Основные типы зданий и сооружений по жесткости и формы их деформаций

Все здания и сооружения по жесткости и характеру деформации подразделяются на абсолютно жесткие, абсолютно гибкие и обладающие конечной.

Абсолютно жесткие здания и сооружения характеризуются равномерной осадкой при симметричном загружении и сравнительно однородной сжимаемостью-грунтов основания. В случае развития неравномерных осадок основания в конструкциях возникают дополнительные напряжения, однако они не опасны для таких зданий и сооружений вследствие значительного запаса прочности на изгиб. Неравномерные деформации вызывают крен без изгиба конструкций (дымовые трубы, доменные печи и т.д.). Такие здания и сооружения взаимодействуют с грунтами основания следующим образом: в местах большой податливости основания давление по подошве фундаментов уменьшается и, наоборот, на участках с меньшей податливостью - увеличивается.

Абсолютно гибкие сооружения характеризуются тем, что во всех точках контакта с поверхностью грунта они следуют за перемещениями грунтов основания. В случае развития неравномерных деформаций в конструкциях абсолютно гибких сооружений не возникают дополнительные напряжения. Примером таких сооружений являются земляные насыпи. Во время строительства и эксплуатации неравномерная осадка насыпи устраняется путем подсыпки ее на величину ожидаемой осадки.

Здания и сооружения конечной жесткости имеют наибольшее распространение. Характеризуются они тем, что в процессе развития неравномерных деформаций получают искривления. Однако такие здания и сооружения частично уменьшают неравномерность осадок за счет некоторого перераспределения давления по подошве фундамента. Неравномерные осадки вызывают развитие дополнительных усилий, которые зачастую не учитываются в полной мере при проектировании конструкции и обусловливают появление трещин.

Поэтому для таких зданий и сооружений надо уделять особое внимание учету совместной работы грунтов основания и несущих конструкций (железобетонный каркас, несущие стены и т. д.).

В некоторых случаях здания и сооружения обладают незначительной жесткостью (невысокие одноэтажные здания с разрезными балками покрытия и др.) и их можно считать практически гибкими.

Деформации основания подразделяют на две основные группы: осадки и просадки. Осадки развиваются в результате уплотнения грунта или от собственного веса грунта под влиянием внешних нагрузок, при этом коренного изменения структуры не происходит. Просадки происходят в результате уплотнения грунта под воздействием внешних нагрузок и собственного веса грунта, сопровождаются коренным изменением структуры грунта. Просадки чаще всего происходят под влиянием дополнительных факторов, таких, как замачивание просадочного грунта, оттаивание мерзлого грунта и т. д.

В зависимости от причин возникновения деформации основания подразделяют на два вида:

1. деформации от внешней нагрузки на основания — осадки, просадки, горизонтальные перемещения;
2. деформации, проявляющиеся в виде вертикальных и горизонтальных перемещений поверхности основания, не снизанные с внешней нагрузкой (просадки грунтов от собственного веса, оседания, подъемы и др.).

Формами деформаций и смещений оснований как характеризующими совместную деформацию основания и сооружения являются: абсолютная осадка отдельного фундамента, средняя осадка сооружения, относительная неравномерность осадок двух фундаментов, прогиб, выгиб, перекос, крен, кручение, горизонтальные смещения фундаментов. Они возникают в зависимости от характера развития неравномерной осадки и от жесткости сооружения.

Прогиб и выгиб, как правило, возникают в протяженных зданиях и сооружениях, не обладающих большой жесткостью.

Формы деформаций зданий и сооружений (по Б. И. Далматову).

При развитии прогиба (рис. 1, а) наиболее опасная зона растяжения находится в нижней части здания или сооружения, при выгибе (рис. 1, ж) — в верхней. В зависимости от степени неравномерности деформирования грунтов основания и жесткости здания или сооружения в его конструкциях развиваются растягивающие усилия. При большей жесткости здания или сооружения на одних и тех же грунтах эти усилия больше. В зависимости от этих факторов уменьшается или увеличивается величина прогиба или выгиба.

Относительный прогиб или выгиб рассматривается как отношение стрелы прогиба или выгиба к длине однозначно изгибаемого участка здания или сооружения:

f/L=(2s₂-s₁-s₃)/2L,

где s₁ и s₃ — осадки концов рассматриваемого участка однозначного искривления; s₂ — наибольшая или наименьшая осадка на том же участке; L — расстояние между точками с осадками s₁ и s₃.
Перекос зданий и сооружений (рис. 1, б, е) характерен при резком проявлении неравномерности осадок на участке наибольшей протяженности при сохранении относительной вертикальности несущих конструкций (перекосы в каркасных зданиях и др.).

Крен фундамента здания или сооружения (рис. 1, в, д) представляет собою поворот относительно горизонтальной оси и проявляется при несимметричной загрузке основания или несимметричном напластовании грунтов относительно вертикальной оси. Крен фундаментов рассматривается как отношение разности осадок крайних точек фундамента к ширине или длине фундаментов. Он характерен для жестких фундаментов зданий и сооружений, при этом осадки основания в любом направлении изменяются по линейному закону.

Крен представляет наибольшую опасность для высоких сооружений — дымовых труб, узких зданий повышенной этажности и др. Для них крен приводит к появлению дополнительного момента, способствующего увеличению крена, и может привести к потере устойчивости.

Схема осадок основания при кручении θ=(β₁+β₂)/L

Схема прогиба (выгиба) сооружения:

f₁/L₁ — относительный прогиб на участке L₁,

f₂/L₂ — относительный выгиб на участке L₂,

ρ=1/R — наибольшая кривизна.

Вследствие неравномерной осадки крен могут получать также колонны и стены, не связанные жестко с остальными конструкциями (рис. 1, д). Если исключено их перемещение в горизонтальном направлении, то в процессе развития неравномерной осадки под отдельными фундаментами в колоннах, перекрытиях возникают дополнительные усилия. Они определяются на основе рассмотрения совместной работы конструкций сооружения и грунтов основания.

Кручение имеет место при неодинаковом крене здания или сооружения по длине, при этом происходит развитие крена в двух сечениях сооружения в разные стороны (рис. г).

Пространственную работу здания или сооружения характеризует относительный угол закручивания (рис. 2). При кручении дополнительные усилия развиваются в элементах стен и конструкциях перекрытия, последние могут изгибаться в горизонтальном направлении.

Горизонтальные перемещения фундаментов зданий и сооружений имеют место при действии на основания горизонтальных нагрузок (например, у распорных конструкций). Они возможны также при выполнении подземных выработок и развитии оползней откосов.

Совместная деформация основания и сооружения характеризуется также кривизной изгибаемого участка сооружения (рис. 3). Она представляет собой величину, обратную радиусу искривления, и характеризует напряженно-деформированное состояние относительно жестких протяженных сооружений. Кривизна изгибаемого участка используется для установления предельных деформаций основания по прочности и трещиностойкости конструкций зданий и сооружений.