Тетрадь N2, 2001

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗДАНИЯ И ОСНОВАНИЯ: МЕТОДИКА РАСЧЕТА И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

А.Г.Шашкин, К.Г.Шашкин

5.4. Возведение зданий в условиях плотной городской застройки

Реконструкция кварталов городской застройки, особенно в историческом центре города, представляет собой весьма сложную геотехническую задачу. Строительство нового здания или глубокая перестройка существующего (с оставлением фрагментов, например, фасадных стен) может вызвать существенные осадки окружающих зданий или сохраняемых конструкций. Поэтому весьма актуальной является выбор такого конструктивного решения фундаментов, которое не оказывало бы негативного влияния на существующие здания и конструкции.

Очевидно, что выбор оптимального конструктивного решения возможен только на основе тщательных геотехнических расчетов. Сложность таких расчетов заключается в том, что необходимо учесть множество разнообразных факторов, а именно:

• реальное напластование грунтов; · последовательность нагружения основания (историю строительства на данной территории);
• сложную геометрию участка строительства, возведенных строений и нового здания;
• взаимное влияние фундаментов близкого расположенных зданий; · нелинейные свойства грунтов оснований (что особенно важно для старых зданий, грунты в основаниях которых работают часто за пределами линейной стадии);
• влияние жесткости надземных конструкций на развитие деформаций основания;
• оценка усилий, возникающих в надземных конструкциях при неравномерных осадках.

В полной мере учет приведенных фйакторов возможен только с использованием численных методов при рассмотрении пространственных задач о взаимодействии зданий и оснований. Часто приходится рассчитывать целый комплекс зданий, включающий строящийся или реконструируемый дом и его окружение.

Отчасти такой анализ оказывается возможным и при использовании упрощенных моделей основания, приведенных в главе 1. В качестве примера рассмотрим здание в Петербурге, расположенное в исторической части города в районе Смольного. Это здание, за номером 5, было построено на рубеже XIX-XX веков. В 1950-х годах к нему был пристроен дом 3, в результате чего дом 5 претерпелл неравномерные осадки. Полученный по расчету характер осадок (рис. 1) хорошо согласуется с наблюдаемым в действительности. В 1999 году было закончено строительство примыкающего с другой стороны дома 7.

Рис. 1. Эпюры и изолинии (м) осадок дома 5 от возведения дома 3.

Как показали расчеты и геодезические наблюдения, принятая в проекте дома 7 схема консольного примыкания нового здания с размером консоли 1.2 м не могла обеспечить сохранность дома 5. Развивающиеся в настоящее время неравномерные осадки дома 5 уже привели к образованию трещин в кладке стен. Согласно расчету прогнозируемая величина осадок дома 5 достигает 10 см (рис. 2). При этом дом получает деформацию выгиба со стрелой 19 мм, что в сумме с уже имеющимся выгибом от строительства дома 3 может привести к разрушению здания.

Рис.2. Эпюры и изолинии (м) осадок дома 5 от возведения дома 7.

В связи с этим были рассмотрены возможные варианты усиления дома 5. Вариант пересадки здания на свайные фундаменты в данном случае оказался трудновыполнимым по технологическим и экономическим соображениям. Поэтому был выбран вариант повышения пространственной жесткости здания путем устройства в пределах подвальных помещений жесткой коробчатой конструкции. Расчеты показывают (рис. 3), что предлагаемое усиление существенным образом перераспределяет осадки здания, приближая эпюру осадок практически к треугольной, характерной для осадок жесткого штампа. Таким образом, устраняется причина, приводящая к раскрытию трещин, и здание получает крен как жесткое целое без деформаций надземных конструкций.

Рис.3. Эпюры и изолинии (м) осадок дома 5 от возведения дома 7 с учетом усиления.

Очевидно, что деформации дома 5 следовало рассматривать заранее, на стадии проектирования нового здания. В этом случае была бы возможность выбрать эффективный и безопасный вариант устройства фундаментов дома №7, а не подвергать соседей угрозе аварийного разрушения их дома и расселения.

Заметим, что принятые в действующих нормах величины предельно допустимых дополнительных осадок (2...3 см) обеспечивают лишь относительную сохранность конструкций окружающих строений, но совершенно не гарантируют разрушения отделки. В настоящее время, когда стоимость отделки сопоставима со стоимостью конструкций, ее повреждение может стать непростительной ошибкой для всех участников соседнего строительства, к которым могут быть предъявлены судебные иски. Поэтому при проектировании особое внимание необходимо уделять аспекту взаимного влияния нового и старого зданий, а также вновь возводимых и сохраняемых конструкций реконструируемого здания.

Рассмотрим пример глубокой реконструкции исторического здания на Владимирском пр.

Здание представляет собой образец постройки в стиле "северный модерн" и является архитектурным памятником. Облик здания окончательно сформировался к 1904 г. в результате многочисленных переделок, затрагивающих, в основном, надземные конструкции. При этом фундаменты не усиливались, возводились только фундаменты под новые стены. Любопытно, что в сохранившемся дореволюционном документе подрядчик отказывается от ответственности за качество фундаментов в виду их разнотипности, плохого состояния и отсутствия перевязки старых и новых лет бутовой кладки. С тех пор состояние фундаментов нисколько не улучшилось. Напротив, строительство наклонного хода станции метро "Достоевская" привело к развитию существенных неравномерных осадок, что отразилось на развитии системы сквозных трещин в стенах. В аварийном порядке ближайшая к метро торцевая стена была усилена короткими (6 м) буроинъекционными сваями.

В настоящее время проектом реконструкции предусматривается сохранение наружных стен лицевого строения, фасады которого представляют архитектурную ценность, и возведение новых конструкций на дворовой территории.

Для сохранения наружных стен исторического здания авторами проекта (С.В.Кузнецов, С.Б.Оршанский НПФ "Геореконструкция") было предложено создать новый пространственный монолитный железобетонный каркас внутри здания, воспринимающий нагрузки от перекрытий и сопряженный с существующими стенами. Расчетная схема приведена на рис. 4.

Рис. 4. Расчетная схема.

Каркас опирается на вновь возводимую железобетонную фундаментную плиту. В рассматриваемом случае весьма важным является вопрос о типе сопряжения новых и старых конструкций. Очевидно, что здесь теоретически возможны два варианта: жесткое сопряжение с устройством в конструкциях существующих кирпичных стен и фундаментов, гнезд для введения железобетонных шпонок и гибкое сопряжение, обеспечивающее лишь отсутствие горизонтальных перемещений стен.

Рис. 5. Деформированная схема при жестком соединении существующих стен и каркаса. Темным цветом показаны зоны предельного состояния грунта. Подписаны величины осадок (м)

Рис. 6. Эпюры дополнительных усилий в простенках (кН/пм) схема при жестком соединении существующих стен и каркаса.

Жесткий вариант (рис. 5) обеспечивает совместность работы новых и старых конструкций, равенство их осадок. Как показали расчеты (рис. 6) недостатком этого варианта является возникновение значительных дополнительных усилий в простенках существующих стен. При ветхом состоянии этих стен они опасны для сохранности здания (простенки оказываются перегруженными в 1,5 раза по прочности кладки). Причиной такой перегрузки является перераспределение усилий между сравнительно гибким каркасом и достаточно жесткими стенами. Каркас частично "зависает" на стенах. Для реализации этого варианта, как и в случае сохранения исходной конструктивной схемы здания потребовалось бы проведение тщательных усилительных мероприятий: устройство обойм, бандажей, закладка части проемов, инъекция кладки, что исказило бы исторический облик здания.

Поэтому предпочтение было отдано варианту гибкого сопряжения. Сразу оговоримся, что такой вариант фактически предусматривает устройство деформационных швов между старыми и новыми конструкциями, швы оказываются расположенными внутри помещений. Естественно, что в этом случае возникает вопрос, какова будет неравномерность осадок в районе шва. Для оценки максимальной величины неравномерности был выполнен соответствующий расчет, в котором на первом шаге решения моделировались только сохраняемые наружные стены, а на втором - вновь устраиваемый каркас.

Очевидно, что в реальности каркас будет возводиться на месте сносимых внутренних стен, то есть будет осуществляться повторное нагружение после разгрузки. Осадки при этом обычно (при щадящих технологиях реконструкции) осадки не получают сколько-нибудь существенного развития.

Как показали расчеты, даже в самой неблагоприятной ситуации вертикальное смещение нового каркаса относительно старых стен не превышает 2 см (рис. 7).

Рис. 7. Деформированная схема при гибком соединении существующих стен и каркаса. Красным цветом показаны зоны предельного состояния грунта. Подписаны величины осадок (м)

Расчет осадок во времени позволяет убедиться, что более 50% этого смещения реализуется в процессе возведения каркаса. таким образом, при реализации варианта гибкого сооружения отделка в месте деформационного шва должна быть приспособлена к вертикальным конечным подвижкам на величину до 10 мм, которые могут развиваться в течение длительного времени. Устройство такой отделки оказывается вполне возможным в интерьерах гостиничного и торгового комплекса, который предполагается разместить в здании.

В заключение отметим, что реконструкционные ситуации очень разнообразны и к ним практически неприменимы типовые решения. Для анализа каждой ситуации требуется проведение десятков расчетов, в которых моделируются различные модели поведения грунта.