В рамках данной статьи будет изложен процесс подбора размеров подошвы столбчатого фундамента под колонны монолитного железобетонного каркаса.
Исходные данные
Параметры каркаса
В качестве примера будем рассматривать модель 4-этажного каркаса здания, размерами в осях 18х24 м.
Несущие конструкции каркаса: колонны и перекрытия. Наружные стены выполняют ограждающую функцию и не являются несущими, их собственный вес передаётся на перекрытия. На каркас действуют следующие нагрузки:
- Собственный вес;
- Вес конструкции пола и кровли;
- Вес перегородок;
- Полезная нагрузка;
- Снеговая нагрузка;
- Вес наружных стен;
- Ветровая нагрузка;
На первом этапе, расчёт здания выполняется на жёстком основании.
Инженерно-геологические условия
Таблица характеристик грунтов:
На инженерно-геологическом разрезе грунты расположены равномерно:
Подбор размеров подошвы столбчатого фундамента
Определение нагрузок на фундамент
Чтобы определить нагрузки на фундамент, применим функцию «Сбор нагрузки на фрагмент»:
Алгоритм действий при сборе нагрузок на фрагмент описан в статье https://liraserv.com/kb/101/113/. В рамках данной задачи, следует собирать нагрузки в нижние узлы колонн. Выполним статический расчёт с заданными настройками и выведем на экран мозаику нагрузок на нижние узлы колонн:
Как видно, фундамент под колоннами в осях 2-4/Б-В нагружен центрально, под колоннами в осях А/2-4, Г/2-4, 1/Б-В, 5/Б-В – внецентренно с изгибающим моментом в одной плоскости, 1/А, 1/Г, 5/А, 5/Г – внецентренно с изгибающим моментом в двух плоскостях.
Важно: п.5.6.27 СП 22.13330.2016, при расчёте внецентренно нагруженных фундаментов эпюры давлений могут быть трапециевидные и треугольные, в том числе укороченной длины, обозначающие краевой отрыв подошвы фундамента от грунта при относительном эксцентриситете е не более l/6.
Необходимо определить, какой должен быть минимальны размер подошвы фундамента в направлении действия изгибающего момента, а также выяснить: будет ли происходить отрыв подошвы фундамента. При подборе размеров подошвы фундамента следует учесть увеличение изгибающего момента для крайних и угловых колонн при действии ветровой нагрузки. Выведем на экран мозаики нагрузок на фрагмент с учётом ветровой нагрузки:
Определим величину эксцентриситета равнодействующей нагрузки:
Колонна в осях 5/А е=3.3/75.4=0.044м;
Колонна в осях 5/Б е=4.06/118=0.034м;
Определим величину эксцентриситета равнодействующей нагрузки:
Колонна в осях 1/Г е=3.69/75.4=0.049м;
Колонна в осях 2/Б е=4.48/118=0.038м;
Колонна в осях 3/Б е=4.38/115=0.038м;
Наибольшее значение эксцентриситета равнодействующей нагрузки получается для колонны в осях 1/Г – 0.049 м, определим минимальный размер подошвы фундамента, при котором трапециевидная эпюра давления переходит в треугольную l=6*e=6*0.049=0.294 м. Как видно, минимальный размер подошвы не превышает размера поперечного сечения колонны, равного 0.4 м, стало быть, при подборе размеров подошвы нет необходимости подбирать размер таким образом, чтобы не возникало отрыва подошвы фундамента от грунта. На основании вышеизложенного принимаем квадратную форму фундамента в плане, как наиболее подходящую с точки зрения удобства конструирования и унификации размеров арматурных стрежней, а также опалубки.
Выбор глубины заложения фундамента
Глубина заложения фундамента зависит от многих факторов, совокупность которых представлена в виде схемы:
В рамках рассматриваемой задачи, выберем глубину заложения исходя из следующих факторов:
1 В качестве несущего слоя выбираем ИГЭ2 (суглинок твёрдый), залегающий с глубины 1.2 м. Чтобы обеспечить заглубление фундамента в несущий слой не менее чем на 10 см, глубина заложения должна быть не менее 1.3 м;
2 Возможность морозного пучения: при наличии пылевато-глинистых грунтов в основании, принимаем глубину заложения не менее глубины промерзания, в нашем случае – 1.8 м.
Подбор размеров подошвы фундамента
При подборе размеров подошвы столбчатого фундамента, следует обеспечить условие прочности грунта, при котором среднее давление под подошвой р не превышает расчётного сопротивления грунта R, для определения которого воспользуемся возможностями системы Грунт.
Ввиду того, что величина R зависит от размеров подошвы фундамента и его глубины заложения, нам потребуется смоделировать на поверхности грунта нагрузку-штамп размерами 1х1 м, интенсивностью численно равно величине нагрузки на фундамент, исходя из предположения что давление от нагрузки равномерно распределяется по подошве площадью 1 м2.
Минимальную глубину сжимаемой толщи задаём в соответствии с указаниями п.5.6.41 СП 22.13330.2016: Hmin=b/2 при b<=10 м. Шаг триангуляции нагрузок для построения изополей задаём не более наименьшего размера подошвы фундамента. Далее следует выполнить расчёт коэффициентов упругого основания.
Важно: СП 22.13330.2016 Изм.1, п.5.1.11а При выполнении расчётов фундаментов допускается применение методики коэффициентов жёсткости с одним (вертикальным) коэффициентом постели. Применение других контактных моделей допускается при обосновании их работоспособности в данных условиях.
На основании вышесказанного принимаем для расчёта коэффициентов упругого основания метод 2.
Как видно, среднее давление под подошвой превышает расчётное сопротивление грунта, на основании чего делаем вывод, что размеры фундамента следует увеличить. Определим требуемые размеры подошвы фундамента под разные типы колонн:
Средние колонны: a=(182/42.94)^0.5=2.059м;
Крайние колонны: a=(118/42.94)^0.5=1.658м;
Средние колонны: a=(75.6/42.94)^0.5=1.3269м;
При назначении размеров фундамента, следует принимать во внимание рекомендации о модульной координации размеров по ГОСТ 28984-2011:
п.5.1 Модуль (основной модуль). Значение основного модуля для координации размеров принимают равным 100 мм и обозначают буквой «М».
п.6.5 Слагаемые (аддитивные) размеры конструктивных элементов в плане и по высоте, а также размеры парапетов, шагов и высот этажей, не требующих больших объёмно-планировочных элементов, назначают предпочтительно кратными мультимодулям 3М, 6М, 12М.
