Ця стаття була викладена частинами на сторінці автора Sergiy Umanskiy англійською мовою.
Ми зібрали та переклали матеріал зі згоди автора сподіваємось на вашу зацікавленість та відгуки.
Проектування споруд на складних ґрунтах вимагає особливо уважного підходу до моделювання
взаємодії «основа – фундамент – споруда».
Це має ключове значення не лише для безпечної експлуатації, але й для коректної роботи складних інженерних thermoactive систем, чутливих до вертикальних і горизонтальних деформацій. Вертикальні осідання можуть порушити роботу трубопроводів, а нерівномірні деформації можуть створити ризики розриву теплоносія Саме тому в цьому дослідженні розглянуто шість різних методів розрахунку 6-поверхової будівлі, спроектованої за концепцією Thermoactive Accumulated Adaptive Building Systems (TAABS), з метою оцінити, який підхід найточніше відтворює реальні умови роботи конструкції.
TAABS — це інноваційна система, у якій конструкції будівлі (плити, стіни, фундаменти) та частина інженерних систем працюють як тепловий акумулятор, забезпечуючи опалення, охолодження та стабілізацію мікроклімату через вбудовані теплообмінні контури.
Почнемо з інженерно-геологічних умов та характеристик споруди.
Будівля розташована на складному багатошаровому ґрунтовому масиві, що включає п’ять інженерно-геологічних елементів, які відрізняються за модулями деформації, питомою вагою та товщиною шарів. Найслабший шар має модуль деформації лише 4 МПа, тоді як найжорсткіший — 21 МПа, що створює неоднорідну основу з потенційно нерівномірними осіданнями.
Сама споруда проста квадратна в плані розміром 17×17 м та складається із шести поверхів висотою 2,5 м кожний. Фундамент — залізобетонна плита, розташована на шарі екструдованого пінополістиролу, що додатково впливає на деформації системи
Були розглянуті шість варіантів моделювання умов роботи споруди.
1. Фундамент на жорсткій основі.
2. Фундаментна плита на пружній основі (метод модулів деформації, пружній напівпростір).
3. Моделювання плити в ґрунтовому масиві (Geotechnical Analysis).
4. Фундамент на жорсткій опорі з використанням Construction Stages Analysis (Аналіз етапів будівництва).
5. Фундаментна плита на пружній основі + Construction Stages Analysis.
6. Моделювання плити в ґрунтовому масиві + Construction Stages Analysis.
Усі шість варіантів моделювання можна розділити на дві групи. Перша група розглядає вплив споруди на ґрунтову основу повність збудованої споруди немов її зібрали на 100% і встановили в проектне положення за один етап. І хоч реально існують такі проекти коли споруду повністю збирали на спеціалізованих майданчиках і потім переміщували на будмайданчик, все-таки це одинична практика і тому друга група варіантів моделювання враховує вплив споруди на ґрунтову основу з урахуванням стадій будівництва. Для забезпечення цього методу був використаний аддон Сonstruction stages.
В кожну з двох груп входять три розрахункові схеми які розрізняються за варіантами моделювання взаємодії споруда – основа, а саме: перший – основа розглядається як жорстка, другий – фундаментна плита на пружній основі і третій де основа розглядається як багатошаровий ґрунтовий масив з відповідними характеристиками шарів ґрунту.
Для всіх варіантів моделювання застосовано однакову комбінацію навантажень (власна вага, корисне та снігове навантаження).
Оцінка варіантів першої групи
Для аналізу поведінки конструкції було застосовано інструмент Result Beam- інструмент для візуалізації та інтеграції результатів, який не є реальною частиною конструкції, ширина якого відповідає ширині колони, а висота – товщині плити.
Це дозволило порівняти деформації та внутрішні зусилля між різними моделями.
Результати розрахунку показано в наступному порядку – деформації, діаграма Mz, N, Vy.
Максимальні деформації розподілилися наступним чином:
Верх конструкції (вища плита) Низ конструкції (фундамент)
- 6,0 мм 1,5 мм
- 39,3 мм 34,4 мм
- 84,5 мм 80,0 мм
Максимальна епюра Mz, колон та плит (result beam)
- 123 кН*м
- 136 кН*м
- 141 кН*м
Максимальні осьові сили N в колонах
1. 1122 кН
2. 1026 кН
3. 1035 кН
Максимальні поперечні зусилля Vx
Слід зазначити, що визначення поперечних без врахування усіх факторів, що наближають поведінку розрахункової моделі до реальної роботи конструкцій може призвести до хибних результатів при підборі поперечного армування та розрахунку залізобетонних елементів на продавлювання.
У випадку моделювання фундаменту як елемента, що спирається на жорстку основу, спостерігались переважно деформації в шарі екструдованого пінополістиролу та прогини перекриттів.
Іншими словами, будівля не взаємодіяла з основою, що не відповідає фізичним умовам.
Однак вже в моделях із пружною основою виникли осідання фундаменту, хоча їхній характер виявився нереалістичним. Деформації нагадували поведінку об’єкта, який «з’являється моментально», тоді як у реальності будівля зводиться у декілька стадій, що значною мірою визначає її роботу. Тому ці три підходи були відкинуті як невідповідні для адекватного відтворення реального стану конструкції.
Тепер розглянемо методи, що з більшою точністю відображають взаємодію з основою.
Відкидаємо спирання на жорстку основу як нереалістичну навіть з використанням етапів будівництва.
Наближену до реальної картину забезпечили ті підходи, де було використано або пружну основу разом із Construction Stages, або повноцінний Geotechnical Analysis зі стадіями будівництва. Саме вони дозволяють врахувати як поступове зростання навантаження на ґрунт, так і його нелінійну роботу.
Цікаво, що всупереч поширеній думці геотехнічне моделювання виявилось не надто ресурсоємним. Загальний час розрахунку збільшився приблизно на півгодини в даному випадку порівняно з моделлю на пружній основі – незначний компроміс, враховуючи суттєво вищу точність отриманих результатів.
Різниця між підходами проявилася у формах деформацій, у значеннях максимального осідання та у внутрішніх зусиллях. Значення моментів Mz, поздовжніх сил N та поперечних сил Vy суттєво відрізнялися.
Розрахунок з використанням етапів будівництва (найбільш наближеного до реальної роботи конструкції) за допомогою додатка «Сonstruction stages» впливає на розподіл зусиль, що напряму впливає на проектування армування, оскільки неправильний аналіз розподілу зусиль та границь стиснутої та розтягнутої зон у моделі може призвести до неправильного армування.
Зважаючи на складність взаємодії з ґрунтом, доцільно використовувати огинаючі результати (envelope) з двох коректних моделей. Жодна поодинока модель не здатна повністю врахувати такі фактори, як нерівномірні осідання, зміна рівня ґрунтових вод чи випадкові впливи.
Але для більш повної картини важливості правильного аналізу роботи ґрунтової основи у взаємодії з каркасом необхідно приділити увагу питанню проєктування у щільній міській забудові
Проектування фундаментів у щільно забудованих районах має свої критичні особливості, які принципово відрізняють його від проектування на «вільному полі». Коли нова споруда зводиться в безпосередній близькості до існуючих, фундаментні системи починають взаємодіяти через ґрунт. Навіть якщо між будівлями немає фізичного контакту, передача напружень в ґрунтовому масиві може спричиняти значні додаткові деформації у сусідніх конструкціях.
Для цього ми знову розглянемо два підходи – розрахунок з використанням фундаментної плити з пружинною опорою і розрахунок з використанням масиву ґрунту (геотехнічний аналіз). Обидва методи були виконані з використанням етапів будівництва.
У спрощеній моделі на пружних елементах така взаємодія повністю ігнорується – пружні опори працюють незалежно, тому моделювання показує, що нове будівництво не впливає на існуючу забудову. Але в геотехнічному аналізі, який враховує реальну передачу напружень у ґрунтовому середовищі, спостерігається протилежна картина: поява нової споруди може призводити до перерозподілу напружень, додаткових осідань і суттєвого збільшення внутрішніх зусиль у сусідніх конструкціях.
Нова споруда може викликати додаткові осідання існуючої споруди, спричиняючи збільшення внутрішніх зусиль у її фундаментній плиті та підвищення навантажень на колони першого поверху, також можлива часткова або повна втрата стійкості будівлі, зокрема при асиметричних осіданнях або активація техногенних зсувів у м’яких або водонасичених ґрунтах.
Тому в умовах щільної забудови така взаємодія повинна враховуватися обов’язково, а за необхідності – має передбачатися система захисних заходів.
У щільній міській забудові моделювання лише на пружних елементах категорично неприпустиме для серйозних інженерних рішень. Такі моделі дають хибне уявлення, що сусідні будівлі не впливають одна на одну. Насправді ж фундаментні системи взаємодіють через ґрунт, і ця взаємодія може бути причиною тріщин, деформацій або навіть катастрофічних руйнувань. Слабкі шари здатні передавати деформації на значні відстані, і традиційні пружні моделі можуть їх не передбачити, будь-який вплив на ґрунтовий масив у межах щільної забудови може спровокувати аварійні ситуації, якщо не враховано перерозподіл напружень.
Проведений аналіз однозначно показує, що лише моделі, які враховують геотехнічний масив та Construction Stages, здатні забезпечити реалістичну картину роботи будівлі на слабкій основі. Геотехнічний підхід більш точно передає деформації та внутрішні зусилля, хоча й потребує трохи більше часу на розрахунок.
Для надійного проектування армування доцільно використовувати огинаючі результати з кількох моделей, оскільки поведінка ґрунту завжди містить фактори невизначеності. В умовах щільної міської забудови вплив нового будівництва на сусідні споруди може бути суттєвим, і його обов’язково потрібно враховувати в моделі.
Ви також можете провести подібний аналіз щоб зробити правильний вибір у ваших проектах.
Спробуйте у тріал версії RFEM 6 перевірити свої моделі, період 90 днів дасть змогу вам зробити свої висновки.
