Расчет железобетонных фундаментов

Классификация фундаментов и их конструирование

Вопросы для самоконтроля

ГЛАВА V. Расчет фундаментов на прочность

В современном строи­тельстве значительное число фундаментов устраивают в откры­тых котлованах, они классифицируются по следующим при­знакам:

по материалу, из которого их изготавливают, — бетонные, бутобетонные, из каменной кладки и железобетонные;

по условиям изготовления — монолитные и сборные; сборные фундаменты получили широкое распространение как наиболее экономичные;

по условиям работы — жесткие, гибкие; жесткие восприни­мают в основном сжимающие напряжения, а при работе гибких фундаментов образуются деформации изгиба; по жесткой схеме, как правило, проектируют фундаменты из ка­менной кладки, так как они плохо работают на растяжение, гиб­кие фундаменты изготавливают из железобетона;

по форме — ленточные, которые выполняют из одиночных или перекрестных лент под стены и колонны; отдель­ные, которые, как правило, устраивают под колонны и столбы каркасных зданий, иногда отдельные фундаменты при небольших нагрузках используют и под стены бескаркасных зданий в виде столбчатых фундаментов; сплошные, выполняемые под всем зданием в виде сплошных железобетон­ных плит, как правило, в монолитном варианте;

по характеру нагружения — центрально и внецентренно на­груженные.

Конструкции фундаментов. Они зависят от типа возводимых зданий и сооружений, их следует конструировать обязательно с учетом совместной работы сооружения и грунтов основания. Наибольшее распространение получили сборные фундаменты.

Под стены бескаркасных зданий применяют ленточные фундаменты, состоящие из типовых блоков-подушек, укладываемых на песчаную подготовку, на которые устанавливают типовые сте­новые фундаментные блоки. В некоторых случаях при относи­тельно небольших нагрузках устраивают прерывистые ленточные фундаменты.

Под колонны каркасных зданий устраивают отдельные сбор­ные фундаменты, представляющие собой цельные блоки, уста­навливаемые в котлованах на песчано-гравийную подготовку толщиной не менее 10 см.

Применение монолитных фундаментов в строительстве ограничивается следующими факторами: зна­чительные трудовые затраты при возведении, незначительная оборачиваемость опалубки, трудность обеспечения твердения бе­тона в зимний период, а также более длительный срок строи­тельства по сравнению с монтажом сборных фундаментов. Тем не менее, фундаменты сложного очертания, как правило, возво­дят в монолитном варианте. Использование типовых инвентар­ных и пневматических опалубок позволяет получать конструкции фундаментов любой конфигурации и обеспечивает повышение оборачиваемости опалубок, а применение способов, ускоряющих твердение бетона в зимний период, сокращает сроки строитель­ства.

В качестве материала фундаментов применяются бетон, железобетон, бут, кирпич. Основными материалами для фундаментов являются железобетон и бетон, которые применяются при устройстве всех видов фундаментов в различных инженерно-геологических условиях.

Железобетонные фундаменты выполняются из бетона марки не ниже В15 с армированием горячекатаной арматурой из стали класса А-III.

Каменная кладка фундаментов из кирпича, бута и пустотелых блоков предусматривается в конструкциях, работающих на сжатие, в основном для ленточных фундаментов и стен подвалов.

Бутобетон и бетон применяются наиболее часто при устройстве фундаментов в траншеях при их бетонировании в распор со стенками.

В строительстве применяются бутовые, бутобетонные (в бетон втапливают бутовые камни в количестве 25-30 % объема кладки) и бетонные фундаменты с уступами или наклонными гранями (рис. 20). Высота уступа hу для бетона принимается обычно не менее 30 см, для бутобетона и бутовой кладки  40 см.

Рис. 20. Отдельно стоящий столбчатый фундамент: а - с наклонными боковыми гранями; б - с уступами

Положение боковой грани фундамента определяется углом жесткости α, при котором в теле фундамента не возникают растягивающие напряжения. Угол жесткости, определяющий отношение между высотой h и шириной b уступов, или наклон боковых граней (угол α), зависит от марки бетона, бута, кирпича и изменяется от 30 до 40градусов.

Бетонные, бутобетонные и каменные фундаменты устраива­ют, как правило, в монолитном варианте и проектируют жесткими, поскольку грунты не воспринимают растягивающих напряжений.

Различают следующие основные типы фундаментов мелкого заложения (рис.21):

1. Ленточные фундаменты под стены и колонны.

2. Ленточные прерывистые фундаменты под стены.

3. Столбчатые фундаменты под стены.

Рис.21. Фундаменты мелкого заложения: а - сборный ленточный, прерывистый; б, в, г,д - поперечные сечения ленточных фундаментов под стены; е - ленточный монолитный под колонны; ж - фундамент из перекрестных лент; з, к - отдельно стоящий из сборных столбов и рандбалок; л,м - отдельно стоящий под колонны; н - коробчатый плитный; о - плоский плитный; п - многоугольный плитный; р - плитный под колонны: 1 - отмостка; 2 - гидроизоляция; 3 - сборные бетонные стеновые блоки; 4 - армированный пояс; 5 - подушка ленточного фундамента; 6 - стеновая ребристая панель; 7 - подушка под колонну (столб); 8 - колонна (столб); 9 - рандбалка сборная; 10 - колонна; 11 - железобетонная лента; 12 - железобетонная плита; 13 - бетонная подготовка

4. Отдельно стоящие фундаменты под колонны.

5. Щелевые фундаменты.

6. Фундаменты в вытрамбованных котлованах.

7. Сплошные фундаменты в виде железобетонных плит.

8. Коробчатые фундаменты.

Фундаменты в виде сплошных железобетонных плит (рис.21,н,о,п) устраиваются под всем зданием или сооружением и представляют собой плоскую, ребристую или коробчатую плиты (рис.22). В плане эти фундаменты имеют прямоугольное, круглое или кольцевое очертания.

Рис.22. Плитные фундаменты: а - со сборными стаканами; б - с монолитными стаканами; в - ребристая плита; г - плита коробчатого сечения: 1 - верхняя рабочая сетка; 2 - нижняя рабочая сетка;3 - вертикальная арматура

В отличие от рассмотренных ранее, сплошные фундаменты обладают способностью изгибаться под действием внешних нагрузок. Поэтому сплошные фундаменты армируются как в нижней, так и в верхней зонах сечения (рис. 22). Армирование выполняется плоскими сварными сетками или отдельными стержнями, которые укладываются на поддерживающие каркасы. Данный тип фундаментов имеет наибольшее преимущество при слабых грунтах, так как эти фундаменты нечувствительны к неравномерным осадкам.

Ленточные и отдельные железобетонные фундаменты под колонны и столбы зданий следует рассчитывать, как гибкие кон­струкции на упругом основании. При этом допускают, что давле­ние по подошве фундамента распределяется по линейному зако­ну, хотя такое предположение не совсем точно соответствует работе гибких фундаментов, однако для ленточных и отдельных фундаментов оно не вносит существенных погрешностей, позво­ляя использовать простые расчетные зависимости.

Допущение о линейном распределении давления по подошве фундамента позволяет определять его основные размеры по ме­тодике, изложенной в предыдущем параграфе.

После подбора размеров подошвы фундамента по II группе предельных состояний приступают к расчету самого фундамента по I и II группам предельных состояний. Цель расчета состоит в назначении требуемого количества арматуры и выполнении усло­вий прочности и трещиностойкости в расчетных сечениях для выбранного класса бетона. В основу расчета положена предпо­сылка о том, что внешние части (выносы) фундаментов работают под действием давления грунта, как консоли, заделанные в мас­сив фундамента. Расчетными считаются сечения 1-1 по грани стены или колонны 2-2 — по грани верхней ступени.

В соответствии с положением СНиП [9] расчет фундаментов на прочность выполняется по расчетным усилиям с коэффициентом надежности по загрузке γ_f > 1. При этом предусматривается проведение расчета на прочность от действия поперечной силы и определения сечения арматуры.

Расчет начинают с определения напряжений под подошвой фундамента от расчетных нагрузок:

Р_ср^р = (N^р + G_гр^р + G_ф^р ) / А_ф, (29)

где N^р – расчетная нагрузка на уровне спланированной отметки земли;

G_гр^р и G_ф^р – расчетные нагрузки от веса соответственно грунта на обрезах фундамента и самого фундамента.

В основу расчета фундамента положена предпосылка, что внешние части фундамента под действием реактивного давления грунта работают подобно консолям, заделанным в массиве фундамента, и их рассчитывают по этой схеме в сечениях: I-I – по грани колонны (в случае ленточного фундамента по грани стены); II-II – по грани верхней ступени (рис. 23).

Поперечная сила в сечениях I-I и II-II определяется по формулам:

Q_I = Р_ср^р ·b·(l - l _к )/ 2; (30)

Q_II = Р_ср^р ·b·(l – l ₁ )/ 2; (31)

Рис. 23. Схема к расчету конструкции центрально нагруженного фундамента

а — вид сбоку; б — план; 1— пирамида продавливания; 2 — основание пира­миды продавливания

Расчет на действие поперечной силы не производят, если выполняются условия:

Q_I ≤ φ_b3 ·R_bt ·b·h_o; (32)

Q_II ≤ φ_b3 ·R_bt ·b·h_o¹, (33)

где φ_b3 – коэффициент, принимаемый для тяжелого и ячеистого бетонов, равным 0,6;

R_bt – расчетное сопротивление бетона растяжению;

h_o = h – а – рабочая высота фундамента; а – высота защитного слоя бетона.

Если условия (32, 33) не выполняются, необходимо установить поперечную арматуру, либо увеличить высоту уступов, либо по­высить класс бетона. В практике проектирования обычно при­бегают к двум последним способам.

Кроме условий (32, 33), должно выполняться условие, обеспечивающее прочность по наклонному сечению нижней ступени фундамента из условия восприятия поперечной силы Q бетоном:

Q = Р_ср^р ·[0,5 (l - l _к ) - с]·b≤ 1,5 ·R_bt ·b·h_o² / с, (34)

где правую часть неравенства принимают равной не менее 0,6·R_bt ·b·h_o и не более 2,5·R_bt ·b·h_o; с = 0,5·(l - l _к - 2h_o) – длина проекции рассматриваемого наклонного сечения (рис. 23 а).

Расчет на продавливание выполняют по условию:

F ≤ φ_b· R_bt ·u_m·h_o, (35)

где F – расчетная продавливающая сила;

φ_b – коэффициент, принимаемый равным 1 для тяжелых бетонов;

R_bt – расчетное сопротивление бетона растяжению;

u_m– среднее арифметическое между периметрами верхнего и нижнего оснований пирамиды продавливания в пределах полезной высоты фундамента h_o.

Для фундаментов с квадратной подошвой:

u_m = 2 (b_к + l _к + 2h_o); (36)

F =N – Р_ср^р ·А, (37)

Где А = (l _к + 2h_o) (b_к + 2h_o) – площадь пирамиды продавливания;

Для фундаментов с прямоугольной подошвой:

u_m = 0,5 (b_к + b_н); (38)

F = Р_ср^р ·А, (39)

где А = 0,5·b·(l - l _к - 2h_o) – площадь заштрихованной части подошвы (рис. 23 б).

Армирование фундамента осуществляют по резуль­татам расчета нормальных сечений на действие изгиба­ющих моментов в сечениях I-I и II-II определяемых по следующим формулам:

М_I = 0,125 Р_ср^р · (l - l _к )² ·b; (40)

М_II = 0,125 Р_ср^р · (l – l ₁ )² ·b. (41)

Сечение рабочей арматуры на всю ширину фундамента вычисляют по формулам:

А_s1 = М_I / 0,9 h_o·R_s; (42)

А_sII = М_II / 0,9 h_o^'·R_s, (43)

где R_s – расчетное сопротивление арматуры растяжению.

Процент армирования в расчетном сечении фундамента должен быть не ниже минимально допустимого процента армирования в изгибаемых элементах:

μ = (А_s /bh)·100% ≥ 0,5 %. (44)

Шаг рабочей арматуры принимают равным 100— 200 мм. Нерабочие (конструктивные) стержни попереч­ной арматуры берут сечением не менее 10 % сечения ра­бочей арматуры и устанавливают их с шагом 250— 300 мм, но не более 350 мм. Высоту защитного слоя бе­тона устанавливают: для монолитных фундаментов не менее 35 мм при наличии песчано-гравийной подготовки и не менее 70 мм без нее; для сборных фундаментов — не менее 30 мм.

При расчете ленточного фундамента необходимо в формулах (29 — 35) и (39) принять b = b₁ = b_н = 1 м.

Дата добавления: 2014-11-29