Расчёт оснований по двум предельным состояниям

Реконструкция зданий, расположенных в исторической зоне Санкт-Петербурга, часто связана с необходимостью надстройки этажом или мансардой. Подобные работы сопровождается дополнительным нагружением основания и, как правило, развитием дополнительных осадок уплотнения.

Развитие дополнительных осадок уплотнения для существующих зданий регламентированы в ТСН 50-302-2004 [8]. Основное значение при проектировании и производстве подобного вида работ имеет даже не абсолютная осадка, а относительная неравномерность осадок, которая в большинстве случаев приводит к образованию новых или раскрытию старых трещин в надземных конструкциях зданий. С данными проблемами строители сталкиваются и при замене старых деревянных перекрытий на новые - железобетонные (металлические), что также неизбежно приводит к дополнительному нагружению основания и, как следствие, развитию дополнительных осадок уплотнения.

Возможность надстройки здания или дополнительного нагружения основания под существующими фундаментами зданий может быть определена на основе анализа напряженно-деформированного состояния основания.

В общем случае величина напряжений под подошвой существующих фундаментов для реконструируемых зданий может соответствовать трем условиям: (2.4, 2.5, 2.6).

	(2.4)
	(2.5)
	(2.6)

где, Р – среднее давление по подошве существующего фундамента до реконструкции; Р_доп – дополнительное давление по подошве существующего фундамента от строительства этажей или мансарды; R – расчетное сопротивление основания под подошвой существующего фундамента; Р_пр - предельное давление на основание для существующего фундамента.

Все три условия изменения напряженно-деформированного состояния основания, в зависимости от степени дополнительного нагружения, могут быть представлены в графическом виде (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Графическая интерпретация развития осадки (S) фундамента от прикладываемого давления (Р+Р _доп) на основание при расчёте по 2^м предельным состояниям: γ_q - коэффициент надёжности; 1, 2, 3 - области расчёта, соответствующие условиям 2.4, 2.5, 2.6; а – функциональная зависимость S=S(Р+Р_доп); в - функциональная зависимость γ_q=γ_q(Р+Р _доп).

Условия (проектирования) в области расчёта (2.4), как правило, не вызывают особых осложнений у проектировщика, поскольку отвечает обычным требованиям СНиП 2.02.01-83*[9]. В этом случае, при проектировании дополнительного нагружения на основания от надстройки или изменения нагрузки, достаточно руководствоваться расчетом основания по деформациям (кривая «а» на рис.2.6 на интервале 0…R). Величины абсолютных и относительных осадок для области расчета (2.4), как правило, меньше предельно допустимых и потому вполне приемлемы.

Условия (проектирования) в области расчёта (2.5), R<P+P_доп<P_пр могут быть реализованы в следующих случаях:

a) при учёте работы основания в нелинейной стадии деформирования (кривая «а» на рис. 2.6 на интервале 0…Р_пр), (расчет по деформациям);

b) с учётом ограничения коэффициента надежности γ_q≤P_пр·γ_с/(Р+Р_доп) - кривая «в» на рис. 2.6, (расчёт по несущей способности основания).

Возможность одновременного учёта условий а) и b) позволяет прогнозировать работу основания и фундаментов по двум предельным состояниям. Такой расчет может быть выполнен с использованием программ «NL» [1] или «BRNL», расположенной на сайте www.buildcalc.ru/Calculations/Brnl.

Условие (проектирования) в области расчета (2.6), Р+Р_доп≥Р_пр недопустимо и требуют экстренных мер по усилению оснований и фундаментов, поскольку не соблюдается первое предельное состояние.

В этом случае существующее состояние фундаментов не устойчивое и может лишь временно сохраняться только благодаря перераспределению напряжений, с большим количеством трещин в надземных конструкциях.

Таким образом, возможность дополнительного нагружения оснований при реконструкции зданий без проведения дополнительных затрат на их усиление определяется по результатам проведенного расчетного анализа.

Критерием в данном расчете следует считать:

• величину дополнительной абсолютной (относительной) осадки;
• величину коэффициента надёжности, значение которого, как правило, должно быть не менее 1,2 (задаётся проектировщиком).

Следовательно, реально осуществимы условия (проектирования) в области расчета (2.4), (2.5). Схематично данные методы расчета могут быть представлены на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема расчёта оснований по предельным состояниям, соответствующая условиям (2.4) и (2.5). S и ∆S – абсолютная и относительная разность осадок - условия расчета по деформациям (II предельное состояние);γ_q≤P_пр·γ_с/(Р+Р_доп)- условие расчета по устойчивости (I предельное состояние).

Для области расчета, соответствующего условию (2.4) определяющим является расчёт по деформациям, с определением величин абсолютных и относительных осадок фундаментов (рис. 2.7). Для области расчета, соответствующего условию (2.5) проверяются как ограничения абсолютных и относительных осадок, так и коэффициент надежности, т.е. проводится обязательный расчет по двум предельным состояниям.

Основным требованием к возможности дополнительного нагружения основания под существующими фундаментами, будет являться условие отсутствия возможности появления трещин в надземных конструкциях сооружения. Такие условия, прежде всего, ограничиваются величинами относительной разности осадок, которые не должны превышать предельно допустимых значений [8].

Таким образом, ограничение ∆S является основным фактором в решении вопроса дополнительного нагружения основания и в графическом виде может быть представлено на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Принципиальная графическая интерпретация результатов расчета дополнительного нагружения основания от надстройки здания без его усиления. S – абсолютная величина конечной осадки; ∆S - относительная неравномерность осадки; Р – степень нагружения основания от существующего фундамента несущей стены; Р₁ - степень нагружения основания от существующего фундамента самонесущей стены; Р+Р_доп(м) - степень нагружения основания от существующего фундамента несущей стены и дополнительного нагружения от строительства мансарды; Р+Р_{доп(э+м)} - степень нагружения основания от существующего фундамента несущей стены и дополнительного нагружения от строительства этажа и мансарды; ∆S₁, ∆S₂, ∆S₃ – соответственно, относительные неравномерности осадки фундаментов здания до его реконструкции, после надстройки мансарды, после надстройки этажа и мансарды.

Нетрудно заметить, что представленная на рис. 2.8 принципиальная графическая интерпретация результатов расчёта дополнительного нагружения основания от надстройки здания позволяет в наглядной форме продемонстрировать условия возможности дополнительного нагружения. Так ∆S₁ показывает существующую относительную неравномерность осадки между несущей (Р) и самонесущей (Р₁) стенами здания, возникшую в результате длительной (многолетней ( t)) эксплуатации здания.

Поскольку величина ∆S₁, как правило, меньше ∆S_пред (согласно современным нормам [8], [9]), то такая эксплуатация здания может считаться вполне допустимой, обладающей достаточной степенью надежности.

Если величина ∆S₂ также окажется меньше ∆S_пред, то подобное дополнительное нагружение для здания вполне допустимо и основание не требует усиления.

В случае значительного увеличения нагружения основания, т.е. ∆S₃ > ∆S_пред неравномерность осадки превысит предельно допустимую величину, что согласно современным нормам [8] недопустимо, поскольку может вызвать развитие трещин в надземных конструкциях. В этом случае, решение вопроса по дополнительному нагружению основания, может рассматриваться только после принятия дополнительных мер по его усилению.

Необходимо подчеркнуть, что в данном параграфе рассмотрен лишь принципиальный вопрос возможности надстройки зданий на ленточных фундаментах, с точки зрения работы основания, без дополнительных затрат по его усилению.

В общем случае, расчёты оснований и фундаментов на стадии обследования и реконструкции зданий, могут выполняться по трём основным программам, которые расположены на сайте www.buildcalc.ru/Calculations (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Схема выполняемых расчётов по основаниям и фундаментам, расположенных на сайте www.buildcalc.ru/Calculations

Каждая из представленных программ (BRWOL, BRWL, BRNL) предназначена для решения определённых задач, реализация которых более подробно представлена в следующих параграфах.