ЗДАНИЕ Российский патент 1998 года по МПК E04H9/02 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении гражданских и промышленных зданий на просадочных, насыпных и пучинистых грунтах.

Во время эксплуатации здания, возведенные на деформирующихся грунтах, подвергаются неравномерным просадкам, пучению вследствие изменения свойств грунтов основания при их увлажнении, промерзании, недостаточном уплотнении при строительстве и ряде других причин. Неравномерные деформации приводят к появлению дополнительных усилий во всех элементах зданий и в ряде случаев к нарушению их целостности и даже к разрушению всего здания.

При появлении просадки грунта по контуру здания, по двум противоположным и смежным сторонам, по одной из сторон и под углами возникают дополнительные растягивающие усилия в верхней части здания, что приводит к появлению вертикальных трещин в стенах, в перегородках и стыках. При неравномерном пучении грунтов, просадке их под средней частью здания возникают дополнительные растягивающие усилия в нижней части здания, что является причиной появления вертикальных трещин в фундаменте и цокольной части.

Как в первом, так и во втором случаях возникают усилия сдвига и отрыва надземной части здания от фундамента, что приводит к появлению горизонтальных трещин.

В случае проявления совместного действия усилий от разных видов деформаций грунта в конструкциях стен, перегородок в фундаменте возникают наклонные трещины.

Для исключения таких последствий известны два направления:
- уменьшение неравномерных деформаций грунтов в основании фундаментов путем непосредственного воздействия на грунт [1];- уменьшение дополнительных усилий от неравномерных деформаций грунтов в основании путем воздействия на элементы здания.

В первом случае для исключения, например, пучения рекомендуется фундамент опирать на талый грунт, заглубляя его подошву ниже глубины промерзания.

Для исключения неравномерных просадок запрещается замачивание грунтов в процессе эксплуатации, слабые грунты рекомендуется убирать, заменять прочными или увеличивать их прочность искусственной обработкой в виде цементации, силикатизации и других способов.

Эти мероприятия позволяют превратить неравномерные деформации в равномерные.

Во втором случае стремятся распределить дополнительные усилия в частях здания от неравномерных деформаций грунтового основания между элементами подземной и надземной частей здания.

Для распределения усилий здание рассматривается как пространственная система взаимосвязанных элементов надземной и подземной частей, соединенных между собой различным видом реальных связей элементов здания.

Распределение усилий в элементах здания происходит вследствие того, что здание воспринимает проявление неравномерных деформаций грунтового основания как пространственная система взаимосвязанных элементов его подземной и надземной частей.

Известно многоэтажное здание, возводимое на просадочных грунтах, относящееся к первому направлению [2]. Здание включает многоэтажную надземную часть, подземную часть с ограждающими конструкциями, опертыми на фундамент. Подземная часть выполнена в виде многоярусного каркаса, высота которого равна толщине слоя просадочных грунтов. Фундамент выполнен в виде сплошной плиты, опертой на непросадочные грунты.

За счет опирания фундамента на непросадочный грунт исключаются неравномерные деформации и соответственно дополнительные усилия в надфундаментной части здания.

Переход на плитные фундаменты способствует перераспределению усилий в элементах здания, уменьшает удельное давление на грунт, что приводит к уменьшению осадки,и как следствие усилий в каждом элементе здания.

Однако в процессе эксплуатации вследствие изменения свойств грунтов основания за счет, например, увлажнения, промерзания, недостаточного уплотнения при строительстве и других причин происходят неравномерные деформации грунтов основания, что приводит к появлению дополнительных усилий в элементах здания и нарушению совместной работы плиты и надфундаментного строения и как следствие к уменьшению надежности здания.

Наиболее близким по технической сущности является здание на сплошной фундаментной плите, в котором используется второе направление для исключения последствий неравномерных деформаций грунтового основания [3] . Здание включает надфундаментную часть и сплошную фундаментную плиту. Плита расположена на поверхности грунта без заглубления и выполнена с арматурой, а надфундаментное строение оперто на плиту и снабжено арматурным поясом.

Количество арматуры в плите и арматурном поясе определяется расчетным путем из условия прочности элементов и соединений при действии усилий, вызванных неравномерными деформациями грунта.

Расчет усилий производится из условия равновесия системы. При этом считается, что жесткость грунтового основания постоянна и при составлении условий равновесия системы не учитывается. Расчеты осуществляются для каждого случая неравномерных деформаций грунтов основания (просадки по контуру плиты, по двум противоположным сторонам, по одной стороне, центром плиты и пучения грунта).

Арматура плиты определяется по величине изгибающих моментов, возникающих от действия отпора грунта при наиболее неблагоприятном случае его деформации. Причем она имеет постоянное сечение на всей площади плиты.

Арматурный пояс рассчитывается по нормальным усилиям и выполнен постоянным сечением по контуру надфундаментной части здания. Он располагается в уровне перекрытий или в перемычной части стен. При этом площадь арматуры пояса зависит от его местоположения по высоте. Такое здание обеспечивает надежную работу его на весь срок эксплуатации. При этом при строительстве не требуется выполнения дополнительных мероприятий и устройств, исключающих неравномерные деформации грунтового основания.

Однако анализ работы построенных зданий показывает, что у 15 - 20% зданий появляются трещины в плите. Это обусловлено недостаточным армированием плиты, при расчете которой не учитывались нормальные усилия, действующие в плоскости плиты, проявляющиеся в плите в результате общей деформации здания как системы "плита - надфундаментное строение" при неравномерных просадках грунтов под плитой.

Кроме того, в процессе эксплуатации могут возникнуть такие явления, как крен здания. Это обусловлено тем, что при равномерном армировании плиты по всей площади она работает как жесткий штамп, т.е. плита имеет постоянную жесткость. Жесткая плита в свою очередь при взаимодействии с грунтом в наиболее напряженных участках приводит к раздавливанию грунта. Разделенный грунт меняет свои структурные характеристики, что приводит к увеличению жесткости грунтового основания. Увеличение жесткости в отдельных участках приводит к изменению жесткости грунтового основания под всей плитой (из равномерной она становится переменной), что вызывает крен здания.

Наличие крена создает неудобства в протекании технологических процессов в помещениях здания (проживание, нарушение производственного процесса и др. ).

Также в известной конструкции постоянное армирование плиты по максимальным усилиям создает необоснованно завышенный расход арматуры.

Задача изобретения - повышение долговечности сооружений, обеспечение нормальных условий протекания технологических процессов в здании и сокращение материалоемкости.

Для решения поставленной задачи в здании, содержащем надфундаментное строение, снабженное арматурным поясом, опертое на фундаментную плиту с арматурой, указанная арматура выполнена переменного сечения, параметры которого в каждой точке изменяются в соответствии с изгибающей эпюрой усилий в плите, причем усилия определены из принципа минимума потенциальной энергии деформации системы грунт - фундаментная плита - надфундаментное строение при различных осадка грунта, а сечение арматурного пояса равно части сечения арматуры плиты, воспринимающей нормальные усилия при осадке грунта.

Наличие существенных и отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию "патентоспособности новизны".

Заявляемое решение отличается от прототипа новой геометрией узлов устройства, а именно арматура плиты имеет переменное сечение, параметры сечения арматуры плиты и пояса определяются по определенной выше зависимости.

Из известного уровня техники явным образом не следует, что уменьшение количества армирования в сооружении приводит к повышению долговечности сооружений.

Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности "Изобретательский уровень".

Благодаря выполнению арматуры плиты и пояса определенного переменного сечения обеспечивается рациональное распределение арматуры в каждой точке плиты и пояса. В свою очередь более рациональное распределение арматуры в каждой точке плиты и пояса приводит к исключению деформаций здания, превышающих нормативные значения при всех возможных случаях деформации грунта.

Здание не подвергается деформациям, которые возникают при различных деформациях грунта. Отсутствие нежелательных (дополнительных) деформаций повышает надежность и долговечность сооружений, обеспечивает нормальные условия протекания технологических процессов в них и, кроме этого, сокращает металлоемкость сооружений.

На фиг. 1 показано предлагаемое здание, аксонометрия; на фиг.2 - положение арматуры в сечении плиты; на фиг.3 - схема армирования плиты; на фиг.4 и 5 - план арматурного пояса; на фиг.6 - расчетные эпюры деформаций (просадок) грунтов основания плиты; на фиг.7 - схема разбивки здания на конечные элементы; на фиг. 8 и 9 - схема арматуры плиты, вызванная действием общей деформации системы; на фиг.10 - схема объемного тела параметров арматуры в верхней и нижней частях сечения плиты; на фиг. 11 - схемы раскладки сеток в верхней а) и нижней б) зонах сечения плиты.

Изобретение иллюстрируется на примере пятиэтажного жилого здания, запроектированного на неоднородных просадочных и пучинистых грунтах, представленных суглинками с плотностью γ=1,6 т/м³, коэффициентом пористости 0,94, углом внутреннего трения ϕ=17^o и модулем деформации Ε=8 МПа.
Здание (фиг. 1) содержит сплошную незаглубленную фундаментную плиту 1, уложенную на поверхность грунта 2 и надфундаментное строение 3.

Плита 1 выполнена из бетона с армированием 4 в верхней и нижней частях. Размеры плиты 37, 14 • 14,4 м.

Надфундаментное строение 3 установлено на плиту 1, снабжено поясом 5 с арматурой 6. Пояса 5 установлены в теле каждой стены на уровне перекрытий. Надфундаментная часть имеет пять этажей высотой 2,8 м. Размеры надфундаментной части в плане по осям 12•36 м.

Арматура 4 (фиг. 2) в плите выполнена с переменным сечением. Параметры сечения арматуры при переходе от одной точки плиты к другой изменяются в соответствии с огибающей эпюрой моментов в плите и нормальных усилий в поясе. Арматура 4 выполнена в виде стержней 7 и 8, имеющих различные диаметры в каждой точке плиты (фиг.7). Стержни 7 уложены в верхней части плиты, стержни 8 - в нижней части. Стержни в каждой части уложены вдоль осей X и Y в виде сетки.

Арматура 6 в поясе 5 (фиг.4) также выполнена с переменным сечением. Параметры ее сечения при переходе от одной точки пояса к другой меняются в соответствии с изменением нормальных усилий от деформации (просадки) грунтов под плитой и численно равны части арматурной плиты, воспринимающей нормальные усилия. Арматура 6 выполнена также в виде стержней, имеющих в каждой точке пояса различные диаметры (фиг.5). Стержни 6 уложены либо по оси X, либо по оси Y, т.е. вдоль каждой стены.

Параметры арматуры в плите 1 и поясах 5 определены расчетным путем.

В основе расчета заложен принцип работы здания как системы грунт - плита - надфундаментное строение.

Система воспринимает нагрузки от собственного веса ее элементов, полезную нагрузку и усилия, возникающие от неравномерных деформаций (просадок) грунтов под фундаментной плитой.

При расчете рассматривается 7 вариантов деформаций (просадок) грунта, которые приводят к соответствующему изменению коэффициентов жесткости (постели) грунта C_xy под плитой, а соответственно и усилий в элементах системы грунт - фундаментная плита - надфундаментное строение.

- равномерная просадка под всей плитой (фиг.6,а);
- просадка по контуру плиты (фиг.6,б);
- просадка под средней частью плиты (фиг.6,в);
- просадка по двум противоположным сторонам (параллельно оси X и Y); (фиг.6,г,д);
- просадка по одной стороне (параллельно оси X и Y) (фиг.6, е,ж).

Для определения усилий в элементах системы для каждого случая деформаций грунта была выбрана функциональная зависимость просадки грунта
Sixy

= f(X, У, α_i, β_i),
удовлетворяющая кинематическим граничным условиям и дифференциальным уравнением изгиба плиты на упругом основании.

i - вариант просадки грунта (i = а - ж);
X и Y - координаты точки под плитой (фиг.6);
α_i и β_i - коэффициенты, характеризующие форму прогибов плиты при соответствующем i-том случае просадки грунта.

В соответствии с выбранной функциональной зависимостью деформации грунта Sixy

определены коэффициенты жесткости (постели)
Cixy= f(X, У, С_o, γ_i),
где
C_o - коэффициент жесткости (постели) грунта, осредненный в пределах всей площади плиты A = 2b • 2a.

C_o определен по средним напряжениям в грунте под плитой при равномерной деформации S_o и отпоре грунта P_o (случай деформации a).

где
γ_i - коэффициент пропорциональности для рассматриваемого i - случая деформации грунта.

Коэффициенты α_i, β_i, γ_i для каждого случая деформации грунтового основания могут быть определены любым из известных вариационных методов, таких как принцип минимума потенциальной энергии деформаций, принцип минимума дополнительной энергии деформаций либо смешанным методом.

В данном случае используется принцип минимума потенциальной энергии деформации системы грунт - фундаментная плита - надфундаментное строение
δ•U=0,
где
δ - знак вариации;
U - потенциальная энергия системы, определяемая в виде
U = U_пл + U_осн - П,
где
U_пл - потенциальная энергия плиты

U_осн -потенциальная энергия упругого основания

П - работа (потенциал) внешних сил

P_xy - функция отпора (напряжений) грунта под плитой, определяемая для рассматриваемого случая деформаций и соответствующего ему коэффициента жесткости (постели) грунта в рассматриваемом участке плиты
P_xy = C_xy • S_xy;
D - цилиндрическая жесткость плиты

g_xy, N_i, P_j - внешние нагрузки, действующие на плиту, соответственно равномерно-распределенная, сосредоточенная, полосовая;
h и μ - толщина плиты и коэффициент Пуассона материала плиты.

Путем минимизации функции потенциальной энергии системы U по переменным α, β и γ для каждого случая возможных просадок грунта получены системы из трех нелинейных уравнений, из которых определены конкретные для каждого случая значения α, β и γ. Путем подставления α, β и γ в уравнении для Cixy

были определены коэффициенты постели грунтового основания в каждой точке плиты.

При определении коэффициента постели C_xy для рассматриваемых конкретных параметров грунта (ϕ, Ε) использована ЭВМ.

Определение усилий в элементах системы грунт - фундаментная плита - надфундаментное строение проведены по стандартному ППП АПЖБК НИИАСС Госстроя УССР. В основу расчета положен метод конечных элементов. Здание было расчленено на конечные элементы (фиг.7). Фундаментную плиту 1 делили на элементы 9 с переменным коэффициентом постели C_xy, а пояса 5-на стержни 10. При расчете было рассмотрено семь случаев деформации (просадки) грунта в основании плиты, для которых в центре каждого конечного элемента определены усилия (моменты, нормальные силы).

Программа позволила по расчетным моментам определить расчетные параметры (суммарную площадь сечения арматуры в сечении каждого конечного элемента плиты на погонный метр ширины сечения) (фиг.8). В нижней части сечения плиты параметры арматуры представлены площадью A(M)S1

и A(M)S3, а в верхней A(M)S2 и A(M)S4. Эта арматура воспринимает изгибающие моменты от отпора грунта P_xy. В связи с тем, что при деформации (просадке) грунта под плитой происходит общая деформация здания как системы, полученные расчетом параметры арматуры A(M)S1, A(M)S2, A(M)S3 и A(M)S4 увеличивают за счет учета дополнительной арматуры, воспринимающей нормальные усилия N в плите, возникающие при общей деформации системы грунт - фундаментная плита - надфундаментное строение. Расчетное количество арматуры в конечном элементе плиты в расчете на погонный метр ширины сечения составляет A(N)S1и A(N)S2 (фиг.9). Эту арматуру поровну распределяют между верхней и нижней арматурами и получают полное значение параметров арматуры в плите.

По максимальным значениям параметров арматуры в каждом конечном элементе плиты для рассмотренных семи случаев деформации (осадки) грунтов под плитой построены огибающие эпюры параметров A_S1, A_S2, A_S3 и A_S4 в направлении осей X и Y и получено объемное тело параметров арматуры верхней и нижней частей сечения плиты. Для визуального представления о форме этого тела проведено для примера рассечение вертикальными плоскостями по центрам конечных элементов Э-143 (по оси Y) и 141-150 (по оси X), указанных на фиг.7. В табл.1 приведены численные значения параметров в указанных элементах, по которым построено сечение тела арматуры на фиг.10.

Таким образом, в каждой точке сечения плиты параметры арматуры имеют переменную величину.

Для рассматриваемого дома в процессе конструирования проводилась унификация расчетной арматуры в соответствии с правилами построения эпюры материалов и требованиями конструирования железобетонных элементов. Эти условия, а также требования индустриализации вынуждают принять дискретный характер армирования, т.е. концентрировать арматуру в виде конкретной стержневой арматуры с помощью не менее расчетной площади арматуры в пределах рассматриваемого сечения.

По результатам расчета с учетом сказанного армирование плиты выполнено сетками с диаметрами стержней 12 - 18 мм соответственно огибающей эпюре, в верхней (фиг.11,a) и нижней зонах (фиг.11,б) сечения фундаментной плиты.

Характеристики сеток представлены в табл.2.

Арматурные пояса здания, располагаемые в стенах на уровне перекрытия, имеют параметры (сечения) арматуры, которые определены по огибающим эпюрам, вызванным общей деформацией системы при просадке грунта под плитой. Величина суммарной нормальной силы в поясах в направлении X и Y равна соответственно равнодействующей нормальных сил в плите в направлении осей X и Y. Параметры арматуры пояса имеют переменное значение вдоль его осей.

Для практического использования принято дискретное значение в виде стержней разных диаметров от 10 до 16 мм с площадью не менее расчетного параметра арматуры пояса на каждом конкретном участке длины пояса. На фиг.7 показано положение участков пояса по стенам здания. Характеристики принятых параметров в поясе на отдельных участках приведены в табл.3.

Примечание к таблице: диаметр арматуры указан последовательно для направления Y, а затем X.

Возможны и другие способы реализации объемного тела расчетной арматуры плиты, например, в виде дисперсного армирования с соответствующей плотностью армирования или перфорированной листовой сталью.

Объемное тело арматурного пояса может быть также выполнено арматурными пакетами с переменными сечениями, соответствующими расчету.

Армирование элементов здания плиты и пояса по огибающим эпюрам расчетных параметров арматуры обеспечивает надежную его работу в процессе эксплуатации.

Обследование построенных с использованием рассмотренного принципа зданий показывает, что по сравнению со зданиями, в которых не обеспечивается совместная работа (на ленточных, плитных, свайных фундаментах), число наблюдающихся дефектов, связанных с деформациями грунтов, снижается более чем в 2 - 3 раза. В связи с этим можно ожидать увеличения срока надежной эксплуатации на 15 - 20 лет. Кроме того, учет совместной работы всех элементов здания, объединенных плитой и поясом, приводит к более полному использованию потенциальных запасов прочности материалов ограждающих конструкций (стен, перегородок), размеры которых определяются по условиям обеспечения защитных функций (теплозащиты, звукоизоляции и т.д.).

Это обеспечивает для рассматриваемых зданий снижение материалов, стоимости, трудоемкости возведения здания на 30 - 40% по сравнению с обычными зданиями (на ленточных, свайных фундаментах).

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. СНиП 2.02.01-83. Основание зданий и сооружений /Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1985, с.40.

2.Авторское свидетельство СССР N1612067, кл. E 04 H 9/02, 1990
3. Григорьев П.Я. Ротенберг Г.Я. Жилые дома усадебного типа на сплошных фундаментных плитах. - На стройках России, 1985, N5, с. 18 - 21.

В здании на незаглубленной фундаментной плите с арматурным поясом в уровне перекрытий арматура плиты и пояса выполнена переменного сечения. Параметры арматуры в плите в каждой точке изменяются в соответствии с огибающей эпюрой усилий в плите и поясе, причем усилия определяются из принципа минимума потенциальной энергии деформации системы грунт - фундаментная плита - надфундаментное строение при различных просадках грунта. Параметры арматурного сечения пояса равны части параметров сечения арматуры плиты, воспринимающей нормальные усилия при осадках грунта. Изобретение направлено на повышение долговечности сооружений, обеспечение нормальных условий протекания технологических процессов в здании и соращение материалоемкости. 11 ил., 3 табл.

Здание, содержащее надфундаментное строение, снабженное арматурным поясом, опертое на фундаментную плиту с арматурой, отличающееся тем, что арматура плиты и пояса выполнена переменного сечения, при этом параметры сечения арматуры в плите в каждой точке изменяются в соответствии с огибающей эпюрой усилий в плите и поясе, причем усилия определены из принципа минимума потенциальной энергии деформации системы грунт - фундаментная плита - надфундаментное строение при различных осадках грунта, а параметры арматурного сечения пояса равны части параметров сечения арматуры плиты, воспринимающей нормальные усилия при осадках грунта.