СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ ВЫСОТНОГО ЗДАНИЯ НА ЕСТЕСТВЕННОМ ОСНОВАНИИ
METHOD OF ERECTING HIGH-RISE BUILDING ON NATURAL BASE

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве высотных зданий на естественном основании, в том числе и в сейсмических районах, неравномерные осадки которых близки или превышают предельно допустимые.
Известен способ строительства зданий на слабых грунтах, который заключается во введении дополнительных армирующих элементов в стены с целью увеличения их жесткости для уменьшения неравномерных осадок. Недостатком описанного способа является ограниченность его применения только для кирпичных стен небольшой этажности /Б.И. Далматов "Механика грунтов, основания и фундаменты", М., СИ, 1988 г., с. 208-211/.
Известен способ снижения уровня неравномерных осадок при строительстве зданий, заключающийся в одновременном или раздельном воздействии на грунт, фундамент и конструкции здания. Воздействие на грунт для его упрочнения осуществляют путем инъекции упрочняющего раствора или введения в грунт армирующих элементов в пределах центральной части здания, а его разупрочнение осуществляют путем инъектирования разупрочняющего раствора или выполнения узкой прорези, либо выполнения рядов скважин в грунте в пределах периферийной части здания. Процессы упрочнения в центральной зоне и разупрочнения в периферийной производятся одновременно. Воздействие на фундамент осуществляют путем увеличения его изгибной жесткости с максимумом в центральной и минимумом в периферийной зоне фундаментной плиты. Увеличение изгибной жесткости осуществляют путем введения ребер переменной жесткости в направлении от периферии к центру или закладкой арматуры в пределах центральной части фундаментной плиты /Патент РФ №2265107, кл. Е02D 35/00, опубл. 2004 г./.
Недостатком известного способа является то, что при воздействии на грунт инъецированием упрочняющего или разупрочняющего раствора происходит неоднородное изменение напряженно-деформированного состояния, что сложно учесть в расчетах фундамента и приводит к значительному увеличению материалоемкости фундамента. К тому же повышение жесткости фундамента в центральной его части трудоемко и требует длительного времени.
Также известен способ устройства сейсмостойкого высотного бескаркасного здания из объемных блоков для строительства в районах с сейсмичностью до 9 баллов. Способ возведения многоэтажного сейсмостойкого бескаркасного здания заключается в устройстве модульного здания повышенной прочности и жесткости. Повышение прочности и жесткости осуществляется за счет устройства здания из объемных блоков, стыки которых заполняются бетоном, прочность которого на 1/2-1/6 меньше прочности бетона блока. В стыках блоков в трех взаимно перпендикулярных направлениях устанавливаются арматурные стержни внахлест с арматурой блоков. Сейсмостойкость здания обеспечивается арматурой, установленной в предварительно ослабленном сечении в местах стыков блоков /Патент РФ №2121049, кл. Е04Н 9/02, опубл. 1998 г./.
Недостатком известного способа является то, что при возведении такого здания не обеспечивается его жесткость в плане, таким образом, данный способ устройства здания может привести к образованию чрезмерных неравномерных деформаций и невозможности дальнейшей эксплуатации сооружения.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ регулирования неравномерных осадок многоэтажного здания с плитным или свайно-плитным фундаментом, заключающийся в перемещении центра масс и жесткости всего здания, с целью более равномерного распределения нагрузки на фундаментную плиту и, как следствие, уменьшения относительной разности осадок фундамента. Реализация данного способа осуществляется путем устройства дополнительных элементов жесткости как после, так и в процессе возведения каркаса здания /Патент РФ №2520751, кл. E02D 35/00, опубл. 2014 г./.
Недостатком этого способа является то, что при устройстве высотного здания с использованием данного способа невозможно обеспечить его работу при сильном сейсмическом воздействии. Таким образом, область применения данного способа устройства сооружения ограничена территорией с балльностью до 6 баллов.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение себестоимости строительства за счет обеспечения возможности уменьшения неравномерных осадок и усилий в конструкциях многоэтажного здания при экономичном решении по основаниям и фундаментам, сокращение времени и трудоемкости строительства. Кроме этого технической задачей является возможность устройства высотного здания на естественном основании в районах с сейсмичностью до 9 баллов.
Поставленная задача решается таким образом, что в способе возведения высотного здания на естественном основании, включающем расчет напряженно-деформированного состояния «основание-фундамент-сооружение», устройство плитного фундамента и возведение высотного здания с перераспределением элементов жесткости в соответствии с условием равномерности осадок фундамента, согласно изобретению, сначала устраивают плитный фундамент под высотную часть здания и возводят здание на расчетную высоту, рассчитанную из условия предотвращения опрокидывания здания при сейсмическом и/или ветровом воздействии, после этого устраивают плитный фундамент под стилобатную часть здания и возводят оставшуюся часть высотного здания и стилобата одновременно, при обеспечении равномерной осадки фундамента.
Предлагаемый способ возведения высотного здания отличается тем, что сначала устраивают плитный фундамент под высотную часть здания и возводят здание на расчетную высоту, рассчитанную из условия предотвращения опрокидывания здания при сейсмическом и/или ветровом воздействии, после этого устраивают плитный фундамент под стилобатную часть здания и возводят оставшуюся часть высотного здания и стилобата одновременно, при обеспечении равномерной осадки фундамента.
Перераспределение элементов жесткости системы "фундамент-здание" производят путем разделения времени устройства высотной и стилобатной части сооружения. Сейсмическая устойчивость здания от опрокидывания при этом обеспечивается достаточностью опорной части сооружения.
Перед началом строительства проводят расчеты напряженно-деформированного состояния системы "основание-фундамент-сооружение", в том числе и на сейсмические воздействия с определением минимальной высоты здания и площади опорной части, при которых не происходит опрокидывания сооружения в результате ветровых и сейсмических воздействий. После этого определяют жесткость опорной части высотного здания, так чтобы осадки при первом этапе строительства - возведении высотной части - были равномерными. Далее производится строительство с контролем напряженно-деформированного состояния конструкций с помощью мониторинга.
Реализация технической задачи осуществляется путем разделения возведения высотного сооружения на несколько этапов. На первом возводится высотная часть с жестким основанием, подобранным таким образом, чтобы не происходило опрокидывания здания, а также осадки сооружения были равномерными. На следующем этапе производится одновременное возведение стилобатной и высотной части до проектной отметки. Вес оставшейся высотной и стилобатной частей должен быть близким для того, чтобы осадка сооружения оставалась равномерной.
Технический результат заключается в снижении неравномерности деформаций основания и уменьшении усилий в конструкциях сооружения за счет временного разделения осадок высотной и стилобатной частей, а также возможности строительства высотного здания в районах с сейсмичностью до 9 баллов на естественном основании.
Изобретение позволяет предотвратить возникновение предельных неравномерных осадок фундамента как во время возведения здания, так и в период его эксплуатации. Высоту здания и площадь опорной части, достаточные для восприятия опрокидывающего момента при сейсмическом воздействии, определяется расчетом.
Техническая сущность способа устройства фундамента на естественном основании поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен разрез здания с указанием технологических этапов возведения здания; фиг. 2 - график осадок фундаментной плиты (S, %) при строительстве известным (1) и предлагаемым (2) способом.
Способ осуществляют в следующей последовательности. Перед началом строительства производят расчеты напряженно-деформированного состояния фундамента и конструкций здания с определением оптимальной высоты, площади и жесткости опорной части сооружения. На естественном основании бетонируют фундаментную плиту 1 в пределах возводимой конструкции. После ее твердения возводят каркас здания заданной высоты 2. Далее переходят к одновременному дальнейшему возведению высотной 3 и опорной части здания 4 с равным весом.
Пример:
2
Осуществляют строительство высотного здания каркасно-связевой конструктивной схемы высотой 300 м. Вокруг высотной части здания планируется строительство стилобатной части, состоящей из двух подземных этажей. Стилобатная и высотные части в плане имеют форму квадрата с длиной каждой стороны 130 и 70 м соответственно. Среднее давление под подошвой фундамента составляет 50 т/м. Основанием фундаментов служат пески гравелистые с модулем деформации 100 МПа. Глубина заложения фундаментов составляет 10 м.
3
При строительстве такого сооружения на естественном основании традиционным способом потребуется устройство коробчатого фундамента для всей стилобатной части, состоящего из нижней плиты толщиной 4 м, верхней плиты толщиной 2 м, центрального ядра жесткости размерами 30×30 м и более 50 вертикальных диафрагм жесткости. В результате расчетов для данного типа фундамента была получена средняя осадка, составляющая 170 мм, при этом максимальная осадка составила 215 мм, а минимальная 110 мм. Крен здания в результате однородности конструктивной схемы и грунтового основания в плане равен нулю. Максимальная неравномерность осадок составила 1,5*10. При этом для возможности нормальной эксплуатации данного сооружения потребуется устройство довольно мощных диафрагм жесткости, что затрудняет эксплуатацию сооружения и увеличивает стоимость строительства.
При реализации предлагаемого способа строительство здания ведется в два этапа. На первом этапе устраивается фундамент под высотную часть и производится возведение здания до отметки 200 м, при которой не возникает опасности опрокидывания здания в результате сейсмических или ветровых воздействий. На втором этапе после устройства фундамента под стилобатной частью ведется одновременное возведение оставшейся высотной и стилобатной частей. Нагрузка от строящихся частей здания при этом подбирается одинаковой. При этом достигается снижение величины неравномерной осадки относительно случая единовременного строительства сооружения каркасной схемы до 80% (фиг. 2), а усилий в конструкциях до 40%. Кроме этого, за счет раздельного строительства высотной и стилобатной происходит замена жесткой коробчатой, принятой при обычном способе проектирования, на каркасную конструктивную схему, чем обеспечивается значительное снижение материалоемкости, сокращение времени строительства, освобождение дополнительных площадей, а также снижение трудоемкости выполнения работ.
Приведенный пример иллюстрирует, как, разделяя осадки высотной и стилобатной частей, можно добиться выравнивания осадок фундамента, уменьшения усилий в конструкциях и сокращения материалоемкости всего каркаса здания.