ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: BUDOWNICTWO z. 84 1997 Nr kol. 1376 Lidia FEDOROWICZ, Jan FEDOROWICZ, Andrzej CIŃCIO ANALIZA WYTĘŻENIA WZMOCNIENIA GORSETOWEGO BUDYNKÓW MUROWYCH NA TERENACH GÓRNICZYCH O DEFORMACJACH NIECIĄGŁYCH Streszczenie. W pracy przedstawiono analizę przeprowadzoną na numerycznym modelu rzeczywistego budynku murowego, wzmocnionego stalowym gorsetem zabezpieczającym budynek na wpływ wystąpienia nieciągłych deformacji terenu. ANALYSIS OF THE STRENUOUSITY OF THE CORSET STRENGHTENING OF MASOURY ON THE MINING AREA WITH NON-CONTINUOUS DEFORMATIONS Summary. There was presented an analysis made on the numerical model o f the real masoury building strenghtened with a steel corset which saves the building against the noncontinuos sobsoil deformations. 1. Wprowadzenie Deformacje nieciągłe powierzchni terenu są zwykle wynikiem intensywnej eksploatacji górniczej, gdy na obszarze niecki obniżeniowej mogą lokalnie wystąpić zaburzenia ciągłości w postaci np progów, szczelin, uskoków lub lejów Zjawiskami takimi zagrożone są głównie tereny niekorzystnie uwarunkowane geologicznie, np. obszary wychodni pokładów i naturalnych uskoków, gdy zachodzi zagrożenie, że kolejna eksploatacja uruchomi w sposób naturalny procesy osuwania się warstw skalnych lub wywoła spływ wód podziemnych do starych wyrobisk. Dla budynków murowych zlokalizowanych w takich warunkach opracowano w ITB [6] i zastosowano w rejonie Rybnickiego Okręgu Węglowego profilaktyczne, tymczasowe zabezpieczenie w formie stalowej kratownicy przestrzennej, obejmujące ściany zewnętrzne nadziemnej części budynku. Kratownica ta jest rozbieralna i stanowi rodzaj gorsetu wzmacniają-
72 L. Fedorowicz, J. Fedorowicz, A. Cińcio cego ściany oraz polepszającego sztywność przestrzenną budynku. Ocenę efektywności zabezpieczenia gorsetowego, w stosunku do sposobów mniej materiałochłonnych, takich jak kotwy stalowe lub opaski żelbetowe, przedstawiono w [4,5], W niniejszej pracy podano szczegółowe wyniki analizy wybranego budynku murowego narażonego na wpływ wystąpienia uskoku terenu i wzmocnionego zabezpieczeniem gorsetowym. Projektowanie przekrojów prętów gorsetu jest wynikiem określenia pracy konstrukcji budynku przy krytycznym położeniu krawędzi uskoku względem rzutu poziomego budynku, który jest przewieszony nad uskokiem, nie ulega jednak wychyleniu. 2. Opis konstrukcji budynku i zastosowanego wzmocnienia Analizowany budynek, opasany gorsetem kratowym, przedstawiono na rys.l. Przebieg możliwego uskoku terenu przewidziano prostopadle do osi podłużnej budynku w odległości lk od krawędzi ściany poprzecznej. Założony kierunek uskoku jest w danym przypadku uwarunkowany geologią (położeniem wychodni uskoku) oraz kierunkiem prowadzonej eksploatacji. Rys. 1.
Analiza wytężenia. 73 Dane dotyczące budynku: ściany nośne - cegła pełna, grubość 51 cm, ławy fundamentowe o szerokości 103 cm, strop - żwirobeton wzmocniony belkami stalowymi 1200, dach - o konstrukcji drewnianej. Dane dotyczące gorsetu: pasy górny i dolny oraz słupki skrajne stalowe - L I00x100x8, słupki pośrednie - [100, krzyżulce - <j) 40mm. Do obliczeń przyjęto: wartości charakteryzujące wytrzymałość muru dla kierunku równoległego (prostopadłego) do spoin - na ściskanie Rc=1.330 MPa (Rc=1.330 MPa), na rozciąganie Rr=0 (Rr=0.235 MPa), na ścinanie R,=0.180 MPa (Rt=0.650), - współczynniki sprężystości muru - Em=1690 MPa, vm=0.25, ocm=2.0, - ciężar objętościowy muru ym=l 8 kn/m3, - charakterystyki stali - Ea=2.10 GPa, Ra=210 MPa, - podłoże - glina piaszczysta, E0=29 MPa, v=0.27, 0=20, - średni nacisk budynku na podłoże cr=0.06mpa. Analizę wytężenia konstrukcji zabezpieczającej i muru wykonano metodą sztywnych elementów skończonych [1,2,3] dla położenia krawędzi uskoku w odległościach lk=0.3 m, 1.605 m i 1.905 m (rys. Ib). Przyjęto, że wysokość uskoku jest wystarczająco duża, aby odkształcenie budynku i podłoża nie wpływało na zmianę sposobu podparcia budynku (rys.2.a). Dla każdego położenia uskoku wyznaczono oddziaływanie podłoża na budynek jako bryły sztywnej. Wpływ odkształcalności budowli uwzględniono wprowadzając współczynnik korekcyjny, który dla wyznaczonej wg [7] wartości współczynnika pionowej podatności podłoża Co=21.12 MN/m3 wynosi 6=0.792. Z warunków równowagi poszczególnych ścian określono sumaryczne obciążenie dla każdej ściany podłużnej, przyjmując wg [7] uproszczony, prostokątny rozkład obciążeń na wysokości ściany. Ideę modelu obliczeniowego ściana - wzmocnienie ilustruje rys 3. W modelu obliczeniowym ściany przyjęto, że elementy sztywne: ściany (SES)s oraz zabezpieczenia (SES)z połączone są między sobą za pomocą sztywnych łączników. Połączenie to istnieje tak długo, dopóki nie zostanie przekroczona siła przyczepności stalowego elementu wzmocnienia do muru. Założono ponadto, że krzyżulce zabezpieczenia gorsetowego przenoszą jedynie siły rozciągające - pracują zatem jako więzy jednostronne.
74 L. Fedorowicz, J. Fedorowicz, A. Cińcio Mechanizm zarysowania i spękania ścian murowych w obliczeniach numerycznych (wykonanych przy użyciu programu autorskiego) modelowano poprzez odpowiednią redukcję wartości sztywności więzów sprężystych (WS)s, łączących elementy (SES)s; przy zmianie modułu Em wg rys. 2b. Założono mianowicie, że jeżeli w którymkolwiek z więzów sprężystych łączących elementy (SES)s wystąpią wartości sił wewnętrznych wywołujące odkształcenie tych więzów przekraczające wartości ( a m*er), następuje zerwanie tej więzi i w modelu obliczeniowym powstaje szczelina, odzwierciedlająca zarysowanie ściany Tym samym w modelu następuje zmiana schematu statycznego konstrukcji w następnym kroku obliczeniowym. W analizowanym budynku do obliczeń numerycznych przyjmowano, że współczynnik ctm, charakteryzujący szybkość procesu zwiększania się rozwartości rys, a tym samym przechodzenia muru ze stanu zarysowania do stanu spękania wynosi a ra=2.0. a) )» > V b v' \ b) 7 (rozciąganie) h! v Rys. 2. 3. Wyniki obliczeń numerycznych Jako wynik obliczeń otrzymujemy stan wytężenia konstrukcji nośnej (muru) oraz wzmocnienia w kolejnych etapach postępującego zarysowania lub spękania konstrukcji. Postępowanie takie umożliwia nam prześledzenie przebiegu redystrybucji sił wewnętrznych w konstrukcji, od momentu zaistnienia obciążenia, aż do stadium końcowego stanu równowagi bądź stanu zniszczenia konstrukcji. Poniżej przedstawiono wybrane wyniki obliczeń numerycznych dla jednej ze ścian zewnętrznych budynku (ściana A - rys. 1). Na rysunkach 4 i 5 pokazano przebieg zmian wytężenia elementów zabezpieczenia gorsetowego w pasach górnym i dolnym, w zależności od zasięgu uskoku lk. Dla podanych wartości k wyodrębniono kilka faz pracy przedstawianej ściany A: - fa za I, początkowa, odpowiada chwili wystąpienia uskoku,
Analiza wytężenia. 75 - faza 4, końcowa, odpowiada zakończeniu redystrybucji sil wewnętrznych w końcowym stanie równowagi, - fa zy pośrednie 2 i 3 (dla lk=0.30 m tylko faza 2). Fazy pośrednie wybrano tak, aby dla każdego lk możliwe było porównanie wytężenia elementów zabezpieczenia, przy możliwie zbliżonym stanie zarysowania muru. Schemat zarysowania ściany A, dla każdej z analizowanych faz jej pracy pokazano na rys. 6. konstrukcja zabezpieczenia w ięzy odkształcalne (W S)s między elementami (SES)s Pr=ar*tf*Co*Ar Rys. 3.
76 L. Fedorowicz, J. Fedorowicz, A. Cmcio Rys.4.
Analiza wytężenia. 77 Oprócz wartości sił w elementach gorsetu analizowano maksymalne odkształcenia postaciowe ściany. Uzyskane wyniki wskazują na dużą zależność sił w elementach gorsetu od stanu zarysowania ściany. Najwyraźniej jest to widoczne w wykresach przebiegu sił w pasie górnym, początkowo silnie ściskanym. Dalszy rozwój zarysowania ściany (szczególnie w części ściany
78 L Fedorowicz, J. Fedorowicz, A Cińcio nad pasem górnym) wywołuje w nim zmianę naprężeń ze ściskających na rozciągające. Oznacza to, że mocno spękana ściana przestaje brać udział w przenoszeniu obciążeń. Rys.6.
Analiza wytężema. 79 W słupkach pionowych występują siły ściskające tym większe, im słupek znajduje się bliżej uskoku. Największe wartości sił ściskających w słupkach zanotowano w 3 fazie pracy ściany w słupku nr 40 (rys. 1); są to wartości S=48 5 kn dla lk=0.3 m, S=63.9 kn dla lk= l 605 m i S=62.6 kn dla lk=1.905 m. Wartość siły w rozciąganym skrajnym krzyżulcu (nr 47 - rys. 1) rośnie równomiernie wraz z rozwojem zarysowania ściany i osiąga Smax=244.3 kn w fazie 3, co stanowi 93% jego nośności. Krzyżulce są zatem głównymi elementami wzmocnienia, pozwalającymi na bezpieczne przenoszenie obciążenia ciężarem własnym i użytkowym części budynku znajdującej się nad uskokiem. 4. Wnioski Z przeprowadzonej analizy (m in. wykresów - rys. 4 i 5) wynika, że w trakcie rozwoju, zarysowania dochodzi do dużych wahań wartości sił (łącznie ze zmianą znaków) w elementach zabezpieczenia. Często element jest na przemian ściskany i rozciągany, a wartości w końcowym stadium zarysowania są znacznie mniejsze aniżeli w trakcie zarysowywania się ściany. Oznacza to, że przyjmowanie w obliczeniach, przeprowadzanych dla wyznaczenia maksymalnego wytężenia elementów zabezpieczenia schematu statycznego ściany już zarysowanej, może prowadzić do zaniżonych wartości sił w tych elementach. W rozpatrywanym przykładzie różnice te wynoszą od 6% do 54% wartości siły końcowej. Analiza odkształceń ściany wskazuje, że o deformacji konstrukcji przewieszonej nad u- skokiem decydują duże wartości lokalnych odkształceń postaciowych ścian budynku. W danym przypadku wystąpiły one w ścianie podłużnej w obszarze znajdującym się bezpośrednio nad krawędzią uskoku. Przykładowo dla lk=1.905 m w kolejnych fazach 1,2,3,4, odkształcenia postaciowe wynosiły odpowiednio: lokalne - y] =0.0016, y f =0.0033, y f = 0.0045, y / = 0.0070, średnie - y\r = 0.00031, y)r = 0.00073, y)r = 0.00109, y]r = 0.00198. Wartości te przekraczają wartości przyjętych dopuszczalnych odkształceń dla muru [7], Analiza wytężenia elementów gorsetu budynku nad uskokiem wskazuje jednak na realną możliwość przeniesienia powstałych dodatkowych obciążeń przez wzmocnioną konstrukcję budynku.
80 L. Fedorowicz, J. Fedorowicz, A. Cińcio LITERATURA 1. FEDOROWICZ L.: Modelowanie numeryczne w analizie statycznej budynków o konstrukcji ścianowej posadowionych na podłożu górniczym. Ochrona Terenów Górniczych nr 87/1989. 2. FEDOROWICZ L., FEDOROWICZ J.: Obliczanie ścianowych układów quasi-przestrzennych metodą sztywnych elementów skończonych. Inżynieria i Budownictwo nr 7/1987. 3. FEDOROWICZ L., FEDOROWICZ J., CIŃCIO A.: Metoda analizy statycznej ścian budynków mieszkalnych na terenach górniczych o deformacjach nieciągłych. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie nr 1/1995. 4. FEDOROWICZ I, KAWULOK M.: Analiza numeryczna wybranych sposobów wzmocnienia budynków murowanych na terenach górniczych. Materiały Konferencji Navrohovanui objektu na poddolowanem uzemi. VVUPS, Ostrava 1990. 5. FEDOROWICZ I, KAWULOK M.: Model obliczeniowy wzmocnionej ściany murowej podlegającej ruchom podłoża. Prace ITB, kwartalnik, nr 3/1991. 6. KAWULOK M, SZUBERT A.: Zabezpieczenie budynków jednorodzinnych za pomocą sztywnego gorsetu stalowego. Materiały IV Konferencji Naukowo-Technicznej, Budownictwo na Terenach Górniczych, Kamień k. Rybnika, maj 1988. 7. WYTYCZNE projektowania budynków o ścianowym układzie nośnym podlegających wpływowi eksploatacji górniczej. Instrukcja 286. Wyd. ITB, Warszawa 1988. Recenzent: Prof. dr hab. inż. Stanisław Bielak Kurzfassung In der Arbeit wurde eine allgemeine Berechnungsmethode von Mauerwerkgebauden, die durch ein Stahlfachwerkkorsett befestigt sind, dargestellt. Diese Gebäude sind unter Einfluss einer unstetigen Baugrunddeformation im Bergbaugebiet. Es wurde das Verhalten eines wirklichen Gebäudes,das sind iiber einen Baugrundabbruch befindet, analisiert.