В рамках данной статьи рассматривается расчёт фундамента под конструкцию пожарного резервуара, обеспечивающего пожарную безопасность проектируемого дома культуры.
Исходные данные
Резервуар РВС-300 полной заводской готовности.
Необходимо рассчитать фундамент под резервуар. Инженерно-геологические условия площадки строительства представлены на рисунке:
Принимается решение о проектировании свайного фундамента, объединённого монолитным ростверком.
Моделирование фундамента в САПФИР
Расстановка свай
Поскольку резервуар имеет округлую форму в плане, сваи будем располагать по концентрическим окружностям, для чего выполним предварительную разметку:
Сваи принимаются квадратного сечения, размером 300х300 мм, длиной 6 м. Первая свая будет расположена в центре фундамента, остальные устанавливаются с равномерным шагом по окружностям. Для расстановки свай можно воспользоваться соответствующей командой, включив режим построения по окружности:
Указав траекторию, устанавливаем необходимое количество свай – для первого ряда 6 шт., для второго, третьего и четвёртого рядов – 12 шт. Третий ряд свай должен быть повёрнут по часовой стрелке, или против неё, на 15 градусов:
Выполнив расстановку свай, отметим созданные объекты и включим режим вычисления жёсткости свай по грунту:
Также, зададим число участков разбиения равным 24, исходя из максимально допустимой длины участка сваи между КЭ57 – 0.25 м, в соответствии с п. Б.6 СП 24.13330.2021. В свойствах свай, также настроим формирование АЖТ в перпендикулярных элементах, чтобы получить АЖТ по контуру сваи в росверке.
Построение ростверка
Ростверк моделируется при помощи команды «Плита», режим построения – по окружности. Размер ростверка в плане задаётся таким, чтобы между краем ростверка и сваей оставалось расстояние равное 150 мм. В настройках ростверка задаём шаг триангуляции равный 0.15 м (половина ширины сечения сваи). Толщина ростверка принимается равной 600 мм.
Зайдём в настройки материалов и отредактируем параметры плиты в соответствии с указаниями СП 63.13330.2018:
Минимальный процент армирования – 0.1%, в соответствии с указаниями п.10.3.6 СП 63.13330.2018. Максимальный процент армирования определяется по формуле Ksi_R*Rb/Rs=2.2 %, для бетона В25 и арматуры А400.
Расстояние до центра тяжести арматуры назначается исходя из следующих предпосылок:
- защитный слой бетона по таблице 10.1, СП 63.13330.2018, должен составлять не менее 40 мм;
- диаметр арматуры предварительно назначается исходя из минимального процента армирования h*100см*%min*(S/100 см), где h = 60 см – высота ростверка, S = 20 см – шаг стержней (предварительный). Получаем As=60*100*0.001*(20/100)=1.2 см2, что соответствует диаметру стержня 14 мм, площадью 1.54 см2;
На основании вышеизложенного, расстояние до центра тяжести арматуры принимаем равным 4+1.4/2=4.7 см – для первого ряда стержней и 4.7+1.4=6.1 см – для второго ряда стержней.
Максимально допустимая ширина раскрытия трещин принимается в соответствии с указаниями п.8.2.6 б) СП 63.13330.2018, равной 0.2 мм – при продолжительном раскрытии трещин и 0.3 мм – при непродолжительном раскрытии трещин. Класс бетона принимаем В25, с трёхлинейной диаграммой работы материала.
Сбор и приложение нагрузок
Нагрузки от резервуара прикладываются в соответствии с техническим заданием от завода-изготовителя, также, при сборе нагрузок, будем руководствоваться указаниями документа «Типовой проект 704-1-251 с.92 Резервуар стальной вертикальный цилиндрический для хранения мазута ёмкостью 300 куб.м».
На конструкцию будут действовать следующие нагрузки:
1 Собственный вес фундамента;
2 Вес резервуара (принимается по заданию от изготовителя как вес конструкций и изолирующих материалов);
3 Вес воды (принимается по заданию от изготовителя резервуара);
4 Снеговая нагрузка;
5 Ветровая нагрузка;
Создадим список загружений в ПК САПФИР:
Выполним приложение нагрузок к конструкции. Собственный вес конструкций фундамента прикладывается автоматически.
Вес резервуара
Принимаем вес резервуара в соответствии с данными от изготовителя – 16.109 т. Будем считать, что вес равномерно распределяется по окружности. Диаметр резервуара 7.58 м, длина окружности 3.14*7.58=23.8 м. Распределённая нагрузка q=16.109/23.8=0.6768 т/м.
Коэффициент надёжности по нагрузке принимаем равным 1.05, в соответствии с таблицей 8.2 СП 20.13330.2016, для веса стационарного оборудования.
Вес воды
Заполнителем противопожарного резервуара является вода. Нагрузку от веса воды принимаем, также, по заданию изготовителя резервуара, равной 7.63 т/м2. Данная нагрузка прикладывается по всей площади резервуара, при помощи команды нагрузка-штамп. Коэффициент надёжности принимается равным 1, в соответствии с таблицей 8.2 СП 20.13330.2016, для веса заполнителя (жидкость).
Снеговая нагрузка
Вес снегового покрова собирается с поверхности кровли резервуара и прикладывается по его периметру как равномерно распределённая нагрузка. Нормативное значение снеговой нагрузки для г. Тюмени равно 0.15 т/м2. Площадь резервуара S=3.14*7.58^2/4=45.1 м2. Суммарная снеговая нагрузка на кровлю резервуара 0.15*45.1=6.77 т. Распределённая нагрузка 6.77/23.8=0.284 т/м.
Ветровая нагрузка
Значение ветровой нагрузки принимаем по заданию изготовителя, а также в соответствии с таблицей 1 документа «Типовой проект 704-1-251 с.92»:
Принимаем максимальное значение нагрузки 0.45 т/м, минимальное значение -0.45 т/м. Переменную нагрузку можно приложить по дуге, длина которой равна половине окружности.
Пример приложения нагрузки показан в видео https://vk.com/lirasaprtraining?z=video-155257826_456239379%2F5a3f22bdbecd1f4ff6%2Fpl_post_-155257826_7349. После приложения нагрузки, следует создать её зеркальную копию.
Составление таблиц РСУ и РСН, настройка вариантов конструирования
Составим таблицу расчётных сочетаний усилий:
Коэффициент надёжности по нагрузке для собственного веса воды принимается равным 1 в соответствии с таблицей 8.2 СП 20.13330.2016. Загружению №5 (Ветер) назначается свойство знакопеременности. После настройки свойств загружений, следует перейти на закладки РСН и РСУ и нажать «Сгенерировать», созданные таблицы автоматически будут переданы в Визор, при создании расчётной модели.
Зайдём в окно вариантов конструирования и настроим расчёт сечений по РСУ:
Подключение модели грунта
После построения всех объектов, выполним подключение модели грунта:
После импорта грунта, следует отметить появившийся объект и в его параметрах назначить метод расчёта «Метод 2» и нормативный документ «СП 22.13330».
Следующим этапом необходимо выполнить «посадку» проектируемого сооружения на грунт, правильно задав высотные отметки. По умолчанию, отметка устья самой верхней скважины будет совпадать с отметкой нуля здания в САПФИРе, нам необходимо понизить уровень грунта так, чтобы ростверк возвышался над землёй. С учётом того, что уровень нуля совпадает с верхом плиты, разница между отметками должна составить 1.69 м, поэтому координату Z модели грунта следует увеличить 62.49+1.69=64.18 м.
После выполнения всех вышеперечисленных настроек можно создавать расчётную модель.
Расчёт модели в ПК ЛИРА САПФИР
Дополнительные настройки модели
После создания расчётной модели и экспорта её в Визор, выполним визуальную проверку наличия всех конструктивных элементов, а также правильности приложения нагрузок, после чего необходимо произвести дополнительную настройку свайного фундамента:
В диалоговом окне «Группы свайного поля» включим расчёт жёсткости по модели условного фундамента. Также, необходимо задать начальную нагрузку на сваю, равную сумме всех нагрузок, отнесённой к количеству свай: 474.796/43=11.042 т. Сумму нагрузок можно определить в окне суммирования нагрузок, по РСН, а количество свай можно посмотреть в диалоговом окне задания нагрузок на сваю. Радиус условного фундамента Rусл, назначаем равным 0.5*а, где а – шаг свай в плане.
Включенный режим "У" запускает учет влияния при расчёте на вертикальные и горизонтальные нагрузки, но если используется модель условного фундамента (УФ), то «У» учтёт взаимовлияние только по горизонтали, потому что для УФ взаимовлияние по вертикали производится на уровне площадных нагрузок в Грунте.
После задания необходимых настроек переходим в модель грунта, где убеждаемся, что заданные в Визоре сваи импортированы как сваи с «пятном» нагрузки под пятой, в чём также можно убедиться, посмотрев на инженерно-геологический разрез:
Поскольку верхний конец сваи выше отметки рельефа, программа показывает на экране подсыпку грунта от верхнего конца сваи до отметки рельефа – это условное графическое изображение, на результаты расчёта подсыпка не повлияет (в этом можно убедиться на "Результат в точке" по эпюре бытового давления - она будет строиться от поверхности рельефа, а не от верха подсыпки). Зайдём в диалоговое окно параметров расчёта системы Грунт и зададим минимальную глубину сжимаемой толщи в соответствии с п 5.6.41 Hc_min=b/2=9.3/2=4.65 м.
Выполним расчёт коэффициентов постели методом 2 и проверим результаты определения глубины сжимаемой толщи:
Как видно, эпюра бытового давления строится от поверхности рельефа, и подсыпка под верхним концом сваи не участвует в расчёте. Максимальная глубина сжимаемой толщи составит 4.7 м – это значение принимаем в качестве минимальной глубины сжимаемой толщи в настройках расчёта:
После выполнения вышеуказанных настроек, можно приступать к уточнению жёсткостей свай.
Итерационный расчёт жёсткостей свай
Выполним расчёт жёсткостей свай и выведем на экран мозаику Rz для КЭ57:
Как видно, значения Rz в верхней части сваи равны нулю, а значит этот участок ствола выключен из работы. Выполним МКЭ расчёт и приложим отпор грунта по результатам расчёта РСН:
Проведём вторую итерацию расчёта жёсткостей свай, сопоставим значения Rz и убедимся, что однократного приложения отпора грунта оказалось достаточно:
После завершения итераций выполняем полный расчёт схемы.
Проверка осадок
Для проверки осадок фундамента создадим комбинацию нагрузок, в которую будут входить нормативные нагрузки с учётом длительности действия:
Выполним расчёт РСН и выведем на экран мозаику перемещений по Z для второй комбинации:
Предельные значения осадок принимаем по заданию изготовителя, а также в соответствии с таблицей 2 документа «Типовой проект 704-1-251 с.92»:
Как видно, требования по предельным деформациям резервуара выполняются.
Проверка несущей способности свай
Выведем на экран мозаику относительной несущей способности свай, для основного сочетания нагрузок:
Коэффициент надёжности по грунту должен быть равен 1.4, так как несущая способность сваи определяется по формулам СП 24.13330.2021.
Как видно, все значения на мозаике меньше единицы, это означает что несущей способности свай достаточно для восприятия нагрузки от резервуара.
Подбор арматуры
Выведем на экран мозаики армирования ростверка.
Как видно, программа подбирает арматуру по минимальному проценту армирования – s200d14. Выполним проверку ростверка на продавливание сваями, для этого, сначала, найдём на схеме наиболее нагруженные сваи:
Как видно, наиболее нагруженными являются только наружные сваи, стало быть проверку продавливания будем выполнять для них. Выведем на экран мозаику коэффициентов несущей способности для продавливания.
По результатам видно, что прочность ростверка на продавливание обеспечена с многократным запасом, благодаря чему, поперечную арматуру можно устанавливать только из конструктивных соображений. Полученные результаты можно использовать при формировании задания на выполнение чертежей.