В статье рассмотрены некоторые вопросы, связанные с производством в России сталей различных марок и их использованием для строительства металлических конструкций. Ежегодно в нашей стране для строительства расходуется стали обычной прочности а также повышенной и высокой прочности десятки миллионов т/г. Приведены важные для строительных сталей данные по химическим составам и физико-механическим характеристикам. Рассматриваются некоторые особенности, которые необходимо учесть при использовании европейских строительных сталей.
В статье рассматриваются проблемы расчета зданий и сооружений на землетрясения. Исследуются вынужденные колебания линейных и нелинейных систем с одной степенью свободы при нестационарных воздействиях. Приводятся результаты расчета многоэтажного монолитного здания в нелинейной динамической постановке на сейсмическое воздействие. Анализируются расчетные положения норм проектирования зданий и сооружений для строительства в сейсмических районах.
Решение внутренней и внешней задач Лэмба осуществляется с помощью метода конечных элементов. Исследуются плоская и пространственная модели. В качестве источников возмущений во внутренней задаче Лэмба рассматриваются центр расширения, двойная сила без момента, момент и чистый сдвиг. Временные зависимости источников возмущения приняты в виде функции Хэвисайда. Анализируются смещения на свободной границе полупространства или полуплоскости. Исследуется влияние коэффициента Пуассона. Решение осуществляется с помощью явной разностной схемы второго порядка точности.
Приведены формулы для вычисления внутренних усилий в мембранной панели, полученные на основании многовариантных расчетов, проведенных с учетом геометрической нелинейности системы и податливости опорного контура при центральном и эксцентричном креплении мембраны к опорному контуру.
В работе дается теоретическое обоснование возможности применения метода Ритца для расчета балок и плит на упругом основании, где использована идея А.И. Цейтлина для выбора координатных функций, что в ряде случаев дает возможность получить точное решение в форме бесконечного ряда. При решении интегральных уравнений применяются спектральные соотношения метода ортогональных многочленов. Рассматриваются модели упругого основания Винклера. Все расчеты выполнены в традиционной постановке, т.е. без учета влияния касательных напряжений на контакте конструкции с упругим основанием и упругой работой материалов конструкции и основания. Приведены примеры расчета для стержня и кольцевой плиты на основании Винклера.
Во второй части работы дается теоретическое обоснование возможности применения метода Ритца для расчета балок и плит на упругом основании с распределительными свойствами. При решении интегральных уравнений применяются спектральные соотношения метода ортогональных многочленов. Все расчеты выполнены в традиционной постановке, т.е. без учета влияния касательных напряжений на контакте конструкции с упругим основанием и упругой работой материалов конструкции и основания. Приведены примеры расчета для балки на упругой полуплоскости и круглой осесимметрично нагруженной плиты на упругом полупространстве.
В настоящей работе продемонстрировано применение инерционной механической динамической модели грунтовой среды, при ее практической реализации в расчете сооружения. С целью унификации оборудования расчет поэтажных спектров откликов при сейсмических воздействиях выполняется при возможно широком диапазоне вариации грунтов основания сооружения.
ФОРМИРОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ СВАЙНЫХ ФУНДАМЕНТОВ С УЧЕТОМ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ПОПЕРЕЧНЫХ СЕЧЕНИЙ И ЭФФЕКТОВ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ГРУНТОВОЙ СРЕДОЙ Страницы 63-71 УДК
Разработана расчетная модель системы сооружение-основание с учетом наиболее существенных факторов, определяющих напряженно-деформированное состояние как конструктивных элементов свайных фундаментов, так и сооружения. Полученные результаты расчетов демонстрируют хорошую сходимость по определению осадки сооружения, выполненных двумя различными методами.
→ Фундаменты
Теории изгиба балок и плит на упругом основании и условия их применимости к расчету гибких фундаментов
Для гибких фундаментов, которые в основном воспринимают изгибающие моменты, образующиеся в результате совместной работы с основанием, предположение о линейном распределении реактивных давлений оказывается неприемлемым, потому что оно зависит от жесткости фундамента и податливости грунтового основания.
Замена реальной эпюры контактных давлений линейно распределенной приводит к существенным погрешностям при определении изгибающих моментов и поперечных сил.
К гибким фундаментам можно отнести ленточные и отдельные железобетонные фундаменты, а также сплошные железобетонные плиты и некоторые типы коробчатых фундаментов.
В зависимости от вида используемого фундамента различают плоскую задачу, когда условия работы поперечного сечения фундамента одинаковы по длине. Например, ленточный фундамент под стену в поперечном сечении имеет одинаковую форму деформации по всей длине.
В условиях пространственной задачи будут находиться ленточный фундамент под колонны, принимаемый в поперечном направлении жестким, и фундаментные плиты различной формы, работающие на изгиб в двух направлениях.
В настоящее время большое распространение при проектировании гибких фундаментов получили теории расчета балок и плит на упругом основании, которые справедливы для линейно деформируемых оснований, причем наибольшее применение получили следующие методы:
1) местных деформаций с постоянным и переменными коэффициентами постели;
2) упругого полупространства;
3) упругого слоя ограниченной толщины на несжимаемом основании;
4) упругого слоя с переменным модулем деформации основания по глубине.
Эти теории исходят из предположения о совместности деформации, фундамента и грунта, т. е. считается, что перемещение фундамента в данной точке контакта равно осадке поверхности грунта.
В методе местных упругих деформаций не учитываются осадки грунта основания за пределами площади загружения, что дает возможность представить такое основание в виде системы несвязанных между собой упругих пружин (рис. 7.1, а). Такие условия работы грунтового основания не подтверждаются экспериментальными данными, которые показывают, что в реальных условиях нагружения оседают не только нагруженная поверхность, но и соседние участки грунта (рис. 7.1, б). Это ограничивает область применения данного метода на практике.
Рис. 7.1. Схемы упругого основания
Метод местных упругих деформаций используют для слабых грунтов основания, для которых можно не учитывать осадки вне зоны приложения внешней нагрузки или в случае незначительной мощности деформируемого грунта, подстилаемого скальным основанием при полупролет рассчитываемого фундамента.
С целью расширения области применения данного метода для расчета гибких фундаментов стали учитывать переменное значение коэффициента постели по длине балки в зависимости от уровня действующего реактивного давления.
Метод упругого полупространства не имеет недостатков, присущих методу местных деформаций, так как он базируется на решениях классической теории упругости, рассматривающей однородные, упругие линейно деформируемые тела.
В соответствии с этими решениями осадки основания имеют место не только на участке под гибким фундаментом, но и за его пределами (рис. 7.1, б).
Однако и метод расчета гибких фундаментов при моделировании грунтового основания упругим полупространством не свободен от некоторых недостатков. В частности, экспериментальными исследованиями было доказано, что осадки за пределами площади загружения затухают значительно быстрее, чем это происходит согласно решению задачи деформирования упругого полупространства. Это связано с тем, что исходные предпосылки теории упругости могут быть применимы к грунтам только с. некоторыми ограничениями, допускающими некоторую идеализацию реальных свойств.
Наблюдения за деформациями оснований гибких фундаментов показали, что основные деформации уплотнения грунта происходят в пределах относительно небольшой глубины. Анализ результатов таких наблюдений показал, что поверхность грунта под возводимыми зданиями и гибкими фундаментами деформируется в соответствии с расчетной схемой линейно деформируемого слоя грунта, подстилаемого несжимаемым основанием.
Основная трудность при использовании этого метода заключается в том, что не всегда точно удается установить мощность сжимаемого слоя.
Существует только два типа фундаментов, которые подходят для строительства практически любых зданий: свайный и плитный. Они позволяют возводить здания на грунтах с плохими характеристиками с минимальными затратами. Монолитную плиту в качестве фундамента стоит выбрать по многим причинам, но чтобы она была прочной и надежной необходимо выполнить ее грамотный расчет.
К достоинствам конструкции можно отнести:
- строительство на грунтах с плохими характеристиками;
- возможность возведения крупных объектов;
- возможность самостоятельной заливки;
- высокая несущая способность;
- предотвращение локальных деформаций;
- устойчивость к воздействию сил морозного пучения.
К слабым сторонам такого типа фундаментов относят:
- нецелесообразность использования на участках с уклоном;
- большой расход бетона и арматуры;
- по сравнению с готовыми элементами фундамента, устройство монолитной плиты требует дополнительного времени на набор прочности бетоном;
- сложный расчет.
Изучение характеристик грунта
Перед тем как приступить к расчету любого типа фундамента определяют характеристики основания под него. К основным и наиболее важным моментам относят:
- водонасыщенность;
- несущую способность.
При строительстве крупных объектов перед началом разработки проектной документации выполняют полноценные геологические изыскания, которые включают в себя:
- бурение скважин;
- лабораторные исследования;
- разработку отчета о характеристиках основания.
В отчете предоставляются все значения, полученные в ходе первых двух этапов. Полный комплекс геологических изысканий стоит дорого. При проектировании частного дома в нем чаще всего нет необходимости. Изучение почвы выполняются двумя методами:
- шурфы;
- скважины.
Отрывку шурфов выполняют вручную. Для этого лопатой выкапывают яму, глубиной на 50 см ниже предполагаемой отметки подошвы фундамента. Почву изучают по срезу, определяют примерно тип несущего слоя и наличие в нем воды. Если грунт слишком насыщен водой, рекомендуется остановиться на свайных опорах под здание.
Второй вариант изучения характеристик основания под дом выполняют ручным буром. Анализ проводят по кускам почвы на лопастях.
Важно! При проведении мероприятий необходимо выбирать несколько точек для изучения. Они должны располагаться под пятном застройки. Это позволит наиболее тщательно изучить тип почвы.
Определившись с основанием, для него выясняют оптимальное удельное давление на грунт. Величина потребуется в дальнейшем расчете, пример которого представлен далее. Значение принимают по таблице.
*При данном типе грунта основания более экономичным может оказаться ленточный вариант, поэтому нужно рассчитать смету на два типа фундамента и выбрать тот, который будет стоить дешевле.
Расчет толщины плиты
Для различных нагрузок, коэффициент отличается и находится в пределах 1,05-1,4. Точные значения также приведены в таблице. Для фундамента из бетона по монолитной технологии принимают коэффициент 1,3.
Важно! Если уклон кровли составляет более 60 градусов, снеговую нагрузку в расчете не учитывают, поскольку при такой крутизне ската, снег не скапливается на нем.
Общую площадь всех конструкций умножают на массу, приведенную в таблице и коэффициент, после чего, складывая, получают суммарный вес дома без учета фундаментов.
Основная формула для вычислений имеет следующий вид:
где P1 -удельная нагрузка на грунт без учета фундамента, M1 — суммарная нагрузка от дома, полученная при сборе нагрузок, S — площадь плиты из бетона.
где P — табличное значение несущей способности грунта.
где М2 — требуемая масса фундамента (больше этой массы строить фундамент нельзя), S — площадь плиты из бетона.
Следующая формула:
t = (М2/2500)/S,
где t — толщина заливки бетона, а 2500 кг/м 3 — плотность одного кубического метра железобетонного фундамента.
Далее толщина округляется до ближайшей большей и меньшей величины кратной 5 см. После выполняется проверка, при которой разница между расчетным и оптимальным давлением на грунт не должна превышать 25% в любую сторону.
Совет! Если при расчете получается, что толщина слоя бетона превышает 350 мм, рекомендуется рассмотреть такие типы конструкции как ленточный фундамент, столбчатый или плита с ребрами жесткости.
Помимо толщины потребуется подобрать подходящий диаметр армирования, а также выполнить расчет количества арматуры для бетона.
Важно! Если в результате расчета у вас получится толщина плиты более 35 см, это указывает на то, что плитный фундамент избыточен в данных условиях, нужно посчитать ленточный и свайный фундаменты, возможно они окажутся дешевле. Если же толщина вышла меньше 15 см, значит здание слишком тяжелое для данного грунта и нужен точный расчет и геологические исследования.
Пример расчета
Пример предусматривает следующие исходные данные:
- одноэтажный дом с мансардой размерами в плане 8 м на 10 м;
- стены выполнены из силикатного кирпича толщиной 380 мм, общая площадь стен (4 наружных высотой 4,5 м) равняется 162 м²;
- площадь внутренних перегородок из гипсокартона равняется 100 м²;
- кровля металлическая (четырехскатная, уклон 30ᵒ), площадь равняется 8 м * 10 м/cosα (угол наклона кровли) = 8 м * 10 м/0,87 = 91 м² (также понадобится при вычислении снеговой нагрузки);
- тип грунта — суглинок, несущая способность = 0,32 кг/см² (получено при геологических изысканиях);
- перекрытия деревянные, общей площадью 160 м 2 (также понадобится при вычислении полезной нагрузки).
Сбор нагрузок на фундамент выполняется в табличной форме:
Площадь плиты под здание принимается с учетом того, что ширина плиты больше, чем ширина дома на 10 см. S = 810 см * 1010 см = 818100 см² = 81,81 м 2 .
Удельная нагрузка на грунт от дома = 210696 кг/818100 см 2 = 0,26 кг/см 2 .
Δ = 0,32 — 0,26 = 0,06 кг/см 2 .
М = Δ*S = 0,06 кг/см 2 * 818100 см 2 = 49086 кг.
t = (49086 кг/2500 м 3)/81,81 м 2 = 0,24 м = 24 см.
Толщину плиты можно принять 20 см или 25 см.
Выполняем проверку для 20 см:
- 0,2 м * 81,81 м 2 =16,36 м 3 — объем плиты;
- 16,36 м 3 * 2500 кг/м 3 = 40905 кг — масса плиты;
- 251601 кг/ 818100 см 2 = 0,31 кг/см² — фактическое давление на грунт меньше оптимального не более чем на 25 %;
- (0,32-0,31)*100%/0,32 = 3% < 25%(максимальная разница).
Проверять фундамент большей толщины уже нет смысла, поскольку требующий меньшего расхода бетона и арматуры размер удовлетворил требованиям. На этом пример расчета толщины завершен. Принимаем плиту толщиной 20 см. Следующим этапом станет расчет армирования и количества арматуры.
Арматура для плитной конструкции подбирается в зависимости от толщины. Если плита с толщиной бетона толщиной 150 см и менее, укладывают одну сетку армирования. Если толщина бетона составляет более 150 мм, необходима укладка арматуры в два слоя (нижний и верхний). Диаметр рабочих стержней 12-16 мм (самый распространенный 14 мм). В качестве вертикальных хомутов устанавливают стержни арматуры с размерами сечения 8-10 мм.
По хорошему плиту нужно рассчитывать и на изгибающие нагрузки, но эти расчеты сложны и выполняются профессионалами на специальном ПО. Чтобы точно понять какой диаметр арматуры и ее шаг необходим в вашем случае, нужно проводить точные вычисления, либо закладывать арматуру с большим запасом по прочности и минимальным шагом, соответственно сильно переплачивая.
Расчет арматуры
Вычисление количества арматуры для рассчитанной выше плиты:
- плита толщиной 20 см — две рабочих сетки;
- диаметр стержней — 12 мм, шаг — 150 мм;
- стержни укладываются так, чтобы обеспечить защитный слой бетона с каждой стороны 0,02-0,03 м. Длина стержней в примере = 8,1 м — 0,02*2 = 8,06 м и 10,06 м;
- количество стержней в одном направлении = (8,1 м (длина стороны)/0,15 м (шаг) + 1) *2 (два слоя) = 110 шт;
- количество стержней в другом направлении = (10,1 м (длина стороны)/0,15 м (шаг) + 1)*2 (два слоя) = 136 шт;
- общая длина стержней = 110*8,06 + 136*10,06 = 886,6 м + 1368,16 = 2254,76 м;
- общая масса арматуры 2254,76 м * 0,888 кг/м = 2002, 2 кг.
При покупке необходимо предусмотреть запас 3-5%, чтобы избежать необходимости докупать материал. Также потребуется рассчитать объем бетона. В рассматриваемом случае он равен: 8,1м*10,1м*0,2м = 16,36 м³. Это значение потребуется при заказе бетонной смеси.
Упрощенный расчет толщины фундаментной плиты и количества материалов на нее — несложная задача, которая не потребует большого количества времени. Но выполнение этого этапа позволит обеспечить надежность без перерасхода материалов, что сэкономит нервы и деньги будущего владельца дома.
Важно! Данная статья носит исключительно ознакомительный характер. Для точного расчета фундамента необходимо геологическое исследование. Доверяйте расчет только профессионалам.
Совет! Если вам нужны подрядчики, есть очень удобный сервис по их подбору. Просто отправьте в форме ниже подробное описание работ которые нужно выполнить и к вам на почту придут предложения с ценами от строительных бригад и фирм. Вы сможете посмотреть отзывы о каждой из них и фотографии с примерами работ. Это БЕСПЛАТНО и ни к чему не обязывает.Программа Плита построена на методе конечных элементов, однако пользователь видит это лишь в сетчатых картинках на поле плиты, разбивка на элементы происходит без его участия. Пользователь определяет геометрию плиты, нагрузки, опоры, расставляет сваи, как это делается на листе бумаги или в AUTOCAD, с помощью курсора мышки и щелчка по кнопке. Процедура задания исходных данных в программе приносит удовольствие своей простотой, не требует специальных навыков работы с компьютером, даже опыта расчета конструкций. Тем не менее, работать должен опытный расчетчик. Программа Плита только удобный инструмент, расчетная схема всегда только математическая модель, которую можно изменять, добиваясь требуемого результата.
В результате расчета на программе Плита выводятся цветные поля перемещений, напряжений и армирования плиты с палитрами по значениям цвета. Вычерчиваются поля продольной и поперечной арматуры, производится расчет на продавливание точечной нагрузкой и опорой (колонной, сваей). Производится расчет осадки и крена. Пользователь Плиты одним расчетом получает полный спектр результатов, требуемый для проектирования плиты.
Программа Плита позволяет рассчитать плоские железобетонные плиты произвольной геометрии в плане, с ребрами жесткости, утолщениями и дырами, любым типом нагрузок, на основании в виде косых слоев грунта, свай рассчитываемой программно жесткости, колоннах или опорах произвольной конфигурации. Возможен учет карстовых явлений в виде воронок, которые следует просто нарисовать, автоматически рассчитывается коэффициент постели по 5 различным методикам, пользователю предлагается только выбрать метод. Имеется множество мелких удобств, которые можно оценить, лишь начав работать с программой.
Возможности программы: