Порядок расчета характеристик внецентренно нагруженного фундамента

• Внецентренно нагруженный фундамент и его основные характеристики
• Отличие внецентренно нагруженного фундамента от других типов
• Расчет внецентренно нагруженного фундамента: начало работ
• Определение характеристик фундамента
• Определение соотношения между характеристиками фундамента и интенсивностью воздействия внешних факторов
• Формулы, используемые при расчете
• Пример расчета

Внецентренно нагруженный фундамент и его основные характеристики

Типы фундаментов, используемые в строительстве, различаются в зависимости от характера конструкций, которые планируется организовывать на их основании.

Внецентренно нагруженный фундамент требует усиления края несущей конструкции, так как основная нагрузка в подобном строении приходится именно на край.

Такая ситуация влечет за собой определенную степень неустойчивости конструкции, которая должна быть учтена и скорректирована в ходе осуществления проектных работ: например, посредством использования такой технологии, как армирование.

Отличие внецентренно нагруженного фундамента от других типов

Основное отличие центрально нагруженного фундамента от внецентренно нагруженного в различных вариантах, включая использование такой технологии, как армирование, заключается в том, что в последнем случае максимальная нагрузка приходится на край несущей конструкции, что обусловливает дополнительные требования к ее несущей способности. В некоторых случаях такую способность необходимо усиливать для придания конструкции достаточной устойчивости, обеспечивающей возможность возведения на этом основании планирующегося к строительству здания.

Например, осуществить это усиление можно, прибегнув к армированию подошвы фундамента или установив колонну. Однако нужно понимать, что конструкции армируются в случае, если этого требует ситуация. Таким же образом складывается ситуация, если решено установить колонну: конкретный способ усиления несущей способности внецентренно нагруженного фундамента и необходимость его использования должна быть осуществлена непосредственно в ходе проектных работ после того, как произведен необходимый расчет.

Расчет внецентренно нагруженного фундамента: начало работ

Схема внецентренно нагруженного свайного фундамента.

В целом порядок осуществления таких расчетов можно описать в виде алгоритма, состоящего из нескольких ключевых шагов. При этом проектирование должно вестись с учетом, что проектировщику необходимо тщательно следить не только за тем, чтобы все перечисленные этапы были произведены в ходе расчетов, но и за соблюдением их последовательности, поскольку нарушение одного из этих условий может привести к существенным ошибкам в проектировании. Такие ошибки, в свою очередь, повлекут за собой несоответствие фактических параметров спроектированного здания запланированным. Это потребует использования дополнительных дорогостоящих технологий, включая например, армирование.

Расчет внецентренно нагруженного фундамента должен начинаться с определения сил, действующих по периметру фундамента. Для удобства осуществления таких расчетов их обыкновенно приводят к конечному числу результирующих, которые отражают характер и интенсивность внешнего воздействия нагрузок на фундамент. При этом необходимо найти точки приложения результирующих сил к плоскости подошвы несущей строительной конструкции.

Определение характеристик фундамента

Второй этап представляет собой расчет характеристик самого фундамента. В частности, расчет площади несущей конструкции должен стать первым шагом в рамках алгоритма, аналогичного расчету площади центрального нагруженного фундамента, которая впоследствии будет скорректирована с учетом фактического характера нагрузок на конструкцию.

Схема не симметричного свайного фундамента с определением смещенного центра тяжести.

На этом этапе потребуется расчет эпюры давления грунта, которая представляют собой количественные характеристики степени интенсивности воздействия, оказываемого грунтом на фундаментальную конструкцию. На практике эпюра давления грунта может оказаться как однозначной, так и двузначной. Однако следует иметь в виду, что специалисты рекомендуют стремиться к тому, чтобы эпюра была однозначной, поскольку в этом случае вероятность отрыва подошвы несущей строительной конструкции от грунта оказывается более низкой.

Необходимо осуществить расчет характеристик давления на подошву рассчитываемого фундамента на предмет соотношения между максимальной и минимальной нагрузкой, предусмотренной в отношении указанной несущей строительной конструкции разработанным проектом. Так, одним из соотношений, которые надлежит принять во внимание, является частное от деления минимального и максимального значения напряжения, фиксируемого под подошвой внецентренно нагруженной фундаментальной конструкции.

Согласно действующим нормам, соотношение между указанными показателями зависит не только от характеристик здания, которое планируется к возведению на рассматриваемой строительной площадке, и воздействия природных факторов на рассчитываемую конструкцию, но и от наличия строительной техники на площадке.

Эпюры давлений под подошвой фундамента при действии внецентренной нагрузки.

Так, если в процессе строительства планируется организация крановой нагрузки на внецентренно нагруженную фундаментальную конструкцию, частное от деления минимального и максимального значения напряжения, фиксируемого под ее подошвой, должно быть не менее 0,25. Допускается также расчет значения, равного указанной величине. Если же воздействия строительной техники на рассматриваемый фундамент в процессе строительства не предусмотрено, достаточно того, чтобы указанное соотношение было больше 0. По аналогии с предыдущей рассмотренной ситуацией, допускается расчет значения, равного указанной величине.

Отрыв подошвы фундамента от грунта, в котором она устроена, чреват самыми неблагоприятными последствиями. При этом их перечень не исчерпывается снижением устойчивости здания, связанного непосредственно с самим фактом отсутствия полного прилегания 2-х рассматриваемых плоскостей. Дело в том, что наличие зазора между поверхностью несущей строительной конструкции и прилегающим грунтом обеспечивает возможность попадания воды в имеющуюся полость, что, в свою очередь, может повлечь за собой общее нарушение первоначальных свойств фундамента.

Определение соотношения между характеристиками фундамента и интенсивностью воздействия внешних факторов

Наконец, третьим этапом проектных работ, в ходе которых осуществляется расчет внецентренно нагруженного фундамента, является сопоставление характеристик разработанной несущей строительной конструкции с интенсивностью воздействия внешних сил на нее в процессе функционирования. Речь идет о том, чтобы осуществить расчет сопротивления грунта и сопоставить его с допустимым давлением на поверхность подошвы фундамента. Необходимо принимать во внимание следующие основные виды соотношений:

Схема центрально нагруженного фундамента.

• расчет соотношения между максимальным значением напряжения, фиксируемого под подошвой несущей строительной конструкции, и расчетным значением сопротивления грунта на строительной площадке, где планируется возведение здания. Поскольку при использовании внецентренно нагруженного фундамента максимальное напряжение фиксируется лишь на отдельных участках поверхности конструкции, наибольшее допустимое сопротивление грунта принимается в пределах, на 20% превышающих стандартные расчетные показатели. Таким образом, необходимо следить за тем, чтобы максимальное значение напряжения, фиксируемого под подошвой несущей строительной конструкции, составляло не более 1,2 расчетного сопротивления грунта. Кроме того, допускается наличие значения, равного указанной величине;
• расчет соотношения между средним значением напряжения, фиксируемого под подошвой внецентренно нагруженного фундамента, и расчетным значением сопротивления грунта, воздействующего на указанную несущую строительную конструкцию. Поскольку речь идет о среднем значении напряжения, которое испытывает строительная конструкция, то в ходе осуществления проектных работ необходимо обеспечить достаточную степень устойчивости фундамента по отношению к нагрузкам. По этой причине проектирование должно осуществляться с учетом того, чтобы среднее значение напряжения под подошвой рассматриваемой несущей строительной конструкции не превышало расчетного значения сопротивления грунта. При этом допускается наличие значения, равного указанной величине.

Фундаменты зданий внецентренно нагруженные необходимо дополнительно армировать не только в том месте где будет основная нагрузка, но и рядом.

Таковы основные этапы проектных работ, которые должны быть реализованы в ходе расчета основных характеристик фундамента. Важно иметь в виду, что все перечисленные соотношения и ограничения должны быть тщательно проверены проектировщиком на предмет их соблюдения, поскольку нарушение этих норм может привести к самым неблагоприятным последствиям, включая полное или частичное разрушение здания. В этом случае потребуются дополнительные меры по усилению конструкции, например армирование. Кроме того, необходимо максимально тщательным образом учесть весь спектр факторов, которые будут оказывать влияние на рассматриваемую несущую строительную конструкцию как в процессе ее возведения, так и в ходе дальнейшей эксплуатации.

Лишь максимально полный учет всех факторов, оказывающих влияние на формирование и использование фундаментальной конструкции, позволит обеспечить ей нужный запас прочности, гарантирующий длительный срок службы возведенного строения, основанного на внецентренно нагруженном фундаменте. При этом в современных условиях высокой конкуренции на рынке недвижимости требование максимальной протяженности срока службы жилья или коммерческого здания является одним из основных при осуществлении строительных работ.

http://www.youtube.com/watch?v=XuPrGbUi3x8

Формулы, используемые при расчете

Расчет внецентренно нагруженного фундамента требует использования нескольких ключевых формул, которые демонстрируют соотношение между показателями, использующимися для расчета этой несущей строительной конструкции. Так, одной из основных формул, используемых для того, чтобы осуществить расчет площади поверхности фундамента, является следующая: Аф=N/(R-Byd), где N – это внешняя нагрузка на площадь поверхности, соответствующая величине коэффициента надежности по нагрузке при y=1, R – расчетное значение сопротивления грунта основания конструкции, В – коэффициент, который учитывает меньшую величину удельного веса почвы, лежащей на обрезах конструкции, по сравнению с удельным весом строительного материала у, использованного при закладке фундамента, d – глубина заложения фундамента. На практике при осуществлении расчетов в рамках проведения проектных работ Ву обыкновенно принимают равным 20 кН/м?.

Формула для расчета площади фундамента.

Вторая формула служит для того, чтобы осуществить расчет величины расчетного сопротивления грунта R, которое определяется следующим образом: R=(y1*y2/k)*(M°k?by+M?d‚y?+(M?-1)d„y?+M?c). В указанной формуле y1 и y2 представляют собой коэффициенты условий взаимодействия грунтового основания и самого строения с фундаментом, k – коэффициент, показывающий, каким образом получены параметры, характеризующие образцы грунта. Если эти параметры были получены по данным испытаний, коэффициент k принимается равным 1; если же они были получены по косвенным данным – 1,1.

M°, M?, M? – коэффициенты, не имеющие определенной размерности, которые зависят от угла внутреннего трения. k? – коэффициент, зависящий от значения параметра b, характеризующего меньшую сторону фундамента. Если значение b составляет менее 10 м, коэффициент k? принимает значение 1, если b больше или равно 10 м, k? будет рассчитываться как a/b+0,2. y представляет собой среднее значение расчетного веса грунта, который залегает ниже подошвы фундамента, y? – среднее значение расчетного веса грунта, который залегает выше фундаментальной конструкци.

Схема бурения скважины под фундамент.

Параметр d‚ отражает глубину заложения фундамента в случае, если рассматриваемое здание не имеет подвала, а d„ – глубину подвала в случае его наличия. Наконец, показатель с представляет собой один из параметров, характеризующих грунт: в частности, он отражает расчетное удельное сцепление грунта, который залегает непосредственно под подошвой фундамента.

Третья важная формула определяет величину давления под подошвой внецентренно нагруженного фундамента: pmax=N/Aф+M/W, pmin=N/Aф-M/W. В указанной формуле параметр N отражает вертикальную силу, воздействующую на фундамент, Aф представляет собой площадь поверхности указанной несущей строительной конструкции, М – момент, присутствующий на поверхности конструкции, а W – момент, отражающий величину сопротивления на поверхности фундамента.

Наконец, проектирование внецентренно нагруженного фундамента требует учитывать, что необходимо не просто осуществить расчет необходимых показателей, но и соблюсти требуемое соотношение между ними. В частности, такие соотношения устанавливаются формулами pmax<1,2R, pmin>0. Кроме того, допускается наличие соотношения, при котором pmax=1,2R.

Пример расчета

Приведем пример расчета внецентренно нагруженного фундамента с использованием указанных формул. Так, предположим, что речь идет о необходимости проектирования фундамента для здания высотой 20,5 и длиной 80 м. Вертикальная сила, воздействующая на несущую строительную конструкцию, составляет 2,0 НМ, условное расчетное сопротивление грунта – 0,25 МПа, глубина заложения несущей конструкции – 1,5 м. При этом, в соответствии с принятой практикой, значение коэффициента Ву примем равным 20 кН/м?.

Схема сплошного плитного фундамента.

В результате получим следующее расчетное значение площади фундаментальной конструкции: Аф=2,0/(0,25-0,02*1,5)=9,09 м?. Поскольку мы рассматриваем внецентренно нагруженный фундамент, следует увеличить его площадь примерно на 20% для придания дополнительной способности сопротивления нагрузкам. Таким образом, итоговая площадь фундамента составит 9,09*1,2=10,91 м?.

Теперь необходимо определить соотношение сторон фундамента. Специалисты обыкновенно рекомендуют придавать внецентренно нагруженной несущей строительной конструкци прямоугольную форму, поэтому допустимое соотношение сторон этой фигуры может быть установлено на уровне 1:1,5. В этом случае длина короткой стороны может быть рассчитана как квадратный корень из частного 10,91/1,5, что составит 2,70 м. Соответственно, длинная сторона основания будет равна 2,7*1,5=4,05 м.

Затем следует определить сопротивление грунта, применимое по отношению к рассматриваемой фундаментальной конструкции, воспользовавшись приведенной выше формулой R=(y1*y2/k)*(M°k?by+M?d‚y?+(M?-1)d„y?+M?c). Значения коэффициентов M°, M?, M? можно найти в специальных таблицах: они составят соответственно 0,98, 4,93 и 7,40. Коэффициенты y1 и y2 определяются на основании соотношения между высотой и длиной здания: по данным специальных таблиц, они составляют соответственно 1,1 и 1,0.

Схема свайного монолитного фундамента.

Допустим, что характеристики почвы были установлены в ходе проведенных испытаний, поэтому коэффициент k равен 1. Поскольку значение b, равное 2,7, не превышает 10 м, коэффициент k? будет равен 1. Среднее значение удельного веса грунта, залегающего ниже фундамента, установлено на отметке 0,0185 МН/м?. Удельное сцепление грунта под подошвой несущей строительной конструкции составляет 0,0037 МПа.

Таким образом, мы можем вычислить расчетное значение сопротивления грунта R=(1,1*1,0/1,0)*(0,98*1*2,7*0,0185+4,93*1,5*0,0185+7,40*0,0037)=0,2М Па. Теперь необходимо выяснить, соблюдается ли требуемое соотношение между давлением непосредственно под подошвой внецентренно нагруженного фундамента и сопротивлением грунта.

Максимальное значение давления под подошвой рассчитаем по формуле pmax=N/Aф+M/W. Пусть момент, присутствующий на поверхности конструкции, равен 2,2 НМ, а момент, отражающий величину сопротивления на поверхности фундамента, – 50 НМ. Таким образом, значение максимального давления pmax=2,0/10,91+2,2/50=0,23 МПа. Минимальное давление под подошвой фундамента будет рассчитано следующим образом: pmin=2,0/10,91-2,2/50=0,14 МПа.

Осталось проверить соотношение между полученными показателями и расчетным давлением грунта. Так, pmax=0,23 МПа, R=0,2 МПа. Таким образом, pmax<1,2R, то есть условие соблюдается. pmin=0,14 МПа, то есть pmin>0, что свидетельствует о соблюдении второго необходимого условия.