Деформация зданий и сооружений

БОУ СПО ВО «Череповецкий строительный техникум имени        

А. А. Лепехина»

Доклад

на студенческую научно – практическую конференцию

тема: «Деформация зданий и сооружений»

Автор работы:

Родионов Владимир

группа 141

Калугин Дмитрий

группа 111

Научный руководитель:

Ганичева Елена Николаевна

преподаватель физики

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение
2. Классификация деформаций оснований и сооружений
3. Основные причины деформаций
4. Автоматизация за наблюдениями деформаций зданий и сооружений
5. Особенности наблюдений за деформациями высотных зданий и сооружений
6. Исследовательская работа
7. Список литературы

ВВЕДЕНИЕ.

Наблюдение за деформациями сооружений занимают значительное место в современной практике инженерно-геодезических работ. Достаточно сказать, что ни одно строительство крупных сооружений не обходится без деформационных измерений, а для сооружений, где от величины происходящих деформаций зависит их устойчивость и особенно нормальный режим технологического процесса, наблюдения, начатые в период строительства, могут продолжаться и весь период эксплуатации. При этом объем и сложность наблюдений, а также требования к точности их производства из года в год возрастают.

Так, если для строительства конструкций допустимые ошибки измерения выражаются единицами миллиметров, то для технологического оборудования они могут быть ограничены десятыми и даже сотыми долями миллиметра.

Для обеспечения современных требований разрабатываются специальные методы и средства измерений, основанные на последних достижениях науки и техники. Специфика наблюдений за деформациями позволяет, а порой и требует применения автоматизированных систем и приборов.

Для оценки и инженерной интерпретации результатов наблюдений широко применяются методы математической статистики.

В настоящее время накоплен большой опыт в области теории и практики геодезических измерений деформаций сооружений.

Целью моей  работы является изучение видов и причин деформаций зданий и сооружений.

Задачи:      - исследовать здания различных микрорайонов города Череповца на наличие деформаций;

                - проанализировать  причину появления деформаций и разрушений зданий в следствие этих деформаций;

КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Деформации оснований сооружений происходят за счет взаимного перемещения частиц грунта и их сжимаемости. Основными факторами, влияющими на сжимаемость грунта являются:

1. пористость и величина сжимаемой толщи;
2. вес, размеры, форма и конструктивная жесткость фундамента;
3. конструктивная жесткость, распределение давления по подошве фундаментов;
4. тип и материалы несущих надфундаментных конструкций;
5. природные факторы (способность горных пород к просадкам, пучение при замерзании и оттаивании водо-насыщенных пород, изменение влажности пород и уровня грунтовых вод и т.д.) и др.

Грунты основания (для жилых зданий) по степени сжимаемости условно делят на следующие виды:

• - слабо сжимаемые (модуль сжатия Е>=200 кг/см.кв., или когда средняя измеренная осадка здания Sср.<=5 см.);
• - средне сжимаемые (Е<=200 кг/см.кв., или Sср.=5-15 см.);
• - сильно сжимаемые (Е<=75 кг/см.кв., или Sср>15 см).

Для наглядного представления явления осадки следует предположить, что все фундаменты сооружений заложены на одной горизонтальной плоскости, соответствующей проектной отметки. В результате сжатия грунта точки, лежащие на этой плоскости, могут смещаться от начального положения и образовывать некоторую деформируемую поверхность. При этом точки могут перемещаться как вниз и вверх в вертикальной плоскости, так и в стороны.

Различают следующие виды деформаций:

1. перемещение фундаментов и всего сооружения вниз называют осадкой;
2. набухания и усадки - деформации, связанные с изменением объема некоторых глинистых грунтов с изменением влажности и температуры;
3. оседания - деформации земной поверхности, вызванные разработкой полезных ископаемых или изменением гидрогеологических условий;
4. перемещение фундаментов и всего сооружения вверх называют подъемом или выпучиванием;
5. перемещение в сторону - горизонтальным смещением или сдвигом сооружения.

Математическая характеристика осадок выражается величинами перпендикуляров, опущенных с начальной горизонтальной плоскости, образованной подошвой фундамента, до пересечения с деформированной поверхностью. В тех случаях, когда отрезки этих перпендикуляров равны, осадки называются равномерными, когда отрезки не равны, осадки называют неравномерными (рис. 152).

Таким образом, равномерные осадки могут происходить лишь в тех случаях, когда давление, вызываемое весом сооружения, и сжимаемость грунтов во всех случаях основания под фундаментом одинаковы.

Рисунок – 152: а) равномерные осадки; б) неравномерные осадки.

Неравномерные осадки происходят, прежде всего, в результате различного давления частей сооружения и неодинаковой сжимаемости грунтов под фундаментом, что в свою очередь вызывает разного рода перемещения и деформации в надфундаментальных конструкциях.

В действительности равномерных осадок на сжимаемых грунтах почти не бывает, так как геологическое строение основания и в вертикальном и в горизонтальном направлениях даже на незначительных площадях неоднородно.

Равномерные осадки не снижают прочности и устойчивости сооружений, но большие по величине равномерные осадки могут вызвать при эксплуатации сооружения осложнения и способствовать появлению новых нежелательных деформаций. Предположим, на предприятии здания имеющие равномерные , но разных размеров осадки связаны между собой каким-либо технологическим процессом, тогда это приведет к нарушению их нормальной эксплуатации.

Неравномерные осадки являются более опасными по вызываемым ими последствиям для сооружений. Например, даже незначительный наклон высокого сооружения может вызвать нарушения при эксплуатации лифта или привести к перенапряжениям в несущих конструкциях. Опасность тем больше, чем значительнее разность осадок частей сооружений и чем чувствительнее к ним его конструкции.

В том случае, когда сжимаемость грунтов под фундаментом неодинаковая или нагрузка, приходящаяся на грунт, различная, возникают деформации- смещения, кручение, которые внешне могут проявляться в виде трещин и даже разломов.

В соответствии со СНиП вертикальные деформации оснований зданий и сооружений подразделяются на осадки и просадки.

Осадки - деформации (уплотнение грунтов под нагрузкой в связи с уменьшением их пористости), вызывающие вертикальное перемещение всего сооружения вниз под воздействием его веса.

При расчете осадок следует различать конечную(стабилизированную) осадку, соответствующую полному уплотнению грунта основания, и нестабилизированную осадку, изменяющуюся во времени и соответствующую незавершенному процессу уплотнения грунтам основания.

Просадки - деформации, носящие провальный характер и вызываемые коренным изменением сложения грунта (например, уплотнением мелкопористого грунта при его замачивании, уплотнение рыхлых песчаных грунтов вследствие сотрясения, оттаиванием мерзлых грунтов, выпиранием грунта из-под сооружения и т.д.).

Деформации основания характеризуются:

1) Абсолютной (полной) осадкой отдельных точек фундамента, определяемой измерениями. Абсолютная или полная осадка S каждой отдельной точки сооружения вычисляется как разность отметок начального Hо и текущего Hi циклов измерений, определенных относительно отметки исходной точки, принимаемой за неподвижную,

S=H0 – Hi.

2) Средней осадкой здания или сооружения Sср, определяемой вычислением по данным фактических осадок не менее чем трех отдельных фундаментов, расположенных в пределах здания или сооружения (вычисляется только при мало изменяемой сжимаемости основания)

где n- кол-во точек.

Одновременно со средней осадкой для полноты общей характеристики указывают наибольшую Smax и наименьшую Smin осадки точек сооружения.

3) Разности осадок  двух точек i и j или двух (m-го и n-го ) циклов наблюдений вычисляются соответственно по формулам:

4) Послойная деформация z грунтов основания или толщи тела сооружения мощностью z определяется как разность осадок точек, закрепленных в кровле и подошве слоя грунта сооружения:

.

5) Перекосом конструкций (для относительно жестких зданий и сооружений), измеряемым максимальной разностью неравномерных осадок двух соседних опор, отнесенной к расстоянию между ними.

6) Креном (для абсолютно жестких зданий и сооружений), представляющим наклон или поворот основных плоскостей всего сооружения в результате неравномерных осадок, без нарушения его цельности и геометрических форм. В строительной практике различают крен сооружения, который характеризуется отклонением его вертикальной оси от отвесной линии и выражается в угловой, линейной или относительной мере, и крен фундамента, понимаемый как отклонение плоскости его подошвы от горизонта и выражаемый в линейной или относительной мере. Для оценки устойчивости сооружений более наглядной является характеристика крена, отнесенная к расстоянию L между точками i и j . Относительный крен K (соответственно - завал и перекос) вычисляется по формуле:

.

7) Относительный прогиб (или перегиб) фундамента, представляющим частное от деления величины стрелы прогиба на длину изогнувшейся части здания или сооружения. Симметричный относительный прогиб f отдельных частей сооружения вычисляется по формуле:

где Si и Sj -осадки точек i и j, фиксированных на краях прямолинейного участка сооружения длиной L;

Sk - осадка точки K , расположенной в середине между точками i и j. Направление прогиба определяется знаками: плюс - при выпуклости, минус - при вогнутости.

8) Кручением здания, представляющим сложную деформацию-поворот его параллельных поперечных сечений вокруг продольной оси в разные стороны и на разные углы.

9) Горизонтальное смещение Q отдельной точки сооружения характеризуется разностью ее координат Xn, Yn, Xm, Ym соответственно в n-ном и m-ом циклах наблюдений. Положение осей координат, как правило, совпадает с главными осями сооружений. Вычисляют смещения в общем случае по формулам:

10) Трещинами, представляющими разрывы в отдельных конструкциях сооружения и возникающими вследствие неравномерных осадок и дополнительных напряжений.

ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ДЕФОРМАЦИЙ

Основные причины осадок и деформаций можно разделить на две группы:

1. 0бщие причины, связанные с особенностями инженерно-геологических и гидрогеологических условий и физико-механических свойств грунтов.

К ним относятся:

а) способность грунтов к упругим и пластическим деформациям (просадкам, оползням, карстовым явлениям и т. п.) под влиянием нагрузки;

б) неоднородное геологическое строение основания, приводящее к неравномерному сжатию и перемещением грунтов под воздействием веса сооружения;

в) пучение при замерзании водо-насыщенных и оттаивание мерзлых льдо-насыщенных грунтов;

г) изменение гидротермических условий, связанных с сезонными и многолетними колебаниями температуры и уровня грунтовых вод.

2. Частные причины, связанные с погрешностями, возникающими при изысканиях и проектировании, с особенностями производства строительных работ, эксплуатацией сооружений и т. п.

К ним относятся:

а) недостаточно правильная планировка участка, плохой дренаж атмосферных и паводковых вод;

б) неточности, допущенные при проведении инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий;

в) искусственное понижение или повышение уровня грунтовых вод при проведении строительных работ;

г) увлажнение лессовидных и оттаивание мерзлых грунтов;

д) ослабление основания подземными разработками, приводящее к смещению всей толщи напластований над выработками или к выносу частиц грунта в выработанное пространство;

е) возведение (в непосредственной близости) новых крупных сооружений;

ж) изменение давления, вызванное надстройкой, переменной загрузкой и т. п.;

з) неравномерное распределение давления сооружения по подошве фундамента (ступенчатые надфундаментные конструкции);

и) форма, размеры и конструктивная жесткость фундамента;

к) вибрация фундаментов, вызываемая работой всевозможных машин или интенсивным движением транспорта.

АВТОМАТИЗАЦИЯ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Необходимо отметить следующие условия, ограничивающие применение общепринятых в практике геодезических методов и приборов:

• высокие требования к точности деформационных измерений,
• ограниченное время на их производство,
• необходимость быстрого получения окончательных результатов,
• стесненные условия работы.

Это обусловливают применение средств частичной или полной автоматизации.

Автоматизация измерений позволяет проводить их дистанционно, оперативно, непрерывно; централизовать поступающую информацию; эффективно использовать ЭВМ и т.д. В отдельных случаях из-за ряда причин (радиоактивное излучение, токсичность среды, температурный режим, механические помехи и т.д.) измерения возможны лишь с помощью автоматизированных средств.

Основой автоматического контроля деформаций отдельных элементов и всего сооружения в целом являются различного рода датчики, преобразующие механические перемещения в электрические сигналы, а также аппаратура для сбора, обработки и хранения информации, поступающей от датчиков. Первичные преобразователи - датчики должны удовлетворять следующим требованиям:

1) сокращение до минимума сроков измерений с тем, чтобы полученные данные могли быть с достаточным приближением отнесены к единым физическим условиям, имеющим место на данный момент;

2) обеспечение возможности передачи полезного сигнала, выдаваемого датчиком, на требуемое расстояние к коммутатору без существенных потерь  (дистанционные измерения);

3) обеспечение необходимой точности измерения;

4) сохранение стабильности параметров датчиков во времени.

Применяемые в геодезической практике датчики можно разделить на четыре группы:

 -датчики измерения наклонов;

 -датчики, определяющие изменение уровня жидкости в сообщающихся сосудах;

-датчики, определяющие изменение длины;

 -датчики, используемые в створных измерениях.

ОСОБЕННОСТИ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ДЕФОРМАЦИЯМИ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Возводимые высотные здания и сооружения различаются по значению и конструкции. С точки зрения организации наблюдений за деформациями наибольший интерес представляют их конструктивные особенности.

По конструктивным признакам различают высотные сооружения ступенчатого, коробчатого и башенного типа. К первым относятся высотные дома. Вторые - это телевизионные башни, дымовые трубы, градирни ТЭЦ, радиорелейные мачты и т. д.

Почти для всех высотных сооружений за счет значительной высоты характерно сосредоточение огромной нагрузки (иногда в несколько десятков тысяч тонн) на сравнительно небольшой площади. Отсюда большая нагрузка на фундамент и основание, вызывающая осадку сооружения. Неравномерность осадки приводит к нарушению вертикальности (крену), прогибам отдельных элементов сооружения и трещинам. Эти деформации, присущие всем типам высотных сооружений, возрастают с ростом нагрузки в строительный период и постепенно, по мере уплотнения грунтов, стабилизируются в период эксплуатации.

Сооружения же башенного и частично ступенчатого типа под воздействием температурных факторов и переменной ветровой нагрузки еще и изгибаются, совершая колебательные движения. Деформации этого вида принято называть динамическими.

Наблюдения за осадками производят в основном методом высокоточного геометрического нивелирования по осадочным маркам, закрепленным непосредственно на исследуемой части сооружений. Осадочные марки размещают на фундаменте или на стенах сооружения по обе стороны осадочных швов и линий, разграничивающих разные нагрузки на основание, по осям симметрии сооружения, в местах сопряжения продольных и поперечных стен и в других местах. Проект размещения марок увязывают с конструкцией сооружения и с геологическими данными о грунтах основания. Кроме того, расположение марок должно обеспечивать их длительную сохранность и удобный подход с инструментом при измерениях. Опыт показал, что осадка высотных сооружений вызывает осадку и соседних зданий. Для определения зоны деформаций часть марок размещают на стенах соседних зданий. Если же высотное сооружение строится на отдельной площадке, то зона распространения деформаций определяется нивелированием располагаемых вблизи него грунтовых реперов

Исходными служат один или несколько кустов фундаментальных реперов, закрепляемых вне зоны распространения деформаций. Каждый куст содержит не менее трех реперов.

Требуемая точность измерения осадок, зависящая от целей исследований, задается проектировщиками. Для большинства практических случаев средняя квадратическая ошибка определения осадки характеризуется величиной в 1 мм.

Для измерения осадок применяют также переносные и стационарные гидростатические системы. В этом случае абсолютные величины осадок определяются путем периодической привязки нескольких точек гидростатической системы к исходным фундаментальным реперам.

Для определения осадки верхней части сооружения могут быть применены метод тригонометрического нивелирования или метод непосредственного измерения высот контрольных точек над опорными с помощью рулетки большой длины.

По результатам измерений, выполненных не менее чем в двух циклах, вычисляются абсолютная величина и скорость осадки каждой марки, средняя осадка для всего сооружения, крены и прогибы его отдельных частей.

Крен верхней части сооружений 6ашенного типа может быть определен различными способами, наиболее распространенными из которых являются: способ координат, способ углов, трех створных наблюдений и вертикального проектирования. Общим для этих способов является необходимость заложения двух или нескольких опорных точек, расположенных от сооружения на расстоянии не менее двух-трех его высот. В первых двух способах с помощью теодолита измеряются горизонтальные углы на хорошо заметные или специально закрепленные на верху сооружения контрольные точки. Во вторых двух способах при двух положениях круга теодолита проектируют контрольные точки на некоторую плоскость в низу сооружения (цоколь, рейку).

Перспективным является фотограмметрический способ определения крена.

При ограниченных подходах к сооружению могут быть применены способы, предложенные В. Я. Раинкиным и А. М. Зеленским.

Сущность способа В. Я. Раинкина состоит в том, что с одного опорного пункта измеряются горизонтальные и вертикальные углы на марки, закрепленные на различной высоте сооружения. Опорный пункт закладывается на минимальном по возможности расстоянии от сооружения с тем, чтобы для увеличения точности измерений углы наклона направлений были как можно больше. По соответствующим формулам вычисляются координаты контрольных марок, а по разностям координат, определенным в двух циклах измерений, - величины смещения марок, характеризующие крен.

В способе А.М. Зеленского крен определяется путем периодического измерения малых зенитных расстояний с двух диаметрально противоположных станций при постоянном расстоянии от теодолита до сооружения. Последнее обеспечивается применением трегера с опорным штырем и закреплением на сооружении марок-упоров. Точность определения крена зависит от высоты сооружения и для всех способов в среднем характеризуется величиной порядка 10".

Для сооружений ступенчатого типа понятие о крене является достаточно условным. В этом случае определяют величину крена каждой отдельной грани сооружения путем координирования контрольных марок, закрепленных по углам граней, с точек полигонометрического хода.

Для определения крена применяют также специальные клинометры, микрокренометры и электротензометры, устанавливаемые на исследуемой части сооружения.

Изучение деформаций динамического характера рассмотрим на примере Останкинской телевизионной башни высотой 533 м. Башня состоит из железобетонного ствола 1 и стальной антенны 2 (рис. 166). Ствол, состоящий, из нижнего опорного конуса А, конусообразной средней части Б и цилиндрической верхней части В, имеет 10 опор, через которые нагрузка передается на фундамент. Антенна имеет телескопический контур и состоит из отдельных цилиндрических труб переменного диаметра. Масса башни 55 тыс. т.

РИСУНОК 166 – ОСТАНКИНСКАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ БАШНЯ

Под действием ветровой нагрузки происходит отклонение (изгиб) башни от вертикали по кривой, близкой к квадратной параболе. Поскольку направление и сила ветра постоянно меняются, то башня колеблется с некоторой амплитудой и частотой, зависящей от высоты определяемой точки и скорости ветра.

Вследствие воздействия прямых солнечных лучей или рассеянной солнечной радиации происходит неравномерный нагрев башни. Возникает разность температур нагретой и не нагретой сторон, что ведет к изгибу ствола башни в сторону, противоположную нагреву. Температура ствола башни и, как следствие, величина изгиба зависят от азимута и высоты Солнца.

Таким образом, задача геодезических наблюдений практически сводится к определению амплитуды колебаний башни относительно вертикали для точек, расположенных на различной высоте, и выявлению зависимости этих колебаний от внешних условий.

Наблюдения на OCTАHKИHCKOЙ башне были организованы следующим образом. С двух опорных пунктов, закрепленных на взаимно перпендикулярных осях на расстоянии 300 м и б00 м от центра башни, одновременно измерялись горизонтальные углы на марки, установленные на высотах 20, 237, 300, 385, 420 и 520 м (см. рис. 1). Марка на высоте 20 м считалась исходной. Измерения велись теодолитом. Theo-010 с накладным уровнем при двух положениях круга. В измеренные направления вводились поправки за наклон оси вращения инструмента и за асимметрию положения марок относительно геометрической оси сооружения, По данным угловых измерений вычислялись линейные смещения по каждой оси и полная величина смещения для всех наблюденных высот.

Точность наблюдений зависит в основном от ошибки наведения на колеблющиеся цели. По этому поводу были выполнены специальные исследования, результаты которых позволяют считать, что средняя квадратическая ошибка определения смещения составляет 15 мм.

Схема измерений была одинаковой как для изучения влияния ветра, так и для теплового воздействия. Менялись лишь погодные условия и программа измерений во времени.

Полученные результаты имеют большой практический и научный интерес и свидетельствуют о том, что для имевших место в течение ряда лет внешних условий максимальные отклонения оси башни от вертикали на высоте 530 м находятся в пределах 2,5 м.

В настоящее время процесс наблюдений за колебаниями Останкинской телебашни автоматизирован с помощью специальной оптико-электронной системы.

ИСЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА.

В ходе моей работы я исследовал три микрорайона города Череповца: индустриальный, зареченский, зашекснинский.

В результате было обнаружены следующие закономерности:

- в индустриальном районе практически все дома малоэтажные и малоподъездные, они расположены на плоской платформе, с малоподвижным грунтом, поэтому в этом районе практически не наблюдается повреждений зданий в результате деформации, так как осадка зданий равномерная. Что соответствует всем требованиям к строительству зданий и их длительной эксплуатации.

- в районе реки Ягорбы все дома установлены под наклоном, то есть лесенкой, это приводит к неравномерной осадке и дома ниже лежащие как бы тянут вышестоящие дома за собой, приводя тем самым к деформации фундамента зданий и образованию трещин. Так же в этом районе может происходить и подмыв грунта водой, что тоже приводит к разрушениям. Что может привести к крену зданий, а так большинство зданий многоэтажные, то это приводит к нарушению работы лифта.

- в защекснинском районе, который является самым молодым в нашем городе, чаще всего нарушаются правила строительства, то есть новые дома строятся очень близко к уже построенным домам. В процессе строительства при механических воздействиях на грунт разрушается фундамент близ лежащих домов, что приводит  к осадке грунта, его смещению и в дальнейшем деформации здания (трещины, крен).

Рассмотрим более детально:

Высокоэтажный дом на набережной, построен на неустойчивом грунте, возможен размыв водой. На данный момент уже наблюдаются трещины на стенах здания, обсыпается облицовка, что доказывает наши предположения. В таких же условиях находятся дома и на берегу Шексны.

Дом на улице Городецкая: 9 этажей, 11 подъездов, которые находятся по разные стороны дома, так же планировка квартир – есть квартиры в которых комнаты представляют собой трапеции, а не привычные нам прямоугольники это доказывает, что части дома построены в разное время. Что привело к разрушению фундамента здания и на данный момент наблюдаются трещины в стенах здания, а так же разрушение стен внутри квартир.

Износ сооружений ускоряется и разрушения усугубляются, если они вызваны дефектами, допущенными в проекте, при возведении или эксплуатации сооружений.

Список используемой литературы:

1. Брикман Г.А., Дмитриев Л.П. Геодезические работы при монтаже антенны телебашни в Останкино, "Монтажные и специальные работы в строительстве", М,, 1968, & 5, с.22-45.
2. Васютинский И. Ю., Рязанцев Г. Е. Геодезические приборы при строительно-монтажных работах. М.;:Недра, 1982. – 272с
3. А. М. Зеленский, Г. В. Фолитар  Инженерная геодезия  Издательство: Брестский государственный технический университет БГТУ, 2006 год
4. Киселев В.А. Строительная механика. М.; Стройиздат, 1980. - 616 с.
5. Клаф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений. М.: Стройиздат, 1979. - 320 с
6. Пискунов М. Е. Методика геодезических наблюдений за деформациями сооружений. М.: Недра, 1980. – 248с.
7. Справочник по динамике сооружений /Под ре. Коренева Б. Г. И Рабиновича И. М. М: стройиздат, 1972, 511с.
8. В сб.тр.МИСИ,1969, № 64, с.77-80 "Методы испытаний строительных материалов, конструкций и сооружений".
9. Шеховцов Г. А.,  Шеховцова. Р. П, Современные геодезические методы определения деформаций инженерных сооружений., Полиграфцентр ННГАСУ