Конструктивные врубки:

а - врубка в полдерева; б - косой прируб; в - соединения в четверть; г - соединения в шпунт; - соединяемые элементы; 2 - стяжные болты

Соединение в четверть представляет собой сплачивание досок кромками по ширине, для чего в них вырезаются односторонние пазы глубиной, несколько большей половины толщины, в которые входят образовавшиеся выступы кромок соседних досок. Обшивки стен из досок, соединенных в четверть, препятствуют продуванию стен и проникновению атмосферных осадков. Сосредоточенные нагрузки в таких обшивках распределяются на две соседние доски.

Соединение в шпунт представляет собой сплачивания досок или брусьев кромками, в одной из которых вырезаны двусторонние пазы, в другой - один средний паз (шпунт), равный примерно 1/3 толщины, в который входит образовавшийся выступ (гребень) соседней доски. Настилы из досок, соединены в шпунт, препятствуют просыпанию засыпок, и сосредоточенные нагрузки на них распределяются на ряд соседних досок.

Врубка в полдерева представляет собой соединение концов брусьев или бревен с врезками до половины толщины под углом в одной плоскости, стянутых конструктивным болтом. Так соединяются, например, концы стропильных ног в коньке крыш.

Косой прируб представляет собой продольное сращивание брусьев или бревен концами, в которых сделаны односторонние наклонные врезки длиной, равной удвоенной высоте сечения, с торцами, равными 0,15 высоты сечения. Косые прирубы стягиваются конструктивными болтами и применяются для соединения прогонов и балок по длине.

С оединения с изгибаемыми болтами (рис. 6.5) относятся к классу нагельных, в которых связи, в данном случае болты, работают главным образом на изгиб. Эти соединения широко применяются в стыках и узлах деревянных конструкций, препятствуя взаимным сдвигам соединяемых элементов.

Рис. 6.5. Изгибаемые болты:

a - схемы расстановки; б - расчетные схемы; в - схема работы; 1 - прямая расстановка; 2 - шахматная; 3 - в стальных накладках; 4 - в соединениях под углом; 5 - симметричная двухсрезная схема; 6 - несимметричная односрезная; 7 двухсрезная - со стальными накладками; 8 - условные эпюры напряжений смятия

Расстановку болтов в соединении производят по правилам, исключающим опасность преждевременного разрушения древесины элементов от скалывания и растяжения поперек волокон. Расстояние между осями болтов вдоль волокон и до торцов элементов должно быть не меньше 7d, а поперек волокон между осями — 3,5 d и до кромок — 3 d.

Гвоздевые соединения. Гвозди изготовляют из холод­нотянутой проволоки в соответствии с ГОСТ 4028—63. Острие гвоздя имеет четырехгранную форму и длину, равную полутора диаметрам. Круглая шляпка имеет диаметр, равный двум диаметрам гвоздя. Наибольшее применение в, деревянных конструкциях находят гвозди диаметром 3, 4, 5 и 6 мм г и длиной соответственно 80, 100, 150 и 200 мм. Гвозди забивают в цельную древесину ударами ручного или пневматического молотка. Гвоздевые соединения являются простыми и общедоступными, но трудоемкими и применяются главным образом при построечном изготовлении дощатых деревянных конструкций.

Гвоздь при забивке частично разрывает, а частично раздвигает волокна древесины, образуя в ней отверстие с уплотненными стенками. Благодаря этому он прочно зажимается в древесине и хорошо сопротивляется выдергиванию, однако по этой же причине в ней возникают дополнительные усилия растяжения поперек волокон. Кроме того, малая изгибная жесткость гвоздей приводит к по­вышенной ползучести гвоздевых соединений. Расхождению соединений препятствуют стяжные болты.

Правила расстановки гвоздей в соединениях исключают опасность преждевременного скалывания и раскалывания соединяемых элементов, которая повышается по мере уменьшения их толщины.

Поэтому диаметр гвоздей должен быть не более ¹/₄ толщины эле­ментов.

Расстояния между гвоздями диаметром d вдоль волокон соединяемых элементов должны быть не менее: от торцов—15d, между осями в элементах толщиной, равной и большей 10d,— 15d, между осями в элементах толщиной, равной 4d, — 25d, а в элементах промежуточной толщины принимают по интерполяции.

Расстояния между гвоздями поперек волокон и до кромок элементов должны быть при прямой расстановке не менее 4d, а при расстановках шахматной и косыми рядами — не менее 3d.

Нагели за исключение гвоздей диаметром до 6 мм ставятся в заранее просверленные отверстия диаметром на 0,2 – 0,5 мм меньше диаметра нагеля.

Соединения с винтами. Винты представляют собой стандартизованные стальные изделия и состоят из головки, ненарезанной и нарезанной частей. Их диаметр d измеряют по ненарезанной части. Винты диаметром меньше 12 мм называют шурупами. Они имеют сферические или плоские головки с прорезями для завертывания их отверткой. Винты диаметром 12 мм и более называют глухарями, которые имеют шестигранные или квадратные головки для завертывания их ключом.

Винты применяют для крепления стальных накладок и деталей к деревянным элементам в узлах конструкций. Они завертываются через отверстия в накладках в отверстия, просверленные в древесине. Диаметр отверстий в древесине должен быть равным 0,8d ненарезанной части винта, для того чтобы нарезка полностью врезалась в древесину.

Винты расставляют в соединениях на больших расстояниях, чем болты. Вдоль волокон между их осями должно быть не менее 10d,а поперек — 5d, поскольку уменьшенный диаметр отверстия вызывает дополнительные напряжения растяжения поперек волокон

Соединения с хомутами относятся к классу соединений с растянутыми связями. Они охватывают поверхности соединяемых элементов и применяются главным образом при построечном изготовлении деревянных конструкций. Хомуты бывают проволочными, полосовыми со стяжными болтами и болтовыми с подкладками из листовой или профильной стали. По форме хомуты бывают круговыми в бревенчатых конструкциях и прямоугольными в конструкциях из пило­материалов. Хомуты работают и рассчитываются на растяжение, а древесина — на местное смятие.

Соединения со скобами относятся к классу конструктивных соединений. Скобы изготовляют из арматурной стали класса A-I диаметром 10—16 мм и имеют П-образную форму с заостренными и зазубренными концами. Они забиваются в цельную древесину и обеспечивают проектное положение соединяемых элементов при построечном изготовлении деревянных конструкций из бревен и брусьев.

Соединения с когтевыми шайбами относятся к классу соединений на шайбах шпоночного типа. Они представляют собой стальные пластинки, в которых методом штамповки образованы многочисленные односторонние острия — когти. Шайбы забиваются или впрессовываются с двух сторон в древесину соединяемых элементов. Известны два основных типа когтевых шайб — Леннова и «ГЭНГ-НЕЙЛ». Шайбы Леннова имеют круглую форму и центральное отверстие для болта. При сборке конструкций элементы соединяются стальными накладками, прикрепляемыми к гайкам болтами. Шайбы «ГЭНГ-НЕИЛ» имеют прямо­угольную форму, впрессовываются одновременно в соединяемые элементы при сборке и не требуют стальных накладок и болтов. Острия шайб работают на изгиб, а окружающая древесина — на смятие. Несущую способность шайб определяют экспериментально.

Клеевые соединения применяют для склеивания досок из хвойной древесины толщиной не более 50 мм и влажностью не выше 12%. При нарушении этих ограничений клеевые соединения могут разрушиться от усилий, возникающих в результате коробления досок при высыхании. Для клеевых соединений применяют конструктивные синтетические клеи на основе термореактивных смол. В настоящее время в отечественной практике для склеивания древесины и фан­еры наибольшее применение находят фенолоформальдегид­ный клей КБ-3 и резорциновый клей РФ-12, а для склеивания древесины с металлом — эпоксидный клей ЭПЦ-1.

Стыки досок выполняют как правило зубчатым шипом (а) или соединением на «ус» (б).

Литература: В.И. Сетков «Строительные конструкции», М.,

ИНФРА-М,2009, с. 310 – 324

Лекция 16

Фермы. Область применения. Классификация. Конструкции ферм.

Фермой называют решетчатую конструкцию из стержней, соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию.   

Если нагрузка приложена в узлах, а оси элементов фермы пересекаются в одной точке (центре узла), то жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. Тогда все стержни фермы испытывают только осевые усилия (растяжение или сжатие). Благодаря этому металл в фермах используется более рационально, чем в балках, и они экономичнее балок по расходу материала, но более трудоемки в изготовлении, поскольку имеют большое число деталей. С увеличением перекрываемых пролетов и уменьшением нагрузки эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками растет.

По материалу различают фермы стальные, деревянные, ж/бетонные

Стальные фермы получили широкое распространение во многих областях строительства: в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортерных галереях, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т.д.

Фермы бывают плоскими и пространственными.

Плоские фермы  могут воспринимать нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами. Пространственные фермы  образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом направлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую ферму. Примером пространственного бруса может служить башня или мачта

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек.

Расстояние между узлами пояса называют панелью (d), расстояние между опорами - пролетом (L), расстояние между осями (или наружными гранями) поясов - высотой фермы (h_ф).

Соединения элементов в узлах осуществляют путем непосредственного примыкания одних элементов к другим или с помощью узловых фасонок. Для того чтобы стержни ферм работали в основном на осевые усилия, а влиянием моментов можно было пренебречь, элементы ферм следует центрировать по осям.

В зависимости от назначения, архитектурных требований и схемы приложения нагрузок фермы могут иметь самую разнообразную конструктивную форму. Их можно классифицировать по следующим признакам: статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах, величине усилия в элементах.

По статической схеме фермы бывают: балочные (разрезные, неразрезные, консольные), арочные, рамные и вантовые.

В покрытиях зданий, мостах, транспортерных галереях и других подобных сооружениях наибольшее применение нашли балочные разрезные системы. Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройства сложных опорных узлов.

При числе перекрываемых пролетов два и более применяют неразрезные фермы. Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Но как во всяких внешне статически неопределимых системах, в неразрезных фермах усложняется монтаж таких конструкций. Консольные фермы  используют для навесов, башен, опор воздушных линий электропередач. Рамные системы  экономичны по расходу стали, имеют меньшие габариты, однако более сложны при монтаже. Их применение рационально для большепролетных зданий. Применение арочных систем, хотя и дает экономию стали, приводит к увеличению объема помещения и поверхности ограждающих конструкций. Их применение диктуется в основном архитектурными требованиями. В вантовых фермах  все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов, например стальных тросов. Растяжение всех элементов таких ферм достигается выбором очертания поясов и решетки, а также созданием предварительного напряжения. Работа только на растяжение позволяет полностью использовать высокие прочностные свойства стали, поскольку снимаются вопросы устойчивости. Вантовые фермы рациональны для большепролетных перекрытий и в мостах.

В зависимости от очертания поясов фермы подразделяют на треугольные (а,б), арочные (д), полигональные (е), трапецеидальные (в), с параллельными поясами (г).

Очертание поясов ферм в значительной степени определяет их экономичность. Теоретически наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой это будет сегментная (арочная) ферма с параболическим поясом (д). Однако криволинейное очертание пояса повышает трудоемкость изготовления, поэтому такие фермы в настоящее время практически не применяют.

Более приемлемым является полигональное очертание  с переломом пояса в каждом узле (е). Оно достаточно близко соответствует параболическому очертанию эпюры моментов, не требует изготовления криволинейных элементов. Такие фермы иногда применяют для перекрытия больших пролетов и в мостах, т.е. в конструкциях, поставляемых на строительную площадку "россыпью" (из отдельных элементов). Для ферм покрытий обычных зданий, поставляемых на монтаж, как правило, в виде укрупненных отправочных элементов из-за усложнения изготовления эти фермы в настоящее время не применяют. Вы их можете встретить только в старых сооружениях, построенных до 50-х годов.

Фермы трапецеидального очертания (в) , хотя и не совсем соответствуют эпюре моментов, имеют конструктивные преимущества, прежде всего за счет упрощения узлов. Кроме того, применение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость каркаса.

Фермы с параллельными поясами  по своему очертанию далеки от эпюры моментов и по расходу стали не экономичны. Однако равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность их унификации способствует индустриализации их изготовления. Благодаря этим преимуществам фермы с параллельными поясами стали основными для покрытия зданий.

Фермы треугольного очертания  рациональны для консольных систем, а также для балочных систем при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы).

Системы решетки

Выбор типа решетки зависит от схемы приложения нагрузок, очертания поясов и конструктивных требований. Так, во избежание изгиба пояса места приложения сосредоточенных нагрузок следует подкреплять элементами решетки. Для обеспечения компактности узлов угол между раскосами и поясом желательно иметь в пределах 30...50°.

Для снижения трудоемкости изготовления ферма должна быть по возможности простой с наименьшим числом элементов и дополнительных деталей.

Треугольная система решетки  имеет наименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов. Различают фермы с восходящими и нисходящими опорными раскосами. Если опорный раскос идет от нижнего опорного узла фермы к верхнему поясу, то его называют восходящим. При направлении раскоса от опорного узла верхнего пояса к нижнему - нисходящим. В местах приложения сосредоточенных нагрузок (например, в местах опирания прогонов кровли) можно установить дополнительные стойки или подвески. Эти стойки служат также для уменьшения расчетной длины пояса. Стойки и подвески работают только на местную нагрузку.

Недостатком треугольной решетки является наличие длинных сжатых раскосов, что требует дополнительного расхода стали для обеспечения их устойчивости.

В раскосной системе решетки  все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки - другого. Так, в фермах с параллельными поясами при восходящем раскосе  стойки растянуты, а раскосы сжаты; при нисходящем  - наоборот. Очевидно, при проектировании ферм следует стремиться, чтобы наиболее длинные элементы были растянуты, а сжатие воспринималось короткими элементами. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка по сравнению с треугольной, так как общая длина элементов решетки больше и в ней больше узлов. Применение раскосной решетки целесообразно при малой высоте ферм и больших узловых нагрузках.

Шпренгельную решетку  применяют при внеузловом приложении сосредоточенных нагрузок к верхнему поясу, а также при необходимости уменьшения расчетной длины пояса. Она более трудоемка, но в результате исключения работы пояса на изгиб и уменьшения его расчетной длины может обеспечить снижение расхода стали.

Если нагрузка на ферму может действовать как в одном, так и в другом направлении (например, ветровая нагрузка), то целесообразно применение крестовой решетки.

Ромбическая и полураскосная решетки  благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; эти системы применяют в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней. Они рациональны при большой высоте ферм и работе конструкций на значительные поперечные силы.

Возможна в одной ферме комбинация различных типов решетки.

По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяют на сварные и болтовые. В конструкциях, изготовленных до 50-х годов, применялись также клепаные соединения. Основными типами ферм являются сварные. Болтовые соединения, как правило, на высокопрочных болтах применяют в монтажных узлах.

Железобетонные фермы и некоторые тяжелые стальные фермы могут выполняться без раскосов с жесткими узлами.

Высоту ферм принимают h= (1/5 – 1/4)L, высоту ферм с параллельными поясами и трапецеидальных ферм - h= (1/6 – 1/8)L. Наклон раскосов составляет 35⁰ – 45⁰.

Стальные фермы.

В зависимости от пролета и величины действующей нагрузки условно различают легкие фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N<500кН и пролетом до 50 метров) и тяжелые фермы с элементами составного сечения (N >500кН), способные перекрывать пролеты до 100 метров. Легкие стальные фермы разработаны для пролетов 18, 24, 30, 36 метров с унифицированным размером панелей 3 м, высотой 2,25м, 2,4м, 3,15 метра (с учетом габаритов грузов, перевозимых ж/д транспортом).

Пространственную жесткость обеспечивают постановкой горизонтальных и вертикальных связей. Также в обеспечении жесткости участвуют прогоны и плиты перекрытия.

Деревянные и металлодеревянные фермы.

Деревянные фермы применяются в покрытиях зданий пролетом от 9 до 36 метров. Высота принимается (1/4 – 1/6) длины пролета.

Для скатных крыш часто выполняют фермы треугольного очертания с раскосной или треугольной решеткой. В фермах из цельной древесины пояса и раскосы выполняют из бруса или досок.

Железобетонные фермы применяются в пролетах 18, 24, 30 метров. Такие фермы тяжелые, трудоемкие в изготовлении, дороже металлических и деревянных. Для таких ферм часто принимают арочное или сегментное очертание.

Высота ж/б ферм принимается (1/7 – 1/9) пролета. Ширина сечения поясов и решетки принимается 200-250 мм при шаге ферм 6 м, 300-350 мм – при шаге ферм 12 м. Для изготовления используется бетон классов В30 –В50. Нижний пояс выполняется предварительно напряженным.

Литература: В.И. Сетков «Строительные конструкции», М.,

ИНФРА-М,2009, с. 328 - 337

Лекция 17

Конструирование узлов и стержней стальных ферм

Независимо от материалов, из которых выполнена ферма, оси стержней в узлах должны сходиться в одной точке. В случае если оси не сходятся в одной точке, в узле возникают изгибающие моменты, которые резко ухудшают работу узла.

Конструируя стержни стальных ферм, учитывают следующие особенности:

1. Уголки верхнего пояса должны быть обращены обушками вверх, а нижнего пояса – вниз;

2. Центр тяжести сечения стержня должен совпадать с осевыми линиями фермы;

3. Края стержней решетки не доводятся друг до друга и до поясов фермы на 50 мм для уменьшения сварочных напряжений в фасонках;

4. Для сечений стержней принимают прокатные уголки размером не менее 50 х 50 х 5 независимо от расчета;

5. Для обеспечения совместной работы уолков устанавливают стальные соединительные прокладки ( сухарики) на расстоянии: не более 40i_у для сжатых стержней и 80i_у – для растянутых стержней;

6. Размеры фасонок определяются из учета размещения на них сварных швов, прикрепляющих стержни фермы. Толщина фасонок принимается одинаковой на всей ферме и определяется по наибольшему усилию в стержнях ( при усилиях до 200 кн - t_ф = 8 мм; 200-500 кн - t_ф = 10 мм; 500 – 750 кн - t_ф = 12 мм );

7. Уголки привариваются к фасонке, как правило, фланговыми швами;

8. Наименьшая высота катета шва k_f принимается по таблице 38 СНиП

Наибольшая – 1,2 t , где t – наименьшая толщина соединяемых элементов;

9. Длина шва вдоль обушка должна быть больше, чем по перу уголка.

Литература: В.И. Сетков «Строительные конструкции», М.,

ИНФРА-М,2009, с. 339 - 343

Лекция 18 Рамы и арки.

Здания производственного и гражданского назначения часто проектируются таким образом, что колонны и ригели, шарнирно или жестко соединяясь между собой, работают совместно, образуя рамную конструкцию.

Такая совместная работа значительно снижает изгибающие моменты в ригеле и повышает поперечную жесткость и устойчивость сооружения.

Рамы могут иметь различные очертания, могут выполняться одно- и многопролетными, различной этажности. Расчет рам состоит из статического (определение М, Q, N в ригеле и стойке ) и конструктивного ( подбор сечений ригеля и стойки) расчетов.

Рамы выполняются из стали, дерева или железобетона. Выбор материала зависит от технологичности изготовления и монтажа, а также способа транспортирования.

Система плоских рам, объединенная в пространственную конструкцию называется каркасом.

Стальные рамы применяют в качестве каркасов с большими пролетами (самолетные ангары, выставочные павильоны) или

каркасов для цехов с большими крановыми нагрузками, в высотных зданиях.

Деревянные рамы выполняются главным образом из клееной древесины для перекрытия складов, гаражей, с/х построек пролетами 12-30 метров (до 60 метров) с шагом от 3 до 6 метров. Достойнства: легкость и простота монтажа.

Железобетонные рамы выполняются монолитными и сборными. Более распространенными являются сборные рамы, являющиеся частью каркаса здания.

Каркас одноэтажного промышленного здания разбивается на поперечные и продольные рамы. Поперечная рама является основным элементом каркаса, она состоит из ригелей (2), шарнирно или жестко соединенных с колоннами (1), которые обычно жестко защемлены в фундаменте (5), плит покрытия(3).

Продольная рама в отличие от поперечной включает один ряд колонн, и продольные конструкции: вертикальные связи (4), подкрановые балки, конструкции покрытия. Система связей обеспечивает геометрическую неизменяемость каркаса во время эксплуатации и несущую способность в продольном направлении.

Арки.

Представляют собой конструкции криволинейного (дугообразного) очертания.

Особенностью работы арки является возникновение распора, т.е. горизонтального давления на опоры даже при действии только вертикальных нагрузок. Парки могут перекрывать большие пролеты и более экономичны по сравнению с балками.

По статической схеме работы различают бесшарнирные (а), двухшарнирные (б), трехшарнирные (в) арки и арки с затяжкой (г).

Бесшарнирные арки самые легкие, но всякое смещение опор вызывает значительные дополнительные усилия. Трехшарнирные арки являются статически определимыми, менее чувствительными к вертикальным осадкам. Если передача распора на фундаменты нежелательна, то в арках устраивают затяжки, как на уровне пола, так и на некоторой высоте. Арки с затяжками дополненные подвесками используются в качестве стропильных конструкций.

Металлические арки могут перекрывать пролеты до 150 метров (наиболее целесообразны при пролетах 60-80 метров). Железобетонные арки перекрывают пролеты до 100 метров ( оправдано применение при пролетах более 36 метров).

Деревянные арки выполняются пролетами до 60 метров. Возможно выполнение арок из камня и кирпича обычно небольших пролетов (дверные и оконные проемы).

Понятие о расчете арок

Расчет заключается в определении внутренних усилий и подбора размеров сечения. Наиболее простым является расчет трехшарнирной арки

Первоначально в таких арках определяется величина распора Н, который при равномерно распределенной нагрузке q по всей длине арки равен:

где f – стрела подъема.

После определения распора находят внутренние усилия в любом сечении – «к» арки:

М_к^о и Q_к^о – балочные изгибающие моменты и поперечные силы, определяемы для балки, которая имеет такой же пролет и нагрузки как и рассчитываемая арка;

у_к – ордината рассматриваемой точки ( сечения арки);

α – угол наклона между касательной к оси арки в рассматриваемой точке и горизонталью.

Если определить усилия в сечениях арки, проведенных через 1 – 2 метра, то можно построить эпюры М_к , Q_к , N_к , которые дают более точное представление об изменении усилий в арке по её длине.

Кривая давления в арке от постоянной равномерно распределенной нагрузки – парабола, поэтому чаще форму арки принимают параболической. Уравнение квадратной параболы имеет вид:

Однако, для удобства изготовления аркам могут придавать очертания дуги окружности, эллипса.

Общий порядок расчета

• Задаются материалом, очертанием, генеральными размерами и размерами сечения пояса арки

Высота сечения арки h = (1/30 – 1/50) l – в деревянных и ж/б арках

h = (1/30 – 1/80) l – в стальных арках;

• Определяют усилия в сечениях арки при различных загружениях;

• Проверяют прочность принятого сечения пояса арки на действие самого неблагоприятного сочетания нагрузок;

• В случае наличия затяжки определяют её сечение;

• Конструируют узлы арки

а) металлические арки; б) деревянные арки; в) ж/б арки

Литература: В.И. Сетков «Строительные конструкции», М.,

ИНФРА-М., 2009, с. 348 - 358

Лекция 19 Основания и фундаменты.

Характеристики грунта

Прочность и устойчивость любого сооружения прежде всего зависят от надежности основания и фундамента.

Все здания и сооружения опираются на поверхностные слои земли (глины, пески, скальные породы и др.), именуемые в строительной практике грунтами. Грунты по характеру структурных связей делятся на: скальные, дисперсные, мерзлые, техногенные.

Скальные грунты – грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными). Они могут состоять из изверженных, осадочных горных пород. Наиболее распространенные: граниты, известняки, песчаники.

Дисперсные грунты – состоят из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабо связанных друг с другом. Эти грунты образуются в результате выветривания скальных грунтов и их отложения. Дисперсные грунты делятся на 2 группы: связные (глины, илы, сапропели, торфы) и несвязанные (пески, крупнообломочные грунты). В крупнообломочных грунтах встречаются неокатанные (щебень и дресва) и окатанные частицы (галька и гравий). Щебень представляет собой обломки пород размерами от 10 до 100 мм, дресва – мелкие остроребристые обломки пород размерами 2 – 10 мм , (окатанные обломки таких размеров называют гравием).

Основанием называют часть массива грунтов, непосредственно воспринимающую нагрузку и вследствие этого подверженную деформациям под ее воздействием. Основание из грунтов природного сложения называют естественным.

Основание из предварительно уплотненных или укрепленных тем или иным способом грунтов называют искусственным. Если основание состоит из одного слоя грунта, его называют однородным, если из нескольких слоев — неоднородным. Слой (пласт) грунта, на который опирается фундамент, называют несущим слоем, а нижележащие слои — подстилающими.

Проектирование оснований зданий и сооружений зависит от большого количества факторов, основными из которых являются: геологическое и гидрогеологическое строение грунта; климатические условия района строительства; конструкция сооружаемого здания и фундамента; характер нагрузок, действующих на грунт основания, и т.д.

Естественными основаниями называют грунты, которые в условиях природного залегания обладают достаточной несущей способностью, чтобы выдержать нагрузку от возводимого здания или сооружения. Естественные основания не требуют дополнительных инженерных мероприятий по упрочнению грунта; их устройство заключается в разработке котлована на расчетную глубину заложения фундамента здания или сооружения. К грунтам, пригодным для устройства естественных оснований, относятся скальные и нескальные.

К нескальным грунтам относятся крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты. Крупнообломочные грунты (щебень, гравий, галька) уступают по прочности скальным грунтам. Если крупнообломочные грунты не подвержены воздействию грунтовых вод, они также являются надежным основанием.

Песчаные грунты представляют собой частицы горных пород крупностью 0,1 ... 2 мм. Пески крупностью 0,25 ... 2 мм обладают значительной водонепроницаемостью и поэтому при замерзании не вспучиваются. Прочность и надежность песчаных оснований зависят от плотности и мощности залегающего слоя песка: чем больше мощность залегания и равномерней плотность слоя песка, тем прочнее основание. При регулярном воздействии воды прочность песчаного основания резко снижается.

Глинистые грунты представляют собой тонкодисперсные частицы чешуйчатой формы размером менее 0,005 мм. Сухое глинистое основание может выдерживать большие нагрузки от массы зданий и сооружений. С увеличением влажности глины резко падает ее несущая способность. Влияние положительных и отрицательных температур вызывает во влажной глине усадку при высыхании и вспучивание при замерзании воды в порах глинистого грунта. Разновидностью глинистых грунтов являются супеси, суглинки и лёссы.

Супесчаные грунты представляют собой смесь песка и глинистых частиц в количестве 3 ... 10 %. Суглинистые грунты состоят из песка и содержат 10 ... 30 % глинистых частиц. Эти виды грунтов могут использоваться в качестве естественных оснований (если они не подвержены увлажнению). По своей прочности и несущей способности они уступают песчаным и сухим глинистым грунтам. Отдельные виды супесей, подверженных регулярному воздействию грунтовых, становятся подвижными. Поэтому они получили название плывунов. Этот вид грунтов непригоден в качестве естественного основания.

Лессовые грунты - это частицы пылеватых суглинков со сравнительно постоянным гранулометрическим составом. Лёссовые грунты в сухом состоянии могут служить надежным основанием. При увлажнении и воздействии нагрузок лёссовые грунты сильно уплотняются, в результате чего образуются значительные просадки. Поэтому они называются просадочными.

Искусственными основаниями называют грунты, которые по механическим свойствам в своем природном состоянии не могут выдерживать нагрузки от зданий и сооружений. Поэтому для упрочнения слабых грунтов необходимо выполнять различные инженерные мероприятия.

Грунты с органическими примесями включают: растительный грунт, ил, торф, болотный грунт. Насыпные грунты образуются искусственно при засыпке оврагов, прудов, мест свалки. Перечисленные грунты неоднородны по своему составу, рыхлые, обладают значительной и неравномерной сжимаемостью. Поэтому в качестве оснований их используют только после укрепления уплотнением, цементацией, силикатизацией, битумизацией.

Физические характеристики грунта.

Грунты являются трехкомпонентной системой, состоящей из твердых частиц и пор, заполненных водой и газами. Основными характеристиками грунта являются:

• Плотность грунта ρ (кг/м³)

• Влажность W = m_w /m_s

где m_w – масса воды; m_s – масса твердых частиц

• Коэффициент пористости грунта е = V_n / V_s

где V_n – объем пор; V_s - объем твердых частиц

Для дисперсных связных грунтов физическими являются

характеристики, отражающие способность удерживать воду и состояние (от твердого до текучего) при природной влажности.

Способность глинистых грунтов удерживать воду зависит от количества глинистых частиц в грунте, между которыми образуются водно-коллоидные связи, препятствующие рассыпанию частиц грунта. Для нахождения этих характеристик определяют влажность на границе текучести (W_L ) и влажность на границе раскатывания (W_p).

W_L – это такая влажность, при которой грунт переходит в текучее состояние (определяется с помощью конуса, устанавливаемого на исследуемый грунт)

W_p – это такая влажность, при которой грунт переходит в полутвердое состояние. Определяется раскатыванием тонких цилиндров грунта до появления трещин.

Используя эти показатели влажности определяют:

• Число пластичности I_p = W_L - W_p характеризует способность грунта удерживать воду. Чем больше в грунте глинистых частиц, тем больше число пластичности. Грунты относятся к глинистым, если I_p ≥ 1 . В зависимости от числа пластичности грунты подразделяются на супеси I_p =1-7; суглинки I_p=7-17; глины I_p>17

• Показатель текучести I_L = (W – W_p) / (W_L – W_p) показывает состояние пластичного грунта при природной влажности (находится грунт в текучем, твердом или каком-то промежуточном состоянии)

Несвязанные (сыпучие) грунты не обладают пластичностью и подразделяются по гранулометрическому составу, который характеризует содержание по массе групп частиц различной крупности (фракций) по общей массе сухого грунта. Так пески разделяются на гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие и пылеватые.

Также делят пески по плотности сложения:

Пример 1: Уточнить название грунта, имеющего число

пластичности I_p =5 , показатель текучести I_L = 0,5.

Пример 2: Определить плотность сложения крупного песка,

имеющего коэффициент пористости е = 0,6

Механические характеристики грунтов определяют их работу под нагрузкой, от этих характеристик зависит осадка фундамента. Одной из основных является модуль деформации

Е (МПа). Без этой характеристики невозможно рассчитать осадку фундамента.

где е – коэффициент пористости грунта

β – безразмерный коэффициент, учитывающий поперечную

деформацию грунта (для песков β=0,76 ; для глин β=0,42)

m_v – коэффициент сжимаемости

Для определения несущей способности грунта необходимо знать удельное сцепление грунта (с) и угол внутреннего трения (φ). Различают нормативные (с_II , φ_II ) и расчетные значения этих характеристик. Индекс « _II» показывает, что расчет ведется по второй группе предельных состояний. На их величину влияют размер частиц, коэффициент пористости и влажность грунта.

Расчетное сопротивление грунта

Для определения площади фундамента необходимо знать расчетное сопротивление грунта, которое зависит не только от свойств грунта, но и от ширины фундамента.

Для нахождения предварительных размеров фундамента используют расчетные сопротивления грунтов из СНиП.

Определив предварительный размер ширины фундамента, глубину заложения, механические характеристики грунта устанавливаем точное значение расчетного сопротивления грунта.

Фундаменты неглубокого заложения

Фундаменты неглубокого заложения (до 5 м) в зависимости от типа бывают: ленточные, отдельные, сплошные; по материалу: ж/б, бетонные, бутовые.

1-фундамент; 2-подошва фундамента; 3-верхний обрез фундамента; 4-линза (включение в пласт другого грунта); DL- отметка планировки; d₁- глубина заложения фундамента;

I-несущий пласт; II, III- подстилающие пласты

Глубина заложения d₁ (расстояние от отметки планировки до подошвы фундамента) назначается с учетом:

• Геологических и гидрологических условий строительной площадки

• Климатических особенностей района строительства (глубина промерзания)

• Конструктивных особенностей здания ( наличие и глубина подвала)

Минимальная глубина заложения фундамента принимается не менее 0,5м. Нужно стремиться, чтобы подошва фундамента передавала нагрузку на прочные грунты, расположенные выше уровня грунтовых вод. Если прочные грунты глубоко, то рациональным будет использование свайного фундамента или фундамента в виде сплошных плит или провести укрепление грунта, вплоть до замены. В зависимости от глубины промерзания глубина заложения принимается не менее расчетной глубины промерзания грунта:

d_{fn –} нормативная глубина промерзания, принимаемая по карте ( для Калининграда – 0,8м);

k_h- температурный коэффициент (табл.1 СНиП) в зависимости от температурного режима помещений. (для утепленного цокольного перекрытия и температуре внутри помещения +20⁰С k_{h =} 0,7).

На глубину заложения фундаментов влияет наличие и глубина подвалов, примыкающих фундаментов существующих зданий. При этом подошва фундаментов заглубляется ниже пола подвала не менее чем на 40 см, а в местах примыкания к существующему их подошвы рекомендуется располагать в одном уровне.

При назначении глубины заложения необходимо учитывать размеры сборных элементов фундамента и их положение по отношению к планировочной отметке.

Определение размеров подошвы фундамента.

От размеров подошвы фундамента зависит его осадка. Расчет относится ко 2 группе предельных состояний и ведется по сервисной нагрузке, которая принимается нормативной или приближенно через расчетную нагрузку, деленную на 1,2 – средний коэффициент надежности по нагрузкам.

N_ser = N/1,2

Нагрузка собирается до верхнего обреза фундамента, поэтому учитывается нагрузка и от собственного веса фундамента, и от веса грунта, находящегося на уступах фундамента N_f.

Давление под подошвой фундамента определяется по формуле:

p = (N_ser + N_f)/A_f = (N_ser + γ_md₁)/A_f

γ_m – средний удельный вес бетона и грунта (20 кН/м³)

Приравнивая давление под подошвой фундамента расчетному сопротивлению грунта p=R, (кПа) можно определить требуемую площадь подошвы фундамента

A_f = N_ser/(R - γ_md₁) , м²

В случае расчета ленточных фундаментов условно вырезают

1 метр длины фундамента, собирают на него нагрузку и находят ширину подушки (b)

b = N_ser/(R - γ_md₁) , м

Расчет фундаментов по материалу.

Для изготовления монолитных фундаментов рекомендуется тяжелый бетон классов В10 – В20 и для сборных фундаментов – В15 – В25. Армирование подошвы фундаментов осуществляется сетками из арматуры классов A-III , A-II. Расстояние между осями рабочих стержней 100÷200 мм диаметр стержней при длине фундамента до 3 м - не менее 10 мм, при большей длине – не менее 12мм. Фундаментные блоки ленточных фундаментов не армируются. Защитный слой бетона не менее 30 мм в сборных фундаментах и не менее 35 мм в монолитных при наличии бетонной подготовки под фундаментами толщиной 100мм; если нет бетонной подготовки, то защитный слой – не менее 70 мм.

В фундаментах под сборные железобетонные колонны устраивается стакан, толщина стенок которого должна быть не менее 150 мм

Глубина стакана принимается из учета надежной заделки колонны в фундаменте. Заделка колонн принимается (1 -1,5) h_c , где

h_c – ширина сечения колонны и не менее 30d_s , где d_s – диаметр продольной рабочей арматуры колонны. Под колонной в стакане предусматривается зазор в 50 мм, для установки колонны на проектной отметке.

Расчет отдельно-стоящего центрально-сжатого фундамента

Расчет площади арматуры фундамента

Расчет прочности тела фундамента в отличии от расчета основания выполняется по 1 группе предельных состояний, поэтому используется расчетная нагрузка. Под подошвой фундамента возникает отпор p = N/A_f , кН/м²

Фундамент деформируется, происходит изгиб подошвы, она работает как плита, может произойти разрушение за счет образования трещин по нормальным сечениям. Арматура подошвы фундамента рассчитывается как арматура изгибаемых элементов, воспринимающая усилия в растянутой зоне бетона.

b₁

h_o h

l₁

b₂

Равнодействующая реакции грунта на отсеченной части фундамента (консоли) Q = p _* l_1* l , кН

где длина консольного участка l₁ = (b₂ – b₁)/2

l - длина фундамента ( для ленточного фундамента l = 1м)

Момент, возникающий на границе консольного участка, определяется как произведение равнодействующей на расстояние от равнодействующей до сечения. М = Q _* l₁/2

Требуемая площадь арматуры определяется как

A_s = M/ 0,9h_oR_s

Шаг постановки стержней арматуры в сетке принимается 100 – 200 мм. Затем назначается диаметр стержней, учитывая, что требуемая площадь арматуры определена на 1 погонный метр фундаментной подушки.

Так как фундаментная подушка не имеет поперечных стержней, необходимо чтобы выполнялось условие, при котором обеспечивается достаточность высоты подушки

Для тяжелого бетона φ_b3 = 0,6

φ_n = 0 – т.к. отсутствует предварительное

напряжение арматуры в фундаменте

b – ширина подушки , равная 1 метру

R_bt - расчетное сопротивление бетона растяжению

Литература: В.И. Сетков «Строительные конструкции», М.,

ИНФРА-М., 2009, с. 359-372, 388 - 401

Лекция 20 Свайные фундаменты. Общие положения.

Классификация свай.

Сваи представляют собой стержни, погруженные в грунт или изготовленные в грунте и передающие нагрузки от сооружения грунту. Верхние части свай объединяются плитой или балкой, которые называются ростверком. Ростверк передает нагрузку от сооружения на сваи и обеспечивает их совместную работу. Сваи с ростверком составляют свайный фундамент.

Когда целесообразно применять свайный фундамент.

Рассмотрим предпосылки применения свайного фундамента в частном строительстве.

Причина 1. В ряде случаев при строительстве дачного дома или коттеджа в верхней части основания возводимого здания может находиться относительно слабый слой грунта.

Тогда рекомендуется устраивать фундаменты из свай, которые способны воспринимать большие нагрузки по сравнению с фундаментами неглубокого заложения. Особенно эффективны фундаменты в пучинистых грунтах при их глубоком промерзании более 1.5 метра. В этом случаи свайный фундамент более надежный, чем столбчатый и тем более ленточный

Причина 2. Возможно применение свайных фундаментов и в плотных грунтах в целях уменьшения объема земляных работ, расхода бетона, снижения трудоемкости и стоимости строительства. При устройстве свайного фундамента отпадает необходимость в рытье котлована, складировании вынутого грунта, вывозе грунта, обратной засыпке и т. д. Если у Вас возникла необходимость соорудить фундамент за короткое время, малыми силами и с минимальными затратами, тогда вариант свайного фундамента – это Ваш вариант. К примеру, для сооружения одной сваи длиной 3метра и диаметром 300мм, потребуется выполнить земляных работ объемом 0,2куб метра земли (при помощи бура), а в случае с устройством ленточного фундамента объем земляных работ будет гораздо больше (в зависимости от ширины подошвы фундамента). Этот вариант приемлем, если в проекте дома не предусмотрен подвал.

Причина 3. В случае если при расчете ленточного фундаменты ширина фундамента получается слишком большой (больше 1.5м), имеет смысл применить свайный фундамент, что сократит расход материала.

Конструкции свайных фундаментов очень разнообразны и зависят:

• от выбора типа свай,

• способа их изготовления и погружения в грунт,

• расположения их под строящимся зданием,

• от характера работы сваи в грунте,

• от конструкции ростверков.

По материалу сваи бывают бетонные, железобетонные, стальные, деревянные.

По способу изготовления и заглубления в грунт:

• сборные и монолитные,

• забивные, вдавливаемые (загружаются в грунт без его выемки. Для этого используются специальные механизмы, такие как вибропогружатели, вибровдавливающие и вдавливающие устройства)

• буроопускные (устраиваемые в грунте путем установки в пробуренных скважинах железобетонных элементов)

• буронабивные (устраиваемые в грунте путем укладки бетонной смеси в пробуренные скважины)

• завинчиваемые (имеют форму сверла и закручиваются в грунт при помощи специальных машин)..

По характеру работы сваи подразделяют:

• сваи-стойки, которые передают давление от зданий и сооружений на прочный грунт, расположенный под толщей слабого грунта,

• висячие сваи, передающие нагрузку на окружающий грунт через трение о боковые стенки.

К сваям-стойкам относятся сваи всех видов, опирающиеся на твердые грунты. Сваи-стойки, прорезая слои слабых грунтов, передают нагрузку своим острием на глубоко расположенный прочный грунт. К висячим сваям относятся сваи, передающие нагрузку от здания преимущественно боковой поверхностью за счет сил трения по всей высоте сваи.

Выбор зависит от геологических условий.

Так как сваи-стойки своими концами опираются на прочный грунт, например, скальную породу и передают на него нагрузку, их применяют, когда глубина залегания прочного грунта не превышает возможной длины сваи. Свайные фундаменты на сваях-стойках практически не дают осадки.

Если прочный грунт находится на значительной глубине, применяют висячие сваи, несущая способность которых определяется суммой сопротивления сил трения по боковой поверхности и грунта под острием сваи.

Размещение свай в фундаменте может быть в виде:

• одиночных свай - под отдельно стоящие опоры;

• свайных лент - под стены зданий и сооружений при передаче на фундамент распределенных по длине нагрузок с расположением свай в один, два ряда и более;

• свайных кустов – под каждую колонну в случае каркасного несущего остова здания.

_{1.Фундаментная опора. 2.Арматурный каркас ростверка. 3.Ростверк.}

_{4.Внутренние сваи, фундаментные опоры.}

Как правило, в индивидуальном домостроении длина сваи составляет от 3 до 6 м.

Различают сборные, сборно-монолитные и монолитные ростверки.

Ростверки бывают высокие и низкие. Низкий ростверк обычно располагают ниже поверхности грунта и он передает часть вертикального давления на грунт основания, в то время как высокий ростверк эти нагрузки передает на сваи.

Для забивных свай чаще используются железобетонные сваи сплошного квадратного, прямоугольного, круглого сечения или пустотелые круглые большого диаметра (100-160см)-сваи-оболочки

Набивные сваи выполняются диаметрами до 1,2м и длиной до 50 метров с извлекаемой или с неизвлекаемой оболочкой. В пробитую скважину опускается труба, в которую подается бетонная смесь, и по мере заполнения бетоном труба извлекается из скважины, бетон при уплотнении вдавливается в грунт. При необходимости после заполнения бетонной смесью трубы остаются и являются оболочкой сваи.

Стальные сваи выполняются в виде различных прокатных стальных профилей или труб. Однако не рекомендуется применение металла по трём причинам:

1. требуется крановое оборудование для монтажа при диаметрах свай более 100мм и длине их более 3м;

2. большой расход металла;

3. необходимо антикоррозионное покрытие свай;

Деревянные сваи представляют собой прямое, очищенное от коры (ошкуренное), наростов и сучьев бревно диаметром 22 - 34 см и длиной до 8,5 метров из хвойных твердых пород (сосны, ели, лиственницы, пихты). Естественная коничность (сбег) бревен сохраняется. Несмотря на свою дешевизну в наших широтах при строительстве загородного дома для свайного фундамента их практически не используют, так как они подвержены быстрому гниению. Хотя этот вариант нельзя исключать при использовании современных химических препаратов обработки древесины против гниения.

Проектируя свайные фундаменты, учитывают, что нижние концы забивных свай, как правило, должны заглубляться в прочные грунты, прорезая слабые напластования. Сваи, опирающиеся на крупнообломочные, гравелистые и средней крупности песчаные грунты, пылевато-глинистые грунты с показателем текучести I_L≤0,1 заглубляются в них не менее 0,5 метра, а в прочие грунты, принятые за основание сваи, должны заглубляться в них не менее чем на 1 метр.

Литература: В.И. Сетков «Строительные конструкции», М.,

ИНФРА-М., 2009, с. 401- 408