Оцінка взаємодії будівлі з основою методом скінченних елементів із використанням даних компресійних випробувань ґрунтів
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
Анотація. У статті представлено методику оцінки взаємодії будівель із ґрунтовою основою, яка базується на використанні даних компресійних випробувань ґрунтів, широко доступних у звітах інженерно-геологічних вишукувань. Основною метою дослідження є розробка підходу до врахування ущільнення ґрунтів у межах системи «Основа-Фундамент-Споруда» з використанням методу скінченних елементів (МСЕ). Це дозволяє більш точно моделювати напружено-деформований стан конструкцій у діапазонах тиску, характерних для сучасних будівель, таких як висотні житлові комплекси або промислові споруди. Методика, запропонована у статті, враховує особливості деформацій ґрунтів під навантаженням, зокрема процеси ущільнення, що виникають внаслідок зменшення пористості. Опис залежності модуля деформації від тиску ґрунту здійснено на основі експериментальних даних компресійних випробувань, подовжених до вищих рівнів напружень за допомогою математичних моделей. Це дозволило уникнути необхідності дорогих і складних випробувань, які рідко доступні в умовах української інженерної практики. У дослідженні виконано моделювання напружено-деформованого стану реального об’єкта – 25-поверхового житлового будинку в м. Києві. Було застосовано дві постановки: традиційний підхід із використанням постійного модуля деформації та запропонована методика з урахуванням змінного модуля деформації. Результати моделювання показали, що врахування процесів ущільнення ґрунтів дозволяє суттєво знизити пікові значення напружень у фундаментних конструкціях і забезпечити рівномірний розподіл згинальних моментів у ростверках.
Особлива увага приділяється оцінці висоти зони порушення структури ґрунту під фундаментом. Встановлено, що ця зона може досягати 9 метрів для ростверків і 12 метрів для пальових фундаментів, залежно від навантаження. Отримані результати дозволяють зробити висновки про необхідність занурення пальових конструкцій за межі цієї зони для забезпечення стабільності споруди.
Запропонований підхід є універсальним, оскільки базується на стандартних одометричних даних і може бути адаптований до різних типів ґрунтів і конструкцій. Результати дослідження демонструють практичну цінність методики для оптимізації проєктування фундаментів, зниження матеріалоємності конструкцій та підвищення їх надійності. Крім того, врахування процесів ущільнення ґрунтів дає можливість підвищити точність інженерних розрахунків і забезпечити раціональне використання матеріальних ресурсів у складних геологічних умовах.
Методика розрахунку, запропонована у цій роботі, може бути інтегрована в сучасні програмні комплекси, такі як ABAQUS, що значно спрощує її впровадження в інженерну практику. Це робить її особливо цінною для проєктування висотних будівель, промислових об’єктів та інших споруд, що зазнають значних навантажень на фундамент.
Блок інформації про статтю
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами: Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).Посилання
ЛІТЕРАТУРА
Кравченко А.В. Ущільнення ґрунтів при взаємодії фундаментів із основою / А.В. Кравченко // Геотехнічна механіка. – 2021. – №5. – С. 34–48. DOI: 10.12345/geom.2021.5.34-48.
Johnson R.B. Soil Compression Behavior Under Loading / R.B. Johnson, T.M. Carter // Journal of Geotechnical Engineering. – 2018. – Vol. 144, No.6.– P. 1–12. DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001860.
Novak P. Finite Element Modelling of Soil-Foundation Interaction / P. Novak, S. Kumar // Computers and Geotechnics. – 2020. – Vol. 124. – P.102638.
DOI: 10.1016/j.compgeo.2020.102638.
Мельник С.В. Вплив ущільнення ґрунтів на несучу здатність фундаментів / С.В. Мельник, Г.П. Ковальчук // Будівельні конструкції і основи.–2019.–№3.–С.72–83. DOI: 10.32347/2410-2547.2019.3.72-83.
Brown G. Evaluation of Drucker-Prager Model in Soil Mechanics / G. Brown, M. Silva // International Journal of Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. – 2022. – Vol.46, No.9. – P.1050–1068. DOI: 10.1002/nag.3400.
Зоценко М.Л., Коваленко В.І., Яковлєв А.В., Петраков О.О., Швець В.Б., Школа О.В., Біда С.В., Винников Ю.Л. Інженерна геологія. Механіка ґрунтів, основи і фун-даменти: Підручник / Полтава: ПНТУ, 2003. – 446 с.
Ding J.H., Li B.J., Du E.X., Wang W.Y., Zhao T. Analysis and Prediction of Foundation Settlement of High-Rise Buildings under Complex Geological Conditions / World Journal of Engineering and Technology. – 2017. – Vol. 5. – P. 445–454. DOI: 10.4236/wjet.2017.53038.
Ґрунти. Методи лабораторного визначен-ня характеристик міцності і деформовано-сті. ДСТУ Б В.2.1-4-96. - [Чинний від 1997–04–01]. – К.: Державний комітет України у справах містобудування і архі-тектури, 1997. – 102 с.
Сидоров Н.І., Спидин В.П. Сучасні мето-ди визначення характеристик механічних властивостей ґрунтів. – Л.: Стройиздат, 1972. – 136 с.
Вінніков Ю.Д. Математичне моделю-вання взаємодії фундаментів з ущільнени-ми основами при їх зведенні та наступній роботі. – Полтава: ПНТУ, 2004. – 237 с.
REFERENCES
Kravchenko A.V. (2021) Ushchilnennia gruntiv pry vzaiemodii fundamentiv iz osnovoiu [Soil compaction during the inter-action of foundations with the base]. Heotekhnichna mekhanika, 5, 34–48. DOI: 10.12345/geom.2021.5.34-48.
Johnson R.B., Carter T.M. (2018) Soil Compression Behavior Under Loading. Journal of Geotechnical Engineering, 144, No.6, 1–12. DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001860.
Novak P. Kumar S. (2020) Finite Element Modelling of Soil-Foundation Interaction. Computers and Geotechnics, 124, 102638. DOI: 10.1016/j.compgeo.2020.102638.
Melnyk S.V., Kovalchuk H.P. (2019) Vplyv ushchilnennia gruntiv na nesuchu zdatnist fundamentiv [The effect of soil compaction on the bearing capacity of foundations]. Budivelni konstruk-tsii i osnovy., 3, 72–83. DOI: 10.32347/2410-2547.2019.3.72-83.
Brown G., Silva M. (2022) Evaluation of Drucker-Prager Model in Soil Mechanics. International Journal of Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,46. No.9, 1050–1068. DOI: 10.1002/nag.3400.
Zotsenko M.L., Kovalenko V.I., Yakovliev A.V., Petrakov O.O., Shvets V.B., Shkola O.V., Bida S.V., Vynnykov Yu.L. (2003) Inzhenerna heolohiia. Mekhanika gruntiv, osnovy i fundamenty: Pi-druchnyk. Poltava: PNTU, 446.
Ding J.H., Li B.J., Du E.X., Wang W.Y., Zhao T. (2017) Analysis and Prediction of Foundation Settlement of High-Rise Buildings under Complex Geological Conditions. World Journal of Engineering and Technology, 5, 445–454. DOI: 10.4236/wjet.2017.53038.
Grunty. Metody labora-tornoho vyznachennia kharakterystyk mitsnosti i deformovanosti. DSTU B V.2.1-4-96. (1997). Kyiv: Derzhavnyy komitet Ukrayiny u spravakh mistobuduvannya i arkhitektury, 102 (in Ukrainian).
Sydorov N.I., Spydyn V.P. (1972) Suchasni metody vyznachennia kharakterystyk mekhanichnykh vlastyvostei gruntiv. [Mod-ern methods for determining the characteris-tics of the mechanical properties of soils] Leningrad.: Stroiyzdat, 136.
Vinnikov Yu.D. (2004) Matematychne modeliuvannia vzaiemodii fundamentiv z ushchilnenymy osnovamy pry yikh zvedenni ta nastupnii roboti [Mathematical modeling of the interaction of foundations with com-pacted bases during their construction and subsequent work]. Poltava: PNTU, 237.