Совместная работа каркаса с фундаментами и основанием

Расчет несущей системы многоэтажного каркасного здания рекомен­дуется производить совместно с фундаментами и основанием. Это позволя­ет повысить надежность всех элементов каркаса и здания в целом и в то же время более рационально распределить конструкционные материалы. Влияние основания на работу конструкций зданий заключается в возникно­вении неравномерных линейных и угловых перемещений фундаментов {рис. ниже), а степень взаимовлияния усилий в наземных конструкциях, фун­даментах и основании зависит от конструктивных решений зданий и свойств грунтов.

Деформированная схема многоэтажной рамы связевого каркаса

Основными причинами деформаций оснований здания являются: дей­ствие вертикальных и горизонтальных нагрузок от сооружения, сопровож­дающиеся уплотнением грунта без существенных изменений его структу­ры; усадка, набухание и ползучесть основания, связанные с изменением температуры, климатических условий и воздействием технологических температур; изменение структуры грунтов вследствие замачивания, вывет­ривания, усыхания и т.д.; строительство на подрабатываемых территориях и в зоне карстовых образований.

В связевых каркасах при условно шарнирном сопряжении ригелей и колонн, ригелей и плит перекрытий неравномерные осадки колонн приво­дят к незначительным деформациям продольной оси колонн и при отсутст­вии горизонтальных связей существенного влияния на распределение уси­лий не оказывают (рис. выше, а). Дополнительные усилия от неравномерного деформирования фундаментов могут возникать в зонах примыкания диа­фрагм жесткости и рамной части каркаса (рис. выше, б). Деформации фунда­ментов, как это видно из рис. ниже, приводят к догружению диафрагм жест­кости в основном горизонтальными нагрузками. Дополнительные усилия возникают и в сопряжениях колонн с дисками перекрытия, жестких в своей плоскости, которые препятствуют повороту нагруженных горизонтальной нагрузкой диафрагм. Следует отметить, что влияние неравномерных осадок на распределение усилий максимально на нижних этажах (с первого до третьего) и по мере подъема выше по этажам снижается.

В рамных и смешанных (комбинированных) каркасах с жесткими уз­ловыми сопряжениями между вертикальными и горизонтальными несущи­ми конструкциями неравномерное деформирование основания и фундамен­тов (рис. ниже) приводит к перераспределению усилий в несущих элементах, в том числе и фундаментах, порядок величин которых может соответство­вать усилиям от внешних нагрузок.

Характер взаимодействия между основанием и сооружением должен быть описан в принятых расчетных схемах. Перемещения фундаментов определяют известными методами механики грунтов, а предельно допус­тимые значения деформаций фундаментов устанавливаются в зависимости от типа сооружения и условий его эксплуатации.

В настоящее время в практике проектирования существуют несколь­ко методов учета совместной работы основания, фундаментов и сооруже­ния. К приближенным или упрощенным относится раздельный расчет здания с определением нагрузок на фундаменты и основание с последую­щей взаимной коррекцией. Уточненная расчетная модель состоит из ба­лочной (плитной, призматической и т.п.) конструкции, имеющей эквива­лентную жесткость наземной части сооружения, расположенной на де­формируемом основании. Полученные осадки расчетной модели являются дополнением к внешним силовым воздействиям в виде вынужденных де­формаций.

Более точной является комплексная расчетная модель, основанная на геометрическом и физическом подобии несущих наземных конструкций, фундаментов и грунта основания. Результаты расчета по такой модели по упругой схеме или тем более с учетом нелинейности деформирования уже содержат учет взаимовлияния всех элементов здания или сооружения и ос­нования.

Использование расчетных схем многоэтажных каркасных зданий, ос­нованных на раздельном расчете наземной части и фундаментов, должно быть соответствующим образом обосновано - жесткая либо легко приспо­сабливающаяся конструктивная схема, малодеформируемое основание. Для каркасных зданий подобные расчетные модели состоят из плоских рамных конструкций или пространственных пластинчато-стержневых систем, рас­положенных на недеформируемом основании, т.е. жестко защемленных в уровне верха фундамента. В этом случае процесс расчета может быть одно­разовым с применением поправочных коэффициентов, учитывающих жескостные характеристики наземной части здания, или итерационным, в за­висимости от величин деформаций основания. Конструкции фундаментов рассчитываются по уже полученным усилиям в опорных конструкциях. При значительных неравномерных деформациях фундаментов и основания производится корректировка расчета наземной части с учетом заданных деформаций опорных закреплений.

Количество итерации можно существенно сократить при использова­нии расчетной модели с упрощенной наземной частью в виде балки с экви­валентной жесткостью и деформируемого основания. Результаты расчета по деформациям основания в этом случае уже содержат влияние наземных конструкций на фундаменты и основание.

Большинство современных программных комплексов, реализующих, как правило, метод конечных элементов (МКЭ), для описания работы грун­тового основания используют модель Винклера - деформируется только та часть основания, которая находится непосредственно под фундаментной конструкцией, а величина деформации пропорциональна действующему давлению. Подобная модель применима в несвязных, например, илистых или песчаных грунтах.

Наиболее существенным и сложным аспектом учета работы грунтово­го основания при расчете наземных конструкций является распределитель­ная способность грунта, когда деформируется не только нагруженная зона грунта, определяемая площадью фундамента, но и соседние примыкающие участки. Для связанных грунтов более реальную картину дает модель де­формируемого полупространства или слоя конечной толщины.

В свою очередь, увеличение горизонтальных прогибов конструкций приводит к повышению влияния деформированной схемы на напряженно- деформированное состояние несущей системы. Опыт проектирования пока­зывает, что учет податливости основания увеличивает прогибы диафрагм до 50%.