Проектирование несущих конструкций подземной части здания

1. Расчет и конструирование свайного фундамента под колонну

1.1 Исходные данные на проектирование

свая колонна ростверка фундамент

Здание выполняется как каркасное из монолитного железобетона с подземной частью в 4 этажа высотой 2,8 м. Этажи с 1 по 12 имеют высоту 4,2 м. Подземная часть выполняется с помощью стены в грунте, горизонтальной опорой которой являются замкнутые в плане диски перекрытий. Колонны (сваи-колонны) подземной части здания выполняются с поверхности грунта как буронабивные сваи диаметром 300 и 600 мм. Фундаменты выполняются как свайные, отдельно стоящие ростверки, затем объединенные в ростверковые ленты.

1.2 Материалы

Бетон В45

— коэффициент условий работы =0,9;

— начальный модуль упругости бетона =32 500 МПа.

Продольная рабочая стержневая арматура класса А-400

1.3 Сбор нагрузки

Нагрузка на сваю

Нагрузка на сваю считается от суммы нагрузок: от суммы перекрытий, от собственного веса колонны, от собственного веса ростверка и от собственного веса покрытия.

Предварительно вес ростверка принимаем:

Таким образом, нагрузка, приходящаяся на сваю, составит:

Рис. 1. Конструктивная схема перекрытия Рис. 2. Разрез по линии 1−1

Рис. 3. Конструктивная схема здания

1.4 Определение несущей способности сваи по грунту

Грунты основания:

ИГЭ-1: песок, мощностью 7,2 м.;

ИГЭ-2: суглинок, мощностью 4,5 м.;

ИГЭ-3: торф, мощностью 2,4 м;

ИГЭ-4: глина полутвердая, J_L=0,25, полная мощность не вскрыта;

Вид сваи — буровые, бетонируемые при отсутствии в скважине воды (сухим способом) 0,6×0,6 м, а крайних 0,3×0,3 м.

Количество свай в ростверке — 5.

Принимаем буронабивные сваи длиной 10 м.

Расчет круглых свай ведем как расчет квадратных, со стороной, где d — диаметр круглой сваи:

— центральная свая: а=0,9хd=0,9×0,3=0,27 м

— крайние сваи: а=0,9хd=0,9×0,6=0,54 м;

Несущая способность по грунту одиночной забивной висячей сваи определяется по формуле:

где с — коэффициент условий работы сваи в грунте; с = 1;

R — расчетное сопротивление под нижним концом сваи, кПа;

А — площадь опирания на грунт сваи, м2, принимаемая по площади поперечного сечения сваи брутто, принимается равным для сваи:

— для сваи со стороной 0,54 равной 0,52 м²

— со стороной 0,27 равной 0,13 м²

U — наружный периметр поперечного сечения сваи, м, для сваи:

— со стороной 0,54 — U=0,54×4=2,16 м;

— со стороной 0,27 — U=0,27×4=1,08 м;

— расчетное сопротивление i-го слоя грунта основания на боковой поверхности сваи, кПапринимаемое по табл. 11.2 СНиП 2.02.03−85;

— толщина слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м;

г CR и г Cf — коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи; принимаем г CR и г Cfпринимаемые по табл. 7.4 [7], равными 1.

Определяем расчетное сопротивление под нижним концом сваи R и расчетные сопротивления по боковой поверхности сваи слоев грунта, через которые проходит свая.

Расчетное сопротивление R под нижним концом сваи для глины тугопластичной =0,35, на глубине =20,3 м составляет R=3880 кПа.

Используя найденные значения R и вычисляем несущую способность сваи по грунту .

Несущая способность сваи d=0,3 см:

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю по грунту, составит:

Несущая способность сваи d=0,6 см:

Расчетная нагрузка, допускаемая на сваю по грунту, составит:

.

Следовательно несущая способность обеспечена.

Проверка экономичности:

Т.к. разница значений и N составляет менее 10%, то сваи запроектированы экономично.

1.5 Размещение свай в кусте

Геометрические размеры ростверка в плане определяются нормативными требованиями к взаимному размещению свай в свайном кусте. Расстояние между сваями должно быть не менее трех диаметров свай (диаметр берется по наименьшему значению). Высоту ростверка рекомендуют принимать не менее 40 см. Более точная высота ростверка определяется расчетом на поперечную силу и на продавливание.

Ростверк представляет собой шарнирное сопряжение, оголовок свай запускается в ростверк на 100 мм.

1.6 Расчет на продавливание ростверка колонной

Реактивный отпор сваи R_i и равная ему доля внешней нагрузки Ni создают на участках С01 и С02 напряженное состояние среза, следовательно, существует возможность продавливания ростверка силой Ri, по пространственному сечению с наклонными гранями № 1 и № 2.

Из всех возможных граней среза на участках С01 и С02, именно гранями № 1 и № 2, имеют наименьшие углы б к горизонту (т.е. наибольшие длины проекции на горизонтальную плоскость С01 и С02), и поэтому имеют наименьшую способность на продавливание.

формула 4 п. 2.2. ,

где — коэффициент условия работы, принимаемый равный 1, поскольку наклонная трещина при продавливании появляется на нейтральной оси ростверка, где отсутствует продольная рабочая арматура, расположенная у подошвы ростверка и, следовательно, отсутствует ее влияние на прочность.

где (cумма за пределами пирамиды продавливания).

Найдем h₀ из условия

— необходимая минимальная высота.

Окончательно, =0,75 м.

Принимаем.

Отношение принимается не менее 1 и не более 2,5.

.

Собственный вес ростверка:

Несущая способность: — несущая способность обеспечена.

Т.к. разница значений и N составляет менее 10%, сваи запроектированы экономично.

1.7 Расчет на продавливание ростверка угловой сваей

Расчет ростверков на продавливание угловой сваей производится из условия:

где — расчетная нагрузка на угловую сваю с учетом моментов в двух направлениях, включая влияние местной нагрузки (например, от стенового заполнения);

— рабочая высота сечения на проверяемом участке, равная расстоянию от верха свай до верхней горизонтальной грани плиты ростверка или его нижней ступени;

— полусумма оснований i-й боковой грани фигуры продавливания высотой, образующейся при продавливании плиты-ростверка угловой сваей;

— коэффициент, определяемый по формуле:

Здесь к — коэффициент, учитывающий снижение несущей способности плиты ростверка в угловой зоне.

В преобразованном виде формула будет иметь вид:

где

— расстояния от внутренних граней угловых свай до наружных граней плиты ростверка.

— расстояния от внутренних граней угловых свай до ближайших граней подколонника ростверка или до ближайших граней ступени при ступенчатом ростверке.

Высота плиты ростверка от верха головки свай:

Определяем величины:

Определяем предельную нагрузку на сваю, которую может воспринять плита ростверка из условия её продавливания угловой сваей:

Следовательно, прочность плиты ростверка на продавливание угловой сваей обеспечена.

1.8 Расчет по прочности наклонных сечений ростверков на действие поперечной силы

Расчет по прочности наклонных сечений ростверков на действие поперечной силы производится по формуле:

где — сумма реакций всех свай, находящихся за пределами наиболее нагруженной части ростверка с учетом большего по величине изгибающего момента;

b — ширина подошвы ростверка;

— расчетная высота в рассматриваемом сечении ростверка;

с — длина проекции наклонного сечения, принимаемая равной расстоянию от плоскости внутренних граней до ближайшей грани колонны.

и

=0,85 м;

Определяем предельную величину поперечной силы, которую может воспринять плита ростверка по наклонному сечению:

Следовательно, прочность наклонных сечений плиты ростверка по поперечной силе обеспечена.

1.9 Расчет на смятие ростверка угловой сваей

При шарнирном соединении сваи с ростверком возможно смятие бетона ростверка по стыку с торцом сваи.

где — при равномерном сжатии Для бетона В30: ;

— коэффициент, учитывающий влияние бетонной обоймы:

;

где

;

— проверка выполняется.

1.10 Расчет ростверка на изгиб по нормальным и наклонным сечениям

Расчетный изгибающий момент в сечение ростверка определяется по формуле:

Определяем высоту сжатой зоны

Высота сжатой зоны

Принимаем 138 А400,, шаг 200 мм.

где 50 мм — защитный слой.

1.11 Определение ширины раскрытия трещин

Нагрузка, передаваемая на ростверк, является длительной, трещины допускаются (3 категория), нет грунтовых вод, следовательно, допускается раскрытие трещин до 0,3 мм. Ширина раскрытия трещин определяется по формуле:

где — коэффициент, принимаемый при учете кратковременных нагрузок и непродолжительного действия постоянных и длительных нагрузок;

— коэффициент, зависящий от вида и профиля продольной растянутой арматуры (для периодического профиля =1);

— коэффициент армирования,

— коэффициент, учитывающий отрицательное влияние длительно действующей нагрузки.

;

— напряжения в арматуре в эксплуатационный период,

— модуль упругости арматуры;

d=8 мм — диаметр арматуры.

Окончательно принимаем получаем 138 А 400, шаг 200 мм.

1.12 Определение максимального момента при образовании трещин

Следовательно, трещины в растянутой зоне от эксплуатационных нагрузок не образуются.

1.13 Расчет свай по материалу

Грунт неоднородный — торф, глина.

В расчетной схеме изгибающим моментом и поперечной силой можно пренебречь, так как изгибающий момент слишком мал, а сдвига не будет, потому что стена в грунте создает ядро жесткости.

где l₀=2,4 м — свободная длина (торф).

— коэффициент деформации (м^-1),

Где k — коэффициент жесткости основания, в зависимости от типа грунта, окружающего сваю. В случае неоднородного грунта берется усредненное значение для глин и суглинков тугопластичных и полутвердых (0?I_L?0,75) k соответственно находится в диапазоне 12 000;18000 кН/м⁴. В нашем случае для глины полутвердой I_L=0,25 k=14 400Кн/м⁴

Е=0,85×30 000×10³=25,5*10⁶ кН/м² — модуль упругости материала сваи

— момент инерции прямоугольного поперечного сечения сваи;

b_p — условная ширина сваи, м, принимаемая равной

d — сторона квадратного сечения свай в плоскости, перпендикулярной действию нагрузки.

— коэффициент условий работы при учете развития только первой стадии напряженно-деформированного состояния системы «свая-грунт»;

Тогда м^-1,

следовательно, элемент рассчитывается как центрально сжатый.

Центрально-нагруженный элемент проверяется по формуле:

m=1 — коэффициент условия работы

— коэффициент, учитывающий длительность загружения, гибкость и характер армирования элемента.

Необходимо найти площадь сечения арматуры:

Где — определяется по таблице, при Следовательно, по расчету требуется арматура. Принимаем 4O36 А400.40,72 см²

1.14 Проектирование свайного поля под колонны каркаса здания

Кусты свайного поля целесообразно размещать непосредственно под колонну. В этом случае плита ростверка объединяет все сваи свайного поля, обеспечивает совместную работу не только свай в границах каждого куста, но и всех кустов, связанных этой плитой.

Расчетная модель для плиты ростверка выстраивается следующим образом: вокруг каждого куста выделяется условно ростверк по геометрическим размерам в плане эквивалентный ростверку отдельно стоящему. Затем эти ростверки объединяются в ростверковые ленты по двум направлениям плана плиты. Таким образом, получается система перекрестных лент, каждая из которых в плоскости своего изгиба можно рассматривать в ростверковом отношении как неразрезную многопролетную балку, которая регулярно чередуется загруженными пролетами с незагруженными.

Для оценки напряженного состояния каждой ленты (балки) в плоскости ее изгиба достаточно выделить элемент — загруженный пролет, установив на его опорах граничные условия, которые учитывают неразрывную связь этого пролета с остальной лентой этой балки.

Ni — сумма реактивного отпора свай, вызывающий изгиб выделенного пролета (или условного ростверка в плоскости ZOX)

Схема В) допускает податливость опорных защемлении, свойственную опорным сечениям неразрезной балки.

Расчет каждого загруженного пролета целесообразно вести методом предельного равновесия. При симметричном загружении уравнение равновесий для схем В), B1) записывается следующим образом:

Целесообразно принимать равномоментную схему загружения, тогда:

Для крайнего пролета расчетная схема Б), Б1). Расчет по схеме Б), Б1) и В), B1) можно рассчитать в упругой плоскости, а затем корректировать значения расчетных моментов, стремясь к наиболее оптимальной схеме армирования ростверковой плиты.

Расчет свайного поля на продавливание колонны стоящими сваями, на поперечную силу, на смятие плиты по стыку со сваей допустимо свести к расчету условного ростверка на все эти воздействия как ростверка отдельно стоящего.

Армирование ростверка плиты производят с учетом эпюры моментов ростверковых лент. Следуя эпюре моментов, мы должны по нижней грани ростверковой плиты обязательно поставить арматуру в пределах условных ростверков, заводя эту арматуру за грани условных ростверков не меньше, чем на длину анкеровки.

По верхней грани ростверковой плиты в пределах границы ростверковых лент, мы укладываем арматуру, стыкуя ее при необходимости в середине расчетных пролетов.

Для определения нагрузок, действующих в ростверковой плите целесообразно начать расчет с центральной балки:

2*859=1718 кН

следовательно:

Но так как концы балки приняты жестко заделанными, то эпюра моментов сдвигается вверх наполовину значения М=Мmax/2= 321кНм:

следовательно:

Расчетная схема и эпюра моментов ростверковой ленты

1.15 Армирование ростверка плиты

Армирование ростверка плиты осуществляется с учетом эпюры моментов ростверковых лент. Следуя эпюре моментов, мы должны по нижней грани ростверковой плиты обязательно поставить арматуру в пределах условных ростверков, заводя эту арматуру за грани условных ростверков не меньше чем на длину анкеровки.

Вычисляем необходимое количество арматуры для верхней грани:

Сравниваем спредельной деформацией бетона и арматуры.

определяется по формуле СНиП:

где

Высоту сжатой зоны определяемой на основании равенства:

Из выражения определяем

где

Принимаем 914 А400 с(ОС-1) шаг 200 мм + 96 Вр-1400 (С-1). Итого:

Вычисляем необходимое количество арматуры для нижней грани:

Сравниваем с :

Высоту сжатой зоны определяемой на основании равенства Из выражения определяем

где

Принимаем 2016 А400 с (ОС-1) шаг 150 мм + 206 Вр-1400 (С-1). Итого:

2. Расчет «стены в грунте»

2.1 Построение эпюр природного и бокового давления

Эпюра природного давления:

Эпюра бокового давления

Активное и пассивное давление грунта на «стену в грунте'' вычисляется, соответственно, по формулам:

— активное давление:

где q-интенсивность равномерно распределенной нагрузки на поверхности грунта;

— объемный вес грунта;

у — расстояние от поверхности грунта до уровня действия вычисляемого активного давления;

— коэффициент активного давления, вычисляется по формуле:

гдеугол внутреннего трения грунта;

с — удельное сцепление грунта.

Р_пас-пассивное давление, действующее, в нашем случае, со стороны котлована:

где у — расстояние от поверхности дна котлована до уровня действия искомого пассивного давления;

— коэффициент пассивного давления, вычисляется по формуле:

где величина к зависит от материала стенки и угла внутреннего трения грунта, к=1,32 (при)

Окончательно получаем:

Используя полученные формулы, и соответствующие данные по грунту (см. эти данные по рис.), вычисляем активное и пассивное давление на «стену в грунте'':

Активное давление:

Слой 1:

у=0

у=7,2 м Слой 2:

у=7,2 м у=11,7 м Слой 3:

у=11,7 м+2,4 м (торф)=14,1 м Считаем, что торф не оказывает давление на «стену в грунте'', а лишь передает нагрузку от слоя 2 на слой 4, следовательно у=14,1 м+H

Пассивное давление:

у_пас =14,1 м у_пас =14,1 м+H

2.2 Определение глубины заделки Н

Необходимую глубину заделки «стены в грунте'' в основание находим из условия обеспечения устойчивости стены против смещения ее внутрь котлована за счет выпора грунта на уровне днища последнего. Статическое равновесие активных и пассивных сил, приложенных к «стене в грунте'', предотвращающее выпор грунта на участке защемления конструкции, предусматривает равенство моментов активных и пассивных усилий относительно точки А.

Составляя это равенство, влиянием активного давления грунта на «стену в грунте'', в запас, пренебрегаем:

x=0,3502

Принимаем Н=0,4 м

2.3 Определение положения равнодействующих активного и пассивного давления грунта на стену в грунте

Расчетная схема «стены в грунте'' на изгиб.

Активное давление:

Положение равнодействующей по отношению к точке А:

Положение равнодействующей по отношению к точке А:

Положение равнодействующей по отношению к точке А:

Положение равнодействующей по отношению к точке А:

Пассивное давление:

Положение равнодействующей по отношению к точке А:

Участок ‹‹стены в грунте››, где действуют наибольшие усилия — изгибающие моменты и поперечная сила — расположен ниже точки А. Поэтому конструкции, находящиеся выше точки А, в расчетной схеме ‹‹стены в грунте›› отсутствует, но влияние его на нижнюю часть ‹‹стены в грунте›› учитывается. Учитывается через постановку в сечении, проходящем через А, связи — защемления. Такая связь достаточно точно отражает неразрывность отброшенной и расчетной частей конструкции. Заглубленный участок стены рассматривается как работающий под действием активного давления грунта на упругом основании. С допустимым, в данном случае, упрощением расчета, упругое основание представляем одной податливой опорой, устанавливаемой в точке приложения к ‹‹стене в грунте›› равнодействующей () пассивного отпора грунта.

2.4 Статический расчет ‹‹стены в грунте›› на изгиб

В основной системе податливую опору заменяем на неизвестную опорную реакцию R, которую находим из условия равенства перемещения конструкции в точке К, вычисленного для нее как для консольной балки, упругой осадке опоры в этой точке.

Прогиб балки в точке К вычисляем по формуле:

Жесткость балки (бетон В 25):

— прогиб балки в точке К от силы Р=361,5 кН

— прогиб балки в точке К от силы Р=50б4кН

— прогиб (выгиб) консольной балки в точке К от силы R.

Осадка () балки в точке К: ,

где, А — площадь распределения силы R по основанию:

— напряжение (давление) на основание, оказываемое силой R

C_Z — коэффициент постели на боковой поверхности ‹‹стены в грунте›› на уровне Z (уровне действия силы R), отчитывается от поверхности грунта

— согласно СНиП 2.02.03−85 «Свайные фундаменты», где к — коэффициент пропорциональности, принимаемый в зависимости от вида грунта г_с =3 — коэффициент условий работы=3, к=14 000 кН/м⁴ — для глины полутвердой Тогда

Суммарный прогиб балки в точке К от всех приложенных к ней сил равен осадке балки в этой точке, следовательно:

По полученным результатам строим эпюру моментов, вычисляя, при этом, моменты в точках А, В, С, двигаясь от точки К к точке А:

2.5 Подбор продольной рабочей арматуры

Моменты выравниваются и это позволяет получить одинаковую схему армирования для обеих граней стены.

При М_оп=973,8 кНм Определяем высоту сжатой зоны:

h₀=h-a, а=6,5 см (защитный слой)

=>

Принимаем 536 А-400 (шаг 200 мм) А_s =50,9 см² (продольная рабочая арматура каркасов) и 64 А-400 (шаг 250 мм) А_s =0,72 см² (продольная рабочая арматура сеток).

Итого:

2.6 Расчет на действие поперечных сил

Принимая во внимание внешнюю нагрузку и полученное значение R строим эпюру Q:

Принимаем Q_b=Q_b^max, прочность на поперечную силу по бетону обеспечена, поперечное армирование принимаем конструктивно.

2.7 Проверка ширины раскрытия трещин

Расчет ведем по формуле:

Рассматривая всю нагрузку, действующую на «стену в грунте», как нагрузку длительную.

С учетом смысла параметров:

— коэффициент, принимаемый при учете кратковременных нагрузок и непродолжительного действия постоянных и длительных нагрузок;

— коэффициент, зависящий от вида и профиля продольной растянутой арматуры (=1 для периодического профиля)

— коэффициент армирования

— коэффициент, учитывающий отрицательное влияние длительно действующей нагрузки

— напряжение в арматуре в эксплуатационный период Е_s=МПа — модуль упругости арматуры

— (допустимая величина раскрытия) => требование норм по ширине раскрытия трещин не выполняются => увеличим диаметр арматуры:

536 А-400 (шаг 200 мм) А_s =50,9 см² (продольная рабочая арматура каркасов)

612 А-400 (шаг 200 мм) А_s =6,8 см² (продольная арматура сеток).

Тогда:

— (допустимая величина раскрытия) => требование норм по ширине раскрытия трещин выполнены.

Принимаем 536 А-400 (шаг 200 мм) А_s =50,9 см² (продольная рабочая арматура каркасов) и 612 А-400 (шаг 250 мм) А_s =6,8 см² (продольная рабочая арматура сеток).

Итого:

Список используемой литературы

1. Байков В. Н., Сигалов Э. Е. Железобетонные конструкции. Общий курс: Учеб. Для вузов. — 6-е изд., репринтное. — М.: ООО «Бастет», 2009 — 768 с.: ил.

2. МУ и СМ к курсовому проекту № 1 по дисцип. «Железобетонные и каменные конструкции» для студентов спец. 270 102 «Промышленное и гражданское строительство» — М., 2009 — 64 с.: ил.

3. Проектирование оснований и фундаментов гражданских зданий (часть 2 — свайные фундаменты). Методические указания с примерами расчетов к выполнению курсового проекта и практических занятий МГСУ. М., 2003 г.

4. СП 52−101−2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. — М.:ФГУП ЦПП, 2005.

5. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП 52−101−2003). — М.:ФГУП ЦПП, 2005.

6. СНиП 2.01.07−85*. Нагрузки и воздействия. М.:ФГУП ЦПП, 2003.

7. СП 50−102−2003. Проектирование и устройство свайных фундаментов. М., ГУП ЦПП, 2004 г.

8. Пособие по проектированию железобетонных ростверков свайных фундаментов под колонны зданий и сооружений (к СНиП 2.03.01−84). — М., ЦИТП, 1985 г.

9. Пособие по проектированию фундаментов на естественном основании под колонны зданий и сооружений (к СНиП 2.03.01−84 и СНиП 2.02.01−83). — М., ЦИТП, 1989 г.