Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Кальницкий, А. А. Расчет и конструирование железобетонных фундаментов гражданских и промышленных зданий и сооружений учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
21.10.2023
Размер:
9.67 Mб
Скачать

Для бетона марки R = 150 расчетное сопротивление растяжению равно Др = 58 Т/мг (5,8 • 105 Н/м2) (табл. I. 6).

Вычисляем

* р

58,0

а = — т

25,6

Ро

и

р = — = - Ы - = 7,75.

1 Ьк 0,4

По выражению (III. 11) находим

 

0,4 0

/ - 1 / 7 , 7 5 2 + 0 ,7 5

• 2,27

= 0,75

м.

° “

2

\ У

1 - 1 - 0 ,7 5 - 2 , 2 7

 

 

Принимая

защитный

слой а3 = 30 мм, предварительный диа­

метр арматуры d ~ 20 мм, находим конструктивную: высоту фунда­ мента h:

h = hQ+ а3 + - у = 0,75 + 0,03 + 0,01 = 0,79 м « 80 см.

Проектируем двухсту­ пенчатый фундамент со ступенями высотой 40 см

каждая (рис. III. 15).

Проверяем достаточ­ ность высоты нижней сту­ пени на действие попере­ чной силы; согласно

(III. 15) получим

60 = 26,5 < Л0„ =

= 40 — 4 = 36 см,

где согласно (III. 16) име­ ем Cj = 0,5 (310 — 40 — —2 • 75) = 60 см. Сле­ довательно, поперечной арматуры не требуется.

Переходим к расчету фундамента на изгиб по сечениям, нормальным к его подошве. Для сравне­ ния приведем оба приема определения изгибающих моментов. По найденным значениям изгибающих мо­ ментов определим необхо­ димую площадь арматуры.

Рис. III. 15. К примеру III.4 расчета одино­ чного фундамента

61

В данном случае фундамент в плане имеет форму квадрата, следо­ вательно, определение изгибающих моментов и площади арматуры

можно производить только в одном направлении,

в сечениях

I— I и

II— II (рис.

III.

15).

 

 

 

 

вначале по

п е р в о ­

му

Определим моменты в сечениях I—/ и II— II

п р и е м у

р а с ч е т а .

Полагая, для

квадратного

в

плане

фундамента

оу =

Ьх

и а

=

b по

формулам

(III. 17)

получим

(рис. III. 15)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М. = 25,6 (Э,1~

1,6)!! (2-3. 1

+ 1.6) =

18>7 7 \ Л ( 18>4. ю * н -м),

 

1

 

 

24

 

 

 

 

 

 

 

м ,

2 5 6

с3 - 1 — ° - 4)3

( 2 - 3 . 1 + 0 . 4 )

51,2 Г -л (51,2- 104Н-м).

 

24

Определим вначале площадь арматуры по выражениям (1.

15) и

(1. 16). Тогда для сечения

I— I при заданных бетоне марки R

= 150

(RH == 80

к Г/см2)

и

арматуре из

стали

класса

А-П

(Ra — 2700

КПсм2) найдем

 

 

 

1 870 000

0,113,

8 0 - 160-362

 

чему по табл. I. 10 соответствует а = 0,120.

Врезультате площадь арматуры составит

F. 0,120 -80 -160 -36 = 20,5 СМ-.

2700

Идя таким же путем для сечения II— II получим

Л =

5 120 000

=

0,277,

 

80-40-76'-

 

 

 

 

 

 

чему

по табл, I.

10 соответствует а = 0,332

all

0 , 332-80-40-76

29,9

см2.

2700

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если, исходя из тех же значений изгибающих моментов, опре­ делить площадь арматуры по приближенному выражению (I. 18), то величина ее составит

 

1 870 000

21,4.сж2;

 

 

 

2700 -0,9 -36

 

 

 

 

 

 

 

п

5 120 000

п _

_

 

 

г . . =

-------------- = 27,7 см2.

 

 

аП

2700 -0,9 -76

 

 

 

 

П р и р а с ч е т е

по в т о р о м у

п р и е м у

изгибающие мо­

менты в соответствии с выражениями (III.

22) и (III.

22 а) будут рав­

ны (рис. III. 15):

 

 

 

 

М, =0,125-25,6(3,1 — 1,6)23,1 = 22,3 Г-ж(22,3- 10* Н-м),

Ми = 0,125-25.6(3,1 — 0,4)23,1 = 72,4 Т-м (72,4- 104Н-м).

62

Произведя расчеты, аналогичные приведенным выше, можно найти площади арматуры, соответствующие этим значениям моментов.

При определении площади арматуры в сечении 1— 1 по выражениям

(I. 15) и (I. 16) получим

2 230 000

0,0694,

80-310-36а

чему по табл, I. 10 соответствует а = 0,072 и

F

0,072-80-310-36 =

23,8

СМ2.

al

2700

 

 

 

 

Таким же образом для сечения II— II найдем

 

7 240 000

0,096,

 

 

80.160.762

 

 

 

 

 

чему по табл. I. 10 соответствует а = 0,104 и

all

0,104-80-160-76 --

37,5

сл-t2.

2700

 

 

 

Для этих же значений изгибающих моментов площадь сечения ар­ матуры, если подсчитать ее по приближенной формуле (I. 18), составит

Fai = 25,5 см2 и Fal,

=

39,1 см2.

 

 

 

Для сопоставления полученных результатов составим табл.

III.7.

 

 

 

 

. Т а б л и ц а

II 1.7

Сопоставление результатов

двух вариантов расчета к примеру

II1.4

 

 

 

 

Необходимая площадь арматуры F^,cm*

Значения нагибающих моментов,

Сечения по

по точным фор­ по приближенной

Т-м (Н*м)

 

рис, 111.15

 

 

 

мулам (1.15) и

формуле (1.18)

 

 

 

(М б)

 

 

По первому приему

 

 

20,5

21,4

 

18,7

 

1

 

51,2

 

и

29,9

27,7

 

По второму приему

 

I

23,8

25,5

 

22,3

 

 

72,4

 

п

37,5

39,1

 

Как видно из табл. III. 7, расхождение между соответствующими значениями изгибающих моментов, зависящее от способа их под­ счета, может достигать 40%. Такое же различие имеет место и в от­ ношении площадей сечения арматуры, если определять их по прибли­ женной формуле (I. 18). Различие в площадях арматуры уменьшается и не превосходит 25%, если определять их по «точным» формулам (I. 15) и

(I. 16).

63

Произведем теперь подбор арматуры по площадям ее сечения, най­ денным по «точным» формулам и моментам, определенным по перво­ му приему расчета.

Подбор арматуры производят по полученной расчетом наибольшей

ее площади, т. е. в данном случае — по Fan =

29,9 см2. Исходя из

удобства

армирования

последняя

наиболее

близко

соответствует

16 0 16

(Fа = 32,2 см2) или, иначе, говоря,

0 16

через 200 мм

в каждом направлении.

Учитывая, что размеры подошвы фундамента

более 3,0 м, половину

стержней

обрываем

на

расстояниях от края

фундамента, равных 0,1

а = 0,1-3,1 ~ 0,3

м.

Если подсчитать рас­

ход стали при принятом армировании, то на одни фундамент он будет равен 141 кг, а объем бетона 4,87 м 3. Расход стали на 1 м 3 бетона бу­ дет составлять 29 кг/м'А, что лежит в оптимальных пределах.

После того как фундамент рассчитан, полезно окончательно убе­

диться, что давление на грунт от всех

фактических

нормативных

нагрузок не превышает найденной выше

величины

R" — 26

Т/м2.

Для

этого предварительно

определяем

(рис. III. 15):

объем

фун­

дамента

 

 

 

 

 

 

 

Уф =

3,12 • 0,4 4- 1,6* • 0,4 =

4,87 м \

 

 

 

 

 

объем грунта

 

 

 

 

 

 

 

Wp =

3,12 • 2 — 4,87 — 0,42 (2 — 0,8) = 14,2

т/м2.

 

 

 

Тогда искомое давление на грунт составит

 

 

 

 

 

 

 

246

4,8 7 • 2 , 5 + 14,2

• 1,95

 

 

 

 

N,о + К + К

+

 

 

 

Р =

_ _Е2

 

 

 

 

 

 

+

 

3 ,1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 25,6 < 2 6 Т/м2 (25,6 • 10'* Н/м*),

 

 

 

 

 

т. е. необходимое условие удовлетворено.

 

примеру

приведем

неко­

В заключение

расчетов

по настоящему

торые дополнительные соображения, учет которых может привести к более или менее существенной экономии материалов.

Как видно

из

выполненных выше расчетов, площадь арматуры

Fап в данном

примере во всех случаях существенно превосходит пло­

щадь /+ . Так

как

подбор стержней производится по наибольшей из

найденных расчетом площадей арматур, то фактическая прочность се­ чения 1— I оказывается больше необходимой. Для получения более экономического решения целесообразно было бы снизить высоту ниж­ ней ступени (оставив неизменной общую высоту фундамента) на столь­ ко, чтобы приблизить площадь Fai к Тац. Однако в данном случае это невозможно, так как высота ступени продиктована расчетом на поперечную силу и при снижении ее до ближайшего размера /гг =

=

30,0 см (Лон = 26 см), условие (III. 15) уже не удовлетворяется,

л

В целях достижения равнопрочное™ сечений I —/ и II —/ / можно

пойти и иным путем; повысить общую высоту фундамента так, чтобы снизить потребную площадь арматуры i+н до величины, близкой к

64

FaI. Как очевидно, такой путь целесообразен только в случае, если расход арматуры на 1 м 3 бетона превосходит целесообразный предел, т. е. 40 кг/м3. В нашем примере этот расход, как указывалось выше, составил 29 кг/м3, вследствие чего повышение высоты фундамента также не является целесообразным.

Возможен еще третий путь оптимизации размеров фундамента

путем достижения равнопрочное™ сечений

1— 1 и

I I — II. Достига­

ется

эта

цель посредством уменьшения размера второй ступени Ьг

(рис.

III.

15) до такой величины, при которой изгибающие

моменты,

а значит,

и площади арматуры в сечениях

/ —/ и

I I — II

будут воз­

можно близкими по своей величине. При

этом,

уменьшая размер

bv необходимо следить за тем, чтобы не изменялись принятые усло­ вия расчета на продавливание.

Применительно к рассматриваемому примеру такой подход вполне реален, так как без нарушения указанного условия размер b, может

быть уменьшен до величины 1,20

м.

Тогда по выражению (III. 17) мо­

мент в сечении / —/ (рис. III.

15)

при квадратном в плане фундамен­

те будет равен

 

 

 

 

М, = 25,6

" J j.2?)2 & ' 3-1+

1■2) =

28,5 Т-м (28,5 • 10'* Н-м).

Так как арматура фундамента установлена по расчету на изги­

бающий момент

Мп = 5 1 ,2 > 2 8 ,5

Т-м, то изменение размеров

никаких

корректив

в величину ее

площади не вносит. Новый

объем

бетона

на

один фундамент

равен 4,42 м 3.

Таким обра­

зом,

при

таком

же

расходе арматуры только за счет

более целе­

сообразных размеров фундамента удается снизить расход бетона на величину

4,87 — 4,42 100 = 9,2%.

4,87

В заключение следует произвести проверку раскрытия трещин (аналогичный расчет выполнен в примере III.6 и здесь не приводился).

§ 10. РАСЧЕТ ОДИНОЧНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ФУНДАМЕНТОВ НА СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СИЛ И ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ

Расчеты внецентренно загруженных фундаментов производят на три комбинации усилий, действующих в месте примыкания колонн (стоек) к фундаментам (стаканам) и являющихся наиболее невыгодными из всех усилий, полученных в результате соответствующего сочетания нагрузок. Таковыми комбинациями являются:

а) наибольший положительный момент М тах и соответствующа ему нормальная сила NC00TB\

3—298

65

б)

наибольший

отрицательный момент М т1п и соответствующая

ему нормальная сила NC001B\

в)

наибольшая

нормальная сила Nmm и соответствующий ему

момент Л4С001В.

Кроме того, в каждую комбинацию усилий включается соответ­ ствующая величина поперечной силы QC00TB.

Определение размеров подошвы фундамента. Любая система внешних сил, действующих на фундамент, может быть приведена к вертикальной силе N, проходящей через центр тяжести подошвы фундамента, горизонтальным силам Qx и Qy, действующим в плоско­ сти подошвы фундамента и моментам М х и М у, действующим на уров­ не подошвы фундамента. Полагая, что давления на грунт передаются по линейной эпюре, величины давления на грунт у подошвы фунда­ мента могут быть выражены равенством

Утах ~

N

Мх у

Му х

F

f

(III.23)

mfn

 

 

 

где Ix,

— моменты

инерции подошвы фундамента относительно

осей симметрии х и у; М х, М у— моменты внешних сил, относительно

тех же

осей; х, у — координаты

точек подошвы фундамента; F

площадь

подошвы фундамента.

 

М х = О

Рассмотрим наиболее часто встречающийся случай, когда

и Qy =

0.

Тогда выражение (III.

23) примет более простой

вид

 

N

Mv х

 

 

Ршгх = " Г

± ~ Т —

 

(Ш '24)

min

1

 

 

Значения краевых давлений при этом условии могут быть также выражены через площадь, и момент сопротивления подошвы фунда­ мента

 

N

Р max

(III.24а)

min

F

В свою очередь действие нормальной осевой силы N и изгибающе­ го момента М у для удобства расчетов может быть заменено дей­ ствием нормальной силы N, приложенной на расстоянии е = M/N от оси у.

Размер е называется эксцентриситетом. В зависимости от отно­ сительной величины "его е/a (где а ■— размер подошвы фундамента, расположенный вдоль направления эксцентриситета) эпюра давления на грунт может быть однозначной и иметь вид прямоугольника, тра­ пеции, треугольника (рис. III. 16, а, б, в) и чисто теоретически дву­ значной (рис. III. 16, г).

Так как в плоскости подошвы фундамента между фундаментом и грунтом могут передаваться только усилия сжатия, то очевидно, что при расчете фундаментов отрицательная часть эпюры давления на грунт (рис III. 16, г) не имеет реального содержания и практически получить такую эпюру нельзя. В таких случаях выражения (III. 23)

66

и (III. 24) неприменимы для определения величины краевого давления на грунт. Величину краевого давления на грунт, в данном случае, определяют из условия равновесия, полагая, что равнодействующая нормальных сил N действует по оси, проходя­

щей через центр тяжести треугольной эпюры сжимающих давлений (рис. III. 16, д):

N =

 

Ркр 3

 

е

Ь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

Ркр

 

2N

 

 

 

 

 

 

 

 

а'Ь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(111.25)

 

 

 

 

 

 

 

 

где а

,

3(а2е)

-----часть

размера

подошвы

 

= —..^

фундамента, через которую передаются

сжи­

мающие усилия;

Ь — размер

подошвы фун­

дамента в направлении, перпендикулярном

направлению действия момента (рис. III. 16).

Для получения

наиболее

благоприятных

условий работы

размеры

сечения

колонны,

передающей давления на

фундамент акЬк, и

размеры сторон подошвы фундамента ab = F

принимают, как правило, вытянутыми в на­

правлении действия момента. Следовательно,

в задачу определения размеров площади

по­

дошвы фундамента входит еще задача нахо­

ждения оптимального соотношения между раз­

мерами сторон фундамента.

 

 

 

При этом следует учитывать различные но­

рмативные требования и

условия,

ограничи­

вающие величину эксцентриситета.

Рис. 111.16.

Эпюры дав­

По СНиП П-Б. 1—62* [3 ] требуется, чтобы

ления на грунт в зависи­

мости от величины

отно­

наибольшее

краевое давление на

грунт ртах

сительного

эксцентриси-

при любых сочетаниях нагрузок

не превы­

тета:

 

 

 

шало 1,2 RH.

 

 

a — при

5—0;

б — при

a : 6>

 

 

>5>0;

в — при е - с ; 6; г я

В СНиП П-Б. 1—62* нет также указаний,

д •- при

е>а : б

 

ограничивающих величину

наименьшего дав­

 

 

 

 

ления на грунт рт!п. Такое

ограничение учи­

 

 

 

 

тывают, как

это будет показано,

в расчете по второму предельному

состоянию (деформациям) грунта основания

на крен фундамента.

Однако в некоторых ведомственных указаниях и инструкциях

даются рекомендации по ограничению допустимых "значений

рт1п.

Для фундаментов под колонны сооружений, несущих краны с грузоподъемностью более 75 Г, и для фундаментов открытых эстакад, несущих краны с грузоподъемностью более 15 Т, или при грунтах с

3;

67

нормативным давлением менее 1,75 кГ/см'г, рекомендуется при рас­ четах на основные сочетания нагрузок допускать значение рт1п не менее 0,25 ртах.

В остальных случаях для фундаментов зданий с мостовыми кра­ нами допускаются треугольная эпюра с нулевой ординатой на краю фундамента.

Для конструкций с высоко расположенными центрами тяжести (например, дымовых труб и т. п.) рекомендуется, чтобы pmjn было больше 0.33 Ртах-

При расчете оснований бескрановых зданий н зданий с подвесным транспортным оборудованием, а также при расчете оснований на осо­ бые пли дополнительные сочетания расчетных нагрузок допускается

треугольная эпюра давлений при длине ее а'

не менее 0,75 от соответ­

ствующей стороны подошвы фундамента а.

(III.

25)

и рис. III. 16.

Размер а' определяют из выражения

Иначе

говоря,

вводится условие а! ^

0,75

а и,

следовательно,

е <1 0,25а

(рис. III.

16, д).

 

 

 

При этом максимальное давление на грунт не должно во всех ука­ занных выше случаях превышать величину, равную 1,2 /?", а среднее давление по подошве фундамента — значения R".

Очевидно, что с целью уменьшения напряжений, вызываемых дей­ ствием изгибающих моментов, целесообразно развивать размеры подошвы фундамента вдоль направления эксцентриситета.

Так как размеры подошвы фундамента определяют, исходя из нормативных усилий, а расчет фундамента по прочности материала производят по реактивному давлению грунта от расчетных значений момента и нормальной силы, выражение (III. 24а) в зависимости от характера расчета приобретает следующий вид:

а) при определении размеров подошвы фундамента

(II 1.26)

где а — размер подошвы фундамента в направлении эксцентрисите­ та нормальной силы; b — то же, но в перпендикулярном направлении;

/Vм = No -f- N1 + N” — суммарная

нормативная

осевая

сила,

действующая

на

подошву

фундамента;

е" =

М аШи — эксцентриси­

тет приложения

силы IV";. М" — суммарный

нормативный

момент,

действующий на подошву фундамента;

 

 

 

 

б) при расчете фундамента по первой группе предельных состояний:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(III.27)

где М 0, N0 — расчетные значения тех же усилий, что и в выражении

(III. 26), но

без

учета веса

фундамента

Лф

и грунта на его усту­

пах Nr, е0 =

M 0/N0.

 

 

имеющих целью определение

Остановимся

на

технике расчетов,

размеров подошвы

фундамента. При

наиболее распространенном —

прямоугольном очертании подошвы последнего — этот расчет должен

68

производиться по выражению (III. 26). Однако нетрудно убедиться, что при попытке произвести его таким образом возникает ряд серьез­ ных затруднений. Так, рассматриваемое выражение содержит два

неизвестных размера а и Ь,

вследствие чего

неизвестны силы Уф и

N ”,

а

в

результате этого и эксцентриситет е = iM W 1.

 

на

Для облегчения расчетов разграничим давление на грунт основания

две составляющие

его

части: давление, вызванное нормативной

внецентренной силой

No,

приложенной

к

верхнему обрезу

фунда­

мента

с

эксцентриситетом

е0 = M"/No

(М 11— суммарный

норма­

тивный изгибающий момент, действующий на подошву фундамента), и на давление, вызванное нормативным весом фундамента N ф и выше­

лежащего

грунта Nr-

Величину Л'ф -f У" примем приближенно

равной f cp

Hab.

 

 

 

Полученная таким путем эпюра

реактивного

давления

грунта

по

подошве фундамента показана

на

рис. III.

17

( при

этом

предпола­

гается,

ЧТО

p ltlm >

0).

1,2 Дн, ТО

Если Принять Ртах =

на основании (III.

26)

можно

на­

писать

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N1

 

 

1,2Дн- Т с РЯ >

, + ± г ,

 

 

 

 

ab

 

(III.28)

где а — размер подошвы фунда­ мента, расположенный в направле­ нии эксцентриситета.

Учитывая, что сила No должна

проходить через

центр

тяжести

трапециевидной

части

эпюры

A BCD, получаем (х-расстояние от

края фундамента

с минимальным

реактивным давлением грунта ос­ нования до центра' тяжести указанной

Рис. III .17. Эпюры давления на грунт от внешней нагрузки на об­

резе фундамента N£ н собствен­ ного веса фундамента и грунта на его ступенях

площади (рис. III. 17)

 

а

Г2 (Рmax 1ср В) +

Pmin '[ср В

1

sn =

Т

= й [- 3 (Ртах Pmin

2fcp В)

 

откуда

 

 

 

 

1— k

 

(III.29)

 

6(1 +к)

 

 

 

 

или

 

 

 

 

а =

6gp (1 +

ft)

 

(III.29а)

 

1 — k

 

 

 

69

где

Pm iп

7cp Н

Ртах

7ср Н

 

Подставив значение е0 согласно (III. 29) в выражение (III. 28) и

решив его относительно а, получаем

« >

<ш м >

где т Ыа.

Величину т рекомендуется принимать в пределах от 0,6 до 0,85 [91. Приравняв полученное таким образом значение а этому же разме­ ру, согласно (III. 29а) после простейших преобразований, получим

I =

О + fc)s

N "

 

(1 — /г)2

18m (1.2 — icptf) e*

Рис. 111.18. График к определению раз­ меров подошвы фундамента

затем определить величину

 

Pmin

Тср Н

h ■

Тср а

к =

 

l,2R«

Ртах

7ср Н

1—

icp Н

 

 

 

 

1,2R"

(III.31)

Тогда, найдя из выражения (III. 31) значение k (с помощью графика на рис. III. 18, где под Е понимается величина правой части выражения (III. 31), а на оси абсцисс приведены соответ­ ствующие значения к), найдем по (III. 29а) размер а, а затем и b = та.

Можно пойти и по другому пути расчета: задаться отноше­ нием краевых давлений, т. е.

значением к, = -Рп-° ■=

—ш|- ■,

Ртах

1,2 R " ’

и из выражения (III. 31) получить соответствующее значение

т =

IV" (1 - к)-

(III.31а)

18(l +

fe)s(l,2К "-7 сРЯ )^

Затем по (III. 29а) находим размер а подошвы фундамента, рас­

положенный вдоль эксцентриситета приложения силы N о, и второй ее размер b = та.

Максимальные и минимальные краевые давления грунта на по­ дошву фундамента можно определить по любому из следующих выра­ жений:

70

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ