Методическое пособие 787

1

нии. Отмеченные коэффициенты, сложны по структуре и здесь не приводятся.

Выводы. Предложенный подход к решению задач устойчивости на основе аппроксимации функциональной неизвестной, позволяет в значительной степени снизить объём вычислительной работы, связанный с получением расчётных формул. Сведение последних к известным из литературы, подтверждает правомерность его применения к решением задач термоупругости, напряженно-деформированного состояния и статики с иными, отличными от рассмотренных, схемами нагружения оболочек.

Библиографический список

1.Кан С.Н. Строительная механика оболочек. - М.: Машиностроение, 1966. -508с.

2.Булатов С.Н. Устойчивость ступенчатой цилиндрической оболочки под действием радиальных давлений и осевых усилий. – М.: Строительная механика и расчет сооружений.

–М., 1970, №3.

3.Балабух Л.Н., Марченко В.М. Устойчивость тонкой оболочки, нагруженной местными усилиями. Труды ЦАГИ, 1952.

4.Механикатвердыхдеформируемыхтел. Итогинауки. - М., 1969. СерияМеханика, 348с.

References

1.Caen S.N. Building mechanics of shells - Moscow: Machinery construction (Mashinostroenie), 1966. - 508p.

2.Bulatov S.N. Stability of stepped barrel shell under radial pressure and axial thrusts. - Moscow: Building mechanics and analysis of structure, 1970, №3

3.Balabukh L.N., Marchenko V.M. Stability of thin shell loaded with local load. - Researches of TsAGI, 1952

4.Solid mechanics. Science results (Itogi nauki) - Moscow: A series "Mechanics" - 348 p.

90

Канд. тех. наук, ст. преп. кафедры городского Ph.D. in Engineering, Senior lecturer of Urban

Ю.А. Воробьева

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ ЧЕРЕЗ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ С РАЗЛИЧНЫМ ИЗНОСОМ

Рассмотрена математическая модель нестационарного отраженного шумового поля в ограждающей конструкции с различным физическим износом. Получена зависимость изменения уровня звука, проникающего в помещение через трещину от величины ее раскрытия. Приведены результаты экспериментальных исследований, позволяющие прогнозировать изменение акустической среды помещений в результате износа конструкций.

Ключевые слова: уровень звука, шумовое поле, износ зданий, математическое моделирование.

Y.A. Vorobyeva

SIMULATION OF TRANSITING OF ACOUSTICAL ENERGY THROUGH A PROTECTING CONSTRUCTION WITH A DIFFERENT WEAR

The mathematical model of a non-stationary reflex noise field in a protecting construction with a different physical wear surveyed. The dependence of change of a level of a sound penetrating into a location through a flaw from magnitude of its) disclosing is obtained. The results of experimental researches allowing to forecast change of acoustic medium of locations as a result of a wear of constructions are reduced.

Keywords: level of a sound, sound field, deterioration of buildings, mathematical modeling.

Повышение требований к комфортности проживания с одной стороны и рост акустического дискомфорта с увеличением износа ограждающих конструкций зданий и насыщенности современной городской среды источниками шума с другой обуславливают необходимость выполнения подробных прогнозов акустического режима помещений. Выполнение расчетов воздействия внешнего шума на здание традиционным способом не учитывает тот факт, что образования щелей и трещин в результате физического износа конструкции здания, снижает звукоизолирующую способность ограждений. Относительно низкая звукоизолирующая способность этих конструктивных элементов приводит к значительному ухудшению общего акустического режима помещений.

Значительный вклад в решение проблем борьбы с шумом внесли ученые Н.И. Иванов, Г.Л. Осипов, И. Вестфаль, Л. Кремер, Е. Майнерт, В.Г Крейтан. Ряд исследователей (Лорд Релей, Г. Лемб, Р. Спенсер и др.) изучали прохождение звука через отверстие в бесконечно тонкой стенке. При этом рассматривалась только дифракция звуковых волн, т.е. огибание ими препятствия. В других исследованиях (Ф. Ингерслева, А. Нильсена, Н. Номура, В. Сороки, М. Гомпертса) изучено прохождение звука через стенки конечной толщины, но при этом не учтена вязкость воздуха и связанное с ней влияние трения воздуха о стенки отверстия или щели на прохождение через них звука.

© Воробьева Ю.А., 2009

91

Переход звука через малые отверстия ощущается лишь в зоне высоких частот и с увеличением отверстия вместе с повышением общего переноса звука возрастает перенос низкочастотных звуковых волн. На частотах в 2 раза и более меньших первой собственной частоты щели или отверстия (f < 0,5f01) изоляция ими воздушного шума меняется незначительно. На частоте f = 0,5 f01 начинается уменьшение значения R, которое достигает минимума на

частоте f01.

Щели между плоскостями ограждений вызывают большее нарушение звукоизоляции, чем круглые отверстия при равной площади. Звукоизоляция ограждения с щелью определяется из выражения (1) [3]

где Sщ- площадь щели, м2; So- площадь ограждения, м2.

Для получения зависимости изменения уровня звука от величины раскрытия трещины рассмотрим распространение звуковых волн в геометрически неоднородном канале. Неоднородность связанасформойщели, отличающейсяотправильных геометрическихобъемов, отсутствиядостаточноточныхсведенийобакустическиххарактеристикахповерхностейщели, рис. 2.

Рис. 2. Схема прохождения звуковой энергии через щель

Рассмотрим модель нестационарного отраженного шумового поля, выражение (2):

92

где - плотность отраженной звуковой энергии, (Вт.с)/м2; с, mв – скорость, м/с, и пространственный показатель затухания звука в воздухе, м-1; lср – средняя длина пробега волн в трещине, м.

За начало координат выбрана точка, расположенная на оси по длине щели, с наружной стороны ограждающей конструкции. В начальный момент времени распределение зву-

ковой энергии при х = 0 = I (S)dS = о, х = δ = 0, где I(S) – интенсивность звуковой энер-

s

где s – коэффициент звукопоглощения поверхностей.

Так как линейные размеры трещины значительно превышает ширину ее раскрытия (δ»r, L»r), то рассмотрим прохождение через трещину плоской отраженной волны (4)

Для решения поставленной задачи (4) используем методы интегрального преобразования Лапласа по временной координате τ и конечное синус преобразование Фурье по пространственной координате х, и получаем выражение (5)

Таким образом, дифференциальное уравнение (4) в частных производных для оригинала функции превращается в обыкновенное дифференциальное уравнение для изображения L , так как L не зависит от времени .

Общее решение дифференциального уравнения (5) для изображения можно написать (6):

Из условия (8) следует, что А=0, так как в противном случае первый член в правой части уравнения (6) неограниченно возрастает с ростом у. Постоянную В определяем из граничного условия (7). Тогда, решение уравнения (6) примет вид (9)

Для нахождения оригинала воспользуемся таблицей изображений функций [4], согласно которой, решение уравнения (5) запишется в виде (10)

93

Выполняем обратное синус-преобразование Фурье и получаем решение задачи в виде

где Iо = 10-12 Вт/м2 – пороговое значение интенсивности.

В результате подстановки в уравнение (11) исходных данных получаем зависимость, характеризующую плотность звуковой энергии, проникающей в помещение через трещины в ограждающей конструкции.

Поле отраженного звука практически однородно в любом поперечном сечении трещины, но убывает вдоль осей x и у, вследствие звукопоглощения поверхностей ограждения.

При х ≤ 0,2 на распространение звуковой волны значительное влияние оказывает

коэффициент α. При х более 0,7 на распространение звуковой волны влияние коэффициента звукопоглощения ослабляется, а усиливается значение безразмерного расстояния.

Из сравнения экспериментальных результатов, полученных в помещениях кирпичных

зданий с различным износом ограждающих конструкций, сделан вывод, что при износе до

15% уровни звукового давления превышают допустимые значения на 3…7 дБ, в районе низких

частот (до 63 Гц) превышения отсутствуют, что объясняется прохождением звука через малые

отверстия и щели и зависимостью длины волн проникающего звука от величины отверстий.

Анализ изменения уровня звукового давления в октавных полосах для помещений с

износом ограждающих конструкций здания свыше 35% показал, что уровни звукового дав-

ления в помещении превышают допустимые значения на 3…5 дБ на частотах 250…8000 Гц,

т.е уровни звукового давления превышают на 50…80 % нормативные значения.

Обработка результатов экспериментальных исследований позволила получить зави-

где f - частотная характеристика уровня звука, Гц.

Результаты выполненных исследований показывают, что рассмотренный метод можно успешно использовать при ориентировочной оценке звуковой энергии проникающей в помещение через трещины и щели. Приведенные данные показывают значимость влияния износа ограждающих конструкций здания в оценке акустического комфорта помещения. Полученные результаты могут быть использованы в качестве научно обоснованной стратегии повышения эффективности эксплуатационных процессов гражданских зданий, прогнозировать изменения физических свойств конструкций и микроклимата в результате старения материала ограждающих конструкций.

94

Библиографический список

1.Алексеев, С.П. Звукоизоляция в строительстве / С.П. Алексеев, С.И. Воробьев, В.Д. Жаринов.-М.: Стройиздат, 1949.-171с.

2.Заборов, В.И. Звукоизоляция в жилых и общественных зданиях / В.И. Заборов, Э.М. Лалаев.- М.: Стройиздат, 1979.- 252с.

3.Крейтан, В.Г. Защита от внутренних шумов в жилых домах / В.Г. Крейтан. М.: Стройиздат, 1990.-260с.

4.Лыков А.В. Тепломассообмен / А.В. Лыков. – М. : Энергия, 1971. – 560 с.

References

1.Аlekseev, S.P. Sound insulation in construction / S.P. Аlekseev, S.Y. Vorobyev, V.D. Zharinov.-М.: Stroyizdat, 1949.-171 pp.

2.Zaborov, V.Y. Sound insulation in inhabited and public buildings / V.Y. Zaborov, A.М. Lalaev.- М.: Stroyizdat, 1979.- 252 pp.

3.Kreytan, V.G. Protection against internal noise in apartment houses / V.G. Kreytan. М.: Stroyizdat, 1990.-260 pp.

4.Lykov A.V. Heat and mass exchange / A.V. Lykov. - M.: Energiya, 1971.-560 pp.

П.И. Калугин

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ ВБЛИЗИ СУЩЕСТВУЮЩИХ ЗДАНИЙ

Излагаются принципы проектирования и устройства фундаментов новых зданий вблизи существующих. Приводятся причины, вызывающие дополнительные осадки существующих зданий и возможные решения по их уменьшению. Рассматриваются варианты снижения влияния нового здания на существующее.

Ключевые слова: существующие здания, дополнительная осадка.

P.I. Kalugin

PECULIARITIES OF FOUNDATION DESIGN

NEARBY PRESENT BUILDING STRUCTURES

The paper is devoted to the foundation design principles of new building structures situated nearby the present ones. Reasons causing additional setting of present building structures and possible concepts of their decreasing are given in the paper. Variants of reducing effect of a new building structure on a present ones are considered.

Keywords: present building, additional setting.

Проектирование зданий вблизи или вплотную к существующим является сложной проблемой фундаментостроения. Безопасные конструктивные решения фундаментов новых

© Калугин П.И., 2009

95

зданий могут быть запроектированы только на основе совместного расчета проектируемых и существующих зданий по деформациям. Опыт показывает, что строительство новых зданий зачастую приводит к авариям и повреждениям конструкций существующих зданий за счет дополнительных неравномерных деформаций оснований существующих зданий. Дополнительные деформации оснований зависят от многих факторов: плотности грунтов, величины сжимаемой толщи, времени приложения нагрузки и т.д. Существующие здания не одинаково реагируют на возведение вблизи них новых. Главными причинами являются:

чувствительность конструкций здания к неравномерным осадкам, которая зависит от конструктивной схемы здания и технического состояния несущих конструкций;

инженерно-геологические и гидрогеологические условия строительной площадки;

технологияпроизводства работ по устройству оснований ифундаментов новых зданий.

Для предотвращения возникновения неблагоприятных явлений необходимо использовать систему архитектурно-планировочных, конструктивных, организационных и технологических мероприятий. При этом основным отправным моментом является расчет средней осадки основания проектируемого здания. С учетом категории состояния существующих зданий, определяемой по результатам обследования, согласно «Рекомендациям по проектированию и устройству оснований и фундаментов при возведении зданий вблизи существующих в условиях плотной застройки в г. Москве» (Москомархитектура, 1999 г.) расчеты по деформациям рекомендуется выполнять исходя из следующих условий

где S - деформация основания существующего здания, завершившаяся до начала нового строительства и определяемая расчетом; Sad - дополнительная деформация существующего

здания, вызванная новым строительством; Sиполн. - предельное значение полной деформации основания существующего здания; Sad ,и - предельное значение дополнительной деформации

основания существующего здания, вызванной новым строительством.

Предельная дополнительная деформация Sad ,и имеет иное смысловое содержание, чем

Sи, установленная в СНиП 2.02.01-83 для отдельно стоящих зданий. Это обусловлено тем, что дополнительная осадка Sad заведомо неравномерна, а ее вид всегда предсказуем. Величина Sad устанавливается для относительно коротких ( L 20 30 м) зданий и блоков протяженных зданий, разделенных осадочными швами на ряд отсеков. Предельное значение полной

деформации основания Sиполн. определяется по формуле

где Sи - предельное значение деформации основания существующего здания, определяемое как для нового строительства; с - коэффициент условий работы, назначаемый в зависимости

от категории состояния конструкций существующего здания.

Предельные значения дополнительных деформаций Sad ,и зависят от степени износа и

развития повреждений строительных конструкций зданий от собственной неравномерной осадки и устанавливаются в соответствии с «Рекомендациями» (1999 г.).

При такой методике расчета деформаций оснований новых зданий вблизи существующих могут встретиться три случая:

1. S Sad Sиполн. и Sad Sad ,и - полные и дополнительные деформации сущест-

вующего здания не превышают их предельных значений. В этом случае достаточно применения простейших мероприятий, например, устройство осадочных швов между зданиями;

96

2. S Sad Sиполн. , а Sad Sad ,и - дополнительные деформации существующего зда-

ния превышают их предельные значения. Здесь необходимо применение специальных мероприятий, снижающих дополнительную деформацию Sad до допустимых значений (устройство фундаментов с консолями, применение разделительного шпунта и т.п.);

3. S Sи и Sad Sad ,и - новое строительство не желательно, для возведения ново-

го здания необходимо использовать относительно дорогостоящие фундаменты, обеспечивающие уменьшение осадок до допустимых значений.

В связи с вышесказанным, при проектировании новых зданий следует максимально облегчать их конструкции в зоне примыкания к существующим зданиям, ограничивать их высоту и размер по ширине, устраивать в зоне примыкания большие проемы, применять облегченные конструкционные материалы.

Основная опасность для существующих зданий при строительстве вблизи них новых связана с развитием дополнительных осадок. Наибольшие повреждения возникают в пределах 2-7 м от границы примыкания старых зданий.

При достаточном разрыве между смежными зданиями опасность дополнительной осадки резко снижается. Дополнительные осадки существующих зданий возникают в результате трех главных причин:

1.Строительно-технологических воздействий на грунты основания существующего здания – дополнительная строительно-технологическая осадка Sad,t;

2.Изменения напряженного состояния существующего здания при загружении грунта новым зданием – дополнительная осадка уплотнения Sad,s;

3.Воздействий технологического оборудования, размещенного в новом здании,

на основания существующих зданий – дополнительная эксплуатационная осадка Sad,в. Особенно опасна дополнительная осадка от строительно-технологических воздейст-

вий, поскольку всегда неравномерна и может достигать недопустимых величин. Иногда эти воздействия вызывают аварию зданий. Наиболее существенными причинами развития оса-

док Sad,t являются:

откопка строительных котлованов глубже подошвы существующих фундаментов;

вибрации грунта, фундаментов и наземных конструкций в результате погружения свай и шпунта молотами или вибраторами;

промораживание и оттаивание грунта под фундаментами существующих зданий при зимнем ведении работ в соседнем котловане;

плывунное разжижение грунта под фундаментами при открытой откачке воды, поступившей в котлован;

отклонения шпунтовых стен котлована, если возле него имеются старые дома. Учесть расчетом эти дополнительные осадки практически невозможно. Поэтому не-

обходимо добиваться того, чтобы эти осадки не получали большого развития. Дополнительные осадки от изменения напряженного состояния оснований сущест-

вующих зданий возникают вследствие формирования вокруг возводимого здания осадочной воронки, размеры которой в плане соизмеримы с глубиной сжимаемой толщи. Наибольшие дополнительные осадки образуются в пределах ближайших 10 м от участка загружения основания новым зданием.

Существующие здания, оказавшиеся в пределах осадочной воронки, получают дополнительные неравномерные осадки, зависящие от чувствительности этих зданий к деформациям, которая зависит от многих причин, учесть которые достаточно сложно. Современные методы расчета оснований по деформациям позволяют вычислить осадки проектируемых зданий и дополнительные осадки уплотнения примыкающих зданий.

Дополнительные эксплуатационные осадки Sad,в наиболее опасны от вибрационных воздействий на грунт работающих молотов, прессов, компрессоров и других механизмов,

97

генерирующих колебания низких частот, соизмеримых с собственными частотами колебаний строительных конструкций.

Расположение новых зданий в плане, заглубление фундаментов и подземной части, выбор типа фундамента необходимо принимать с учетом определенных требований.

1. Если давление на грунт от проектируемого здания не меньше давления от существующих соседних зданий, новые здания рекомендуется относить от существующих фунда-

ментов на расстояние L Hc (Hc - сжимаемая толща основания). При L ≥ 0,5Hc влияние ново-

го здания обычно незначительно и может быть учтено расчетом.

2. При необходимости устройства фундаментов на расстоянии L < 0,5Hc минимальное безопасное расстояние будет зависеть от инженерно-геологических условий, конструкций фундаментов, способа разработки грунта, технологии устройства фундаментов и других факторов.

Наибольшая неравномерность осадок территории, примыкающей к новому зданию, а следовательно, и неравномерность дополнительных осадок существующих зданий проявляется на удалении до 0,2Hc от новых фундаментов (в пределах 2 – 6 м). На удалении (0,2 – 0,5)Hc обычно возникают перекосы конструкций с образованием в стенах наклонных трещин; на удалении от 0,5Hc до Hc происходит общий крен здания.

Величину Hc следует определять для центра проектируемого здания с учетом загружения всех фундаментов. В зависимости от ожидаемых конечной осадки нового и дополнительных осадок существующего здания, чувствительности последнего к развитию неравномерных осадок и архитектурных особенностей проектируемого здания определяется минимально допустимый разрыв между краями новых и существующих фундаментов.

Примыкание зданий вплотную может осуществляться только с устройством осадочного шва в наземной части и разрыва между новым и старым фундаментами.

Современные методы производства работ позволят обеспечить примыкания новых фундаментов почти вплотную к существующим. Нежелательно примыкание нового здания к продольной стене существующего. Предпочтительно расположение новых фундаментов перпендикулярно линии примыкания. При примыкании новых зданий к существующим продольными стенами, т.е. когда линия примыкания имеет значительную протяженность, неравномерные деформации захватывают большую площадь старого здания.

Если ожидаемая величина дополнительной осадки существующих зданий значительно превосходит Sad ,и , необходимо уменьшить дополнительную осадку, т.е. снизить влияние

нового здания на существующее. В этом случае возможны следующие решения:

разделение основания нового и старого здания шпунтовым рядом;

передача давления от нового здания на слои плотных подстилающих грунтов с помощью свай различных конструкций;

укрепление грунтов основания;

предварительное усиление конструкций существующих зданий в расчете на ожидаемую дополнительную неравномерную осадку;

обеспечение возможности выравнивания неравномерных перемещений участков старых зданий, вызванных дополнительной осадкой.

Если здание возводится вплотную к существующему при той же глубине заложения фундамента, не рекомендуется разрабатывать котлован вплоть до стенки существующего фундамента без проведения защитных мероприятий. В противном случае возникает опасность вынора или выдавливания грунта из-под подошвы существующего фундамента в котлован, что может привести к недопустимой осадке фундамента и перекосу конструкций здания. Отрывку котлована вдоль существующего здания производят отдельными захватками по 3- 4 м по длине примыкания к существующему зданию. Переходить к соседним захваткам можно только после устройства фундаментов нового здания в пределах разработанной захватки.

98

Если глубина заложения фундамента нового здания больше чем у существующего, до начала разработки котлована необходимо устройство ограждения по линии примыкания к существующему зданию.

В случае водонасыщенных грунтов ограждение должно быть заглублено в подстилающий водоупор или при отсутствии водоупора его длина должна обеспечивать невозможность движения грунтовой массы из-под фундамента в котлован. Обязательна проверка устойчивости ограждения и недопущение горизонтального смещения верхней части стенки в сторону котлована.

Не следует увлекаться водопонижением вблизи существующих зданий, так как значительное снижение уровня подземных вод в основаниях этих зданий может привести к дополнительным неравномерным осадкам.

Следует стремиться к использованию однотипных фундаментов существующих и новых зданий. В случае разных конструкций фундаментов необходимо проводить дополнительные поверочные расчеты для обеспечения нормальной эксплуатации существующих зданий.

При разработке проектов новых зданий вблизи существующих рекомендуется придерживаться определенной схемы. Рассматриваются варианты фундаментов, выбирается оптимальный, обеспечивающий выполнение условия

где S - средняя осадка основания, определяемая расчетом; Sи - предельная допустимая осадка основания здания.

Затем производится проверка условия Sad Sad ,и и в зависимости от того, выполняет-

ся оно или нет, рассматривается ряд вариантов фундаментов, применение которых может уменьшить влияние нового здания на существующее.

Вариант 1 – фундаменты на естественном основании под проектируемое здание. Производится расчет дополнительных осадок фундаментов соседнего здания. Если условие (2) не выполняется, ищут другие варианты фундаментов.

Вариант 2 – консольное примыкание, основная идея которого состоит в том, что в зоне примыкания фундаменты нового и старого зданий получают разрыв, размер которого подбирается по расчету, удовлетворяющему условию (2). В этом случае несущие конструкции нового здания опираются на консоли, вылет которых определяется размером разрыва.

Вариант 3 – разъединительные стенки, назначение которых изменить напряженное состояние грунта так, чтобы нарушения в основании старого здания от влияния нового не получили опасного развития, а вызванная ими дополнительная осадка не имела опасных последствий.

Вариант 4 – свайные фундаменты под новое здание, как главная и наиболее эффективная мера, дающая минимальные осадки существующих зданий.

Вариант 5 – усиление фундаментов существующих зданий традиционными и современными методами.

При проектировании новых зданий необходимо стремиться к минимальному заглублению в грунт фундаментов подвальных помещений, особенно в местах их примыкания к существующим.

Для недопущения неблагоприятных последствий, возникающих при проектировании зданий, примыкающих к существующим, рекомендуется использовать комплекс архитектур- но-планировочных и конструктивных решений.

Строительство новых зданий вблизи существующих не должно приводить к авариям и повреждениям конструкций старых домов. Обеспечение сохранности существующих зданий – главное условие проектирования новых в условиях плотной застройки городов.

99