости, %

Балка типа l: Концы балки свободны от опор b=0,719; h=0,719; b1=0,240; h1=0,180; h2=0,359. 0,272 73,565 64,461

Балка типа 2: Шарнирная опора на левом конце балки b=0,769; h=0,769; b1=0,256; h1=0,192; h2=0,385. 0,254 76,374 68,019

Балка типа 3: Жесткое защемление на правом конце балки b=0,896; h=0,896; b1=0,299; h1=0,224; h2=0,448. 0,304 79,79 77,063

Балка типа 4: Жесткое защемление на левом конце балки и шарнирное на правом b=0,957; h=0,957; b1=0,319; h1=0,239; h2=0,479. 0,321 76,902 84,803

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 ее концов. Из табл. 2 также следует, что установка любого вида опоры под конец свободно лежащей балки приводит к понижению ее несущей способности.

Таблица 2 Расчет без промежуточной опоры

Типы балок Геометрические размеры поперечного сечения, м Запас прочности по нормальным напряжениям для различных случаев закрепления концов балки, %

Концы балки свободны от опор Шарнирная опора на левом конце балки Жесткое защемление на правом конце балки Жесткое защемление на левом конце балки и шарнирное - на правом

Балка типа l: Концы балки свободны от опор b=0,719 h=0,719 b1=0,240 h1=0,180 h2=0,359 0,272 -13,539 -37,991 -56,145

Балка типа 2: Шарнирная опора на левом конце балки b=0,769 h=0,769 b1=0,256 h1=0,192 h2=0,385 15,058 0,254 -25,526 -42,068

Балка типа 3: Жесткое защемление на правом конце балки b=0,896 h=0,896 b1=0,299 h1=0,224 h2=0,448 41,674 26,267 0,304 -11,81

Балка типа 4: Жесткое защемление на левом конце балки и шарнирное - на правом b=0,957 h=0,957 b1=0,319 h1=0,239 h2=0,479 50,655 35,622 10,199 0,321

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

Таблица 3 Расчет с промежуточной опорой

Типы балок Геометрические размеры поперечного сечения, м Запас прочности по нормальным напряжениям, % Запас прочности по касательным напряжениям, % Запас по жесткости, %

Балка типа l: Концы балки свободны от опор b=0,814; h=0,814; b1=0,271; h1=0,203; h2=0,407. 0,124 67,252 87,550

Балка типа 2: Шарнирная опора на левом конце балки b=0,778; h=0,778; b1=0,259; h1=0,195; h2=0,389. 0,151 63,795 85,440

Балка типа 3: Жесткое защемление на правом конце балки b=0,949; h=0,949; b1=0,316; h1=0,237; h2=0,475. 0,352 84,41 89,114

Балка типа 4: Жесткое защемление на левом конце балки и шарнирное на правом b=0,710; h=0,710; b1=0,237; h1=0,178; h2=0,355. 0,378 62,532 94,845

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

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

Для балок с дополнительной опорой наибольшим запасом по жесткости, как это следует из таблицы 3, имеет балка с жестким защемлением на одном конце и шарнирным опиранием на другом. Наименьший запас по жесткости 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 пролета, если для данной балки с фиксированными геометрическими размерами поперечного сечения изменять типы закрепления ее 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 жестким на другом - увеличивается в то время как несущая способность балки с жестким защемление на одном конце уменьшается.

Таблица 4 Расчет с промежуточной опорой

Типы балок Геометрические размеры поперечного сечения, м Запас прочности по нормальным напряжениям для различных случаев закрепления концов балки, %

Концы балки свободны от опор Шарнирная опора на левом конце балки Жесткое защемление на правом конце балки Жесткое защемление на левом конце балки и шарнирное - на правом

Балка типа l: Концы балки свободны от опор b=0,814 h=0,814 b1=0,271 h1=0,203 h2=0,407 0,124 10,126 -51,965 32,062

Балка типа 2: Шарнирная опора на левом конце балки b=0,778 h=0,778 b1=0,259 h1=0,195 h2=0,389 -9,814 0,151 -72,277 22,805

Балка типа 3: Жесткое защемление на правом конце балки b=0,949 h=0,949 b1=0,316 h1=0,237 h2=0,475 28,02 37,014 0,352 56,229

Балка типа 4: Жесткое защемление на левом конце балки и шарнирное - на правом b=0,710 h=0,710 b1=0,237 h1=0,178 h2=0,355 -32,91 23,565 -122,346 0,378

Численные расчеты 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 ее несущей способности.

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

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

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

1. ГОСТ 27751-88. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету. 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 Allbest.ru