Формы деформаций зданий и сооружений
Классификация зданий и сооружений по жесткости
МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЗДАНИЙ К НЕРАВНОМЕРНЫМ ОСАДКАМ
ОЦЕНКА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПО ЖЕСТКОСТИ.
Здания и сооружения имеют разную чувствительность к осадкам, которые могут происходить в процессе строительства и эксплуатации; причем степень этой чувствительности определяется в основном их жесткостью. В зависимости от жесткости все здания и сооружения подразделяют на три основных типа: абсолютно жесткие, имеющие конечную жесткость, и абсолютно гибкие.
Абсолютно жесткие сооружения имеют очень большую жесткость в вертикальном направлении. К зданиям и сооружениям большой жесткости относят дымовые трубы, водонапорные башни, опоры мостов и др. Вследствие значительной жесткости эти сооружения не подвергаются изгибу и другим местным деформациям и испытывают осадку как единый массив. При симметричной вертикальной нагрузке и равномерном распределении свойств основания осадка таких зданий, как правило, бывает равномерной.
При несимметричном (внецентренном) загружении или несимметричном распределении свойств грунтов под жестким зданием может возникнуть его крен. Характер взаимодействия таких сооружений с основанием следующий: в зонах основания, где податливость грунта меньше, давление по подошве фундаментов увеличивается, а в зонах с большей податливостью уменьшается. Поскольку грунты оснований способны перераспределять напряжение с более нагруженных участков на менее нагруженные, возможность проявления неравномерных осадок уменьшается.
Вследствие выравнивания осадок в конструкциях абсолютно жестких зданий и сооружений возникают дополнительные усилия, которые, как правило, неопасны, так как такие конструкции имеют большой запас прочности.
Большинство зданий и сооружений, возводимых в условиях, современной городской застройки, относят к сооружениям, обладающим конечной жесткостью (здания с полным и неполным каркасом, имеющие в своем составе разрезные и неразрезные конструкции, а также кирпичные, крупноблочные и крупнопанельные здания). Этот тип сооружений при развитии неравномерных осадок получает деформирование, выражающееся в искривлении отдельных участков зданий. Имея конечную жесткость, такие сооружения способны оказывать влияние на величину осадки, выравнивая ее следствие перераспределения давлений по подошве фундаментов, результате чего в несущих и ограждающих конструкциях зданий сооружений конечной жесткости возникают дополнительные усилия, которые часто не учитываются при проектировании, что в некоторых случаях приводит к образованию трещин, нарушающих нормальную эксплуатацию зданий.
При расчетах и проектировании данной категории зданий и сооружений необходимо рассматривать совместную работу грунтов оснований и подземных конструкций, учитывая дополнительные усилия, возникающие вследствие неравномерных осадок. Сложность оценки совместной работы грунтов оснований и всего сооружения в целом заключается в том, что в некоторых случаях трудно определить жесткость конструкций и деформативность грунтов в отдельных зонах основания, работающих в условиях единой пространственной системы. Такие расчеты в настоящее время, как правило, выполняют с помощью современных ЭВМ.
Абсолютно гибкие сооружения под действием внешних нагрузок следуют за осадками основания, при этом дополнительные усилия них практически не возникают. К таким сооружениям относят земляные насыпи и дамбы. К данному классу можно отнести и другую группу сооружений, называемых практически гибкими. К нему относят гибкие днища резервуаров, одноэтажные здания со статически определимой расчетной схемой, в том числе эстакады и галереи, имеющие разрезные пролетные строения. При их проектировании следует на отдельных участках, имеющих небольшую протяженность, все же оценивать незначительное выравнивание осадки и возникающие при этом дополнительные усилия, которые нe могут нарушить эксплуатационную пригодность.
В общем случае предельные деформации абсолютно гибких и практически гибких сооружений назначают, исходя из требований нормальной эксплуатации. Необходимо отметить, что иногда отдельные участки возводимого здания и сооружения по характеру работы можно отнести к различным типам по жесткости. В таких случаях необходимо отдельно рассматривать процесс деформирования каждого участка с последующей оценкой их взаимного влияния, которое может сказаться на результатах совместной работы. При проектировании зданий такого типа необходимо учитывать возможные неблагоприятные последствия, вытекающие из условий совместной работы отдельных участков сооружений, имеющих различную жёсткость, и предусматривать мероприятия, направленные на их ликвидацию.
Прежде чем приступать к проектированию оснований и фундаментов, необходимо внимательно изучить конструктивную схему здания и особенности физико-механических свойств грунтов на строительной площадке. На основе такого изучения оценивается жёсткость здания, специфика передачи нагрузок на грунты оснований и производится предварительная оценка характера возможных деформаций.
В гибких и жёстких массивных сооружениях неравномерность осадки мало влияет на работу конструкций, необходимо только, чтобы значение конечной осадки не превышало предельно допустимого, что определяется условиями нормальной эксплуатации.
В сооружениях конечной жёсткости необходимо учитывать неравномерность осадки, которая приводит к перераспределению усилий в грунтах оснований и конструкциях всего сооружения. Неравномерные осадки вызывают ухудшение условий эксплуатации оборудования и всего здания в целом, а также появления в отдельных несущих и ограждающих конструкциях дополнительных усилий. Поэтому значение неравномерной осадки строго ограничивается строительными нормами не только исходя из условий эксплуатации, но и с учётом условий прочности и устойчивости сооружений.
В зависимости от жёсткости и характера развития неравномерных осадок в зданиях и сооружениях могут возникнуть следующие виды деформаций: прогиб, выгиб, крен, перекос, кручение и горизонтальное смещение.
Прогиб, или выгиб, зданий и сооружений возникает при изгибе подошвы сплошной фундаментной плиты или ленточного фундамента в результате неравномерной податливости основания (рис. 3.1, а,б). Рассматриваемые формы деформаций возникают в зданиях большой протяжённости. В зависимости от грунтовых условий в одном и том же сооружении на разных участках может возникнуть прогиб и выгиб. В одинаковых грунтовых условиях при увеличении жёсткости здания происходит повышение дополнительных усилий в конструкциях, приводящее к уменьшению прогиба или выгиба, при меньшей жёсткости происходит обратное явление – интенсивность дополнительных усилий, возникающих в результате перераспределения, снижается, а деформация увеличивается. При прогибе изогнутая поверхность обращена выпуклостью вниз, а наиболее опасная зона деформаций растяжения находится в верхней насій сооружения; при выгибе, наоборот выпуклость обращена вверх и опасная зона находится в верхней части здания.
Крен, или поворот, относительно вертикалъной оси (рис. 3.1, в, г) происходит в результате несимметричного (внецентренного) нагружения. При симметричном нагружении крен возможен при неравномерном распределении свойств грунтов под подошвой фундамента в результате несимметричного напластования. Крен является наиболее опасным для высоких зданий и сооружений (водонапорных башен, дымовых труб, антенных сооружений, многоэтажных зданий), так как в результате смещения центра тяжести возникает допол-
Рис. 3.1. Формы деформаций сооружений
нительный опрокидывающий момент, способствующий, в свою очередь, дальнейшему нарастанию крена, что в конечном результате может вызвать разрушение сооружения.
Крен отдельных фундаментов в составе всего здания при ограничении горизонтальных деформаций, обусловленных наличием перекрытий (рис. 3.1, д), вызывает появление дополнительных усилий в несущих конструкциях (колоннах, стенах, перекрытиях и др.), которые необходимо учитывать при проектировании.
Перекос (рис. 3.1, д, е) образуется при неравномерных осадках, происходящих на участках небольшой протяженности при сохранении относительно равномерных вертикальных осадок под всем зданием.
Кручение возникает при различных кренах сооружения по его длине или если крен развивается в разные стороны в двух соседних сечениях сооружения (рис. 3.1, ж). При такой форме деформирования дополнительные усилия в конструкциях образуются в вертикальной (стены, колонны и др.) и горизонтальной плоскостях. Элементы перекрытий, например, испытывают изгиб в горизонтальном направлении.
Горизонтальные смещения возможны в фундаментах, на которые опираются конструкции, передающие значительные горизонтальные усилия от распора (рис. 3.1, з). Подобный вид деформации возникает и в подпорных стенках (рис. 3.1, и).