ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗАГЛУБЛЕННЫХ ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ГРУНТОВЫМ МАССИВОМ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлено исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) железобетонных конструкций заглубленных зданий, учитывающее их сложное взаимодействие с окружающим грунтовым массивом. Использован метод конечно-элементного моделирования (МКЭ) для анализа НДС конструкций при различных геологических условиях и уровнях нагрузки. Рассмотрены различные модели грунта, учитывающие его нелинейные свойства, а также влияние технологических этапов строительства на распределение напряжений в конструкциях. Проведен сравнительный анализ полученных результатов для разных конструктивных решений и типов грунтов. Выявлены критические зоны концентрации напряжений и деформаций, представляющие наибольшую опасность с точки зрения прочности и долговечности конструкций. Предложены рекомендации по оптимизации конструктивных решений заглубленных зданий с целью повышения их надежности и безопасности при эксплуатации в сложных геотехнических условиях.

ABSTRACT

This article presents a study of the stress-strain state (SSS) of reinforced concrete structures of underground buildings, taking into account their complex interaction with the surrounding soil mass. The finite element modeling (FEM) method is used to analyze the SSS of structures under various geological conditions and load levels. Various soil models are considered, taking into account its nonlinear properties, as well as the influence of technological stages of construction on the distribution of stresses in structures. A comparative analysis of the results obtained for different design solutions and soil types is carried out. Critical zones of stress and strain concentration are identified, which pose the greatest danger in terms of strength and durability of structures. Recommendations are proposed for optimizing the design solutions of underground buildings in order to increase their reliability and safety during operation in complex geotechnical conditions.

Ключевые слова: заглубленные здания, железобетонные конструкции, напряженно-деформированное состояние, грунтовый массив, взаимодействие, конечно-элементный анализ, геотехнические условия, нелинейные свойства грунта, моделирование, надежность.

Keywords: buried buildings, reinforced concrete structures, stress-strain state, soil massif, interaction, finite element analysis, geotechnical conditions, nonlinear soil properties, modeling, reliability.

Введение. Начало прошлого столетия характеризуется комплексным освоением подземного пространства. Во всем мире построено и запроектировано множество объектов, которые можно отнести к группе заглубленных или подземных зданий. В основном это объекты подземной инфраструктуры.

Наряду со строительством подземных инженерных сооружений, промышленных и общественных зданий, объектов специального назначения во всем мире быстрыми темпами развивается проектирование и строительство заглубленных жилых зданий.

Цель строительства заглубленных жилых зданий - поддержать или улучшить взаимоотношения с окружающей средой, улучшить энергетические характеристики здания за счёт рационального выбора места строительства, ориентации здания по ветру и солнцу, использования защитных свойств рельефа и благоприятных качеств, расположенных рядом водоёмов, лесов и т. д. Имеющиеся сегодня техника и технологии позволяют создать комфортное, красивое, экологически чистое, дешёвое в строительстве и эксплуатации жильё.

Однако заглубленные здания представляют собой сложную геотехническую систему. На напряжённо-деформируемое состояние конструкций, взаимодействующих с грунтом, большое влияние оказывает точность определения контактных напряжений, возникающих на поверхности контакта конструкции и грунтового массива.

Анализ публикаций. Вопросам комплексного освоения подземного пространства посвящены труды Д. С. Конюхова [1; 2], А. А. Шилина [3], В. А. Ивахнюка [4] , Т.Ширинкулова[10],  С.М.Махмудова[9]  и др., где приводится широкий обзор истории освоения подземного пространства в различных странах мира с точки зрения архитектурно-строительной практики.

Разработке широкого комплекса теоретико-методических вопросов освоения сложного рельефа посвятили свои работы многие специалисты разных стран: Л. Джафарова (Болгария), З. Кресс, К. Бенкерт (Германия), П. Пинон (Франция), Я. Нейрн (Великобритания), Р. Энценхофер (Австрия), Д. Спиринг (Канада), Л. Буркхард (Швейцария) и др. В странах бывшего СССР следует отметить работы Е. А. Васильева, А. Г. Григоряна, П. П. Коваленко, Ю. И. Курбатова, Л. И. Лоповка, В. Ф. Макухина, Б. А. Маминайшвили, Г. А. Машковой, В. Р. Крогиуса, П. П. Туманяна и др.

Большинство сооружений по условиям работы конструкций имеют конечную жёсткость.

В связи с тем, что давление грунта на сооружения конечной жёсткости является функцией их прогибов, построение эпюр давления представляет собой весьма сложную задачу даже в простейшем случае однородного грунта. Анализ публикаций по данному вопросу показал, что имеющиеся строгие решения оказались непригодными для применения их в практических задачах, и поэтому построение эпюр давления грунта до сих пор производится по методам, не учитывающим в полной мере специфики взаимодействия грунта и конструкции [5 - 8].

Целью статьи является исследование напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций заглубленных зданий с учетом их взаимодействия с грунтовым массивом и выбор рационального варианта конструкций заглубленного здания на основе анализа полученных результатов расчета.

Материалы и методы. В данном исследовании для анализа напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций заглубленных зданий использовался метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ является мощным инструментом для решения задач строительной механики, позволяющим учитывать сложное взаимодействие конструкций с грунтовым массивом и нелинейные свойства материалов.

Сегодня, в связи с появлением и развитием численных методов расчета конструкций, используя готовые программные комплексы, можно достаточно точно смоделировать сложный процесс взаимодействия грунта и сооружения, а также определить напряженно-деформированное состояние грунтового массива. При этом достоверность результатов, полученных при численном моделировании, будет зависеть от того, насколько созданная расчетная модель соответствует реальным условиям.

Моделирование работы конструкций заглубленного сооружения включает в себя три основных этапа: выбор программного комплекса, моделирование и контроль результатов расчета.

Анализ программных комплексов показал, что расчет железобетонных конструкций заглубленного здания может быть выполнен в любом программном пакете, который обеспечивает возможность решения статической задачи с учетом физической и геометрической нелинейности, имеет в составе библиотеки конечный элемент, моделирующий поведение грунтового массива согласно известным моделям прочности грунта, и обеспечивает возможность задания контактных условий на границе «заглубленное здание - грунтовый массив».

Процесс моделирования предлагается проводить в три этапа: создание расчетной конечно­элементной модели заглубленного здания; создание расчетной конечно-элементной модели грунтового массива; моделирование поверхности контакта «заглубленная конструкция - грунтовый массив».

Для определения основных принципов и выявления особенностей моделирования конструкций заглубленного здания, взаимодействующих с грунтовым массивом, рассмотрена задача взаимодействия подпорной стены с грунтом (рис. 1). Численная модель данной задачи представлена на рисунке 2 (рассматривался случай плоской деформации). При этом варьировались как геометрические размеры конструкции, так и жесткостные характеристики. Напряженно-деформированное состояние конечно-элементной модели подпорной стены представлено на рисунке 3.

Для проверки адекватности деформированной схемы подпорной стены сравнивались значения контактных напряжений, полученные с помощью численного моделирования и аналитическим путем.

Рисунок 1. Схема подпорной стены

Для анализа напряженно-деформированного состояния конструкций, которые взаимодействуют с грунтом, как единой системы «заглубленное здание - грунтовый массив» были рассмотрены три расчетные модели, которые отличались способом моделирования контактной поверхности между бетонной конструкцией и грунтом (с использованием двух узловых КЭ 262, одноузловых КЭ 261 и без использования специальных конечных элементов).

Результаты. В результате сравнения полученных результатов расчета, для дальнейших исследований была принята пространственная расчетная конечноэлементная модель заглубленного здания, которая учитывает совместную работу конструкций здания с грунтовым массивом.

Рисунок 2. Конечноэлементная модель подпорной стены

Рисунок 3. Напряженно-деформированная схема системы «подпорная стена - грунтовый массив»

Для создания пространственной расчетной конечноэлементной модели заглубленного здания (рис. 4), учитывающей совместную работу конструкций с грунтовым массивом, использовались конечные элементы: КЭ 271 - физически нелинейный объемный конечный элемент грунта в форме параллелепипеда для моделирования грунтового массива; КЭ 44 - универсальный конечный элемент оболочки для моделирования конструкций заглубленного здания; КЭ 261 - одноузловой конечный элемент упругой связи для моделирования поверхности контакта системы «грунт - заглубленная конструкция», позволяющий смоделировать работу пружины (упругого основания).

Рисунок 4. Пространственная расчетная модель заглубленного здания

Выбор рационального варианта конструктивного решения заглубленного здания выполнялся на примере расчета и анализа пространственных компьютерных конечно элементных моделей одноэтажного заглубленного здания размером в плане 14 х 24 м, высотой 3 м. Здание расположено на склоне. Массив грунтового основания принимался глубиной 27 м и 15 м в каждую сторону от здания.

При расчетах варьировалась толщина несущих наружных стен здания (200, 300 и 400 мм), а так же для анализа влияния пространственной жесткости здания на характер напряженно- деформированного состояния конструкций заглубленного здания варьировался шаг поперечных стен (4, 6, 8, 12 и 24 м), выполняющих роль диафрагм жесткости.

В результате расчета рассматриваемых вариантов заглубленного здания были получены значения внутренних усилий (табл. 1, 2) и выполнен подбор площади рабочей арматуры в элементах конструкций заглубленного здания (табл. 3).

Анализ полученных результатов расчета (табл. 1, 2) показывает, что продольные наружные стены заглубленного здания, граничащие с грунтом, воспринимают значительный изгибающий момент, вызванный боковым давлением грунта. При этом величина давления, а, следовательно, и величина изгибающего момента зависят от толщины стены, а также от шага поперечных стен. Для всех рассмотренных вариантов выполняется закономерность: чем меньше шаг поперечных стен, тем меньшее значение усилия изгиба возникает в сечениях элементов. Такие закономерности изменения внутренних усилий показывают, что при увеличении шага поперечных стен резко увеличивается расход арматуры.

Таблица 1.

Значения внутренних усилий в элементах конструкций при разных жесткостных характеристиках здания

Таблица 2.

Значения внутренних усилий в продольных стенах, взаимодействующих с грунтом, при разных жесткостных характеристиках здания

Для выбора наиболее рационального конструктивного решения заглубленного здания выполнен стоимостный анализ рассмотренных вариантов по материалу. Технико-экономическое сравнение рассчитываемых вариантов выполнено исходя из расчета общей стоимости арматуры, бетона и бетонных работ. В расчетах приняты: стоимость бетона 460 тыс./м³, арматуры 3 220 тыс. / т.

На рисунке 5 приведен график изменения стоимости арматуры, бетона и общей стоимости от шага поперечных стен заглубленного здания.

Рисунок 5. График зависимости стоимости арматуры, бетона, бетонных работ и общей стоимости бетона и арматуры от шага поперечных диафрагм

Анализ данных графика (рис. 5) свидетельствует о том, что рациональным вариантом заглубленного здания, с точки зрения общей стоимости, является вариант с толщиной наружных и поперечных стен 200 мм и шаге поперечных стен (диафрагм) 8 м.

Заключение. 1. Для выявления особенностей моделирования конструкций заглубленного здания, взаимодействующих с грунтовым массивом, рассмотрена конечно-элементная модель подпорной стены. Анализ результатов расчета, полученных с помощью численного моделирования и аналитическим путем, показывает, что расчет железобетонных конструкций заглубленного здания может быть выполнен в любом программном комплексе, который обеспечивает возможность решения статической задачи с учетом физической и геометрической нелинейности, имеет в составе библиотеки конечный элемент, моделирующий поведение грунтового массива согласно известным моделям прочности грунта и обеспечивает возможность задания контактных условий на границе «заглубленное здание - грунтовый массив».

2. Для выбора наиболее рационального конструктивного решения заглубленного здания, а также для анализа влияния пространственной жесткости здания на характер напряженно- деформированного состояния конструкций заглубленного здания рассмотрены варианты здания с различной толщиной наружных стен (200, 300 и 400 мм) и шаге поперечных внутренних стен толщиной 200 мм (4, 6, 8, 12 и 24 м).

3. Расчеты выполнялись на основе разработанных пространственных моделей заглубленного здания, в которых учитывалась совместная работа конструкций здания с грунтовым массивом.

4. В результате стоимостного анализа рассмотренных вариантов конструктивного решения заглубленных зданий установлено, что наиболее рациональным является вариант, в котором толщина наружных стен заглубленного здания составляет 200 мм, толщина и шаг поперечных стен составляют, соответственно, 200 мм и 8 м при классе бетона С 16/20.

Список литературы:

1. Конюхов Д. С. Использование подземного пространства: [учебн. пособие для вузов] / Дмитрий Сергеевич Конюхов - М. : Архитектура, 2004. - 296 с.
2. Конюхов Д. С. Строительство городских подземных сооружений мелкого заложения: специальные работы: [учеб. пособие для вузов] / Дмитрий Сергеевич Конюхов - М.: Архитектура, 2005. - 304 с.
3. Шилин А. А. Освоение подземного пространства (зарождение и развитие): [учеб. пособие для вузов] / А. А. Шилин - М.: Изд-во Московского гос. горного ун-та, 2005. - 305 с.
4. Ивахнюк В. А. Строительство и проектирование подземных и заглубленных сооружений. - М.: АСВ, 1999. - 150 с.
5. Механика грунтов, основания и фундаменты: учеб. пособие для студ. вузов / Под ред. С. Б. Ухова. - М.: Изд-во АСВ, 1994. - 527 с.
6. Будин А. Я. Тонкие подпорные стенки. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1974. - 191 с.
7. Руководство по проектированию подпорных стен и стен подвалов для промышленного и гражданского строительства / ЦНИИПромзданий Госстроя СССР. - М. : Стройиздат, 1984. - 117 с.
8. В.В. Леденов, П.В. Монастыров, Г.М. Куликов, С.В. Плотникова Расчетные модели для проектирования конструкций.Монография.2016г.Тамбов.
9. С.М. Махмудов Расчетные модели для проектирования конструкций.Монография.2019г.Ташкент
10. Т.Ш. Ширинкулов Расчет инженерных конструкций на неоднородном оснований. Монография.1986 год. Ташкент.