Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ОКСО 08.03.01 Строительство
ББК 302 Проектирование
ББК 304 Конструкции
ТБК 5441 Гражданское строительство
BISAC ARC024000 Buildings / General
BISAC TEC009020 Civil / General
В статье определено и выполнено сравнение полученных осадок по результатам применения действующей нормативной методики свода правил (СП) 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» и численных расчетов с применением различных моделей грунтового основания, реализованных в программном комплексе SCAD office, на примере каркасно-монолитного здания жилого комплекса «Новая жизнь» в городе Белгород. Приведен краткий обзор методик совместного расчета фундаментной и надземной части с применением различных моделей грунтового основания: Пастернак с двумя коэффициентами постели, переменных по площади коэффициентов постели в программе – саттилите КРОСС и модель линейно – деформируемого полупространства реализованной в СП 22.13330.2016. Аналитический расчет значения осадок по СП 22.13330.2016 выполнялся «ручным» способом методом послойного суммирования. Численный расчет каркасно-монолитного здания производился как единая система «здание – фундаментная часть – основание». Значения осадок и коэффициентов постели С1 и С2, выполненные по результатам численного расчета, представлены в виде графических изополей перемещений и коэффициентов постели. На основании полученных результатов аналитических и численных расчетов были даны основные выводы и составлены рекомендации по применимости каждой из рассматриваемых моделей грунтовых оснований.
модель грунта, основание, фундамент, модель Пастернака, линейно-деформируемое полупространство, программный комплекс, SCAD office
Введение. В настоящее время большое распространение получил численный расчет зданий и сооружений совместно с грунтовым основанием, с использованием различных программных комплексов, таких как МОНОМАХ-САПР, Лира, Plaxis, Ansys, SCAD office и другие. В таких комплексах реализовано большое количество различных методик расчета грунтового основания, есть, как и простые модели с известными параметрами, так и более сложные, но с различными параметрами требующих дополнительного определения. Для инженера-расчетчика корректный выбор модели грунтового, а также ее параметров для получения адекватного напряженно-деформированного состояния основания и несущих конструкций, становится важнейшей задачей.
Цель данной статьи: определить значения и сравнить полученные осадки по результатам применения нормативной методики СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» и численных расчетов с применением различных моделей грунтового основания, реализованных в программном комплексе (ПК) SCAD office, на примере каркасно-монолитного здания жилого комплекса (ЖК) «Новая жизнь» в городе Белгород, обосновать правильный выбор модели грунтового основания в ПК SCAD office.
Материалы и методы. Конструктивное решение рассматриваемого здания выполнено следующим образом:
- Проектируемые фундаменты – отдельно стоящие высотой 500 мм.
- Монолитный ростверк выполнить из бетона класса В20 F150W4 и армировать отдельными стержнями класса А500С и А240.
- Стены ниже отм. 0,000, толщиной 300 мм колонны и диафрагмы жесткости - монолитные из бетона класса В20 F75 W4, армированные отдельными стержнями класса А500С и А240. Колонны 400х400 мм. Диафрагма жесткости толщиной 200 мм.
- Перекрытия – монолитное из бетона класса В20 F75 W4, армировать отдельными стержнями класса А500С и А240. Толщиной 200 мм
- Кладка наружных и внутренних стен выполнена из стеновых камней СКЦ-1Р 75 на растворе М50.
- Перегородки толщиной 90 мм выполнены из стеновых камней СКЦ-2Р 75 на растворе М50.
Общий вид модели SCAD представлен на рисунке 1.
Основная часть. В ПК SCAD office реализованы следующие виды моделей грунтового основания:
- Модель Пастернака с двумя коэффициентами постели [1–2]. Данные значения коэффициентов С1 и С2 определяются с помощью модулей Пастернак, ЗАПРОС или внутри программы SCAD нажав на соответствующую кнопку «Расчет коэффициентов упругого основания» в окне «Назначение коэффициентов упругого основания пластин».
Рис. 1. Общий вид модели 5-ти этажного каркасно-монолитного здания в ЖК «Новая Жизнь
В модели Пастернак вводятся 2 коэффициента постели – коэффициент сжатия С1 и сдвига С2 [3].
Коэффициент постели C1 измеряется в кг/см3 или т/м3 – это отношение значения вертикального давления грунта σ и осадки w:
|
|
(1) |
А коэффициент постели C2 дает возможность выразить интенсивность вертикальной силы сдвига t (или изгибающего момента) в виде произведения С2 на производную осадки в соответствующем направлении:
|
|
(2)
|
Коэффициенты C1 и C2 по модели Пастернак определяются:
|
|
(3) |
|
|
(4) |
где E(z), G(z) –приведенные модули деформации и сдвига по глубине z.
Приведенные модуль упругости и модуль сдвига:
|
|
(5) |
|
|
(6) |
где E0 – модуль упругости; ν – коэффициент Пуассона; H – толщина грунтовой толщи;
.
- Модель переменных по площади коэффициентов постели КРОСС. Переменные по площади коэффициенты постели определяются через программу – сателлиту КРОСС. Методика, разработанная специалистами НИИОСП. КРОСС разработан авторским коллективом SCAD Group совместно с НИИОСП в составе: Криксунов Э.З., Перельмутер А.В., Перельмутер М.А., Семенцов А.И., Федоровский В.Г. [4-5].
Данный метод расчета осадок основан на послойном суммировании:
|
|
(7) |
где z – вертикальная координата, возрастающая вниз; zf – координата подошвы; zd = zf + Н – нижняя граница интегрирования (послойного суммирования); Н – глубина сжимаемой толщи; β –коэффициент, учитывающий степень боковой стесненности вертикального сжатия грунта; Δσ – приращение вертикального нормального напряжения от действия нагрузки на основание; Е – модуль упругости [6].
- В нормативном документе СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» используется модель линейно-деформируемого полупространства.
Данная модель основана на законе Гука, которому соответствует линейная зависимость между напряжениями и деформациями и полное восстановление деформаций при снятии нагрузки.
|
|
(8) |
где ε – осевая деформация, E – модуль упругости.
Рассмотрим представленные модели на примере расчета пятиэтажного каркасно-монолитного здания. Здание жилого дома имеет сложную форму в плане с общими размерами в осях 29,9 м × 14,9 м. Здание пятиэтажное, высота этажа 3,0 м, в здании запроектирован тех. этаж, высота этажа 1,8 м. Высота подвала 2,2 м.
В соответствии с данными Технического отчета об инженерно-геодезических и инженерно-геологических изысканиях, выполненного ООО «Белгородстройзыскания» на участке исследований в толще основания выделены следующие ИГЭ (табл. 1).
Определим значения осадок аналитическим способом с использованием расчетной схемы в виде линейно-деформируемого полупространства методом послойного суммирования, регламентированный СП 22.1330.2016 «Основание зданий и сооружений».
Таблица 1
Сводная таблица нормативных характеристик грунтов
|
№ п/п |
Наименование |
Модуль деформации, Т/м2 |
Коэффициент Пуассона |
Толщина слоя, м |
|
1 |
Суглинок легкий различных оттенков |
866,5 |
0,36 |
2,9 |
|
2 |
Суглинок легкий |
866,5 |
0,36 |
2,2 |
|
3 |
Суглинок тяжелый |
1121 |
0,36 |
3,8 |
|
4 |
Суглинок легкий |
1835 |
0,36 |
1 |
|
5 |
Суглинок легкий |
1835 |
0,36 |
6,3 |
Максимальную осадку определим для наиболее нагруженного отдельно стоящего фундамента.
N=122 т, Мz=-2.2 тхм, Q=1,462 т, Му=-2,06 тхм
|
|
(9) |
где β – безразмерный коэффициент, равный 0,8; – среднее значение вертикального нормального напряжения (далее - вертикальное напряжение) от внешней нагрузки в i-м слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, кПа;
– толщина i-го слоя грунта, см, принимаемая не более 0,4 ширины фундамента;
– модуль деформации i-го слоя грунта по ветви первичного нагружения, кПа; n – число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.
При этом распределение вертикальных напряжений по глубине основания принимают в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.
Максимальное давление под подошвой фундамента:
|
|
(10) |
Вертикальное дополнительное давления :
|
|
(11) |
где 
– вертикальные напряжениями от собственного веса грунта на уровне центра подошвы фундамента.
Максимальная осадка аналитическим способом – 48 мм.
Рис. 2. Схема распределения вертикальных напряжений в линейно-деформируемом полупространстве
Таблица 2
Определение осадок методом послойного суммирования
|
№ точек |
z, м |
2*z/b |
α |
т/м2 |
№ слоя |
т/м2 |
hi, м |
βi |
Ei, т/м2 |
|
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
40,895 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
40,63 |
0,15 |
0,8 |
866.5 |
0,0080 |
||||||
|
1 |
0,15 |
0,214 |
0,987 |
40,36 |
|||||||
|
2 |
35,82 |
0,56 |
0,8 |
866.5 |
0,0143 |
||||||
|
2 |
0,71 |
1,014 |
0,765 |
31,28 |
|||||||
|
3 |
25,81 |
0,56 |
0,8 |
866.5 |
0,010 |
||||||
|
3 |
1,27 |
1,81 |
0,497 |
20,33 |
|||||||
|
4 |
16,63 |
0,56 |
0,8 |
866.5 |
0,0066 |
||||||
|
4 |
1,83 |
2,61 |
0,316 |
12,92 |
|||||||
|
5 |
10,78 |
0,52 |
0,8 |
866.5 |
0,0040 |
||||||
|
5 |
2,35 |
3,35 |
0,211 |
8,63 |
|||||||
|
6 |
7,34 |
0,56 |
0,8 |
1121 |
0,0018 |
||||||
|
6 |
2,91 |
4,15 |
0,148 |
6,05 |
|||||||
|
7 |
5,26 |
0,56 |
0,8 |
1121 |
0,0013 |
||||||
|
7 |
3,47 |
4,96 |
0,109 |
4,46 |
|||||||
|
8 |
3,95 |
0,56 |
0,8 |
1121 |
0,00098 |
||||||
|
7 |
4,03 |
5,76 |
0,084 |
3,44 |
|||||||
|
9 |
6,06 |
0,56 |
0,8 |
1121 |
0,0015 |
||||||
|
8 |
4,59 |
6,56 |
0,064 |
2,62 |
|||||||
|
|
|
Суммарная осадка |
0,048м=48мм |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
Рассчитаем значения средних и максимальных по модели Пастернака с двумя коэффициентами постели. Коэффициенты постели С1 и С2 были определены в модуле Пастернак, значения которых представлены на рисунке 3.
Рис. 3. Коэффициенты постели С1 и С2 по модели Пастернака
Ниже приведено графическое отображения результатов расчетов осадок отдельностоящих фундаментов совместно с ростверком по модели Пастернак (рис. 4).
Максимальная осадка – 58,44 мм.
Минимальная осадка – 49,79 мм.
Определим значения переменных коэффициентов постели в программе – сателлите КРОСС. Параметры грунтов вводимые в расчет указаны на рисунке 5.
Так как отсутствуют данные натурных испытаний в программе – сателлите разработчиками рекомендуется принимать значение коэффициента переуплотнения 1,0, а величину давления переуплотнения принимать равной:
- 5 т/м2 – для глинистых грунтов;
- 2,5 т/м2 – для супеси;
- 0 т/м2 – для песков.
Рис. 4. Результаты расчета с применением модели Пастернака
Рис. 5. Параметры грунтов, вводимые в программу – сателлиту КРОСС
Нижнюю границу сжимаемой толщи определяют параметром σzp/σzg для этого перейти в настройки раздел «Расчет» (рис. 6). По умолчанию σzp/σzg равно 0,2.
Рис. 6. Параметры, вводимые для расчета нижней границы сжимаемой толщи
Расчеты коэффициентов постели и осадок в программе – сатиллите КРОСС проводится в несколько итераций [7]. Количество итераций определяется пока значения коэффициентов С1 не стабилизируются и погрешность вычисленных максимальных и минимальных значений составит примерно 5 %. Дальнейшее использование КРОСС нецелесообразно. Количество итераций получилось 10. Значения коэффициентов постели после 10-ой итерации приведены на рисунке 7.
Рис. 7. Значения коэффициентов постели С1 после 10-й итерации
Значения осадок по модели переменных по площади коэффициентов постели в программе – сатиллите КРОСС приведены на рисунке 8 в виде изополей.
Рис. 8. Результаты осадок по модели переменных по площади коэффициентов постели в программе – сатиллите КРОСС
Максимальная осадка – 34,064 мм.
Минимальная осадка – 27,896 мм.
Выводы.Численные и аналитические расчеты выполненные по ПК SCAD office и по нормативной методики СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений» показали следующие результаты:
- Численный расчет по модели Пастернак показал большие значения осадок относительно осадок, рассчитанных аналитическим способом по СП 22.13330.2016. Максимальная осадка по Пастернаку составила 58,44 мм и 48,0 мм аналитическим способом по СП 22.133330.2016. Данная модель обычно применяется при горизонтальном напластовании инженерно-геологических слоев, на практике такие случаи встречаются довольно-таки редко.
- Численный расчет по модели с переменными коэффициентами постели по площади С1 и С2 (программа – сателлита КРОСС) показал меньшие значения осадок относительно осадок, рассчитанных аналитическим способом по СП 22.13330.2016. Максимальная осадка по КРОССу составила 34,064 мм и 48,0 мм аналитическим способом по СП 22.133330.2016. Данные результаты схожи с аналогичными исследованиями других авторов в данном вопросе. КРОСС позволяет моделировать различные виды напластования, но требуют большей трудоемкости по определению нижней отметки сжимаемой толщи грунтов. Также расчеты с применением модели в программе-сателлите КРОСС проводятся в несколько итераций, тем самым замедляя процесс выполнения расчета.
Создатели и разработчики ПК SCAD office не имеют каких-либо предпочтений по отношению к представленным моделям [7–9]. При расчете различный видов зданий совместно с фундаментом и основанием, остается нерешенным вопрос в правильности выбора модели грунтового основания и определение различный параметров грунта.
Выбор модели грунтового основания должен осуществляться на основании конкретных инженерно-геологических условий строительной площадки, от вида и численного значения нагрузок и других различных факторов. Это требует более подробного изучения данного вопроса путем моделирования различных грунтовых условий и моделей грунтовых оснований, представленных в программных комплексах, а также сравнение расчетных данных с натурными для адекватного моделирования взаимодействия системы «основание-фундамент-сооружение».
В дальнейшем планируется рассмотреть методику расчета грунтового основания с учетом поэтапного загружения основания в ПК SCAD office в режиме Монтаж и выполнить сравнение с ранее рассмотренными моделями грунтового основания с натурным экспериментом. Недостатком данного расчетного способа является сложность учета изменения переменных коэффициентов постели во времени и с учетом изменяющейся нагрузки.
1. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А. Расчет конструкций на упругом основании. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.:Стройиздат, 1973.
2. Егорова Е.С., Иоскевич А.В., Иоскевич В.В., Агишев К.Н., Кожевников В.Ю. Модели грунтов, реализованные в программных комплексах SCAD Office и Plaxis 3D // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. №3 (42). С. 31-60.
3. Пастернак П.Л. Основы нового метода расчёта фундаментов на упругом основании при помощи двух коэффициентов постели. М.: Стройиздат, 1954. 55 c.
4. Голубев А.И., Селецкий А.В. К вопросу о выборе модели грунта для геотехнических расчетов // Актуальные научно-технические проблемы современной геотехники. СПб.: Изд-во СПбГАСУ, 2009. Т. 2. С. 6-10.
5. Федоровский В.Г., Безволев С.Г. Прогноз осадок фундаментов мелкого заложения и выбор модели основания для расчета плит // Основания,фундаменты и механика грунтов. 2000. №4. С. 10-18.
6. Белокопытова И.А., Бурыгин С.Г. и др. SCAD для чайников. К.: Электронное издание, 2001. 356 с.
7. Мангушев Р.А., Сахаров И.И. [и др.] Сравнительный анализ численного моделирования системы «здание-фундамент-основание» в программных комплексах SCAD и PLAXIS // Вестник гражданских инженеров. 2010. № 3. С. 96-101.
8. Лукьянов А.И. Выбор оптимального метода и ПК для расчета комбинированного свайно-плитного фундамента / Международный студенческий строительный форум 2018 (к 165-летию со дня рождения В.Г. Шухова) // Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2018. C.118-123.
9. Строкова Л.А. Определение параметров для численного моделирования грунтов // Известия Томского Политехнического университета. 2008. Т. 313. №1. С. 69-74.
