Класифікація будівельних конструкцій
Будівельними несучими конструкціями промислових і цивільних будинків та інженерних споруд називаються конструкції, розміри перерізів яких визначаються розрахунком. Це основне їх відмінність від архітектурних конструкцій або частин будівель, розміри перерізів яких призначаються згідно архітектурним, теплотехнічним або іншим спеціальним вимогам.
Сучасні будівельні конструкції повинні задовольняти наступним вимогам: експлуатаційним, екологічним, технічним, економічним, виробничим, естетичним та ін
При спорудженні об'єктів газонафтопроводів широко застосовуються сталеві і збірні залізобетонні конструкції, у т. ч. найбільш прогресивні - попередньо напружені, Останнім часом отримують розвиток конструкції з алюмінієвих сплавів, полімерних матеріалів, кераміки та інших ефективних матеріалів.
Будівельні конструкції дуже різноманітні за своїм призначенням та застосування. Тим не менше їх можна об'єднати за деякими ознаками спільності тих чи інших властивостей і найдоцільніше класифікувати за такими основними ознаками:
1) по геометричному ознакою конструкції прийнято розділяти на масиви, бруси, плити, оболонки (рис. 1.1) і стрижневі системи:
- Масив - конструкція, в якій всі розміри одного порядку;
брус - елемент, в якому два розміри, що визначають поперечний переріз, у багато разів менше третього - його довжини, тобто вони різного порядку: b «I, h« /; брус з ламаною віссю прийнято називати найпростішої рамою, а з криволінійної віссю - аркою.
плита - елемент, в якому один розмір у багато разів менше двох інших: h «a, h« I. Плита є окремим випадком більш загального поняття - оболонки, яка на відміну від плити має криволінійний обрис;
стрижневі системи являють собою геометрично незмінні системи стрижнів, з'єднаних між собою шарнірно або жорстко. До них відносять будівельні ферми (балкові або консольні) (рис. 1.2).
за характером розрахункової схеми конструкції ділять на статично визначні і статично невизначених. До перших відносять системи (конструкції), зусилля або напруги в яких можуть бути визначені тільки з рівнянь статики (рівнянь рівноваги), до других - такі, для яких одних рівнянь статики недостатньо і для вирішення потребує введення додаткових умов - рівнянь сумісності деформацій.
з використовуваних матеріалів конструкції ділять на сталеві, дерев'яні, залізобетонні, бетонні, кам'яні (цегляні);
4) за характером напружено-деформованого стану (ПДВ), тобто виникають у конструкціях внутрішніх зусиль, напружень і деформацій під дією зовнішнього навантаження, умовно можна поділити їх натри групи: найпростіші, прості і складні (табл. 1.1).
Такий поділ дозволяє привести в систему характеристики видів напружено-деформованих станів конструкцій, які широко поширені в будівельній практиці. У представленій таблиці
важко відобразити всі тонкощі і особливості зазначених станів, але вона дає можливість порівняти і оцінити їх у цілому.
Бетон
Бетоном називається штучний кам'яний матеріал, що отримується в процесі затвердіння суміші з терпкого, води, дрібного і крупного заповнювачів і спеціальних добавок.
Склад бетонної суміші виражають двома способами.
У вигляді співвідношень по масі (рідше за обсягом, що менш точно) між кількостями цементу, піску і щебеню (або гравію) з обов'язковим зазначенням водоцементного відносини і активності цементу. Кількість цементу приймають за одиницю, тому співвідношення між складовими частинами бетонної суміші має вигляд - 1:2:4. Встановлювати склад бетонної суміші за обсягом допустимо тільки на невеликому будівництві, але при цьому цемент завжди слід дозувати за масою.
На великих об'єктах та центральних бетонних заводах всі компоненти дозують за масою, при цьому склад позначають у вигляді витрати матеріалів на 1 м 3 покладеної і ущільненої бетонної суміші, наприклад:
Цемент 316 кг / м 3
Пісок 632 кг / м 3
Щебінь ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 1263 кг / м 3
Вода 189 кг / м 3
Сумарна маса матеріалів 2400 кг / м 3
Для забезпечення надійної роботи несучих елементів при заданих умовах експлуатації бетони для залізобетонних та бетонних конструкцій повинні володіти певними, заздалегідь заданими фізико-механічними властивостями і, в першу чергу, достатню міцність.
Бетони класифікують за рядом ознак:
за призначенням розрізняють конструкційні, спеціальні (хімічно стійкі, теплоізоляційні тощо);
за видом в'яжучого - на основі цементних, шлакових, полімерних, спеціальних в'яжучих;
за видом заповнювача - на щільних, пористих, спеціальних заповнювачах;
за структурою - щільні, поризовані, комірчасті, великопористі.
Бетон застосовують для різних видів будівельних конструкцій, що виготовляються на заводах збірного залізобетону або зводяться безпосередньо на місці їх майбутньої експлуатації (монолітний бетон).
У залежності від області застосування бетону розрізняють:
звичайний - для залізобетонних конструкцій (фундаментів, колон, балок, перекриттів, мостових та інших типів конструкцій);
гідротехнічний - для гребель, шлюзів, облицювання каналів, і т.д.;
бетон для захищаючих конструкцій (легкий бетон для стін будівель); для підлог, тротуарів, дорожніх і аеродромних покриттів;
спеціального призначення (жаротривкий, кислотостойкий, для радіаційного захисту та ін.)
Характеристики міцності бетону
Міцність бетону на стиск
Міцністю бетону на стиск В називається тимчасовий опір (в МПа) бетонного куба з ребром 150 мм, виготовленого, що зберігається і випробуваного в стандартних умовах у віці 28 діб, при температурі 15-20 ° С і відносній вологості 90-100%.
Залізобетонні конструкції за формою відрізняються від кубів, тому міцність бетону на стиск R в n не може бути безпосередньо використана в розрахунках міцності елементів конструкцій.
Основною характеристикою міцності бетону стиснутих елементів є призмова міцність Rf, - тимчасовий опір осьовому стиску бетонних призм, яке за дослідів на призмах зі стороною підстави чи заввишки h при відношенні hla = 4 становить приблизно 0,75, де R: - Кубикові міцність, або тимчасовий опір стисненню бетону, знайдене при випробуванні зразка у вигляді куба з ребром 150 мм.
Основною характеристикою міцності бетону стиснутих елементів і стислих зон згинальних конструкцій є призмова міцність.
Для визначення призменной міцності зразок - призму завантажують у пресі ступінчастою стискає навантаженням до руйнування і вимірюють деформації на кожному ступені завантаження.
Будується залежність стискаючих напруг а від відносних деформацій е, яка носить нелінійний характер, тому що в бетоні, поряд з пружними, відбуваються і непружні пластичні деформації.
Досліди з бетонними призмами розміром квадратного підстави чи заввишки h показали, що призмова міцність менше Кубикові і зменшується із збільшенням відношення hla (Рис. 2.2).
Кубикові міцність бетону R (Для кубиків розміром 150 х 150 х 150 мм) і призмова міцність R h (Для призм з відношенням висоти до основи hla> 4) можуть бути пов'язані певною залежністю, яка встановлюється експериментально:
Призмову міцність бетону використовують при розрахунку згинальних та стислих бетонних і залізобетонних конструкцій (наприклад, балок, колон, стиснутих елементів ферм, арок і т.п.)
В якості характеристики міцності бетону стиснутої зони згинальних елементів також беруть R h. Міцність бетону при осьовому розтягу
Міцність бетону при осьовому розтягу R /, в 10-20 разів нижче, ніж при стисканні. Причому із збільшенням Кубикові міцності бетону відносна міцність бетону при розтягуванні знижується. Межа міцності бетону при розтягуванні може бути пов'язаний з Кубикові міцністю емпіричної формулою
Класи і марки бетону
Контрольні характеристики якості бетону називають класами і марками. Основною характеристикою бетону є клас бетону по міцності на стиск В або марка М. Клас бетону визначається величиною гарантованої міцності на стиск в МПа із забезпеченістю 0,95. Бетони підрозділяють на класи від В1 до В60.
Клас бетону і його марка залежать від середньої міцності:
клас бетону по міцності на стиск, МПа; середня міцність, яку слід забезпечити при виробництві конструкцій, МПа;
коефіцієнт, що характеризує прийняту при проектуванні забезпеченість класу бетону, зазвичай, у будівництві беруть t = 0,95;
коефіцієнт варіації міцності, що характеризує однорідність бетону;
марка бетону за міцністю на стиск, кгс / см 2. Для визначення середньої міцності (МПа) по класу бетону (при нормативному коефіцієнті варіації 13,5% і t = 0,95) або за його марці слід застосовувати формули:
У нормативних документах використовується ютасс бетону, однак для деяких спеціальних конструкцій і в ряді діючих нормативів застосовується і марка бетону.
На виробництві необхідно забезпечити середню міцність бетону. Перевищення заданої міцності допускається не більше ніж на 15%, оскільки це веде до перевитрати цементу.
Для бетонних і залізобетонних конструкцій застосовують такі класи бетонів за міцністю на стиск: важкі бетони від В3, 5 до В60; дрібнозернисті - від В3, 5 до В60; легкі - від В2, 5 до В35; комірчасті - від В1 до В15; поризовані від В2, 5 до В7, 5.
Для конструкцій, що працюють на розтяг, додатково призначається клас бетону за міцністю на осьовий розтяг - тільки для важких, легких і дрібнозернистих бетонів - від ВДЗ до В? 3,2.
Важливою характеристикою бетону є марка по морозостійкості - це число циклів поперемінного заморожування і відтавання, яке витримали водонасичені зразки бетону у віці 28 діб без зниження міцності при стисканні більше 15% і втрати маси не більше 5%. Позначається - F. Для важких і дрібнозернистих бетонів варіюється від F 50 до F 500, для легких бетонів - F 25 - F 500, для ніздрюватих та поризованих бетонів - F 15 - F 100.
Марка по водонепроникності W призначається для конструкцій, до яких пред'являються вимоги обмеження проникності, наприклад, до залізобетонних труб, до резервуарів і т.д.
Водонепроникність це властивість бетону не пропускати через себе воду. Вона оцінюється коефіцієнтом фільтрації - з масою води, що пройшла за одиницю часу під постійним тиском через одиницю площі зразка при певній його товщині. Встановлено марки для важких, дрібнозернистих і легких бетонів: W 2, W 4, W 6, W 8, W 10, W 12. Цифра в марці означає тиск води в кгс / см 2, при якому не спостерігається її просочування через зразки 180-добово-го віку.
Марка за самонапруження S p означає значення попереднього напруження в бетоні, МПа, створюваного в результаті його розширення. Ці значення змінюються від S p 0,6 до S p 4.
При визначенні власної ваги конструкцій і для теплотехнічних розрахунків велике значення має щільність бетону. Марки бетонів за середньої щільності D (кг / м 3) встановлені з кроком градації 100 кг / м 3: важкі бетони - D = 2300-2500; дрібнозернисті - 88
D = 1800-2400; легкі - D = 800-2100; комірчасті - D = 500-1200; поризовані - D = 800-1200.
Арматура
Арматура залізобетонних конструкцій складається з окремих робочих стержнів, сіток або каркасів, які встановлюють для сприйняття діючих зусиль. Необхідна кількість арматури визначають розрахунком елементів конструкцій на навантаження і впливи.
Арматура, яка встановлюється з розрахунку, називається робочою; встановлювана за конструктивними і технологічних міркувань - монтажної.
Робочу і монтажну арматуру об'єднують в арматурні вироби - зварні та в'язані сітки і каркаси, які розміщують в залізобетонних елементах відповідно до характеру їх роботи під навантаженням.
Арматуру класифікують за чотирма ознаками:
в залежності від технології виготовлення розрізняють стрижневу і дротяну арматуру. Під стрижневою у даній класифікації увазі арматуру будь-якого діаметру в межах d = 6-40 мм;
залежно від способу подальшого зміцнення гарячекатана арматура може бути термічно зміцненої, тобто підданої термічній обробці, або зміцненої в холодному стані - витяжкою, волочінням;
за формою поверхні арматура буває періодичного профілю і гладкою. Виступи у вигляді ребер на поверхні стержневої арматури періодичного профілю, рифи або вм'ятини на поверхні дротяної арматури значно покращують зчеплення з бетоном;
- За способом застосування при армуванні залізобетонних елементів розрізняють напружену арматуру, тобто подвергаемую попередньою натягу, і ненапрягаемую
Стрижневу гарячекатану арматуру в залежності від її основних механічних характеристик поділяють на шість класів з умовним позначенням: A - I, А-П, А-Ш, A - IV, A - V, А-VI. Основні механічні характеристики застосовуваної арматури наведені в табл . 2.6.
Термічному зміцненню піддають стрижневу арматуру чотирьох класів; зміцнення в її позначенні відзначається додатковим індексом «т»: Ат-Ш, Ат - IV, A t - V, A t-VI. Додатковою літерою С вказують на можливість стикування зварюванням, буквою К - на підвищену корозійну стійкість. Піддана витяжці в холодному стані стрижнева арматура класу А-Ш відзначається додатковим індексом В.
Кожному класу арматури відповідають певні марки арматурної статі з однаковими механічними характеристиками, але різним хімічним складом. У позначенні марки сталі відбивається зміст вуглецю і легуючих добавок. Наприклад, у марці 25Г2С перша цифра позначає зміст вуглецю в сотих частках відсотка (0,25%), буква Г - що сталь легована марганцем, цифра 2 - що його вміст може досягати 2%, буква З - наявність у сталі кремнію (силіцію).
Присутність інших хімічних елементів, наприклад, в марках 20ХГ2Ц, 23Х2Г2Т, позначається літерами: X - хром, Т - титан, Ц - цирконій.
Стрижнева арматура всіх класів має періодичний профіль за винятком круглої (гладкою) арматури класу A - I.
Арматурні вироби, що застосовуються для виготовлення ж / б конструкцій
Для армування залізобетонних конструкцій широко застосовують звичайну арматурний дріт класу Вр-I (Рифлену) діаметром 3-5 мм, отримувану холодним волочінням низьковуглецевої сталі через систему каліброваних отворів (фильеров). Найменша величина умовної межі текучості при розтягуванні дроту Вр-I при діаметрі 3-5 мм становить 410 МПа.
Способом холодного волочіння виготовляється також високоміцна арматурний дріт класів В-П і Вр-І - гладка і періодичного профілю (рис. 2.8, г) діаметром 3-8 мм з умовною межею плинності дроту В-П - 1500-1100 МПа і Вр-П - 1500-1000 МПа.
Арматуру залізобетонних конструкцій вибирають з урахуванням її призначення, класу та виду бетону, умов виготовлення арматурних виробів і середовища експлуатації (небезпека корозії) і т.п. В якості основної робочої арматури звичайних залізобетонних конструкцій переважно слід застосовувати сталь класів А-Ш і Вр-I. У попередньо напружених конструкціях як напружену арматуру застосовують переважно міцну сталь класів В-І, Вр-П, А - VI, Ат - VI, A - V, A t - V і A t-VII.
Армування попередньо напружених конструкцій твердої високоміцної дротом вельми ефективно, однак через малу площу перерізу дротів число їх в конструкції значно збільшується, що ускладнює арматурні роботи, захоплення і натяг арматури. Для зменшення трудомісткості арматурних робіт застосовують заздалегідь звиті механізованим способом канати, пучки паралельно розташованих дротів і сталеві троси. Розкручуються сталеві канати класу К виготовляють переважно 7 - і 19-дротяними (К-7 і К-19).
Умови міцності позацентрово стиснутих елементів таврового і двотаврового профілю
При розрахунку елементів таврового і двотаврового профілю можуть зустрітися два випадки розташування нейтральної осі (рис. 2.40): нейтральна вісь розташовується у полиці і нейтральна вісь перетинає ребро. При відомому армуванні становище нейтральної осі визначається при порівнянні сили N з зусиллям, більш прийнятною полицею.
Якщо виконується умова: N <R b b 'fh' f, то нейтральна вісь розташовується в полиці. У цьому випадку розрахунок таврового або двотаврового перерізу виконується як для елемента прямокутного профілю шириною bj - і висотою h.
Слід зазначити, що розрахунок елементів таврового і двотаврового профілю на міцність досить трудомісткий. Порівняно просто вирішується задача перевірки міцності нормальних перерізів при відомому армуванні і значно складніше - розрахунок поздовжньої арматури, особливо при дії декількох завантажений з моментами різних знаків.
Приклад 2.5. Потрібно перевірити міцність перерізу колони. Колона перетином b = 400 мм; h = 500 мм; а = а '= 40 мм; бетон важкий класу В20 (R b = 11,5 МПа, Е ь = 24000 МПа); арматура класу А-Ш (R s = R sc = 365 МПа); площа перерізу арматури A s = А ^ = 982 мм (2025); розрахункова довжина Iq = 4,8 м; поздовжня сила n = 800 кН; згинальний момент м = 200 кН • м; вологість навколишнього середовища 65% .
Умови міцності розтягнутих елементів
В умовах розтягування працюють нижні пояси ферм і елементи решітки, затягування арок, стінки круглих і прямокутних резервуарів та інші конструкції.
Для розтягнутих елементів ефективне застосування високоміцної попередньо напруженої арматури. При конструюванні розтягнутих елементів особлива увага повинна бути звернена на кінцеві ділянки, на яких повинна бути забезпечена надійна передача зусиль, а також на стикованіє арматури. Стики арматури виконуються, як правило, зварними.
Розрахунок центрально-розтягнутих елементів
При розрахунку на міцність центрально-розтягнутих залізобетонних елементів враховується, що в бетоні з'являються нормальні до поздовжньої осі тріщини і всі зусилля сприймається поздовжньої арматурою.
Розрахунок позацентрово розтягнутих елементів при малих ексцентриситетах
Якщо сила N не виходить за межі, окреслені арматурою A s і A 's, з появою тріщини бетон повністю виключається з роботи і поздовжнє зусилля сприймається арматурою A s і Л.
Розрахунок позацентрово розтягнутих елементів при великих ексцентриситетах
Якщо сила N виходить за межі арматури A s, то в елементі з'являється стисла зона бетону. Для елемента прямокутного перерізу умови міцності мають вигляд
N - е <R b bx (h 0 - х / 2) + R sc A & h 0 - а '),
N = R s A s - R b bs ~ R sc A ^.
При використанні відносних величин £, = xlh ^ і а т = 2; (1 - 1 / 2) умови міцності перетворюються до вигляду
Ne <R b a m bhl + R sc A ^ (h 0 - А '),
N = R S A S-R £ bh 0-R sc 4.
Статичний розрахунок поперечної рами одноповерхового промислового будинку
Потрібно виконати статичний розрахунок поперечної рами одноповерхового двопрогінному промислової будівлі методом переміщень і визначити згинальні моменти, поздовжні і поперечні сили в характерних перетинах колон по вихідним даним.
Конструктивні елементи будівлі та вихідні дані для розрахунку прийняти за попереднім практичного заняття.
При розрахунку за методом переміщень за невідомі приймаються кутові або лінійні переміщення вузлів рами.
Основи розрахунку будівельних конструкцій за граничними станами
Для будівлі, споруди, а також підстави або окремих конструкцій граничними називаються такі стани, при яких вони перестають задовольняти заданим експлуатаційним вимогам, а також вимогам, заданим при їх зведенні.
Будівельні конструкції розраховують за двома групами граничних станів.
Розрахунок за першою групою граничних станів (по придатності до експлуатації) забезпечує необхідну несучу здатність конструкції - міцність, стійкість і витривалість.
До граничним станом першої групи відносять:
загальну втрату стійкості форми (рис. 1.4, а, 6);
втрату стійкості положення (рис. 1.4, в, г);
крихке, в'язке або іншого характеру руйнування (рис. 1.4, д);
- Руйнування під спільним впливом силових факторів і несприятливих впливів зовнішнього середовища та ін
Розрахунок за другою групою граничних станів (з придатності до нормальної експлуатації) проводиться для конструкцій, величина деформацій (переміщень) яких може обмежити можливість їх експлуатації. Крім того, якщо за умовами експлуатації споруди утворення тріщин неприпустимо (наприклад, в залізобетонних, напірних трубопроводах, при експлуатації конструкцій в агресивних середовищах та ін), то роблять розрахунок на утворення тріщин. Якщо ж необхідно лише обмежити ширину розкриття тріщин, виконують розрахунок з розкриття тріщин, а в напружених конструкціях у ряді випадків - і за їх закриття.
Метод розрахунку будівельних конструкцій за граничними станами має на меті не допустити настання ні одного з граничних станів, які можуть виникнути в конструкції (будівлі) при їх експлуатації протягом всього терміну служби, а також при їх зведенні.
Ідея розрахунку конструкцій за першим граничним станом може бути сформульована таким чином: максимально можливе силове вплив на конструкцію від зовнішніх навантажень або впливів у перерізі елемента - N не повинно перевищувати його мінімальної розрахункової несучої здатності Ф:
N <Ф {R; A},
де R - Розрахунковий опір матеріалу; А - геометричний фактор.
Друге граничний стан для всіх будівельних конструкцій визначається величинами граничних деформацій, при перевищенні яких нормальна експлуатація конструкцій стає неможливою:
Складання компоновочной схеми будівлі насосного цеху НПС
Наскільки це можливо, будівлю проектують з типових елементів з дотриманням норм будівельного проектування і єдиної модульної системи. Сітка колон може бути, наприклад, 6 х 9; 6 х 12; 6 х 18; 12 х 12; 12 х 18 м.
З метою збереження однотипності елементів покриття колони крайнього ряду розташовують так, щоб розбивочна вісь ряду колон проходила на відстані 250 мм від зовнішньої грані колон (рис. 1.16) при кроці колон, рівному 6 м і більше.
Колони крайнього ряду при кроці 6 м і кранах вантажопідйомністю до 500 кН розташовують з нульовою прив'язкою, поєднуючи вісь ряду з зовнішньої гранню колони. Крайні поперечні розбивочні осі зміщують від осі торцевих колон будівлі на 500 м. При великої протяжності в поперечному та поздовжньому напрямках будівлю ділять температурними швами на окремі блоки. Поздовжні і поперечні температурні шви виконують на спарених колонах зі вставкою, при цьому у поздовжніх температурних швів осі колон зміщені щодо поздовжньої осі розбивочної на 250 мм, а у поперечних температурних швів - на 500 мм щодо поперечної осі розбивочної
Конструкції фундаментів
Розрізняють фундаменти неглибокого закладання; пальові; глибокого закладення (опускні колодязі, кесоні) і фундаменти під машини з динамічними навантаженнями.
Фундаменти неглибокого закладення
В інженерних нафтогазових спорудах, промислових і цивільних будівлях широко застосовують залізобетонні фундаменти. Вони бувають трьох типів (рис. 4.19): окремі - під кожною колоною; стрічкові - під рядами колон в одному або двох напрямках, а також під несучими стінами; суцільні - під всією спорудою. Фундаменти зводять найчастіше на природних підставах (вони переважно і розглянуті тут), але в ряді випадків виконують й на палях. В останньому випадку фундамент являє собою групу паль, об'єднану поверху розподільної залізобетонною плитою - ростверком.
Окремі фундаменти влаштовують при відносно невеликих навантаженнях і досить рідкісному розміщенні колон. Стрічкові фундаменти під рядами колон роблять тоді, коли підошви окремих фундаментів близько підходять один до одного, що зазвичай буває при слабких грунтах і великих навантаженнях. Доцільно застосовувати стрічкові фундаменти при неоднорідних грунтах і зовнішніх навантаженнях, різних за значенням, так як вони вирівнюють нерівномірні осідання основи. Якщо несуча здатність стрічкових фундаментів недостатня або деформації основи під ними більше допустимих, то влаштовують суцільні фундаменти. Вони в ще більшій мірі вирівнюють опади підстави. Ці фундаменти застосовують при слабких і неоднорідних грунтах, а також при значних і нерівномірно розподілених навантаженнях.
Глибина закладення фундаменту d \ (відстань від відмітки планування до підошви фундаменту) зазвичай призначається з урахуванням:
геологічних та гідрогеологічних умов майданчика будівництва;
кліматичних особливостей району будівництва (глибини промерзання);
- Конструктивних особливостей будівель і споруд. При призначенні глибини закладення фундаменту необхідно
також враховувати особливості програми та величини навантажень, технологію виробництва робіт при зведенні фундаментів, матеріали фундаментів та інші фактори.
Мінімальна глибина закладення фундаментів при будівництві на дисперсних грунтах приймається не менше 0,5 м від поверхні планування. При будівництві на скельних грунтах досить буває прибрати тільки верхній, сильно зруйнований шар - і можна виконувати фундамент. Вартість фундаментів складає 4-6% загальної вартості будівлі.
Окремі фундаменти колон
За способом виготовлення фундаменти бувають збірні і монолітні. У залежності від розмірів збірні фундаменти колон виконують цільними і складовими. Розміри цільних фундаментів (мал. 4.20) відносно невеликі. Їх виконують з важких бетонів класів В15-В25, встановлюють на піщано-гравійну ущільнену підготовку товщиною 100 мм. У фундаментах передбачають арматуру, располагаемую по підошві у вигляді зварних сіток. Мінімальну товщину захисного шару арматури беруть 35 мм. Якщо під фундаментом немає підготовки, то захисний шар роблять не менше 70 мм.
Збірні колони закладають в спеціальні гнізда (склянки) фундаментів. Глибину закладення d 2 приймають рівною (1,0-1,5) - кратної більшого розміру поперечного перерізу колони. Товщина нижньої плити гнізда повинна бути не менше 200 мм. Зазори між колоною і стінками склянки приймають наступними: низом - не менше 50 мм; вгорі - не менше 75 мм. При монтажі колону встановлюють у гніздо за допомогою підкладок і клинів або кондуктора і рихтують, після чого зазори заповнюють бетоном класу В 17,5 на дрібному заповнювачі.
Збірні фундаменти великих розмірів, як правило, виконують складеними з декількох монтажних блоків (рис. 4.21). На них витрачається більше матеріалів, ніж на цільні. При значних моментах і горизонтальний розпір блоки складових фундаментів з'єднують між собою зварюванням випусків, анкерів, закладних деталей і т.п.
Монолітні окремі фундаменти влаштовують під збірні і монолітні каркаси будівель і споруд.
Типові конструкції монолітних фундаментів, що сполучаються зі збірними колонами, розроблені під уніфіковані розміри (кратні 300 мм): площа підошви - (1,5 х 1,5) - (6,0 х 5,4) м, висота фундаменту - 1,5 ; 1,8; 2,4; 3,0; 3,6 і 4,2 м (рис. 4.22).
У фундаментах прийняті: подовжений подколоннік, армований просторовим каркасом; фундаментна плита з відношенням розміру вильоту до товщини до 1:2, армована подвійний зварний сіткою; високо розміщений армований подколоннік.
Монолітні фундаменти, що сполучаються з монолітними колонками, бувають за формою ступінчастими і пірамідальними (східчасті по пристрою опалубки простіше). Загальну висоту фундаменту приймають такий, щоб не було потрібно його армувати хомутами і відгинами. Тиск від колон передається на фундамент, відхиляючись від вертикалі в межах 45 °. Цим керуються при призначенні розмірів верхніх щаблів фундаменту (див. рис. 4.23, в).
Монолітні фундаменти, як і збірні, армують зварними сітками тільки по підошві. При розмірах боку підошви більше 3 м з метою економії стали застосовують нестандартні зварні сітки, в яких половину стержнів не доводять до кінця на 1 / 10 довжини (див. рис. 4.23, д).
Для зв'язку з монолітною колоною з фундаменту випускають арматуру з площею перерізу, рівною розрахунковому перетину арматури колони у обрізу фундаменту. У межах фундаменту випуски з'єднують хомутами в каркас, який встановлюють на бетонні або цегляні прокладки. Довжина випусків з фундаментів повинна бути достатньою для пристрою стику арматури згідно існуючих вимог. Стики випусків роблять вище рівня підлоги. Арматуру колон можна з'єднувати з випусками внахлестку без зварювання за загальними правилами конструювання таких стиків. У колонах, центрально стиснених або внецен-центрово стислих при малих ексцентриситетах, арматуру з'єднують з випусками в одному місці; в колонах, позацентрово стиснутих при великих ексцентриситетах, - не менш ніж у двох рівнях з кожної сторони колони. Якщо при цьому на одній стороні перерізу колони знаходяться три стержні, то першим з'єднують середній.
Арматуру колон з випусками краще поєднувати дугового зварювання. Конструкція стику має бути зручною для монтажу та зварювання
Якщо весь переріз армовано лише чотирма стержнями, то стики виконують тільки зварними.
Стрічкові фундаменти
Під несучими стінами стрічкові фундаменти виконують переважно збірними. Вони складаються з блоків-подушок і фундаментних блоків (рис. 4.24). Блоки-подушки можуть бути постійної і змінної товщини, суцільними, ребристими, пустотними. Укладають їх впритул або з зазорами. Розраховують тільки подушку, виступи якої працюють як консолі, завантажені реактивним тиском грунту р (без урахування маси ваги і грунту на ній). Перетин арматури подушки підбирають по моменту
М = 0,5 р1 2,
де / - виліт консолі.
Товщину суцільний подушки h встановлюють за розрахунком на поперечну силу Q = pi, призначаючи її такою, щоб не було потрібно постановки поперечної арматури.
Стрічкові фундаменти під рядами колон зводять у вигляді окремих стрічок поздовжнього або поперечного (щодо рядів колон) напрями і у вигляді перехресних стрічок (рис. 4.25). Стрічкові фундаменти можуть бути збірними і монолітними. Вони мають Таврове поперечний переріз з полицею низом. При грунтах високої зв'язності іноді застосовують таврових профіль з полицею зверху. При цьому зменшується обсяг земляних робіт і опалубки, але ускладнюється механізована виїмка грунту.
Виступи полиці тавра працюють як консолі, затиснені в ребрі. Полку призначають такої товщини, щоб при розрахунку на поперечну силу в ній не було потрібно армування поперечними стрижнями або відгинами. При малих вильоти полку беруть постійної висоти; при великих - змінної з потовщенням до ребра.
Окрема фундаментна стрічка працює в поздовжньому напрямку на вигин як балка, що знаходиться під впливом зосереджених навантажень від колон зверху і розподіленого реактивного тиску грунту знизу. Ребра армують подібно багатопрогонових балках. Подовжню робочу арматуру призначають за розрахунком за нормальними перетинах на дію згинальних моментів; поперечні стрижні (хомути) і відгини - розрахунком на похилих перерізах на дію поперечних сил.
Суцільні фундаменти
Суцільні фундаменти бувають: плитними безбалковими; плит-но-балочними і коробчастими (рис. 4.26). Найбільшою жорсткістю володіють коробчаті фундаменти. Суцільними фундаменти роблять при особливо великих і нерівномірно розподілених навантаженнях. Конфігурацію і розміри суцільного фундаменту в плані встановлюють так, щоб рівнодіюча основних навантажень від споруди проходила в центрі підошви
У будинках і спорудах великої протяжності суцільні фундаменти (крім торцевих ділянок невеликої довжини) наближено можуть розглядатися як самостійні смуги (стрічки) певної ширини, що лежать на основі, що деформується. Суцільні плитні фундаменти багатоповерхових будівель завантажені значними зосередженими силами і моментами в місцях опису діафрагм жорсткості. Це повинно враховуватися при їх проектуванні.
Безбалочним фундаментні плити армують зварними сітками. Сітки приймають з робочою арматурою в одному напрямку; їх укладають один на одного не більше ніж в чотири шари, з'єднуючи без перепуску - у неробочому напрямку і внахлестку без зварювання - в робочому напрямку. Верхні сітки укладають на каркаси підставки.
Основні відомості про грунти підстав нафтогазових споруд
Грунти - це будь-які гірські породи, як пухкі, так і монолітні, що залягають у межах зони вивітрювання (включаючи грунту) і які є об'єктом інженерно-будівельної діяльності людини.
Найбільш часто в якості підстав використовуються незцементовані, сипучі і глинисті грунти, рідше, так як рідше виходять на поверхню, - скельні грунти. Класифікація грунтів у будівництві приймається відповідно до ГОСТ 25100-95 «Грунти. Класифікація »[15].
Знання будівельної класифікації грунтів потрібно оцінки їх властивостей як основ під фундаменти будівель та споруд. Грунти поділяються на класи по загальному характеру структурних зв'язків. Розрізняють: клас природних скельних грунтів, клас природних дисперсних грунтів, клас природних мерзлих грунтів, клас техногенних грунтів.
Скельні грунти складаються з магматичних, метаморфічних і осадових порід, що володіють структурним зчепленням, високою міцністю і щільністю.
До магматичним відносяться граніти, діорити, кварцові порфіри, габро, діабази, піроксеніти і т.д.; до метаморфічних - гнейси, сланці, кварцити, мармури, ріоліти і т.д.; до осадових - пісковики, конгломерати, брекчії, вапняки, доломіт. Всі скельні грунти мають дуже високу міцність, структурними жорсткими зв'язками і дозволяють зводити на них практично будь-які нафтогазові об'єкти.
До пухким грунтам, званим в ГОСТ 25100-95 [15] дисперсними, відносяться грунти, що складаються з окремих елементів, які утворилися в процесі вивітрювання скельних грунтів. Перенесення окремих частинок пухкого грунту водними потоками, вітром, оползаніе під дією власної ваги і т.п. призводить до утворення великих масивів пухких грунтів. Зв'язки між окремими частинками слабкі. Пухкі або дисперсні грунти не завжди володіють достатньою несучою
здатністю, тому розміщення на таких грунтах споруд повинно бути обгрунтованим. Потрібне ретельне дослідження властивостей грунту в природному стані, а також їх зміна під впливом навантаження від споруд.
Однією з основних характеристик пухких грунтів є розмір окремих частинок і їх зв'язаність один з одним. У залежності від розмірів окремих частинок грунти поділяють на великоуламкові, піщані і глинисті. Великоуламкові грунти містять більше 50% за масою частинок крупністю більше 2 мм; піщані сипучі грунти в сухому стані містять менше 50% по масі частинок крупністю більше 2 мм; глинисті грунти мають здатністю істотно змінювати властивості в залежності від насиченості водою.
За крупності окремих частинок глинисті і піщані грунти поділяються на більш диференційовані види: суглинки, пилуваті суглинки, супіски.
Визначення розмірів підошви фундаментів, що виконуються на дисперсних грунтах
Як вже зазначалося, для фундаментів на дисперсних грунтах нормальним вважається, коли осаду фундаменту не перевищує граничної величини, при цьому тиск на грунт під підошвою фундаменту зазвичай не перевищує розрахункового опору грунту R (Див. § 4.1.4.2).
Від розмірів підошви фундаменту залежить його осаду (деформація). Розрахунок за деформаціями відноситься до другої групи граничних станів, і, відповідно, розрахунки розмірів підошви фундаменту слід вести по навантаженнях, прийнятим для розрахунку другої групи граничних станів, - iV ser (сервісна навантаження). Сервісна навантаження приймається рівною нормативного навантаження або визначається наближено через розрахункове навантаження, поділену на 1,2 - середній коефіцієнт надійності за навантаженням:
N ser = N n або N ser = N / 1, 2.
Навантаження N ser збирається до верхнього обріза фундаменту, тому при визначенні розмірів підошви фундаменту необхідно враховувати й навантаження від його власної ваги і ваги грунту, що знаходиться на уступах фундаменту Nf так як вони також надають додатковий тиск на грунт. Навантаження Nf можна приблизно визначити як добуток обсягу, зайнятого фундаментом і грунтом, що знаходяться на його обріза, V = A f d 1, на середня питома вага бетону та грунту у т = 20 кН / м 3 (рис. 4.35); Af - площа підошви фундаменту .
Тиск під підошвою фундаменту визначається за формулою
P = N + N / A = (4.32)
Прирівнявши тиск під підошвою фундаменту розрахункового опору грунту p = R, можна вивести формулу для визначення необхідної площі підошви фундаменту (4.33)
Для перевірки достатності площі існуючих або запроектованих фундаментів користуються формулою
При горизонтальному заляганні шарів грунту (однорідний, рівномірно і не сильно стискається грунт) для будівель і фундаментів звичайної конструкції можна вважати, що підібрані таким способом розміри підошви фундаменту (за формулою (4.33)) (або перевірений існуючий фундамент (за формулою (4.34)) задовольняють вимогам розрахунку за деформаціями (4.34) і розрахунок осад фундаменту можна не проводити. (Більш детально див п. 2.56 СНиП 2.02.01-83 *) [57].
Розрахунок площі підошви фундаменту виконують звичайно в такій послідовності.
Встановивши за таблицями (див. табл. 4.6, 4.7) величину розрахункового опору грунту R q, визначаємо наближене значення площі підошви фундаменту за формулою (4.35)
потім призначаємо розміри підошви фундаменту і, визначивши механічні характеристики грунтів (питоме зчеплення з п і кут внутрішнього тертя ф п (див. табл. 4.4, 4,5), визначаємо уточнене значення розрахункового опору грунту R за формулою (4.14), за яким, у свою чергу, уточнюємо потрібні розміри підошви фундаменту за формулою (4.33), і остаточно приймаємо підошву фундаменту.
До розрахунку армування необхідно переконатися в тому, що габарити фундаменту не перетинаються з гранями піраміди продавлювання. Для визначення перетину арматури сітки нижньої ступені обчислюють згинальні моменти в кожного ступеня (рис. 4.36).
Згинальний момент у перерізі I - I дорівнює
М I = 0,125 / p гр (l - l k) 2 b, (4.36)
а необхідна площа перерізу арматури
А = M I / 0,9 R s h 0. (4.37)
Для перерізу II-II відповідно
М II = 0,125 р гр (1 - l 1) 2 b; (4.38)
A sII = M II / 0,9 R s (h 0 - h I). (4.39)
Вибір арматури здійснюється за максимальним значенням A si, де i = 1-3.
Фундаменти армують по підошві зварними сітками зі стержнів періодичного профілю. Діаметр стрижнів повинен бути не менше 10 мм, а їх крок - не більше 200 і не менше 100 мм.
Розрахунок фундаментів під крайні колони
При спільній дії вертикальних і горизонтальних сил і моментів, тобто при відцентровому навантаженні, фундаменти проектують прямокутниками в плані, витягнутими - в площині дії моменту.
Розміри фундаменту в плані повинні бути призначені так, щоб найбільший тиск на грунт біля краю підошви від розрахункових навантажень не перевищувало l, 2 R. Попередньо розміри можуть бути визначені за формулою (4.35), як для центрально-навантаженого фундаменту.
Максимальне і мінімальний тиск під краєм фундаменту обчислюють за формулами позацентрового стиснення для найменш вигідного завантаження фундаменту при дії основного сполучення розрахункових навантажень.
Для схеми навантажень, показаної на рис. 4.34, 4.35:
N = N + G CT + y m d I A f, (4.41)
де M, N, Q - Розрахунковий згинальний момент, поздовжня і поперечна сили в перерізі колони на рівні верху фундаменту відповідно; G CT - Розрахункове навантаження від ваги стіни і фундаментної балки. Для фундаментів колон будівлі, обладнаних мостовими кранами вантажопідйомністю Q> 750 кН, а також для фундаментів колон відкритих кранових естакад рекомендується приймати трапецієподібну епюру напружень під підошвою фундаменту з відношенням> 0,25, а для фундаментів колон будівлі, обладнаних кранами вантажопідйомністю Q <750 кН , необхідно виконати умову p min > 0; у будинках без кранів у виняткових випадках допускається епюра (рис. 4.37). У цьому випадку е 0 > 1 / 6.
Бажано, щоб від постійних, тривалих і короткочасних навантажень тиск, по можливості, було рівномірно розподілено по підошві.