Ensuring Safe Operation of Monolithic Structures in Undermined Areas

G. N. Gusev; A. A. Baryakh; I. N. Shardakov; R. V. Tsvetkov

doi:10.17804/2410-9908.2023.2.006-018

G. N. Gusev, A. A. Baryakh, I. N. Shardakov, R. V. Tsvetkov

ENSURING SAFE OPERATION OF MONOLITHIC STRUCTURES IN UNDERMINED AREAS

DOI: 10.17804/2410-9908.2023.2.006-018

In order to ensure safe operation of buildings in undermined areas, it is necessary to take into account the influence of loads extrinsic to typical structures. The solution of the generalized boundary value problem on the evaluation of the stress-strain state (SSS) of the building–foundation–soil system with due regard for the complete geometry and physically nonlinear behavior of all the elements is inexpedient since it is complicated by the large dimensionality of the problem. This paper discusses an approach allowing the state of monolithic reinforced concrete building structures located in an undermined area to be estimated by solving boundary value problems on different scales, from modeling the whole system in an elastic formulation to modeling joints between load-bearing members (columns and floors) in a nonlinear formulation for concrete and reinforcement. In these problems, strain energy is taken as the parameter characterizing the deformation process at critical deformation stages and connecting the boundary value problems. The obtained loading diagrams for a unit and the evaluation of the SSS of the whole structure enable one to find the values of maximum permissible horizontal soil deformations in the vicinity of the foundation, at which the bearing members reach the SSS preceding the loss of bearing capacity.

Acknowledgement: The work was performed under the state assignment to the Perm Federal Research center, UB RAS, theme No. AAAA-A19-19012290100-8.

Keywords: undermined area, reinforced concrete structure, numerical model, strain energy

References:

Gusev G.N., Epin V.V., Tsvetkov R.V. The results of long-term observations of uneven settlements of buildings located on the territory of the Verkhnekamskoye potash deposit in Berezniki. Izvestiya Uralskogo Gosudarstvennogo Gornogo Universiteta, 2022, No. 3 (67), pp. 80–89. (In Russian).
Nesterova V.Yu., Barsukov I.V., Stryukov Yu.N. Evaluation of influences of underground mining on surface buildings and constructions in coal fields. Ugol, 2014, No. 10 (1063), pp. 29–34. (In Russian).
Samsonov S., Baryakh A. Estimation of deformation intensity above a flooded potash mine near Berezniki (Perm Krai, Russia) with SAR interferometry. Remote Sensing, 2020, vol. 12 (19), 3215. DOI: 10.3390/rs12193215.
Baryakh A.A., Tenison L.O., Samodelkina N.A. Assessment of horizontal deformations in undermined areas. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2021, vol. 11, pp. 5–18. (In Russian). DOI: 10.25018/0236_1493_2021_11_0_5.
Kharisova O.D. Monitoring of the spatial deformation processes of undermined structures. Problemy Nedropolzovaniya, 2018, vol. 3, pp. 81–88. (In Russian). DOI: 10.25635/2313-1586.2018.03.081.
Ukazaniya po dopustimym usloviyam podrabotki ekspluatiruyemykh zdaniy i sooruzheniy na Verkhnekamskom mestorozhdenii kaliynykh soley (s izmeneniyami ot 2008) [Instructions on the Permissible Conditions for Undermining Operated Buildings and Structures at the Verkhnekamskoye Potash Salt Deposit (as Amended in 2008)]. St. Petersburg, 2008, 45 p. (In Russian).
SP 21.13330.2012. (In Russian). https://www.gostrf.com/normativ/1/4293801/4293801657.htm
TSN 22-301-98. (In Russian). https://www.gostrf.com/normativ/1/4294850/4294850011.htm
Rukovodstvo po proektirovaniyu zdaniy i sooruzheniy na podrabatyvayemykh territoriyakh. Chast II. Promyshlennyye i grazhdanskie zdaniya [Guidelines for the Design of Buildings and Structures in Undermined Territories. Part II. Industrial and Civil Buildings]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986, 304 p. (In Russian).
Razvodovsky D.E. Admissible deformations of the existing building. Vestnik NTS “Stroitelstvo”, 2017, vol. 13, pp.106–121. (In Russian).
Kashevarova G.G., Son M.P. Method of defining the limiting permissible deformations of panel buildings, exploited at the subsided area. Bulletin of the South Ural State University. Series Construction Engineering and Architecture, 2013, vol. 13, No. 1, pp. 22–26. (In Russian).
Gusev G.N., Shardakov I.N., Baryah A.A., Glot I.O. Deformation interaction of panel residential buildings with the ground in the zone of technogenic impact. Computational Continuum Mechanics, 2023, vol. 13 (1), pp. 36–45. (In Russian). DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.1.3.
Yarkin V.V., Lobacheva N.G. Modeling of non-uniform deformations of the base of foundations in complex engineering and geological conditions. Zhilishchnoe Stroitelstvo, 2022, No. 12, pp. 15–25. (In Russian). DOI: 10.31659/0044-4472-2022-12-15-25.
Tatarkin A.V. Evaluation of the “foundation-soil base” system. Geotekhnika, 2019, vol. 11 (3), pp. 52–62. (In Russian). DOI: 10.25296/2221-5514-2019-11-3-52-62.
Kolchunov V.I., Martynenko D.V. Deformation and cracking of the platform joint of the prefabricated-monolithic RC building frame. Stroitelstvo i Rekonstruktsiya, 2020, vol. 4, pp. 38–47. (In Russian). DOI: 10.33979/2073-7416-2020-90-4-38-47.
Fan D., Iliushchenko T.A., Amelina M.A. Resistance of reinforced concrete frames of multi-storey buildings with indirect reinforcement in over-extreme limit states. Stroitelstvo i Rekonstruktsiya, 2022, vol. 3, pp. 87–97. (In Russian). DOI: 10.33979/2073-7416-2022-101-3-87-97.
Willam K.J., Warnke E.P. Constitutive model for the triaxial behavior of concrete. In: Proceedings of the International Association for Bridge and Structural Engineering, Bergamo, Italy, 1975, vol. 19, pp. 1–30.
SP 63.13330.2018. (In Russian). https://meganorm.ru/Index2/1/4293732/4293732352.htm
Stupishin L.Yu. Progressive limit state at critical levels of internal potential energy of deformation. Vestnik MGSU, 2021, vol. 16 (10), pp. 1324–1336. (In Russian). DOI: 10.22227/1997-0935.2021.10.1324-1336.
Stupishin L.Yu. Limit state of building structures and critical energy levels. Promyshlennoe i Grazhdanskoe Stroitelstvo, 2018, No. 10, pp. 102–106. (In Russian).

Г. Н. Гусев, А. А. Барях, И. Н. Шардаков, Р. В. Цветков

К ВОПРОСУ ОБ ОБЕСПЕЧЕНИИ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ МОНОЛИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Для обеспечения безопасной эксплуатации зданий в зоне подработки необходимо учитывать влияние нехарактерных для типовых сооружений нагрузок на их конструкцию, вызванных деформацией грунтов. Решение краевой задачи об оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «здание – фундамент – грунтовое основание» с учетом полной геометрии и физически нелинейного поведения всех элементов осложняется большой ее размерностью, и поэтому практически нецелесообразно. В данной работе рассмотрен подход, позволяющий оценивать состояние конструкций монолитных железобетонных зданий, находящихся в зоне подрабатываемых территорий, с помощью решения краевых задач на разных масштабах, начиная с моделирования всей системы в упругой постановке и заканчивая моделированием узла сопряжения несущих элементов (колонн и дисков перекрытий) в нелинейной постановке для бетона и арматуры. За параметр, характеризующий деформационный процесс на стадиях критического деформирования в этих задачах и обеспечивающий связь между ними, взята величина энергии деформации. На основе полученных диаграмм нагружения узла и оценки НДС конструкции в целом определяются величины максимально допустимых горизонтальных деформаций грунта в окрестности фундамента, при которых в элементах здания достигается НДС, предшествующее потере несущей способности.

Благодарность: Работа выполнена в рамках государственного задания ПФИЦ УрО РАН (номер темы АААА-А19-19012290100-8).

Ключевые слова: подработанная территория, деформация грунта, монолитные железобетонные здания, численное моделирование, энергия деформации

Библиография:

Гусев Г. Н., Епин В. В., Цветков Р. В. Результаты многолетних наблюдений неравномерных осадок зданий, находящихся на территории Верхнекамского калийного месторождения в г. Березники // Изв. УГГУ. – 2022. – № 3 (67). – С. 80–89.
Нестерова В. Ю., Барсуков И. В., Стрюков Ю. Н. Оценка влияния подземных горных работ на состояние зданий и сооружений на земной поверхности на угольных месторождениях // Уголь . – 2014. – № 10 (1063). – С. 29–34.
Samsonov S., Baryakh A. Estimation of deformation intensity above a flooded potash mine near Berezniki (Perm Krai, Russia) with SAR interferometry // Remote Sensing. – 2020. – Vol. 12 (19). – 3215. – DOI: 10.3390/rs12193215.
Барях А. А., Тенисон Л. О., Самоделкина Н. А. К определению горизонтальных деформаций подработанных территорий // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2021. – № 11.– С. 5–18. – DOI: 10.25018/0236_1493_2021_11_0_5.
Харисова О. Д. Мониторинг пространственных деформационных процессов подрабатываемых сооружений // Проблемы недропользования. – 2018. – № 3 (18). – С. 81–88. – DOI: 10.25635/2313-1586.2018.03.081.
Указания по допустимым условиям подработки эксплуатируемых зданий и сооружений на Верхнекамском месторождении калийных солей. – СПб., 2008. – 45 с.
СП 21.13330.2012. Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах. – URL: https://meganorm.ru/Data2/1/4293801/4293801657.pdf
ТСН 22-301-98. Здания на подрабатываемых территориях Верхнекамского месторождения калийных солей. Назначение строительных мер защиты. – URL: https://meganorm.ru/Index2/1/4294850/4294850011.htm
Руководство по проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. Часть II. Промышленные и гражданские здания. – Москва : Стройиздат, 1986. – 304 с.
Разводовский Д. Е. Допустимые деформации существующей застройки // Вестник НТЦ «Строительство». – 2017. – № 2 (13). – С.106–121.
Кашеварова Г. Г., Сон М. П. Методика определения предельно допустимых деформаций панельных зданий, эксплуатируемых на подработанной территории // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Строительство и архитектура». – 2013. – Т. 13, № 1. – С. 22–26.
Деформационное взаимодействие панельных жилых домов с грунтом в зоне техногенного воздействия / Г. Н. Гусев, И. Н. Шардаков, А. А. Барях, И. О. Глот // Вычислительная механика сплошных сред. – 2023. – 16 (1). – С. 36–45. – DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.1.3.
Яркин В. В., Лобачева Н. Г. Моделирование неравномерных деформаций основания фундаментов в сложных инженерно-геологических условиях // Жилищное строительство. – 2022. – № 12. – С. 15–25. – DOI: 10.31659/0044-4472-2022-12-15-25.
Татаркин А. В. Оценка системы «фундамент–грунтовое основание» // Геотехника. – 2019. – Т. 11, № 3. – С. 52–62. – DOI: 10.25296/2221-5514-2019-11-3-52-62.
Колчунов В. И., Мартыненко Д. В. Деформирование и трещинообразование конструкции платформенного стыка в сборно-монолитном каркасе здания // Строительство и реконструкция. – 2020. – № 4 (90). – С. 38–47. – DOI: 10.33979/2073-7416-2020-90-4-38-47.
Фан Д. Г., Ильющенко Т. А., Амелина М. А. Силовое сопротивление железобетонных каркасов многоэтажных зданий с косвенным армированием в запредельных состояниях // Строительство и реконструкция. – 2022. – № 3 (101). – С. 87–97. – DOI: 10.33979/2073-7416-2022-101-3-87-97.
Willam K. J., Warnke E. P. Constitutive model for the triaxial behavior of concrete // Proceedings of the International Association for Bridge and Structural Engineering, Bergamo, Italy. – 1975. – Vol. 19. – P. 1–30.
СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. – URL: https://meganorm.ru/Index2/1/4293732/4293732352.htm
Ступишин Л. Ю. Прогрессирующее предельное состояние конструкций на критических уровнях внутренней потенциальной энергии деформации // Вестник МГСУ. – 2021. – Т. 16, № 10. – С. 1324–1336. – DOI: 10.22227/1997-0935.2021.10.1324-1336.
Ступишин Л. Ю. Предельное состояние строительных конструкций и критические уровни энергии // Промышленное и гражданское строительство. – 2018. – № 10. – С. 102–106.

Библиографическая ссылка на статью

Ensuring Safe Operation of Monolithic Structures in Undermined Areas / G. N. Gusev, A. A. Baryakh, I. N. Shardakov, R. V. Tsvetkov // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2023. - Iss. 2. - P. 6-18. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2023.2.006-018. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_394.html
(accessed: 30.12.2024).