Іі.2. Цивільна будівля.

ІІ.2.1. Вихідні дані для проектування.

На основі завдання у пояснювальній записці вказують всі вихідні дані, які наведено у додатку Б (за варіантом завдання).

ІІ.2.2. Аналіз інженерно-геологічних умов будівельного майданчика.

Для оцінювання будівельних властивостей кожного шару ґрунту визначають додаткові (похідні) характеристики аналогічно до п. ІІ.1.2, крім характеристик міцності і деформативності (с, φ, Е_ол, Е_о) для лесового ґрунту (за завданням). Але додатково, для цього виду ґрунту визначають показник текучості при повному насичені водою [5, п. 8.6]:

. (2.3)

У курсовому проекті розрахункові значення характеристик для розрахунку за першою групою граничних станів приймаються при наступних значеннях коефіцієнта надійності по ґрунту:

• для питомого зчеплення - ;

• для кута внутрішнього тертя піщаних ґрунтів - ;

• для кута внутрішнього тертя пилувато-глинястих ґрунтів - .

В розрахунках основ за деформаціями розрахункові значення характеристик приймаються при коефіцієнті надійності по ґрунту .

Отримані результати заносять до таблиці (див. табл. 2.1).

Оцінювання інженерно-геологічних умов майданчика будівництва слід проводити за вказівками п. ІІ.1.2, визначаючи придатність тих чи інших шарів ґрунту до використання у якості основи для нижніх кінців паль. При цьому слід враховувати, що перший шар ґрунту (лесовий) повинен бути прорізаний палями на всю товщину, а нижні кінці паль повинні бути заглиблені в несучий шар ґрунту не менш ніж на 1 м.

ІІ.2.3. Визначення постійних та тимчасових навантажень на фундаменти.

Основні положення та правила щодо визначення навантажень і впливів, а також їхніх сполучень встановлюються ДБН В.1.2-2:2006 «Навантаження і впливи».

У курсовому проекті, при проектуванні стрічкових ростверків цивільної будівлі приймаються два види навантажень: постійні і тимчасові.

До постійних відноситься вага конструкцій (стін, покриттів, перекриттів та перегородок), а до тимчасових (змінних тривалих) – рівномірно розподілені тимчасові навантаження (корисні) та вага снігового покрову.

Розрахунок основ за деформаціями проводиться на основне сполучення розрахункових навантажень, що визначаються з урахуванням коефіцієнта надійності за навантаженням γ_f = 1. Розрахунок основ, фундаментів за несучою здатністю проводиться на основне сполучення навантажень, що визначаються за їхніми нормативними значеннями шляхом множення на коефіцієнт надійності за навантаженням. Для постійних навантажень приймають γ_f = 1,1, для тимчасових корисних – γ_f = 1,3. (для рівномірно розподілених навантажень до 2,0 кПа), для снігового навантаження – γ_f = 1,4.

У зв’язку з низькою ймовірністю прикладення і часу дії одночасно на всіх етапах повних тимчасових навантажень ДБН рекомендують зменшувати їх введенням коефіцієнтів сполучень ψ_А і ψ_n [6, п. 6.8, 6.9]. Коефіцієнт ψ_А враховує розміри вантажної площі, а коефіцієнт ψ_n – кількість поверхів над елементом, що розраховують.

При розрахунках фундаментів будівель з квартирами житлових будинків, спальними кімнатами гуртожитків, готелів, санаторіїв, будинків відпочинку палат лікарень і санаторіїв коефіцієнт ψ_А приймають:

при A>A₁=9 м² ; (2.4)

при A≤A₁=9 м²

де А – вантажна площа елемента що розраховується, м².

Коефіцієнт ψ_n для таких же будівель визначають за формулою:

, (2.5)

де n – загальне число перекриттів (поверхів), навантаження від яких враховуються при розрахунку розглядуваного фундаменту.

Параметри будівлі і конструкцій, такі як кількість поверхів, товщина перекриттів, щільність матеріалу стін і перекриттів входять до індивідуального завдання. План типового поверху багатоповерхової будівлі студенти можуть прийняти самостійно або скориставшись рис. 2.2. При цьому товщину несучих внутрішніх і зовнішніх стін слід прийняти відповідно:

при n ≤ 9 – 380 і 510 мм;

при n > 9 – 510 і 640 мм.

Висота поверху приймається h = 3 м.

Як згадувалось раніше, фундаменти будівлі розраховуються на вертикальне навантаження від власної ваги стін, покриття, перекриттів, перегородок і тимчасових навантажень. Збір навантажень виконується з вантажної площі. Вантажною площею називають площу перекриття або покрівлі, з якої передається навантаження на елемент, що розраховується (колону, зовнішню або внутрішню стіну, рис. 2.2).

П ідсумовуючі вертикальне навантаження на фундаменти, рекомендується «збирати» його для перерізів фундаментів без підвалу – до рівня підлоги першого поверху, якщо підлоги влаштовуються по ґрунту, і до рівня планувальної позначки, якщо підлоги влаштовуються по цокольному перекриттю; для перерізів з підвалом – до рівня підлоги підвалу.

У курсовому проекті, збір навантажень на стрічкові ростверки цивільної багатоповерхової будівлі ведуть до позначки низу перекриття першого поверху в такому порядку:

а) для фундаменту зовнішньої стіни (вісі) визначають:

- величину вантажної площі А₁ (площа 1 на рис. 2.2.), м²:

, (2.6)

де С – відстань між осями двох сусідніх віконних прорізів, м; П – розмір прив’язки зовнішньої стіни (у курсовому проекті приймається 200 мм), м; – товщина внутрішньої стіни, м;

• навантаження від конструкцій покриття (разом з перекриттям горища), кН:

, (2.7)

де  – товщина перекриття, м;  – питома вага конструкції перекриття, кН/м³;

• навантаження від конструкцій перекриття, кН:

, (2.8)

де  – кількість поверхів будівлі;

• навантаження від зовнішньої стіни (за винятком віконних прорізів), кН:

, (2.9)

де – товщина зовнішньої стіни, м; – відстань між осями двох сусідніх віконних прорізів, м;  – питома вага стінових конструкцій, кН/м³; – висота поверху, м;  – площа віконного прорізу, м²;

• навантаження від перегородок (100 кгс/м²), кН:

, (2.10)

• корисне навантаження [6, табл. 6.2], кН:

, (2.11)

де  – коефіцієнт сполучень навантажень, що визначається за формулою (2.5); – відстань між осями двох сусідніх віконних прорізів, м;

• снігове навантаження, кН:

, (2.12)

де  – граничне розрахункове значення снігового навантаження на горизонтальну проекцію покриття, що визначається за вказівками розділу 8 [6], кПа.

• навантаження від вище зазначених конструкцій і впливів на 1 погонний метр фундаменту діленням отриманих результатів на С (відстань між осями двох сусідніх віконних прорізів);

б) для фундаменту внутрішньої стіни (вісі) визначають:

- величину вантажної площі А₂ (площа 2 на рис. 2.2.), м²:

, (2.13)

де  – товщина внутрішньої стіни, м;

• навантаження від внутрішньої стіни, кН:

, (2.14)

де  – товщина внутрішньої стіни, м;  – питома вага стінових конструкцій, кН/м³; – висота поверху, м;  – кількість поверхів будівлі;

• снігове навантаження, кН:

(2.15)

• навантаження від конструкцій покриття й перекриття, перегородок, а також корисне навантаження визначають за формулами 2.7, 2.8, 2.10, 2.11 підставивши замість значення .

Результати збору навантажень заносять до таблиці 2.2.

ІІ.2.4. Вибір глибини закладання підошви ростверку і розмірів палі.

При виборі глибини закладання підошви ростверку слід враховувати наступні питання:

• глибина закладання підошви ростверку призначається від позначки планування;

• в житлових і цивільних будівлях при відсутності підпілля верх ростверку повинен бути на 0,1 – 0,15 м нижче позначки планування; у будівлях з підвалом, технологічними каналами або приямками глибина закладання підошви ростверку призначається з таким розрахунком, щоб позначка низу ростверку розташовувалась на 0,3…0,5 м нижче позначки підлоги підвалу, заглиблених приміщень і комунікацій що примикають, а при відсутності біля ростверків заглиблених приміщень верх ростверку призначається від рівня позначки планування;

• мінімальна висота ростверку з конструктивних вимог - h_р = 30 см;

• підошву ростверку заглиблюють нижче розрахункової глибини промерзання ґрунту;

• при закладанні ростверку в межах глибини промерзання під ним слід влаштовувати повітряний зазор величиною не менше 0,2 м.

Також, в курсовому проекті, мінімальна висота цоколю приймається не менше 1 метра, під ростверком влаштовується бетонна підготовка 100 мм завтовшки (з бетону міцністю 3,5…10 МПа), а товщина підлоги підвалу приймається в межах 50…100 мм (рис. 2.3).

Остаточні розміри ростверку призначають після визначення кількості паль на 1 погонний метр довжини ростверку. Тоді ж корегують і висоту цоколю будівлі.

Палі за характером роботи поділяються на палі-стояки і висячі палі. Тип паль вибирають в залежності від характеристик шару ґрунту, котрий знаходиться під вістрям. Палі-стояки приймають, коли під вістрям знаходяться скелясті або слабостискаємі ґрунти з Е > 50 МПа. У всіх інших ґрунтах приймають висячі палі.

При призначені довжини палі, в курсовому проекті, слід враховувати:

• закладання палі в ростверк не менш ніж на 5 см;

• заглиблення в слабостискаємий шар: у великоуламкових ґрунтах, гравелистих, крупних і середньої крупності піщаних ґрунтах, а також глинястих ґрунтах з показником текучості - не менш ніж на 0,5 м; в інших видах нескельних ґрунтів – не менш ніж на 1,0 м;

• при виборі розмірів паль, виходять з того, що раціональніше застосовувати фундамент з меншим числом довгих паль, ніж фундамент з більшим числом коротких паль.

Повна довжина палі визначається як сума

, (2.16)

де   – глибина закладання палі в ростверк ( в курсовому проекті приймається вільне з’єднання палі з ростверком – м;

 – товщини підготовки, м;  – відстань від підошви ростверку до до покрівлі несучого шару, м;  – заглиблення палі в несучій шар, м.

Згідно з номенклатурою забивних паль вибирають по табл. 1 [7] необхідну марку палі довжиною в межах 3-20 м з кроком 0,5 або 1 м, але не меншою за визначену по формулі (2.16). Рекомендується застосовувати залізобетонні палі квадратного перерізу розмірами 300×300, 350×350, 400×400 мм.

Остаточні розміри паль уточнюють після розрахунків їх несучої здатності і визначення кількості паль в ростверку (для стрічкових ростверків – на 1 погонний метр довжини ростверку).

ІІ.2.5. Розрахунок несучої здатності палі і визначення кількості паль у фундаментах.

Несуча здатність паль визначається у відповідності з вимогами п. 4.1, 4.2 СНиП 2.02.03–85 «Свайные фундаменты».

Несучу здатність палі за матеріалом визначають тільки для паль-стояків, тому що для висячих паль вона буде завжди більшою за несучу здатність по ґрунту, яку й приймають для подальших розрахунків.

Для визначення розрахункового опору ґрунту по боковій поверхні палі товщу ґрунту розбивають на однорідні шари товщиною h_i  2 м (рис. 2.4).

Загальна кількість паль на 1 п.м довжини ростверків під зовнішню і внутрішню стіни визначається виходячи з умови, що ростверк здійснює рівномірний розподіл навантаження на ряд паль

, (2.17)

де _k – коефіцієнт надійності; при визначені несучої здатності палі розрахунком, приймається _k= 1,4;

 – розрахункове навантаження, що діє на рівні обрізу фундаменту (див. табл. 2.2), кН;

 – орієнтовна вага фундаментних блоків, ростверку і ґрунту на його уступах, кН;

 – несуча здатність поодинокої палі, кН.

Вагу фундаментних блоків, визначають в залежності від їх ширини (товщини стін) по таблиці 2 [8].

К ількість паль для окремого фундаменту (під колону) округляють до цілого числа. Для стрічкового ростверку під стіну кількість паль може бути дрібною, якщо ця кількість розрахована на погонний метр довжини ростверку. Наприклад, якщо необхідне число паль визначене за формулою (2.17) – 1,25, це відповідає 125 палям на 100 м довжини ростверку; крок паль в ростверку – 100/125=0,8 м.

ІІ.2.6. Конструювання стрічкових ростверків під внутрішню і зовнішню стіни будівлі.

Знаючі кількість паль, їх розміщують в плані і конструюють ростверки під зовнішню і внутрішню стіни. При цьому в залежності від виду ростверку приймають рядне або шахове розташування паль. Палі можуть розташовуватись в один, два і більше рядів (рис. 2.5). В стрічкових ростверках палі повинні обов’язково влаштовуватись під кутами стін, їх перетинами і примиканнями.

Ширина ростверку b_р, не повинна бути менше за товщину стіни підвалу.

Відстань між осями висячих паль повинна бути в межах 3…6b_п (де – b_п діаметр круглої або розмір сторони квадратної палі).

Відстань від краю ростверку до зовнішньої сторони вертикально навантаженої палі при вільному з’єднанні паль з ростверком приймається:

• при однорядному їх розташуванні – 0,2 b_п+5 см (b_п – в см);

• при дво- і трьохрядному – 0,3 b_п+5 см;

• при білішій кількості рядів – 0,4 b_п+5 см.

У курсовому проекті не рекомендується проектувати стрічкові ростверки з більш ніж трьома рядами паль. В такому випадку слід йти по шляху збільшення довжини паль.

Якщо ж за розрахунками, при однорядному розташуванні висячих паль відстань між їх осями перевищує 6 b_п, то приймають палі меншої довжини і (або) меншого перерізу.

Закінчивши конструювання ростверку знаходять фактичну вагу фундаментних блоків стіни підвалу, ростверку і ґрунту на його уступах.

Визначають фактичне навантаження на палю по формулі (за умовами завдання, згинальний момент і поперечна сила відсутні):

, (2.18)

де   – розрахункове навантаження (на 1п.м), що діє на рівні обрізу фундаменту, кН;  – вага 1 п.м. фундаментних блоків, ростверку і ґрунту на його уступах, кН;  – кількість паль на 1 п.м стрічкового ростверку.

Розрахункове навантаження на палю , повинно задовольняти умову

, (2.19)

де   – коефіцієнт надійності; при визначені несучої здатності палі розрахунком, приймається _k = 1,4.

ІІ.2.7. Перевірка напруг під підошвою умовного фундаменту.

Розрахунок фундаменту з висячих паль і його основи за деформаціями необхідно виконувати як для умовного фундаменту на природній основі у відповідності з вимогами розділу 6 [5] та розділів 7.6 і 7.7 та додатку Е [1].

Межі умовного фундаменту (рис. 2.6) визначаються:

• зверху – поверхнею планування (площина AB);

• знизу – площиною CD, що проходить через нижні кінці паль;

• з боків – вертикальними площинами АС і ВD, що проходять паралельно зовнішнім граням крайніх рядів паль на відстані а.

, (2.20)

де   – глибина занурення палі в ґрунт, яка дорівнює відстані від підошви ростверку до нижнього кінця палі, м;  – осереднене розрахункове значення кутів внутрішнього тертя шарів ґрунту, що залягають в межах глибини .

(2.21)

де   – розрахункові значення кутів внутрішнього тертя для окремих прорізаних палями шарів ґрунту товщиною .

Наприклад, ширина підошви масиву для ростверку зображеного на рис. 2.4, в:

(2.22)

де  – визначається згідно рис. 2.6.

Д овжина масиву АBCD ( ) для стрічкового ростверку дорівнює 1 п.м., а для куща паль визначається так само, як .

Площа підошви масиву АBCD, м²:

. (2.23)

Об’єм масиву АBCD, м³:

. (2.24)

У власну вагу фундаменту при визначенні осідання входить вага паль і ростверку, а також вага ґрунту в об’ємі умовного фундаменту.

При знаходженні умовного масиву нижче рівня ґрунтових вод його вага визначається з урахуванням виважуючої дії води.

В курсовому проекті, осереднене значення питомої ваги масиву АBCD дозволяється приймати 20 кН/м³.

Тиск по підошві умовного фундаменту від розрахункових навантажень не повинен перевищувати розрахунковий опір ґрунту на відповідній глибині, кПа:

, (2.25)

де   – розрахункове навантаження на фундамент, кН;  – відповідно вага ростверку, паль і ґрунту, кН;  – площа підошви умовного масиву ґрунту, м²;

При невиконанні умови (2.25) конструкція фундаменту повинна бути перепроектована так, щоб ця умова виконувалась.

Розрахунки виконують для ростверків внутрішньої і зовнішньої стін.

ІІ.2.8. Розрахунок осідань та визначення відносної різниці осідань стрічкових ростверків.

Осідання стрічкових фундаментів на палях з одно- і дворядним розташуванням паль (при відстані між палями 3…4b_п) визначається по формулі

, (2.26)

де   – погонне навантаження на фундамент з урахуванням ваги умовного масиву ґрунту ( ), кН;  – мінімальні значення модуля деформації (кПа) і коефіцієнта Пуассона ґрунту в активній зоні, які визначають стосовно до розмірів умовного фундаменту у відповідності з вимогами ДБН В.2.1-10-2009 «Основи та фундаменти споруд»;  – коефіцієнт, який приймають по номограмі додатку 3 [5] в залежності від коефіцієнта Пуассона , приведеної ширини фундаменту і приведеної глибини активної зони ( – глибина нижньої границі активної зони, – глибина занурення паль). В курсовому проекті слід приймати .

Значення коефіцієнта Пуассона складає: для великоуламкових ґрунтів - 0,27; для пісків і супісків – 0,3; для суглинків – 0,35; для глин – 0,41.

Обов’язковою умовою розрахунку за другим граничним станом є

; (2.27)

, (2.28)

де   – осідання, яке очікується за розрахунком; – граничне осідання споруди, що приймається по додатку И [1]; для даного виду споруди -  см; – відносна різниця осідань, яка очікується за розрахунком; – граничне відносне осідання будівлі, що приймається по додатку И [1]; для даного виду споруди - ;

Якщо умови не виконуються, то необхідно скорегувати прийняту конструкцію фундаменту шляхом збільшення довжини палі, поперечного перерізу палі, кількості паль в ростверку тощо.

Приклади розрахунків осідань стрічкових ростверків наведено в розділі 7 (приклад 25) [9] та в розділі 5.3 (приклад 5.2) [10].

ІІ.2.9. Розрахунок армування ростверків.

Для монолітних ростверків використовують важкий бетон класу за міцністю при стиску не нижче С12/15. Підготовку виконують з бетону міцністю 3,5…10 МПа товщиною 100…150 мм.

Для армування ростверку рекомендується використовувати гарячекатану арматуру періодичного профілю класу А400С (А-III). У якості розподільчої арматури можна прийняти арматуру класу А240 (А-І) або низько вуглецевий дріт класів В-І, Вр-І.

Розрахунок ростверків виконують на навантаження, що виникають в період будівництва і в процесі експлуатації у відповідності з вказівками додатку 9 [9].

З початку визначають зусилля, що діють в період будівництва.

В поздовжньому напрямку ростверк працює як багато пролітна нерозрізна балка з опорами на палях. Розрахункові зусилля в ростверку – опорний і пролітний моменти, кН∙м, а також поперечна сила, кН, визначаються за формулами:

; (2.29)

; (2.30)

, (2.31)

де q_к – вага щойно укладених блоків або цегляної кладки висотою 0,5L, помножений на коефіцієнт надійності по навантаженню _f = 1,1 при умові, що 0,5L не менше висоти одного ряду блоків, кН/м; L_p=1,05L_п – розрахунковий проліт, де L_п – відстань між палями (їх гранями); L, м – відстань між палями по лінії ряду (рис. 2.7), м.

В поперечному напрямку ростверк не розраховується, якщо палі розташовані в один ряд. При їх розташуванні в два ряди, в поперечному напрямку ростверк розраховується як балка на двох опорах.

; (2.32)

, (2.33)

де b_p – відстань між осями паль в сусідніх рядах, м.

Далі визначають зусилля, що діють в період експлуатації.

Згинальні моменти М_оп і М_пр визначають по формулам (табл. 2.3) в залежності від довжини половини основи епюри навантаження (а) за різними схемами завантаження

, (2.34)

де Е_р, Е_к – модулі пружності відповідно бетону ростверку і кладки стіни над ним; І_p – момент іерції перерізу ростверку; b_к – ширина стіні, що спирається на ростверк.

Значення максимальної ординати (p_о) над віссю палі в епюрі розподілу навантаження, прийнятої у вигляді трикутника, визначається по формулі

, (2.35)

де q_o – рівномірно розподілене навантаження на рівні низу ростверку (власна вага конструкцій будівлі і ростверку, корисне навантаження).

Значення поперечної сили (Q), що діє на грані палі в ростверку, визначається по формулі (2.31).

Отриманні зусилля М_оп, М_пр і Q використовуються для розрахунку поздовжньої і поперечної арматури ростверку.

Розрахунок тіла ростверку здійснюють за першою групою граничних станів.

Робочу висоту ростверку можна визначити виходячи з умови

, (2.36)

де співвідношення ho/C приймається таким, що дорівнює мінімальному значенню 0,4; b – ширина ростверку, при розрахунку в поздовжньому напрямку і b=100 см – при розрахунку в поперечному напрямку ростверку; Q – поперечна сила в розрахунковому перерізі.

Для підбору нижньої арматури використовується значення пролітного моменту (М_пр), для підбору верхньої арматури значення опорного моменту (М_оп). Для цього спочатку визначають величини А_о, ; перевіряють виконання умови   _R; приймають ζ (табл. 20, [11]) і обчислюють А_s по формулам

, (2.37)

де b – ширина ростверку; h_o = h - а_s – робоча висота перерізу ростверку; а_s – захисний шар бетону нижньої арматури, який приймають в межах 70…80 мм, з урахуванням замурування палі в ростверк на глибину 50 мм.

Отримана площа перерізу арматури замінюється конкретними діаметрами (див. табл. 1 [12], додаток VI [13] ), які встановлюються з кроком, кратним 50 мм. Діаметри рекомендується приймати не менше 8 мм и не більше 20 мм.

Якщо палі під ростверком розташовуються в один ряд, то в поперечному напрямку арматура приймається конструктивно, в межах 0,3…0,4 основного діаметра поздовжньої арматури і ставиться з кроком 200…500 мм.

Якщо палі розташовані під ростверком у два ряди, то арматура в поперечному напрямку розраховується на сприйняття моменту М_пр, визначеного по формулі (2.32) в послідовності згідно (2.37), де b – ширина ростверку, що дорівнює 100 см.

Якщо робоча висота ростверку визначена за умовою (2.36), то поперечна (вертикальна) арматура ставиться конструктивно. Діаметр поперечної арматури приймається в межах (0,25…0,3)d, де d – найбільший діаметр верхньої або нижньої арматури, підібраної в поздовжньому напрямку ростверку. Крок поперечної арматури приймається постійним, і дорівнює 0,75 висоти ростверку, але не більше 500 мм.

Армування здійснюється плоскими каркасами (К1, див. рис. 2.7), котрі встановлюють в поздовжньому напрямку ростверку. Довжина каркасів приймається в межах 6…9 м, виходячи з довжини стержневої арматури, що постачається і технологічності виробів. Каркаси з’єднуються зварюванням за допомогою накладок.

Всі каркаси з’єднуються в поперечному напрямку ростверку арматурою, прийнятою за розрахунками або підібраною в поперечному напрямку.