Напряженно-деформированное состояние здания, фундамента и основания с учетом их совместной работы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.17, кандидат технических наук Барменкова, Елена Вячеславовна

• Барменкова, Елена Вячеславовна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Барменкова, Елена Вячеславовна

ВВЕДЕНИЕ.;.

ГЛАВА 1. О СОВМЕСТНОЙ РАБОТЕ ЗДАНИЯ С ФУНДАМЕНТОМ И ОСНОВАНИЕМ.

1.1. Подходы и методы исследования процессов деформирования системы «здание-фундамент-основание».

1.2. Выбор расчетной модели основания и определение его жесткостных характеристик.

1.3. Жесткость сооружения, ее распределительная способность.

1.4. Совместность деформаций здания и основания. Примеры составления уравнения совместности.

1.5. Основные эффекты, проявляющиеся при совместных расчетах системы «здание-фундамент-основание».

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ «ЗДАНИЕ-ФУНДАМЕНТ-ОСНОВАНИЕ» С ПОМОЩЬЮ СОСТАВНОЙ БАЖИ НА УПРУГОМ ОСНОВАНИИ.

2.1. Изгиб двухслойной балки на упругом основании с одним коэффициентом постели.

2.1.1. Изгиб двухслойной балки на упругом основании с учетом массовых сил.

2.1.2. Изгиб двухслойной балки на упругом основании с учетом массовых сил и деформаций сдвига.

2.1.3. Изгиб двухслойной балки переменной по длине жесткости на упругом основании с учетом массовых сил.

2.2. Изгиб двухслойной балки на упругом основании с двумя коэффициентами постели с учетом массовых сил.

2.3. Изгиб двухслойной балки на упругом основании с учетом наращивания верхнего слоя.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ «ЗДАНИЕ-ФУНДАМЕНТ-ОСНОВАНИЕ» С ПОМОЩЬЮ ДВУХСЛОЙНОЙ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ

ПЛИТЫ НА УПРУГОМ ОСНОВАНИИ.

ГЛАВА 4. ПРИМЕР МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕАЛЬНОГО

СТРОИТЕЛЬНОГО ОБЪЕКТА.

4.1. Краткая характеристика объекта строительства.

4.2. Аналитический и численный расчеты.

4.2.1. Аналитический расчет.

4.2.2. Численный расчет.

4.3. Сопоставление численного и аналитического расчетов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Напряженно-деформированное состояние здания, фундамента и основания с учетом их совместной работы»

Актуальность темы диссертации. В последнее время возрастающая этажность и появление новых конструктивных форм зданий ставит задачу создания простых, экономичных, но в тоже время достаточно точных методов расчета напряженно-деформированного состояния конструкций зданий, взаимодействующих с грунтовым основанием, на стадии предпроектных предложений.

В нормативных документах содержатся требования к определению нагрузок и воздействий на фундаменты, а также деформаций оснований из условия совместной работы сооружения и основания [50]. Для совместного расчета сооружения и основания могут быть использованы аналитические, численные и другие методы [52].

Необходимость выполнения совместных расчетов особенно важна для современного уровня развития строительной науки, при котором благодаря внедрению современных методов расчетов и новейших материалов была достигнута возможность проектирования строительных конструкций с минимальными запасами прочности. В таких условиях незначительное увеличение напряжений за счет совместной работы здания и основания может приводить к появлению трещин и снижению общей надежности конструкции.

С целью учета совместной работы надфундаментных конструкций и фундаментов на упругом основании в настоящей диссертационной работе рассматривается задача, когда фундаментная плита и конструкция представляют собой балки (плиты), деформирующиеся совместно, что, по сути, соответствует задаче изгиба двухслойной балки (плиты) на упругом основании.

Современные здания и сооружения - это сложные конструктивные многоэлементные системы, обладающие неоднородной структурой с различными прочностными и деформационными характеристиками элементов конструкций и связей между ними. Строго говоря, термин «здание (сооружение)» включает в себя кроме самого здания, также и подземную часть строительного объекта. Однако, поскольку в дальнейшем изложении основание, фундамент и надфундаментная часть сооружения будут рассматриваться как компоненты системы «здание-фундамент-основание», для простоты условимся надфундаментную часть строительного объекта называть зданием (сооружением).

Целью диссертационной работы является исследование напряженно-деформированного состояния конструкций зданий и фундаментов, взаимодействующих с грунтовым основанием, с учетом их совместной работы.

Основные задачи исследований. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи диссертационной работы:

• анализ состояния проблемы и методов расчета;

• разработка моделей системы «здание - фундамент - основание» в виде двухслойной балки и двухслойной плиты на упругом основании;

• вывод формул для определения напряженно-деформированного состояния системы «здание - фундамент», смоделированной двухслойной балкой (плитой), взаимодействующей с грунтовым основанием, с учетом их совместной работы;

• сравнение результатов аналитических и численных расчетов;

• исследование влияния жесткости системы «здание - фундамент» на характер осадок и усилия в конструкциях;

• моделирование реального объекта строительства, аналитический расчет с использованием разработанной модели двухслойной балки (плиты) на упругом основании, а также численный расчет с использованием МКЭ, анализ и сравнение полученных результатов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• для системного решения поставленной научной задачи разработаны модели системы «здание - фундамент - основание» в виде двухслойной балки и двухслойной плиты на упругом основании;

• получены формулы для исследования напряженно-деформированного состояния системы «здание - фундамент», смоделированной двухслойной балкой (плитой), лежащей на упругом основании, с учетом массовых сил;

• установлены нелинейные зависимости внутренних усилий в системе «здание - фундамент» от высоты здания с учетом последовательности возведения конструкций;

• для расчета реального объекта строительства использована модель двухслойной балки на упругом основании, тем самым обосновано применение в качестве расчетной схемы разработанной модели для решения подобного вида контактных задач.

Достоверность результатов работы подтверждается использованием при постановке задач принятых в механике деформируемого твердого тела гипотез, а также соответствием полученных решений решениям аналогичных задач по МКЭ.

На защиту выносятся:

• разработанные модели системы «здание - фундамент - основание» в виде двухслойной балки и двухслойной плиты на упругом основании;

• выведенные с учетом массовых сил формулы для определения напряженно-деформированного состояния системы «здание -фундамент», смоделированной двухслойной балкой (плитой), лежащей на упругом основании;

• результаты численного и аналитического расчетов с использованием расчетных моделей двухслойной балки и двухслойной плиты на упругом основании;

• зависимости характера осадок и усилий в конструкциях от жесткости системы «здание - фундамент».

Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы могут использоваться для прогноза напряженно-деформированного состояния фундаментов на стадии предпроектных предложений.

Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, были использованы при выполнении в 2010 - 2011 гг. в НИИ Строительной физики РААСН госбюджетной научно-исследовательской работы «Расчет системы «конструкция-фундамент-основание» с учетом массовых сил и последовательности возведения конструкций».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были изложены в докладах на:

• Конференции «Инженерные системы - 2009» (РУДН, 2009 г.);

• XII Международной межвузовской конференции «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» (МГСУ, 2009 г.);

• XVIII Polish-Russian-Slovak Seminar «Theoretical Foundation of Civil Engineering» (Архангельск, 2009 г.);

• Конференции «Фундаментальные науки в современном строительстве» (МГСУ, 2010 г.);

• International Conference on Civil Engineering, Architecture and Building Materials (China, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, основными из которых являются:

1. Андреев В.И., Барменкова Е.В. Изгиб двухслойной балки на упругом основании с учетом массовых сил. XVIII Polish-Russian-Slovak Seminar «Theoretical Foundation of Civil Engineering». Proceedings. Архангельск 01.07-05.078.2009. Warszawa. 2009-pp. 51-56;

2. Андреев В.И., Барменкова E.B. Об изгибе составной балки на упругом основании. Фундаментальные исследования РААСН в 2009 г., т. 2. 2010-с. 74-79;

3. Андреев В.И., Барменкова Е.В. Расчет двухслойной плиты на упругом основании с учетом собственного веса. Труды XIX Рос.-пол.-слов. семинара «Теор. основы стр-ва». Жилина. 2010 - с. 39-44;

4. Андреев В.И., Барменкова Е.В. Расчет модели системы «конструкция-фундамент-основание» с учетом деформаций сдвига. Строительная механика и расчет сооружений. 2010, №6 - с. 2-5;

5. Андреев В.И., Барменкова Е.В. Матвеева А.В. О нелинейном эффекте при расчете конструкции и фундамента с учетом их совместной работы. Известия высших учебных заведений. Строительство. 2010, № 9 - с. 95-99;

6. Andreev V.I., Barmenkova E.V. A two-layer slab bending on an elastic basis with consideration of dead weight. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering / Международный журнал по расчету гражданских и строительных конструкций. Volume 6, Issue 1, 2. 2010 -pp. 33-38;

7. Андреев В.И., Барменкова Е.В., Матвеева А.В. Моделирование совместной работы конструкции и фундамента с учетом наращивания конструкции. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2011, №1 - с. 27-30;

8. Andreev V.I., Barmenkova E.V., Matveeva A.V. On the Nonlinear Effect of Joint Work of the Basis, Foundation Slab and the Structure. Advanced Materials Research. Vols. 250-253 (2011) - pp. 3591-3594. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 73 наименований и 7 приложений. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, включающего 7 таблиц, 36 рисунков.

В первой главе проводится анализ состояния проблемы и методов расчета.

Во второй и третьей главах излагается сущность используемой в работе расчётной схемы, даётся вывод формул для определения напряженнодеформированного состояния системы «здание - фундамент», приводятся примеры аналитического и численного расчетов.

В четвертой главе рассматривается реальный объект строительства, осуществляется совместный расчёт системы «здание - фундамент -основание» аналитическим и численным методами.

В конце работы приведены основные выводы, список использованной литературы.

Диссертационная работа выполнена автором на кафедре Сопротивления материалов Московского Государственного Строительного Университета.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Барменкова, Елена Вячеславовна, 2011 год

1. Александров A.B., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. -М.: Высш. шк., 2001. 560 е.;

2. Андреев В.И., Барменкова Е.В. Изгиб двухслойной балки на упругом основании с учетом массовых сил. XVIII Polish-Russian-Slovak Seminar «Theoretical Foundation of Civil Engineering». Proceedings. Архангельск 01.07 05.078.2009. Warszawa. 2009. - pp. 51-56;

3. Андреев В.И., Барменкова E.B. Об изгибе двухслойной балки на упругом основании с учетом массовых сил. Труды межд. Научно-практ. конф. «Инженерные системы 2009». РУДН. 6-9.04.2009, т. II. -с. 220-225;

4. Андреев В.И., Барменкова Е.В. Об изгибе составной балки на упругом основании. Фундаментальные исследования РААСН в 2009 г., т. 2. 2010.-е. 74-79;

5. Андреев В.И., Барменкова Е.В. Расчет двухслойной плиты на упругом основании с учетом собственного веса. Труды XIX Рос.-пол.-слов, семинара «Теор. основы стр-ва», Жилина. 2010. с. 39-44;

6. Андреев В.И., Барменкова Е.В. Расчет модели системы «конструкция-фундамент-основание» с учетом деформаций сдвига. Строительная механика и расчет сооружений. 2010, №6 с. 2 - 5;

7. Андреев В.И., Барменкова Е.В. Матвеева A.B. О нелинейном эффекте при расчете конструкции и фундамента с учетом их совместной работы. Известия высших учебных заведений. Строительство. 2010, № 9 с. 95-99;

8. Барвашов В.А., Болтянский Е.З., Чинилин Ю.Ю. Исследование поведения системы основание — фундамент — верхнее строение методами математического моделирования на ЭВМ. М.: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1990, №6 - с. 21-22;

9. Барвашов В.А., Федоровский В.Г. Трехпараметрическая модель грунтового основания и свайного поля, учитывающая необратимые структурные деформации грунта. М.: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1978, №4 - с. 17-20;

10. Барменкова Е.В., Андреев В.И. Расчет двухслойной балки на упругом основании. Материалы XII Международной межвузовскойконференции «Строительство формирование среды жизнедеятельности». 2009. - с. 459-461;

11. Бобрицкий Г.М., Клепиков С.Н. Эффективный метод решения задачи взаимодействия фундамента с над фундаментной конструкцией. М.: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1975, №1 - с. 9-12;

12. Бородачев Н.М. О возможности замены сложных моделей упругого основания более простыми. Строительная механика и расчет сооружений. 1975, №4 - с. 37-39;

13. Варвак П.М., Варвак Л.П. Метод сеток в задачах расчета строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1977. 160 е.;

14. Варданян Г.С., Андреев В.И., Атаров Н.М., Горшков A.A. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. M.: АСВ, 1995. - 568 е.;

15. Власов В.З., Леонтьев H.H. Балки, плиты и оболочки на упругом основании. М.: Физматгиз, 1960. - 491 е.;

16. Вронский А. В., Великин О. М., Гладштейн Л. Я. Расчет внецентренно-нагруженных фундаментов с учетом совместной работы с над фундаментной конструкцией. М.: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1981, №3 - с. 14-16;

17. Гарагаш Б.А. Аварии и повреждения системы «здание-основание» и регулирование надежности ее элементов. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2000.-384 е.;

18. Горбунов-Посадов М.И. Узловые вопросы расчёта оснований и опирающихся на них конструкций в свете современного состояния механики грунтов. М.: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1982, №4-с. 25-27;

19. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т. А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. М.: Стройиздат, 1984. - 679 е.;

20. Городецкий A.C., Батрак Л.Г., Городецкий Д.А., Лазнюк М.В., Юсипенко C.B. Расчет и проектирование конструкций высотныхзданий из монолитного железобетона. Киев: Изд-во Факт, 2004. -106 с.;

21. Джакели А.Д. Расчет плитных фундаментов многоэтажных каркасных зданий с учетом жесткости надфундаментного строения и реактивных касательных напряжений: дисс. канд. техн. наук. Тбилиси, 1984. -227 е.;

22. Динь Дацзюнь. Усовершенствование методов расчета балок на упругом основании. М: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1989, №3 - с. 24-26;

23. Дроздов П.Ф., Додонов М.И., Паныиин JLJL, Саруханян P.JL. Проектирование и расчет многоэтажных гражданских зданий и их элементов. Учеб. пособие для вузов. М.: Стройиздат, 1986. - 351 е.;

24. Жемочкин Б.Н., Синицын А.П. Практические методы расчёта фундаментных балок и плит на упругом основании. М.: Госстройиздат, 1962. - 240 е.;

25. Камаев B.C. Учет жесткостных параметров зданий при расчетах оснований и фундаментов: дисс. канд. техн. наук. СПб., 2007. -205 е.;

26. Кашеварова Г.Г., Труфанов H.A. Численное моделирование деформирования и разрушения системы «здание-фундамент-основание». -Екатеринбург-Пермь: УрО РАН, 2005. 225 е.;

27. Клейн Т.К. Учет неоднородности, разрывности деформаций и других механических свойств грунта при расчете сооружений на сплошном основании. Сб. тр. Москов. инж. строит, ин-та №14, - М.: Госстройиздат, 1956.-е. 168-180;

28. Клепиков С.Н. К проблеме учёта совместной работы оснований и сооружений. М: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1967, № 1 - с. 5-7;

29. Клепиков С.Н. Расчет конструкций на упругом основании. Киев: «Будівельник», 1967. - 184 е.;

30. Клепиков С.Н. Расчет балок на нелинейно-деформируемом винклеровском основании. М: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1972, № 1 - с. 8-10;

31. Лира Софт, http://www.lira.com.ua;

32. Лучкин М.А. Учет развития деформаций основания во времени при совместном расчете системы «основание-фундамент-здание»: дисс. канд. техн. наук. СПб., 2007. - 162 е.;

33. Маликова Т. А. Влияние жесткости над фундаментного строения на работу фундаментной плиты. М.: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1973, №6-с. 19-22;

34. Медников И.А. Коэффициенты постели линейно-деформируемого многослойного основания. М.: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1967, № 4 - с. 10-12;

35. Наумова Н.И. Разработка метода расчета фундаментных плит с учетом жесткости верхнего строения и сложных грунтовых условий: дисс. канд. техн. наук. Челябинск, 1984. - 184 е.;

36. Орехов В.В. Учет конструкции здания при расчетах осадки фундамента и коэффициентов постели основания. М.: Основания, фундаменты и механика грунтов. 2007, №4 - с. 2-4;

37. Пастернак П.Л. Основы нового метода расчета фундаментов на упругом основании при помощи двух коэффициентов постели. М.: Госстройиздат, 1954. - 56 е.;

38. Репников Л.Н. Расчет балок на упругом основании, объединяющим деформативные свойства основания Винклера и линейно-деформируемой среды. М.: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1967, №6 - с. 4-6;

39. Ривкин С.А. Исследование взаимодействия связевого каркаса здания, фундаментной плиты и грунтового основания. Основания, фундаменты и механика грунтов. М.: Основания, фундаменты и механика грунтов. 1974, №1 - с. 6-9;

40. Руководство по проектированию плитных фундаментов каркасных зданий и сооружений башенного типа / НИИОСП им. Н.М. Герсеванова. -М.: Стройиздат, 1984. 263 е.;

41. Савинов Я.В., Переделкин A.B., Митрофанов А.Н. Учет относительной жесткости зданий при их проектировании. Сборник статей магистрантов. Тамбов: Издательство ТГТУ, 2005, №3 - с. 78-80;

42. Симвулиди И. А. Расчет инженерных конструкций на упругом основании. М.: Высш. шк., 1978. - 480 е.;

43. Сливкер В.И. Экспериментальная проверка и доводка программы по расчёту фундаментных плит с учетом жесткости наземного строения. -Вып. РМ-24-209. Д.: Ленпромстройпроект, 1970;

44. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1985;

45. Сорочан Е.А., Трофименков Ю.Г. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика. М.: Стройиздат, 1985. - 480 е.;

46. СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований фундаментов зданий и сооружений. М.: ФГУП ЦПП, 2005;

47. Тер-Мартиросян 3. Г. Механика грунтов. М.: АСВ, 2005. - 488 е.;

48. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1979. -560 е.;

49. Улицкий, В.М. Основы совместных расчетов здания и основания. -СПб.: Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2006, №10 -с. 56-62;

50. Улицкий В. М., Шашкин А. Г., Шашкин К. Г., Васенин В.А. Расчетная оценка взаимного влияния зданий и подземных сооружений. СПб.: Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2004, №8 -с. 68-82;

51. Ухов С.Б., Семенов В.В., Знаменский В.В. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Высш. шк, 2004. - 566 е.;

52. Фам Дык Кыонг. Коэффициент постели и его использование при расчете взаимодействия фундаментных плит и грунтовых оснований: дисс. канд. техн. наук. М., 2009. - 123 е.;

53. Федоровский В.Г. Современные методы описания механических свойств грунтов. М.: ВНИИИС, 1985 - 73 е.;

54. Филоненко-Бородич М.М. Простейшая модель упругого основания, способная распределять нагрузку. Труды МЭМИИТ. 1945. Вып.53;

55. Флорин В.А. Основы механики грунтов. Т. 1. Л. - М.: Госстройиздат, 1959.-357 е.;

56. Ханджи В.В. Расчёт многоэтажных зданий со связевым каркасом М.: Стройиздат, 1977. - 187 е.;

57. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Стройиздат, 1963. - 636 е.;

58. Чухлатый М.С. Численное исследование напряженнодеформированного состояния системы «здание-фундамент-грунт»: дисс. канд. техн. наук. Тюмень, 2004. - 107 е.;

59. Шашкин К.Г. Расчет напряженно-деформированного состояния основания, фундаментов и здания с учетом их взаимодействия. СПб.: Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2001, №4;

60. Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Основные закономерности взаимодействия оснований и надземных конструкций зданий. СПб.: Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2006, №10 -с. 63-92;

61. Bowles J.E. Foundation analysis and design (5th Edition). New York: The McGraw-Hill Companies, Inc., 1995. - 1175 pp.;

62. Kerr A.D. Elastic and viscoelastic foundation models. Journal of Applied Mechanics, 1964, Vol. 31, No. 3 - 491 -498 pp.;

63. Muir Wood D. Soil behavior and critical state soil mechanics. Cambridge University Press, 1994. - 448 pp.;

64. PLAXIS, http://www.plaxis.ru;

65. Selvadurai A.P.S. Elastic analysis of soil-foundation interaction. -Amsterdam: Elsevier Scientific Publishing Company, 1979. 543 pp.;

66. Terzaghi K., Peck R. B., Mesri G. Soil Mechanics in Engineering Practice (3rd Edition). Wiley-Interscience, 1996. -592 pp.;

67. Whitlow R. Basic soil mechanics (3rd Edition). Longman Scientific & Technical, 1995.-553 pp.