Напряженно-деформированное состояние железобетонных
свайных фундаментных конструкций, возводимых на
многолетнемерзлых грунтах, с учетом температурных и влажностных
воздействий
Введение 4
Глава 1. Проблемы проектирования железобетонных конструкций, возводимых на вечномерзлых грунтах, подвергаемых температурным и
влажностным воздействиям 8
1.1 Основные факторы, влияющие на долговечность строительных
конструкций 15
1.2 Методы расчета железобетонных свайных фундаментных конструкций на температурные и влажностные воздействия 18
1.2.1 Особенности расчета железобетонных конструкций в холодном
климате и на вечномерзлых грунтах 18
1.2.2 Группы конструкций 20
1.2.3 Учет изменения механических свойств 22
1.2.4 Работа сваи с грунтом при горизонтальных температурных
деформациях 23
1.3 Влияние отрицательной температуры на физико-механические характеристики бетона 25
1.3.1 Изменение механических свойств бетона 27
1.3.2 Изменения температурных деформаций 32
1.3.3 Диаграмма состояния бетона 36
1.4 Изменение физико-механических свойств стали 39
1.5 Анализ СП 52-105-2009 40
1.6 Выводы по главе 1 44
Глава 2. Численный анализ напряженно-деформированного состояния железобетонных свайных фундаментных конструкций с учетом нелинейной работы бетона и арматуры 45
2.1 Моделирование пластических деформаций бетона. Модель Вилама- Варнке (Solid65) 45
2.2 Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного
состояния железобетонных свайных фундаментных конструкций жилого здания в п. Батагай при воздействии низких температур 52
2.3 Оценка температурно-влажностных деформаций в железобетонных
фундаментных конструкциях с монолитными ростверками 61
2.4 Выводы по главе 2 65
Глава 3. Численный анализ напряженно-деформированного состояния железобетонных свайных фундаментных конструкций с учетом взаимодействия сваи с грунтом при изменении температуры и физико¬механических свойств бетона и грунта 66
3.1 Численное моделирование промерзания-оттаивания
многолетнемерзлых грунтов 67
3.1.1 Г раничные и начальные условия тепловой задачи 71
3.1.2 Результаты теплового расчета 74
3.2 Моделирование пластических деформаций грунтов 78
3.2.1 Модель Мора-Кулона. Тестовые расчеты 78
3.2.2 Механические свойства мерзлых грунтов 79
3.3 Этапы нагружения конструкции 81
3.4 Результаты численного моделирования рамной железобетонной
свайной конструкции с учетом грунтов 84
3.5 Анализ изменения размеров температурного блока 93
3.6 Метод расчета свай при температурных горизонтальных
деформациях 97
3.7 Рекомендации по расчету свайных фундаментных конструкций 99
3.8 Выводы по главе 3 101
Глава 4. Автоматизация расчетов оснований фундаментов на многолетнемерзлых грунтах 103
4.1 Выводы по главе 4 109
Заключение 110
Список литературы 113
Приложение
При проектировании зданий и сооружений в условиях Крайнего Севера одним из значимых факторов, влияющих на несущую способность, являются низкие отрицательные температуры. Так, одной из нерешенных проблем железобетона в Якутии остается оценка температурно-влажностных воздействий на свайные фундаментные конструкции, находящиеся на открытом воздухе. Это касается конструкций как вновь возводимых зданий, так и обеспечения сохранности существующих конструкций.
Низкие климатические температуры наиболее выраженно проявляются в Республике Саха (Якутия) - в некоторых районах республики средняя месячная температура воздуха в январе достигает -46 °С, а температура воздуха наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,98 до -61 °С. В 1892 году в Республике Саха (Якутия) в г. Верхоянск была зафиксирована абсолютно минимальная температура -67,8 °С, которая до сих пор остается рекордной для Евразии [1].
В Республике Саха (Якутия) в гражданском строительстве применяют в основном первый принцип использования многолетнемерзлых грунтов - здания на свайных фундаментах с проветриваемыми подпольями высотой 1,2¬
1,4 м, что позволяет сохранять мерзлое состояние грунтов за все время эксплуатации. Особенностью конструктивного решения зданий является то, что фундаментные конструкции остаются не защищенными от температурных перепадов, несущие конструкции надземной части, как правило, заводятся в теплый контур здания. На свайные фундаменты этих зданий одновременно действуют силовые нагрузки и значительные по величине отрицательные температуры, которые вызывают вынужденные горизонтальные деформации.
В настоящее время выдвинуто немало гипотез, объясняющие физические закономерности температурно-влажностных воздействий, накоплен большой экспериментальный материал, введены нормативные требования по проектированию железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях низкотемпературных воздействий. Однако, при обследованиях фундаментных конструкций, проведенных в условиях крайнего севера, до сих пор обнаруживаются значительное количество повреждений. Кроме того, некоторые дефекты появляются после непродолжительного периода эксплуатации [2].
Причины аварий гражданских зданий и сооружений в Якутии главным образом связаны с разрушением бетона свайных фундаментных конструкций. Разрушение связано с трещинообразованием фундаментных конструкций из- за недостаточного учета температурно-влажностных воздействий. Это возникает из-за отсутствия соответствующих рекомендаций и указаний по проектированию, отражающих с достаточной полнотой специфику работы строительных конструкций в условиях резко континентального климата Якутии.
В связи с планами расширения добычи нефти и газа и развития промышленности в северных регионах России становится актуальным исследования особенностей работы железобетонных свайных фундаментных конструкций в холодном климате и на многолетнемерзлых грунтах.
Целью работы является анализ напряженно-деформированного состояния железобетонных свайных фундаментных конструкций, возводимых на вечномерзлых грунтах, с учетом температурных и влажностных воздействий.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Обзор литературы по теме исследования;
2. Оценка существующих методов расчета железобетонных конструкций на температурно-влажностные воздействия;
3. Изучение особенностей влияния температуры и влажности на свойства бетона и арматуры;
4. Разработка КЭ модели для численного анализа напряженного- деформированного состояния железобетонных элементов при изменении температуры;
5. Исследование особенностей напряженно-деформированного состояния «свая-грунт» при совместном воздействии постоянных нагрузок и нестационарных температурных колебаний;
6. Разработка программы расчета оснований свайных фундаментов;
7. Изучение материалов натурных исследований состояния фундаментных конструкций в условиях Крайнего Севера;
8. Разработка рекомендаций по учету температурно-влажностных воздействий при расчете и конструировании.
Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:
Выполнены формализации нелинейных диаграмм состояния бетона в диапазоне климатических температур и влажности, а также арматуры для расчета численными методами.
Поставлена и решена задача нестационарного и нелинейного теплового расчета бетона и грунта с учетом изменения физических свойств от фазового состояния грунта и скрытой теплоты фазовых переходов вода-лёд (задача Стефана).
На основе численных исследований выявлены особенности напряженно - деформированного состояния железобетонных свайных фундаментных конструкций при совместном действии постоянных вертикальных нагрузок и низких климатических температур с учет пластических деформаций и изменения физико-механических свойств бетона и грунта.
Предложен метод расчета свай при температурных горизонтальных деформациях с применением переменных коэффициентов постели.
В ходе работы были получены следующие практические результаты
Разработана программа «PilePermafrost» для расчета свайных фундаментов на многолетнемерзлых грунтах, которая реализует основные положения СП 25.13330.2012.
Получены нелинейные диаграммы состояния сжатого бетона класса В25, которые можно использовать при численных расчетах.
Приведенные значения и закономерности изменений физико-механических свойств бетона и грунта, полученные разными авторами, могут быть использованы для анализа НДС железобетонных конструкций в холодном климате и многолетнемерзлых грунтов.
Подход решения задачи тепловых расчетов может быть использован для анализа теплового поля грунта с помощью программных комплексов, основанных на методе конечных элементов.
Разработаны рекомендации по расчету железобетонных свайных фундаментных конструкций на многолетнемерзлых грунтах с учетом температурных и влажностных воздействий.
Достоверность результатов исследований, выводов обусловлена:
- теоретическими предпосылками, базирующимися на
фундаментальных положениях механики грунтов, теории упругости, теории пластичности и теплофизики;
- использованием в расчетах сертифицированных расчетных программ, реализующих МКЭ с использованием верифицированных моделей железобетона и грунта.
Практическая ценность работы. Результаты исследований могут быть использованы проектировщиками при проектировании железобетонных свайных фундаментных конструкций, возводимых на вечномерзлых грунтах.
Даны некоторые рекомендации по расчету железобетонных свайных фундаментных конструкций с учетом температурных и влажностных воздействий.
Публикации. Содержание выполненных работ опубликовано в 4 статьях [3, 4, 5, 6], в том числе одна статья [6] в журнале, входящий в перечень изданий ВАК, а также подготовлены опубликованию 4 статьи.
Автор выражает благодарность и глубокую признательность научному руководителю к.т.н., доценту Посельскому Ф. Ф., за оказанную помощь в работе над диссертацией, а также Будилову Д. В. за консультирование и предоставленные материалы обследования.
В диссертационной работе представлен численный метод расчета железобетонных свайных фундаментных конструкций, возводимых на многолетнемерзлых грунтах, с учетом температурных и влажностных воздействий.
В работе получены следующие результаты:
Выявлены неточности СП 52-105-2009, которые снижают возможность практического его использования, в частности, по величине длительного модуля деформаций бетона, величине модуля упругости для 1 и 3 групп конструкций с понижением температуры, по определению коэффициента деформаций системы свая-грунт.
Численно смоделированы в ПК ANSYS конструкции цокольных перекрытий жилого дома в п. Батагай и конструкции ребристых цокольных перекрытий со свайными кустами и жесткими ростверками многоквартирного жилого дома, размеры температурного блока которых превышают рекомендованные РМ 2-77. Результаты выполненных расчетов подтвердили, что трещинообразование вызвано температурно-влажностными
деформациями бетона и арматуры. Распределение эквивалентных относительных деформаций и трещин при расчете в нелинейной постановке показало, в целом, на качественное совпадение с картиной реального трещинообразования в цокольном перекрытии и на сваях. Что показывает на правомочность примененной расчетной модели работы железобетонного цокольного перекрытия и эффективность применения программы Ansys для анализа термонапряженного состояния железобетонных конструкций. Выявлено негативное влияние внутренних углов в планах цокольных перекрытий в участках ниш и выступов, которые являются концентраторами напряжений, и способствуют трещинообразованию в конструкциях. В проектных решениях в районах с низкими температурами рекомендуется избегать подобных внутренних углов.
Получены нелинейные диаграммы состояния бетона при различных отрицательных температурах (от 20С до —70^С) и влажности (3-5%), которые можно использовать при численных методах расчета.
Численно смоделирована работа железобетонной свайной фундаментной конструкции при совместном действии постоянных вертикальных нагрузок и температурных воздействий с учетом фактической работы сваи с грунтом и изменения физико-механических свойств бетона и грунта. Для определения теплового поля грунта был проделан нестационарный и нелинейный тепловой расчет, который учитывает изменения физических свойств от фазового состояния грунта и скрытую теплоту фазовых переходов (задача Стефана). В структурном анализе учтены результаты теплового расчета, которые изменяют физико-механические свойства грунта и бетона. Для моделирования пластических деформаций были использованы математические модели Вилама-Варнке и Мора-Кулона.
Путем проведения численного эксперимента, основанного на методе конечных элементов, исследована работа железобетонных свайных фундаментных конструкций и выявлена специфика работы конструкций фундаментов при разных температурных блоках и высоты проветриваемого подполья.
Установлено, что трещины образуются в основном от температурных деформаций. Выявлено, что деформации, вызванные от изменения температуры воздуха, увеличивают напряжения, возникающие от вертикальных постоянных нагрузок, почти в 2 раза.
Продемонстрирована реальная работа свайных фундаментных конструкций с грунтом. Выявлено, что грунт, воспринимающий температурное сжатие от сваи, вначале растягивается от воздействия вертикальных нагрузок и температурного расширения балки, потом сжимается от температурного сжатия балки. При этом свая не возвращается на начальную ось.
Предложен метод расчета свай при температурных горизонтальных деформациях с применением переменных коэффициентов постели.
Разработаны рекомендации по расчету железобетонных свайных фундаментных конструкций на многолетнемерзлых грунтах с учетом температурных и влажностных воздействий.
Разработана программа «PilePermafrost», которая рассчитывает основные положения СП 25.13330.2012:
• Расчет среднегодовой температуры и глубины сезонного оттаивания и промерзания грунта по методике приложения Г;
• Расчет несущей способности оснований фундаментов при использовании многолетнемерзлых грунтов по I принципу.
Применение в практике предлагаемой программы «PilePermafrost» позволит проектировать фундаменты зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах с большей надежностью, заложенной в действующем СП 25.13330.2012.
При разработке программы были учтены пожелания пользователей - для этого добавлены вывод промежуточных данных и визуализация результатов в виде эпюр и графиков.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
