Z E S Z Y T Y N A U K O W E PO LITE C H N IK I ŚLĄSK IEJ Seria: B U D O W N IC T W O z. 84
_______ 1997 N r k o l 1376
Lidia F E D O R O W IC Z , Jan FED O R O W IC Z
OBLICZANIE BUDYNKÓW WYCHYLONYCH NA TERENACH GÓRNICZYCH
S treszczen ie. W pracy opisano wyniki numerycznej analizy budynku w ielkopłytow ego, który uległ w ychyleniu z pionu w wyniku eksploatacji górniczej. O bliczenia budynku i p odłoża g ru n to w eg o w ykonano za pom ocą program ów bazujących na m etodach SES i M ES z w yko
rzystaniem sprężysto-plastycznego m odelu gruntu
CALCULATING OF TILTED BUILDINGS IN MINING AREAS
S u m m a ry . T he num erical test o f the tilted building in mining area is presented. The calculation w as undertaken on basis o f Stiff Elem ents M ethod (for th e building) and Finite Elem ents M ethod (for the subsoil). Elasto-plastic properties o f the ground w ere taken into consideration.
1. Wprowadzenie
Skutki działalności górniczej, ujaw niające się w postaci deformacji pow ierzchni terenu, są opisyw ane dla celów inżynierii budow lanej pięciom a w skaźnikam i: przem ieszczeń pionow ych (w ), przem ieszczeń poziom ych (u), odkształceń (s), nachyleń (T) oraz krzyw izny (K). W arto
ści tych w skaźników , prognozow ane przed rozpoczęciem prac w ydobyw czych, stanow ią w obliczeniach statycznych m iarę obciążeń konstrukcji eksploatacją górniczą.
P ow szechnie za podstaw ow e zagrożenie dla stanu użytkow ania i nośności budow li uznaje się odkształcenie (e) i prom ień krzyw izny terenu (R ). W pływ nachylenia terenu (T ) uw zględ
niany jest w analizie pracy konstrukcji standardow o jedynie w budynkach w ysokich. W specy
ficznych w arunkach w spółpracy budow li z podłożem nachylenia m ogą jed n a k stanow ić p od
staw ow y w skaźnik zagrożenia dla praw idłow ej pracy konstrukcji.
58 L .Fedorow icz, J.Fedorow icz
P rog n o zo w an ie w skaźników deformacji jest wynikiem stosow ania różnorodnych m etod obliczeń, od tradycyjnych, przyjmujących założony rozkład w pływ ów , przez teorie staty- styczno-całkow e, do m etod najnow szych, opartych na założeniach ośrodka reologicznego.
U stalanie się stanu rów now agi w tórnej w górotw orze zw iązane jest jednak z rzeczywistymi w arunkam i geologicznym i i eksploatacyjnymi, często nie odtw arzalnym i m odelow o. Pom iary geodezyjne, rejestrujące tow arzyszący eksploatacji stan deformacji terenu, nie zaw sze zatem potw ierdzają w yniki najbardziej naw et w yszukanych obliczeń prognostycznych. N ależy poza tym zw rócić uw agę, że prognozow anie daje opis stanu deformacji wolnej, nie obciążonej bu
dynkiem pow ierzchni terenu.
Realny, końcow y stan wychylenia budynku m oże być praw idłow o określany jedynie przy uw zględnieniu jeg o w spółpracy z podłożem . Jest to postulat szczególnie istotny w przypadku niekorzystnych w arunków gruntow ych. Redystrybucja bryły obciążeń budynku w ychylonego na skutek eksploatacji m oże bow iem w yw ołać w tórny efekt nierów nom iernego osiadania o- biektu. Przykładow o stan taki zarejestrow ano w kilku osiedlach satelickich miasta Jastrzębie, w budynkach posadow ionych na gruntach lessopodobnych, przew arstw ionych gruntam i orga
nicznymi.
W artykule przedstaw iono proces pełnej analizy obliczeniowej, ja k ą zdaniem autorów nale
ży przeprow adzać dla budynków zagrożonych:
• dużym i wychyleniami,
• planow anym w ielokrotnym przejściem eksploatacji górniczej, oraz posadow ionych na gruntach silnie odkształcalnych.
2. Analiza problemu - przykład obliczeniowy
W artości dopuszczalnych granicznych wychyleń budynków , otrzym yw ane w w yniku oceny uciążliw ości użytkow ej ( T " ), są zazwyczaj niższe od w artości ( T ), koniecznych do speł
nienia w aru n k ó w statyczno-w ytrzym ałościow ych konstrukcji. W artość T “ narzuca zazwyczaj w arunek bezpiecznego funkcjonow ania wind. W artość T n a t o m i a s t w klasycznym postępo
w aniu inżynierskim określa się przeprow adzając obliczenia na uproszczonych schem atach sta
tycznych, z pom inięciem w pływ u podłoża na pracę konstrukcji. P rzykładow o w pracach
O bliczanie budynków . 59
[6,7,8], naw iązując do norm y B N -79/8812-01, uogólniono problem dla pew nej klasy budyn
k ów w ielkopłytow ych do 12 kondygnacji, proponując w artości T ”“ =30m m /m oraz T “ =25m m /m
T akie upro szczo n e podejście okazuje się jed n ak niew ystarczające w przypadku w ystąpienia dw óch z poniższych “czynników ryzyka” , gdy:
• w ychylenia budynku bliskie są w artościom granicznym, ocenionym w sposób klasyczny,
• planow ane jest w ielokrotne przejście frontu eksploatacji,
• w ystępują zło żo n e w arunki geologiczne i górnicze oraz niekorzystne w arunki posadow ienia budynku.
P rzedstaw ioną w pracy, poszerzoną analizę num eryczną przeprow adzono dla rzeczyw iste
go, 11-kondygnacyjnego budynku m ieszkalnego, który w w yniku eksploatacji górniczej uległ wychyleniu z pionu 2-krotnie w iększem u od prognozow anego i jest zagrożony przejściem ko
lejnego frontu robót górniczych. O cenie poddano zarów no pracę przestrzenną konstrukcji, ja k rów nież zachow anie się podłoża w w arunkach możliw ego uplastycznienia. B udynek znajduje się w obszarze w pływ ów górniczych K W K „Kleofas” na terenie, który został zaliczony do III kategorii przydatności do zabudow y. Składa się on z 2 niezależnych segm entów o identycznej budow ie, oddylatow anych kilkunastocentym etrow ą szczeliną. F undam ent tw orzy płyta żelbe
to w a o grubości 60 cm z żebram i pod ścianami nośnymi. P odłoże stanow ią piaski gliniaste w stanie tw ardoplastycznym . G órotw ór budują w arstw y nadkładow e grubości 5-15 m oraz u tw o ry karbonu produktyw nego. W bezpośrednim sąsiedztw ie budynku eksploatacje prow adzone były od lat osiem dziesiątych w pokładach grupy 500. Od lat dziew ięćdziesiątych eksploatow a
ny był z zaw ałem stropu pokład 510 (rys. 1). W odległości ok. 50 m na zachód znajduje się uskok środkow y o przebiegu południkow ym i zrzucie w arstw 40-60 m w kierunku zachodnim . Z uw agi na złożone w arunki geologiczne obszar całego osiedla poddany został ciągłym ob
serw acjom geodezyjnym (rys.2).
W skaźniki deform acji pow ierzchni terenu prognozow ane dla bieżącej eksploatacji określo
no w g teorii B udryka-K nothego dla param etrów zgodnych z poprzednim i eksploatacjam i i urealnianych pom iaram i geodezyjnymi. Przew idyw ane średnie wychylenie m iało w artość T 0bi= 13.7 m m /m . Pom ierzone zaś, dla bardziej w ychylonego segm entu analizow anego budyn
ku, w yniosło w październiku 96 r. T pom=26.7.m m /m . Jest to 2-krotnie w ięcej od w artości pro
gnozow anej i stanow i przekroczenie granicznego stanu użytkow ania określonego w artością T " =25m m /m P oniew aż oprócz bieżącej eksploatacji planow ane jest rozpoczęcie now ej w
pokładach grupy 600, określono, po ponow nej korekcie param etrów , ostateczny w zrost wy
chylenia segm entu budynku do Tobl=29 mm/m. Pom im o zatem dobrego stanu technicznego o raz braku w idocznych uszkodzeń św iadczących o występujących przeciążeniach konstrukcji p rzeprow adzono dla segm entu silniej wychylonego analizę statyczno-w ytrzym ałościow ą.
W artość w ychylenia Tpom=26.7m m /m i kierunek (w stronę narożnika B - l) przyjęto zgodnie z wynikam i pom iarów z października 96 r
W analizie posłużono się przestrzennym -tarczowym modelem num erycznym m etody SES (m etoda sztywnych elem entów skończonych-[l,2,4]) z liniowo-sprężystym i zw iązkam i konsty
tutyw nym i dla elem entów nośnych konstrukcji i sprężysto-plastycznymi dla m ateriału złączy.
R edystrybucja obciążeń w przestrzeni zachodzi poprzez wielkości w ew nętrzne pow stające w p ołączeniach elem entów pionow ych i poziom ych, deformujących się w swych płaszczyznach.
T arcze stropow e i ścienne o rzeczywistej grubości i perforacji opisano przestrzenną siatką dys
k retn ą tw o rzącą 2082 elem enty SES, określające 6246 w artości (odniesionych do osi lokal
nych) w przestrzeni przem ieszczeń. N a rys.3 pokazano fragm ent utw orzonego m odelu dys
kretnego dla w ybranych ścian - poprzecznej i podłużnej. Poniżej (rys.3) przedstaw iono wykres naprężeń ścinających w złączu pionow ym pom iędzy ścianą poprzeczną 2 i p odłużną C, reje
strując zm iany w yw ołane w pierwotnym rozkładzie naprężeń (w ykres 1) obciążeniem pocho
dzącym od wychylenia (w ykres 2) oraz od w iatru (w ykres 3). Redystrybucję obciążeń, do ja kiej doszło w wychylonym budynku, pokazano na rys.4 w postaci w ykresów naprężeń nor
m alnych działających na ściany poprzeczne i podłużne, gdzie a - a jest przekrojem na w ysoko
ści stropu kondygnacji piwnicznej, P-P przekrojem nad płytą fundam entow ą.
O trzym any przestrzenny stan naprężeń w konstrukcji posłużył do spraw dzenia stanu w ytę
żenia na docisk w złączach poziom ych ścian poprzecznych oraz na ścinanie w złączach pio
now ych m iędzy ścianami nośnymi i podłużnymi.
D la now ego stanu obciążeń płyty fundam entow ej przeprow adzono natom iast num eryczną analizę pracy p o d ło ża gruntow ego posługując się pakietem program ów CRISP93 [3], W yko
rzystując m odel sprężysto-plastyczny Coulom ba-M ohra, rozpatrzono najniekorzystniejszy dla stateczności fundam entu poprzeczny kierunek wychylenia. D la param etrów wyjściowych, przyjętych w g dokum entacji geologiczno-inżynierskiej, otrzym ano nierów nom ierne osiadanie fundam entu płytow ego oraz znaczny, niesymetryczny stan uplastycznienia podłoża pod bu
dynkiem.
60__________________________________________________________ L.Fedorow icz, J.Fedorow icz
O bliczanie budynków ...
L.Fedorow icz, J.Fedorow icz
Rys.2
O bliczanie budynków . 63
lip.¿9 sie. 91 pas. 9 3 kwt.95 m ar.96 ue.96 paz.96
608 - e - 610 —a— 611
Rys.2.
64 L Fedorow icz, J.Fedorow icz
ścia n a 1-1 ścian a C-C
10.80
>Q © O© O © O O O 0©00C oŃ ooOs in o o ( s | r j Tj-\qoor-.v
' po N O - - - csop^-ię
2.05 1.75 2.05
(FGu
0.75 2.05 .05
Rys. 3.
O bliczanie budynków . 65
427.8
ściana 1-1 5177
458.6 ściana 1-1
62.2
236.3
146.7
ściana 5-5
390.8
(46&S
xu
205.2 ściana 8-8
56.2
133.7 „ , . _ 244.2
a ś c ia n a 9 - 9 19 3.5
a 57.5 325.5
ściana 6-6
94.2
N [kN/m]
ściana 2-2
203 7 181.6 203 2
Rys.4.
66 L.Fedorow icz, J.Fedorow icz
Rys.5.
O bliczanie budynków . 67
N a rys. 5, na bazie zdeform ow anej siatki modelu pokazano otrzym any stan przem ieszczeń fundam entu, w ynoszący dla naroży 33.9 i 50.4 mm. Przedstaw iony poniżej w ydruk kodów obrazuje zasięg s tre f uplastycznienia gruntu pod kraw ędziam i płyty.
3. Podsumowanie
N iezm iernie w ażn ą rolę przy ocenie bezpieczeństw a konstrukcji zagrożonej jakim kolw iek stanem aw aryjnym odgryw a dobór adekw atnego modelu obliczeniow ego. Z astosow any w przedstaw ionym zagadnieniu m odel numeryczny, pom im o ograniczeń w opisie przestrzeni przem ieszczeń, p o przez zapew nienie w spółpracy elem entów ściennych i stropow ych (z w ła
ściwym uw zględnieniem ich cech fizycznych i geom etrycznych) daje obraz przestrzennej re
dystrybucji bryły obciążeń w wychylającym się budynku. Pozw ala także na analizę w pływ u zm ian odkształcalności złączy na rozkład wielkości w ew nętrznych w konstrukcji. N a podsta
w ie sił w ew nętrznych, w yznaczonych w najbardziej w ytężonych elem entach i przekrojach konstrukcji, określono w spółczynniki bezpieczeństw a, które dla Tpom=26.7 mm /m zaw ierały się w granicach s= l .48-2.60, a dla T p o ^ O mm /m wynosiły s = l .39-2.61.
W spółczynniki bezpieczeństw a otrzym ane na podstaw ie rozw iązania przestrzennego są w analizow anym przypadku w iększe o 6-20% od w spółczynników otrzym anych przy w yznacze
niu w ielkości w ew nętrznych z w ykorzystaniem klasycznych schem atów inżynierskich [8], M o żn a zatem przyjąć, że analizow any budynek nie jest w chwili obecnej zagrożony od strony przeciążenia new ralgicznych elem entów konstrukcji. Istniejące w ychylenie obniża na
tom iast znacznie standard mieszkań, pow odując duże uciążliwości przy ich użytkow aniu oraz w yw ołuje złe sam opoczucie zw łaszcza u starszych mieszkańców . U sunięcie skutków w ychy
lenia w ym aga przeprow adzenia rektyfikacji budynku. N iepokój inżyniera pow inien jednakże budzić stan w ytężenia p o d ło ża gruntow ego. Z arejestrow any w przeprow adzonych oblicze
niach niesym etryczny stan uplastycznienia gruntu będzie bow iem narastał w raz z redystrybucją obciążeń w budynku, tow arzyszącą w zrostow i wychylenia. D o obliczeń przyjęto na podstaw ie dokum entacji param etry gruntu "nienaruszonego". W przypadku obniżenia param etrów w y
trzym ałościow ych gruntu (c,4>), ja k sugerują badania dotyczące gruntów poddanych rozluź
nieniu na terenach górniczych [5], obszar uplastycznienia m oże ulec pow iększeniu, tw orząc niem al płaszczyznę poślizgu pod silniej obciążoną kraw ędzią fundam entu.
68 L.Fedorow icz, J.Fedorow icz
Stan bezpieczeństw a budynku silnie w ychylonego należy zatem bezw zględnie przeana
lizow ać z punktu w idzenia pracy podłoża gruntow ego. W odróżnieniu od konstrukcji, gdzie m odel sprężysty m oże być adekw atny do jej stanu wytężenia, dla podłoża jedynie m odel rejestrujący narastanie i rozw ój niesym etrycznego stanu uplastycznienia pod przem ieszczającą się bryłą obciążeń budynku m oże dać obraz ew entualnego stanu zagrożenia stateczności bu
dynku
L IT E R A T U R A
1. A N D E R M A N N F., FED O R O W IC Z L., FED O RO W ICZ J.: Przestrzenna praca statyczna budynków ścianow ych posadow ionych na osiadającym terenie górniczym . Inżynieria i Bu
dow nictw o, nr 8/1992.
2. A N D ER M A N N F., FED O R O W IC Z L., FED O RO W ICZ J.: Zestaw program ów profesjo- nalno-badaw czych do obliczeń budynków o konstrukcji ścianowej na terenach górniczych.
Inżynieria i B udow nictw o, nr 12/1992.
3. B R IT T O A. M.: Crisp 92 P C -386/486 versión. Users and program es guide, vol.3 C am brid
ge University R esearch R eports 1/7/92, 1992.
4 C IN C IO A., C IN C IO S.: D okum entacja program u PU S2 do obliczeń przestrzennych ukła
dów ścianow ych. A rchiw um KTKB, Pol. SI., Gliwice 1996.
5. G L IN K O H : Opis rozluźnienia gruntów spoistych na terenach górniczych. Pol. Lubelska, seria B udow nictw o nr 41, Lublin 1992.
6. K A W U LO K M .: Stany graniczne nośności i użytkow ania obiektów budow lanych na tere
nach górniczych. M ater. K o n f Nauk. "Problem y budow nictw a m ieszkaniow ego na tere
nach eksploatacji górniczej w LGO M " - c z .l, Legnica 1996.
7. K O W A LSK I A., K W IA TEK J.: O chrona pow ierzchni i obiektów budow lanych na terenach górniczych. Przegląd G órniczy nr 4/1995.
8. P R A C A ZBIO R O W A : Określenie użytkow ych wym agań i kryteriów dotyczących defor
macji i uszkodzeń budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej na terenach górni
czych. P raca niepublikow ana (maszynopis). A rchiw um ITB, O ddział Gliwice, symbol 2 ,l,3 ,8 a /O G -5 /9 3 , nr archiw. 89/2/93.
Recenzent: Prof. d r hab. inż. Stanisław Bielak
O bliczanie budynków . 69
Abstract
T he study deal w ith the problem s o f extension num erical analysis o f w all-construction buildings in m ining regions for buildings:
- subjected to leaning out o f vertical direction, - exposed to m ultiple mining activity, - on th e w eak subsoils.
