Оценка температурно-влажностных деформаций в железобетонных фундаментных конструкциях жилого здания в п. Батагай
Здание трехэтажное с габаритами в осях 22,15х16,85 м и проветриваемым подпольем высотой 1-1,5 м. Надземная часть - монолитный железобетонный каркас, фундамент – из сборных железобетонных свай сечением 40х40 см. Цокольное перекрытие – безбалочное толщиной 20 см. В данном здании имеются отклонения от проектных решений, так, проектом предусмотрены температурно-усадочные швы и обвязочный ростверк (балки сечением 60х60 см), в фактическом исполнении они отсутствуют.
По данным обследований в здании возникли косые трещины на крайних сваях и нормальные на цокольном перекрытии в местах устройства ниш и выступов в плане (рис. 7). Обследование было проведено организацией ООО «Нэлэгэр». Ведомость дефектов была приведена в приложении 1.
Схема повреждений и дефектов
Была поставлена задача смоделировать и выполнить расчет цокольного перекрытия и фундаментов на температурно-влажностные воздействия и сравнить результаты расчетов с материалами обследования.
Расчет железобетонных конструкций на температурные и влажностные воздействия в соответствии с СП 52-105-2009 произвели по 1 расчетной стадии работы железобетонной конструкции – «первое» замораживание до расчетной зимней температуры бетона конструкции.
В статически неопределимых конструкциях жесткость элементов является одним из основных свойств, влияющих на напряжения, вызванные температурными деформациями. Выполненные расчеты подтвердили, что в рассматриваемой статически неопределимой конструкции, усилия, рассчитанные в линейной стадии работы железобетона, не совсем совпадают с фактической картиной трещинообразования (рис. 8). Поэтому учет физической нелинейности железобетона при расчете конструкций, работающих с трещинами, является необходимым.
Эквивалентные напряжения (напряжения фон Мизеса) при расчете в линейной стадии работы железобетона.
Для описания процесса разрушения бетона использовали модель Уильяма-Варнке, конечный элемент которого в Ansys Mechanical называется Solid65. КЭ Solid65 используется для трехмерного моделирования хрупких твердых тел с арматурными стержнями, в котором твердое тело способно к растрескиванию, дроблению, пластической деформации и ползучести, а арматура к пластической деформации и ползучести. В этот элемент можно включить до трёх независимых армирующих материалов, предполагается, что они «распределены» (smeared) по всему элементу и работают только на растяжение и сжатие.
При расчете на температурные воздействия приняли следующие параметры математической модели Уильяма-Варнке, которые остаются постоянными при изменении температуры:
- коэффициент передачи сдвиговых усилий при открытой трещине 0,3;
- коэффициент передачи сдвиговых усилий при закрытой трещине 0,7;
- коэффициент понижения жесткости при образовании трещины в результате растяжения 0,6.
Прочностные, упругопластические и деформативные свойства бетона приняты по СП 52-105 для 3 группы конструкций, в предположении, что конструкция фундамента защищена от воздействия атмосферных осадков. Принятые характеристики меняются в зависимости от температуры и приведены в таблице 1:
Таблица 1.
-
T, °C
-60
-40
-20
0
20
Rbn,t, МПа
25.9
24.05
22.2
18.5
18.5
Rbtn,t, МПа
2.387
2.2165
2.046
1.55
1.55
Ebt, МПа∙103
39
39
33
30
30
Изменения прочностных и упругих характеристик от температуры
Изменения КТД и диаграммы зависимости напряжение-относительные деформация
По
СП 20.13330.2016 расчетные изменения температуры
воздуха равна
.
По СП 52-105 расчетное изменение температуры
для первого этапа работы фундамента:
для второго этапа:
Сваю рассмотрели как стойку, защемленную в грунте на глубине от поверхности земли: в первом этапе работы фундамента: Н1 = 0,827 м; во втором этапе: Н2 = 1,966 м, по СП 52-105.
Эквивалентные относительные деформации
Зоны образования трещин
Вывод:
Распределение максимальных усилий при расчете в нелинейной постановке показало, в целом, на качественное совпадение с картиной трешинообразования 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 желательно избегать подобных внутренних углов.
Выполненная работа показала на необходимость разработки рекомендаций, а лучше норм по расчету железобетонных фундаментных конструкций с учетом температурно-влажностных воздействий.