Способ обеспечения равномерного распределения вертикальных напряжений в несущих стенах многоэтажного здания со свайно-плитным фундаментом
Владельцы патента RU 2386756:
Государственное унитарное предприятие города Москвы "Московский научно-исследовательский и проектный институт типологии, экспериментального проектирования" (ГУП МНИИТЭП) (RU)
Изобретение относится к области строительства, в частности к способу обеспечения равномерного распределения вертикальных напряжений в несущих стенах многоэтажного здания со свайно-плитным фундаментом. Способ обеспечения равномерного распределения вертикальных напряжений в несущих стенах многоэтажного здания со свайно-плитным фундаментом заключается в том, что проводят расчет напряженно-деформированного состояния системы «фундамент-здание» с получением данных, на основе которых воздействуют на фундамент посредством изменения его жесткости. После расчета напряженно-деформированного состояния системы «фундамент-здание» осуществляют на стадии проектирования построение эпюр распределения вертикальных напряжений в несущих стенах многоэтажного здания в зоне их сопряжения с фундаментом. Выявляют пики на эпюрах распределения вертикальных напряжений и устраняют их снижением жесткости участка фундамента, осуществляемым смещением со стороны фасадов здания к его центру каждой из осей свай первого ряда свай относительно края поперечных стен здания на расстояние, определяемое приведенной зависимостью. Сваи, ближайшие к линии, проходящей через центр здания параллельно его фасадам, устанавливают относительно этой линии с меньшим шагом. Технический результат состоит в обеспечении равномерного распределения вертикальных напряжений в несущих стенах многоэтажного здания со свайно-плитным фундаментом на стадии проектирования и снижении материалоемкости. 14 ил.
Изобретение относится к области строительства и касается способа снижения уровня неравномерности вертикальных напряжений в стенах многоэтажного здания, установленного на свайно-плитном фундаменте.
На стадии проектирования фундамента согласно положениям СП 50-101-2004 «Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений», М., 2005, с.77-84 и «Инструкции по проектированию и устройству свайных фундаментов зданий и сооружений в г.Москве» изд. Правительства Москвы. Москомархитектура, 2001 г., с.16, 22, 27-29, 79, 81, 84, 92-101, 128-129 определяют данные, характеризующие назначение, конструктивные и технологические особенности здания и условия его эксплуатации, определяют нагрузки, действующие на фундамент, выбирают вид свай, их габариты и схему размещения свай на строительной площадке и осуществляют совместный расчет системы «фундамент - здание» на эксплуатационные нагрузки по первому и второму предельным состояниям. В результате расчета получают перемещения и усилия в сваях, фундаментной плите и конструкциях здания.
Проанализировав результаты расчета, проектировщики стараются изменить конструктивное решение фундамента таким образом, чтобы осадка и относительная разность осадок фундаментной плиты, а также усилия в сваях не превышали допустимых значений. При этом не рассматривается зависимость распределения усилий в конструкциях здания от конструктивного решения фундамента, и решение принимается, лишь отвечающее указанным требованиям строительных норм.
Проектирование несущих конструкций здания осуществляют на усилия, полученные из расчета с принятым конструктивным решением фундамента. Таким образом, значительные всплески напряжений (высокие уровни неравномерности), полученные на крае стены, приводят к увеличению ее толщины или к дополнительному армированию, что может вызвать существенные изменения в планировке всего здания. Особенно важно добиться равномерного распределения вертикальных усилий в стенах крупнопанельных зданий, поскольку при проверке прочности платформенных стыков при неравномерном распределении напряжений в них необходимо повышать прочность за счет увеличения прочности материала или толщины стен, а в монолитных зданиях - так же и за счет увеличения расхода арматуры.
Известен способ снижения уровня неравномерности осадок при строительстве зданий, заключающийся в том, что перед строительством проводят расчеты напряженно-деформированного состояния системы «грунт - фундамент - здание» с получением данных о расположении и форме зон упрочнения и разупрочнения элементов системы, на основе которых при строительстве воздействуют на каждый элемент системы в отдельности или на элементы системы в различных сочетаниях, или на все элементы системы совместно, изменяя их прочностные и деформационные характеристики, при этом воздействие на грунт осуществляют путем его упрочнения в районе центра пятна застройки здания с одновременным разупрочнением грунта на периферии пятна застройки, воздействие на фундамент путем повышения его изгибной жесткости с максимумом ее величины в центре фундаментной плиты и минимумом на периферийной его части, воздействие на здание осуществляют путем увеличения жесткости примыкающей к фундаменту части здания в центре и по периферии и уменьшения жесткости между центром и периферией здания (см. патент РФ № 2265107, E02D 35/00, 15.04.2004 г.).
Данное решение принято в качестве прототипа.
Недостатки известного способа заключаются в следующем: неравномерность напряжений в зоне сопряжения конструкций стен с фундаментом приводит к увеличению расхода материала стен и требований по повышению прочности бетона фундамента в зоне контакта его со стенами, или, например, введения дополнительного косвенного армирования.
Техническим результатом предлагаемого решения является обеспечение равномерного распределения вертикальных напряжений в несущих стенах многоэтажного здания со свайно-плитным фундаментом на стадии проектирования и снижения материалоемкости.
Достигается это тем, что в способе, заключающемся в том, что проводят расчет напряженно-деформированного состояния системы «фундамент - здание» с получением данных, на основе которых воздействуют на фундамент посредством изменения его жесткости, после расчета напряженно-деформированного состояния системы «фундамент - здание» осуществляют на стадии проектирования построение эпюр распределения вертикальных напряжений в несущих стенах многоэтажного здания в зоне их сопряжения с фундаментом, выявляют пики на эпюрах распределения вертикальных напряжений и устраняют их снижением жесткости участка фундамента, осуществляемым смещением со стороны фасадов здания к его центру каждой из осей первого ряда свай относительно края поперечных стен здания на расстояние, определяемое соотношением:
, где
у - смещение каждой из осей первого ряда свай относительно края поперечных стен здания, м;
а - шаг размещения свай, м;
d - диаметр свай, м;
Н - толщина фундаментной плиты, м, причем сваи, ближайшие к линии, проходящей через центр здания параллельно его фасадам, устанавливают относительно этой линии с меньшим шагом.
На фиг.1 изображена схема размещения свай под многоэтажным зданием в плане согласно предлагаемому решению.
На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
На фиг.3 - схема размещения свай под многоэтажным зданием согласно СП 50-101-2004.
На фиг.4 - эпюра распределения вертикальных напряжений в несущей стене многоэтажного здания (от центра к краю) для схемы размещения свай на фиг.3.
На фиг.5 - эпюра распределения вертикальных напряжений в несущей стене многоэтажного здания (от центра к краю) для схемы размещения свай на фиг.1.
На фиг.6, 7 и 8 - эпюры распределения вертикальных напряжений в каждой из трех несущих стен многоэтажного здания (от центра к краю) при 
На фиг.9, 10 и 11 - эпюры распределения вертикальных напряжений в каждой из трех несущих стен многоэтажного здания (от центра к краю) при 
На фиг.12, 13 и 14 - эпюры распределения вертикальных напряжений в каждой из трех несущих стен многоэтажного здания (от центра к краю) при 
Сущность способа заключается в следующем. На стадии проектирования определяют данные, характеризующие назначение, конструктивные и технологические особенности многоэтажного здания 1 и условия его эксплуатации, определяют нагрузки, действующие на фундамент, выбирают вид свай 2, их габариты, схему размещения свай на строительной площадке и размеры фундаментной плиты 3.
Проводят совместные расчет напряженно-деформированного состояния системы «фундамент - здание» и на стадии проектирования осуществляют построение эпюр распределения вертикальных напряжений в несущих стенах 4, 5, 6 многоэтажного здания 1 в зоне их сопряжения с фундаментом. На эпюрах выявляют пики и устраняют их снижением жесткости участка фундамента, которое осуществляют смещением со стороны фасадов здания к его центру каждой из осей свай первого ряда относительно края поперечных стен здания на расстояние, определяемое соотношением:
, где
у - смещение каждой из осей свай первого ряда относительно края поперечных стен здания, м;
а - шаг размещения свай, м;
d - диаметр свай, м;
Н - толщина фундаментной плиты, м,
причем сваи, ближайшие к линии, проходящей через центр здания параллельно его фасадам, устанавливают относительно этой линии с меньшим шагом.
Сваи 7, ближайшие к линии, проходящей через центр здания параллельно его фасадам, устанавливают относительно этой линии с меньшим шагом, что обеспечивает повышение жесткости фундамента в центре здания при одновременном снижении жесткости по краям фундамента, что в целом обеспечивает равномерное распределение вертикальных напряжений в несущих стенах многоэтажного здания.
Пример реализации способа. Был рассчитан тестовый пример, представляющий собой 22-этажное симметричное в плане здание перекрестно-стеновой системы с шагом поперечных стен 3, 3,6 и 4,2 м, установленное на фундаментную плиту толщиной 1,2 м, под которой устраивают свайное поле с шагом 1,2 м в обоих направлениях из свай квадратного сечения со стороной 0,3 м, длина свай 10 м. Толщина стен - 18 см, толщина плит перекрытий - 14 см. Вес наружных стен принят равным 1 т/м. Все конструкции выполнены из монолитного железобетона класса В25. Вертикальные нагрузки на здание приняты согласно СНиП 2.01.07-85. Грунт принят с модулем деформации 20 МПа. Рассмотрено два варианта расстановки свай: вариант 1 - сваи установлены равномерно под всей фундаментной плитой (фиг.3), вариант 2 - оси свай первого ряда расположены с отступом 0,75 м от края поперечных стен внутрь здания (фиг.1).
Максимальное значение на эпюре вертикальных напряжений для наиболее загруженной стены 6 согласно 1 варианту - 1000 т/м2, минимальное - 386 т/м2. Максимальное значение на эпюре вертикальных напряжений согласно 2 варианту - 706 т/м2, минимальное - 430 т/м2. Как видно из результатов расчета, тангенс угла наклона прямой, соединяющей сечения с максимальным и минимальным значением вертикальных напряжений изменяется от k=(1000-386)/5,1=120 т/м3 до k=(706-430)/5,1=54 т/м3, то есть для наиболее нагруженной стены здания наблюдается эффект снижения неравномерности распределения вертикальных напряжений 222%.
На фиг.6-14 приведены эпюры вертикальных напряжений в стенах 22-этажного здания, рассматриваемого в качестве тестового примера, возникающие при установке свай с отступом осей первого ряда свай до края поперечных стен у=0,45, 0,75, 1,05 м.
В качестве критерия выбора оптимального значения у принималось наименьшее значение тангенса угла наклона прямой, соединяющей сечения с максимальным и минимальным значением вертикальных напряжений.
При у=0,45 м для стены 4 k=(494-210)/5,4=53 т/м3, для стены 5 k=(752-371)/5,4=71 т/м3, для стены 6 k=(894-385)/5,4=94 т/м3.
При у=0,75 м для стены 4 k=(376-242)/3,9=34 т/м3, для стены 5 k=(592-414)/4,2=42 т/м3, для стены 6 k=(706-430)/5,1=54 т/м3.
При у=1,05 м для стены 4 k=(385-242)/3=48 т/м3, для стены 5 k=(576-411)/3,3=50 т/м3, для стены 6 k=(654-428)/3,6=63 т/м3.
Как видно из указанных фигур с увеличением значения y
тангенс угла наклона сначала уменьшается, а потом возрастает. При значениях, лежащих в интервале 
, достигается минимальный уровень неравномерности вертикальных напряжений.
В зоне контакта стен с фундаментной плитой распределение напряжений вдоль стены равномерное, что не требует дополнительного армирования и приводит к снижению материалоемкости конструкции.
Способ обеспечения равномерного распределения вертикальных напряжений в несущих стенах многоэтажного здания со свайно-плитным фундаментом, заключающийся в том, что проводят расчет напряженно-деформированного состояния системы «фундамент-здание» с получением данных, на основе которых воздействуют на фундамент посредством изменения его жесткости, отличающийся тем, что после расчета напряженно-деформированного состояния системы «фундамент-здание» осуществляют на стадии проектирования построение эпюр распределения вертикальных напряжений в несущих стенах многоэтажного здания в зоне их сопряжения с фундаментом, выявляют пики на эпюрах распределения вертикальных напряжений и устраняют их снижением жесткости участка фундамента, осуществляемым смещением со стороны фасадов здания к его центру каждой из осей свай первого ряда свай относительно края поперечных стен здания на расстояние, определяемое соотношением:
,
где у - смещение каждой из осей первого ряда свай относительно края поперечных стен здания, м;
а - шаг размещения свай, м;
d - диаметр свай, м;
Н - толщина фундаментной плиты, м,
причем сваи, ближайшие к линии, проходящей через центр здания параллельно его фасадам, устанавливают относительно этой линии с меньшим шагом.
