Чувствительность конструкций зданий к неравномерным осадкам

Многообразие и сложность работы надземных конструкций зданий при взаимодействии их с неравномерными деформациями оснований, можно проиллюстрировать следующей схемой (см. рисунок):

Расчётная схема возможности перехода двух пролётной балки в однопролётную, вследствие получения средней опорой деформации более величины прогиба балки.

Рассмотрим в качестве примера работу двух пролетной статически неопределимой балки.

Рассмотрим условия q=2т/м² и ℓ₂=12 м. Если рассчитать предельный прогиб однопролётной балки, то получим:

Следовательно, при относительной просадке средней опоры (В) на 3,3 см и больше, двухпролётная балка превращается в однопролётную балку - на двух опорах.

Изгибающий момент на опоре (В) для двухпролётной балки:

Изгибающий момент на опоре (В) для однопролётной балки:

Во втором случае происходит изменение знака изгибающего момента с абсолютным возрастанием его в 8 раз. Таким образом, даже самые незначительные осадки, будучи неравномерными, приводят по расчету к катастрофическому перераспределению напряжений. И, если не происходит моментального разрушения конструкции, то объясняется это некоторой пластичностью, свойственной бетону.

Таким образом, анализ деформации конструкций показывает, что особенно чувствительны к неравномерным осадкам статически неопределимые системы.

По чувствительности сооружений и неравномерным осадкам их можно разделить на 3 вида:

1. Абсолютно гибкие сооружения (во всех точках следует за деформацией грунтов основания).

При эксплуатации таких сооружений не возникает дополнительных напряжений в конструкциях. Примером подобному сооружению может служить земляная насыпь. Стадион им. Кирова в Ленинграде в 60^х годах прошлого столетия – проектировался на слабых грунтах, поэтому фундаменты пришлось бы закладывать очень глубоко. В целях экономии средств было решено сделать насыпь по периметру стадиона.

Схема деформации в виде прогиба земляной насыпи - абсолютно гибкого сооружения.

После строительства никаких видимых повреждений не было замечено, насыпь равномерно просела, за исключением тоннелей для входа на поле (деформации данных конструкций достигли максимального значения до 40 см). Нужно было делать их со строительным подъемом.

2. Абсолютно жёсткие (дымовые трубы, доменные печи, элеваторы, силосы, резервуары и т.д.).

Деформация абсолютно жёсткого сооружения (силоса) при работе на деформированном основании представлена на следующем рисунке.

Схема деформации основания и абсолютно жёсткого сооружения.

При симметричной нагрузке и согласованном напластовании грунтов развивается равномерная осадка данного сооружения. Будут ли здесь возникать усилия при таких условиях деформирования?

Деформация основания, с учётом влияния соседних зон, происходит неравномерно, в большей степени в центре и меньше к краям (см. пунктирную линию на схеме). Осадка же абсолютно жёсткой плиты сооружения S_ср остаётся постоянной (прямая линия на схеме). При этом плита встречает значительное сопротивление от грунта в краевых зонах, где S_min<S_const, т.е. возникновение более интенсивного давления на этих участках.

Поскольку такие сооружения достаточно прочны (высокая жёскость), то вследствие перераспределения контактных напряжений (давлений) по подошве фундамента и возникновения дополнительных усилий, возможны крены таких сооружений (не симметричное залегание грунтов, нагружение соседних площадей). Но в самих конструкциях возможны и появления деформаций - развитие косых трещины в углах (в 30-х годах прошлого столетия марка бетона при возведении подобных сооружений была не велика 100-110 кг/см² – отсюда деформации в угловых зонах силосов). В углах возникает колоссальная концентрация напряжений.

Сейчас тоже можно встретиться с подобным явлением при строительстве точечных зданий:

Схема возможного появления трещин в цокольной части жёстких сооружений, вследствие концентрации контактных напряжений в угловых зонах.

3. Сооружения с конечной жесткостью (для обычных сооружений).

Деформация сооружения конечной жёсткости (здания общей этажности до 9…11 этажей) может быть представлена на следующей схеме:

Схема развития деформаций для сооружений различной жёсткости.

1. Деформации абсолютно жёсткого сооружения.
2. Деформация сооружения с конечной жёсткостью.
3. Деформация грунта основания (или сооружения с абсолютной гибкостью).

Таким образом, из представленной схемы (см. выше) очевидно, что чем жёстче сооружение, тем больше отличия в его деформации от деформаций основания и тем большие усилия возникают в самом сооружении.