2_ЛЕКЦИИ ПО ЖБК ПГС Вторая часть / ЛЕКЦИИ ПО ЖБК ПГС Вторая часть / Лекция № 5

ФУНДАМЕНТЫ И ФУНДАМЕНТНЫЕ БАЛКИ

5.1. НУЛЕВОЙ ЦИКЛ РАБОТ

До 1957—1958 гг. в строительстве одноэтажных производст­венных зданий применялись фундаменты под колонны с зало­жением основания обычно на 1,75 –1,8 м ниже уровня чистого пола. При этом верх фундаментов находился на глубине 0,75 – 1,2 м от пола. Вырытые котлованы приходилось оставлять от­крытыми до окончания монтажа колонн, подкрановых балок и других конструкций, выверки и заливки колонн. Такой порядок производства работ приводил к большим неудоб­ствам при монтаже конструкций, так как котлованы и отвалы грунта занимали значительную часть площади, необходимой для работы механизмов и доставки конструкций; создавались серьезные помехи для нормального ведения строительных и монтажных работ. С целью повышения индустриальности строи­тельства было решено выделить в специальный цикл все работы по сооружению фундаментов, установке фундаментных балок и устройству подземного хозяйства; этот цикл был назван «нуле­вым».

В здании на отметке, соответствующей конст­рукции пола и его толщине, устраивается подготовка под полы. Размеры стакана фундамента поверху в плане принимаются та­кими, чтобы можно было разместить кондуктор для установки колонн при их монтаже. Для типового случая эта ширина при­нята равной 1000 мм. Фундаментные балки располагаются ме­жду верхними ступенями фундаментов, длина их на 1000 мм меньше, чем фундаментных балок для колонн с заглубленны­ми стаканами (при старом решении). Опираются фундаментные балки на опорные подушки в виде столбиков, установленных на следующий обрез фундамента (рис. 5.1, а). Когда в крупных фундаментах ширина верхней ступени превышает 1000 мм, в них приходится предусматривать ниши, чтобы установить типовые фундаментные балки, не укорачивая их (рис. 5,1,6). В ячейках здания, примыкающих к поперечному температурному шву, при­меняются фундаментные балки, укороченные на 500 мм..

Практикой строительства подтверждена эффективность осу­ществления нулевого цикла работ. Незначительное увеличение расхода бетона в фундаментах компенсируется некоторым уменьшением длины колонн и фундаментных балок, унификаци­ей размеров фундаментных балок по наружным и внутренним рядам колонн.

Рис. 5,1. Фундаменты и фун­даментные балки для зда­ний с шагом колонн 6 м

I — фундамент рядовой колон­ны; 2 — фундамент парных ко­лонн в температурном шве; 3 — колонна; 4 — фундаментная балка рядовая; 5 — то же, уко­роченная; 6 — столбики

5.2. ТИПЫ ФУНДАМЕНТОВ И ОБЛАСТЬ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Под колонны одноэтажных производственных зданий приме­няются отдельно стоящие фундаменты, прямоугольные в плане. По условиям изготовления и транспортирования (габариты, вес) этот элемент здания чаще выполняется из монолитного железо­бетона. Однако для достижения полносборности зданий, по конъюнктурным причинам, а также в силу конкретных условий производства работ (например, в зимнее время) немало фунда­ментов выполнялось в виде сборных элементов.

Сборные фундаменты выполняются в виде цельного элемента либо составными из двух или нескольких элементов. Цельные сборные фундаменты обычно бывают ступенчатыми, преиму­щественно с одной ступенью: нижняя — плита и далее башмак со стаканом (рис. 5.2). Применение цельных сборных фундаментов ограничивается размерами подошвы фундамента, их весом, воз­можностями кранового оборудования на предприятии, где они изготовляются, на монтаже и возможностями транспортирова­ния. Для облегчения веса сборных фундаментов были предло­жены различные конструкции ребристых фундаментов; некото­рые из них применены в опытном порядке, но не получили рас­пространения.

Рис. 5.2. Сборный фундамент из одного элемента

Рис. 5.3. Составные сбор­ные фундаменты

а — из четырех элементов; б — деталь соединения сборных элементов фундамента сваркой; I — плита; 2 — башмак; 3 — со­ставные плиты; 4 — болт; 5 —- за­кладная деталь; 6 — сварка

К области эффективного применения сборных фундаментов можно отнести цельные фундаменты малого объема при рас­средоточенном строительстве объектов в трудных гидрогеологи­ческих условиях, при строительстве в суровых зимних условиях, а также при возведении таких объектов, где требуется быстро развернуть монтаж конструкций каркаса и где реально может быть использован экономический эффект от сокращения сроков строительства здания (как результат сокращения работ нулево­го цикла).

Выбор конструкции фундаментов под колонны зданий, если этого нельзя сделать на основании имеющихся аналогов или рекомендаций, необходимо выполнять путем эскизного проекти­рования вариантов и их сопоставления с учетом конкретных ус­ловий строительства.

5.3. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТОВ

Фундаменты — важнейший конструктивный элемент, от работы которого зависит несущая способность здания в целом. Стоимость фундаментов составляет 4 ÷ 6 % от общей стоимости всего здания. Поэтому тщательная про­работка конструкции фундаментов является весьма ответ­ственной задачей.

Фундаменты устраивают, как правило, из железобетона. Они могут быть отдельно стоящими (рис. 5.4), ленточными и плитными. В одноэтажных каркасных сельскохозяйст­венных зданиях применяют отдельно стоящие (столбчатые) фундаменты.

По способу изготовления фундаменты могут быть сбор­ными (рис. 5.4а, б) и монолитными (рис. 5.4, в, г, д, е, ж). Конструктивно они практически не отличаются друг от друга. Разница заключается лишь в том, что сборные фун­даменты доставляют на объект в готовом виде, а монолит­ные бетонируют на месте.

Рис. 5.4. Типы столбчатых железобетонных фундаментов

а, б – одно- и двухступенчатые сборные; в, г двух и трехступенчатые монолитные; д – с повышенным стаканом; е, ж – монолитные фундаменты под монолитны колонны

В современном строительстве обычно применяют сбор­ные фундаменты. В плане они имеют квадратную или прямо­угольную форму с большей стороной в направлении дей­ствия изгибающего момента. Отношение сторон должно быть в пределах 0,6÷0,85. Их размеры рекомендуется прини­мать кратными 300 мм.

Из условий выполнения работ нулевого цикла отметку верха фундаментов принимают на 150 мм ниже отметки чистого пола зданий.

Высота фундамента Н назначается в зависимости от его заглубления, которое зависит от грунтовых условий, уров­ня грунтовых вод, расположения других близлежащих фундаментов, заделки колонн и требуемой толщины плитной части. Эту высоту рекомендуется принимать кратной 300 мм.

В зависимости от высоты фундаменты под колонны могут быть одноступенчатыми при Н < 600 мм, двухступенчаты­ми при 600 мм < Н < 900 мм и трехступенчатыми при Н > 900 мм (рис. 5.4). Высоту ступеней рекомендуется назначать равной 300, 450, 600 мм, а их размеры в плане – кратными 300 мм. Если высота фундамента получается больше высоты нижней плитной части Н_р, требуемой по расчету, то она увеличивается за счет подколенника (рис. 5.4, д).

Для заделки колонн в фундаменты устраивают стака­ны, глубина которых принимается равной глубине заделки колонны плюс 50 мм для рихтовочного подстилающего слоя раствора. Глубина заделки колонны должна удовле­творять требованиям анкеровки ее рабочей арматуры и при­нимается равной (1...1,5) большого размера сече­ния колонны, но не менее 25d, где d – диаметр продоль­ных рабочих стержней колонны.

Размеры подошвы фундаментов зданий (если основание сло­жено нескальными грунтами) определяются из расчета основа­ний по деформациям (по второму предельному состоянию) на не­выгоднейшие комбинации изгибающих моментов и нормальных сил от нормативных нагрузок. Для облегчения расчета по де­формациям допускается определять суммарную нормативную нагрузку на основание по усилиям от расчетных нагрузок путем деления последних на осредненный коэффициент перегрузки 1,2.

При определении наибольшего давления на грунт у края, подошвы внецентренно нагруженного фундамента учитываются основные сочетания нагрузок для двух комбинаций нагрузок. Первая комбинация: все постоянные и временные длительные нагрузки, снеговая, ветровая. Вторая комбинация: все постоян­ные и временные длительные; снеговая; вертикальная нагрузка не более чем от двух (для колонн крайнего ряда) или четырех (для колонн среднего ряда) мостовых или подвесных кранов и гори­зонтальная нагрузка не более чем от двух кранов. При загружении колонн среднего ряда тремя или четырьмя кранами при­нимается не более двух кранов на каждом крановом пути, а вертикальная нагрузка учитывается с коэффициентом 0,8. Снего­вая нагрузка учитывается только в тех случаях, когда это приво­дит к более невыгодным результатам по сравнению с теми, кото­рые получаются, если ее не учитывать.

При проектировании сборных фундаментов необходимо учитывать условия их изготовления, погрузки и транспортирова­ния. Рекомендуется проектировать фундаменты из одного блока, с небольшим количеством ступеней, а лучше с пирамидальной плитной частью и подколенником (рис. 5.5). Для применяемого решения опирания фундаментных балок на подбетонки или на столбики последние предусматривают в составе сборного фун­дамента. Подошва плиты фундамента армируется сварными сет­ками из стали класса А-П. При условии проверки ширины рас­крытия трещин может применяться и сталь класса А-Ш. Рас­стояние между стержнями в сетках рекомендуется принимать 200 мм. Марка бетона 200 или 300. Защитный слой для рабочей арматуры в фундаментах принимают не менее 35 мм — при под­готовке из бетона и 70 мм — при песчаной подготовке.

Рис. 5.5. Фундамент с подколенником

1 — сварная арматурная сет­ка

В фундаментах стаканного типа при отношении толщины стенки стакана к высоте его уступа (подколенника), равном или более 0,75, стенки стакана не армируются (при этом толщина их принимается не менее 200 мм). При отношении толщины стенки к высоте подколенника менее 0,75 стенки стакана рассчитывают­ся, как железобетонные. Толщина дна стакана принимается не менее 200 мм, глубина — в зависимости от необходимой глубины заделки колонн (по инструкции) плюс 50 мм на рихтовку. Зазо­ры между стенками стакана и колонной принимаются понизу не менее 50 мм и поверху не менее 75 мм.

Составные фундаменты могут выполняться с применением сварных соединений либо с замоноличиванием. Крепление эле­ментов между собой при помощи сварки (например, стакана к плите) можно не предусматривать в тех случаях, если в местах присоединения одного из них к другому при любых комбинаци­ях нагрузок на фундамент будут действовать всегда только сжи­мающие усилия, т. е. если колонны работают с небольшим эксцентриситетом.

При расчете сборных фундаментов, составленных из друз блоков, размеры подошвы основания, высоту фундамента и се­чение арматуры нижней плиты определяют как для монолитного фундамента. Затем подбирают сечение арматуры верхнего блока (подколенника) с учетом трения по поверхности между плитой и верхним блоком. Коэффициент трения бетона по бето­ну можно принимать равным 0,4.

Верхний обрез монолитных фундаментов под монолит­ные колонны (рис. 5.4, е, ж) принимается на уровне верха фундаментной балки, а при ее отсутствии – на отметке –0,05, то есть на 50 мм ниже уровня пола. Для монолитных колонн размер подколенника увеличивают на 50 мм в каж­дую сторону по сравнению с размерами колонны для уста­новки опалубки.

Классы бетона для монолитных фундаментов рекомен­дуется назначать В12,5, В15, для сборных — В15, В20. Бетон для замоноличивания колонны в стакане должен быть не ниже класса В 12,5 и не менее чем на одну ступень выше класса бетона фундамента.

Толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры подошвы монолитных фундаментов должна приниматься не менее 35 мм при наличии бетонной подготовки и 70 мм при ее отсутствии. Толщина защитного слоя в сборных фундаментах должна быть не менее 30 мм.

Подколенники армируют продольной и поперечной ар­матурой по принципу армирования колонн. Площадь се­чения продольной арматуры с каждой стороны подколонни-ка должна быть не менее 0,05 % площади его поперечного сечения. Диаметр продольных стержней не менее 12 мм.

В фундаментах под монолитные колонны продольная арматура должна иметь выпуски для стыковки с арматурой колонн. Длина выпусков назначается в зависимости от класса бетона и арматуры в пределах (З0 ÷ 45)d, где d – диаметр выпускаемых стержней.

Поперечное армирование стенок стакана следует выпол­нять в виде сварных сеток (рис. 5.4 д) с расположением стержней у наружных и внутренних поверхностей. Диа­метр этих стержней следует принимать по расчету, но не менее 8 мм и не менее четверти диаметра продольных стерж­ней подколонника. Расстояние между сетками следует назначить не более четверти глубины стакана и не более 200 мм.

Расчет фундаментов состоит из двух этапов: расчета основания, в результате которого вычисляют размеры по­дошвы, и расчета тела фундамента, на основе которого определяют общую высоту, высоту отдельных ступеней и армирование.

Размеры подошвы фундаментов (первый этап расчета) назначают согласно указаниям норм проектирования осно­ваний зданий и сооружений, рассчитывая основание по несущей способности и по деформациям. Методика этого расчета изложена в курсе оснований и фундаментов. Пред­варительное определение указанных размеров производят исходя из того, чтобы среднее давление р_т на основание под подошвой фундамента от нормативной нагрузки не превышало расчетного сопротивления грунта R_ser.

Рис. 5.6. К расчету центрально нагруженных фундаментов

Опыты показали, что давление под подошвой фунда­мента в общем случае распределяется неравномерно. Одна­ко при расчетах условно принимают, что оно распределено равномерно по одной из указанных на рис. 5.6 и 5.7а эпюр.

Рис. 5.7. К расчету внецентренно нагруженных фундаментов

а – эпюры давления грунта и пирамида продавливания; б – продавливание подколонника через фундамент при большей толщине дна стакана; в – продавливание колонны через фундамент при малой толщине дна стакана; г – продавливание колонны через фундамент его верхней грани

Размеры подошвы фундамента считаются достаточными, если

Для определения площади сечения рабочей арматуры подошвы фундамента выбирают сечения по грани колонны т по граням ступеней фундамента параллельно его сторонам и рассматривают сечения в качестве защемления консольных выступов фундаментов (рис. 5.8).

Рис. 5.8. К расчету арматуры по подошве фундамента

Продольную арматуру железобетонного подколонника рассчитывают как для внецентренно сжатого элемента коробчатого сечения (рис. 5.9 а) на уровне дна стакана (сечение 1 – 1), приводя его к двутавровому и прямоугольного сечения в месте подколонника с плитной частью фундамента (рис. 5.9).

Рис. 5.9. К расчету подколонника

Сборные фундаменты для трехшарнирных рам конструируют и рассчитывают. Особенность этих фундаментов заключается лишь в том, что стойки рам сопрягаются с ними шарнирно и в связи с необходимостью восприятия распора в плоскости рамы они делаются несимметрично, вытянутыми в направлении действия раствора (рис.5.10).

Рис. 5.10. Сборные фундаменты под трешарнирные рамы

5.4. ЛЕНТОЧНЫЕ ФУНДАМЕНТЫ

Ленточные фундаменты под конструкции разделяют на два основных вида: ленты под несущие стены (рис. 5.11) и под ряды колонн (рис. 5.12).

Рис. 5.11. Ленточные фунда­менты

а — с подушками сплошного сечения; б — с ребристыми по­душками; в — с раздвинутыми подушками; 1— блоки наружной стены; 2 — блоки внутренней стены; 3 — блоки-подушки; в — по расчету

Рис. 212. Ленточные фундаменты под ряды колонн

а — отдельные ленты продольного или поперечного направления; б — перекрестные ленты (ростверки); в — тавровое сечение с полкой понизу; г — то же, с полкой поверху; 1 — ребро; 2 — полка

Фундаменты под несущие стены проек­тируют преимущественно сборными. Они состоят из блоков-подушек трапецеидаль­ного сечения и фундаментных блоков прямоугольного сечения. По конструкции блоки-подушки могут быть сплошными (см. рис. 5.11а), ребристыми (см. рис. 5.11б), пустотными. Они могут быть постоянной и переменной толщины. Укла­дывать их можно вплотную друг к другу или с зазорами (см. рис. 5.11 в).

Рассчитывают только подушку, высту­пы которой работают как консоли, загру­женные реактивным давлением грунта. Массу подушки и грунт на ней расчетом не учитывают. Ширину подушки фунда­мента определяют делением нормативной нагрузки N на расчетное сопротивление грунта R_g на длине участка l, на котором производят расчет, исходя из гипотезы линейного распределения расчет­ного сопротивления грунта по подошве подушки. Если полученная ширина по­душки окажется меньше, чем соответ­ствующая ширина подушки из каталога, то рекомендуется применять последнюю.

Высоту подушки H принимают из расчета, чтобы не требовалось постановки поперечной арматуры, но не менее 200 мм. Армируют подушки сварными сетками, стержневой предварительно напряженной арматурой или предварительно напряжен­ными элементами.

Ленточные фундаменты под ряды: колонн могут быть сборными и моно­литными. Их возводят в виде отдельных лент продольного или поперечного нап­равления относительно рядов коле Ленты принимают таврового сечен, постоянной высоты (рис. 5.12а) с полкой понизу (рис. 5.12в), поверху (рис. 5.12г) (при грунтах высокой связности) или в виде перекрестных лент ростверков (рис. 5.126).

Толщину края полки тавра прини­мают не менее 200 мм постоянной по всей длине ленты и назначают из условия, чтобы в ней при расчете на поперечную силу не требовалось поперечной арма­туры. Выступы полки тавра работают как консоли, защемленные в ребре. При малых вылетах полку принимают постоянной высоты; при больших вылетах — перемен­ной с утолщением к ребру; отношение сторон утолщения — не более 1: 3.

В приближенных расчетах у слов допускают, что в продольном направле­нии ленточные фундаменты работают подобно многопролетным балкам тавро­вого сечения, нагруженным снизу равномерно распределенным реактивным давлением грунта и опирающимся на ко­лонны. Ребра ленты армируют как нераз­резные балки. Продольную рабочую арма­туру определяют расчетом нормальных сечений на действие изгибающих момен­тов, хомуты и отгибы — из расчета наклон­ных сечений на поперечную силу. Поперечное сечение ленты подбирают при минимально допустимых процентах арми­рования для изгибаемых элементов. Нижнюю продольную арматуру ленточ­ного фундамента укладывают в пределах, всей ее ширины; при этом 60...70% от общего сечения арматуры укладывают в пределах ребра.

В процессе возведения сооружения возможны неравномерные осадки основания и неравномерные загружения фундамента, что может вызвать опасные усилия в ребрах фундамента. С целью восприятия этих усилий в ребрах ленточ­ных фундаментов устанавливают конст­руктивную непрерывную продольную верхнюю и нижнюю арматуру при про­центе армирования 0,2 ÷ 0,4%. Полки по­душки лент армируют так же, как и подуш­ки ленточных фундаментов под сплошные несущие стены (рис. 5.13 а): при этом в полках вместо продольной распредели­тельной арматуры устанавливают 30 ÷ 40% рабочей продольной арматуры ребер. Если в полке возможно появление момента обратного знака, то предусмат­ривают верхнюю арматуру (рис. 5.13 в).

Рис. 5.13. Ленточные фундаменты

а, 6- под сплошные несущие стены; в - под рады колонн, г - промежуточный узел ростверка- 1 - пролетные каркасы; 2 - рабочая (растянутая) продольная арматура; 3 - конструктивная корытообразная сетка-4 - конструктивная арматура (вместо конструктивных сеток); 5 - рабочая арматура сетки; б - монтажная арматура; 7 - опорные каркасы; 8 - распределительная арматура

Ленточные фундаменты кроме изгиба в плоскости ряда колонн могут испыты­вать кручение в плоскости, перпенди­кулярной ряду колонн, вызываемое дав­лением ветра, заделкой в них рам и пр. Для снижения главных растягивающих напряжений при кручении целесообразно устраивать в фундаментах горизонталь­ные вуты. Если экономически выгодно, то ленточные фундаменты выполняют сборными: из подушек (см. рис. 5.11) и вертикального ребра из сборных элемен­тов. Ребра ленты монтируют по принци­пу неразрезных балок из сборного желе­зобетона.

Монолитные ленточные фундаменты армируют пространственными каркасами, собранными из плоских каркасов с помощью согнутых корытообразных или горизонтальных сеток (см. рис. 5.13 в). Ленты армируют сварными или вязаны­ми каркасами.

12