CC BY
19doi: 10.5862/MCE.55.2
Конструкция фундаментной плиты с регулируемыми
усилиями
К.т.н., профессор C.B. Иконин; аспирант A.B. Сухотерин,
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
Аннотация. Сплошные плитные фундаменты, широко применяемые в настоящее время в фундаментостроении, имеют существенный недостаток - высокий расход стали, используемой для их армирования. В статье предлагается конструкция фундаментной плиты с регулируемыми усилиями, которая отличается от традиционного решения тем, что в тело плиты вводятся узлы шарнирного действия, обеспечивающие практически повсеместное уменьшение изгибающих моментов внутри фундамента.
Сформулированы основные требования, предъявляемые к узлу шарнирного действия при конструировании. С целью подтверждения эффективности предлагаемой конструкции приводится сравнительный анализ результатов расчета фундаментной плиты с регулируемыми усилиями и традиционной сплошной фундаментной плиты.
Анализ полученных результатов расчета показал, что узел шарнирного действия обеспечивает существенную разгрузку сечений фундаментной плиты как в пролетах, так и под колоннами.
Ключевые слова: плитные фундаменты; узел шарнирного действия; совместный расчет
Введение
В современных условиях строительства, характеризующихся повышенной этажностью возводимых объектов, стесненностью осваиваемых площадок, использованием в качестве оснований грунтов с невысокими значениями деформационных характеристик, существенно возрастает актуальность фундаментов в виде сплошных железобетонных плит. Неоспоримое достоинство данных фундаментов заключается в том, что они способны перераспределять внешние воздействия от зданий или сооружений на значительную область основания, создавая таким образом благоприятные условия для выравнивания осадок оснований, обусловленных неоднородным строением грунтовых массивов и неравномерным загружением фундаментных плит в плане.
Накопленный опыт проектирования показывает, что недостатком рассматриваемой конструкции фундамента является ее большая стоимость, связанная главным образом со значительным расходом стали на армирование. Настоящая работа посвящена именно данному аспекту вопроса о снижении материалоемкости фундаментных плит.
Обзор литературы
По результатам анализа существующих источников можно выделить три главных направления, которые позволяют снизить материалоемкость конструкции плитного фундамента.
К первому направлению следует отнести работы, в которых предлагается выполнять совместный расчет системы «надземная конструкция - фундамент - основание». Этот вопрос рассматривался в руководстве по проектированию плитных фундаментов [1] и такими авторами, как М.И. Горбунов-Посадов [2], С.Н. Клепиков [3], А.С. Городецкий [4], В.М. Улицкий [5],
A.Г. Шашкин, К.Г. Шашкин [6], R. Katzenbach, G. Bachmann, C. Gutberlet [7], J.B. Burland, B.B. Broms, V.F.B. De Mello [8], O. Kabantsev, A. Perelmuter [9], S.C. Dutta, R. Roy [10].
Второе направление подразумевает учет нелинейного поведения грунтовых оснований и материала фундаментной плиты при нагружении. Данный подход отразили в своих трудах
B.И. Соломин [11, 12, 13], А.Г. Шашкин, К.Г. Шашкин [14], В.Г. Федоровский [15, 16], Н.И. Карпенко [17], S.G. Bezvolev [18], A.S. Morgun, A.M. Ratushna [19], R. Cerioni, L. Mingardi [20], C. Barth, E. Margraf [21], R.B.J. Brinkgreve [22].
В работах третьего направления оптимизации армирования фундаментных плит добиваются за счет новых конструктивных решений. Данные конструктивные решения разрабатывали такие авторы, как С.Л. Эскулов [23], S.M. Alenikov, S.V. Ikonin [24, 25], А.К. Беляничев [26], Р.Л. Айвазов [27, 28], В.А. Таршиш [29], Е.А. Сорочан [30].
Результаты исследований, публикуемые авторами в данной статье, относятся к третьему из названных направлений.
Постановка задачи
С целью уменьшения расхода арматуры предлагается ввести в конструкцию плитного фундамента узлы шарнирного действия так, как показано на рисунках 1-3.
Рисунок 1. Конструкция фундаментной плиты с регулируемыми усилиями, план: 1 - железобетонная плита; 2 - узел шарнирного действия
Рисунок 2. Конструкция фундаментной плиты с регулируемыми усилиями, разрез А-А:
I - узел шарнирного действия
Рисунок 3. Узел шарнирного действия 1 - стальная труба; 2 - стальные пластины; 3 - вставки из пенопласта
Иконин С.В., Сухотерин А.В. Конструкция фундаментной плиты с регулируемыми усилиями
Предлагаемый узел шарнирного действия не препятствует взаимному повороту смежных частей фундаментной плиты, создавая таким образом шарнирный эффект в ее работе. Вместе с тем данное конструктивное решение обеспечивает совместную работу соседних участков плиты, разделенных узлами шарнирного действия, что позволяет сохранить у фундамента распределительную способность.
Конструкция узла шарнирного действия должна отвечать следующим требованиям.
Необходимо проверить согласно [31] консольный участок фундаментной плиты, изображенный на рисунке 4, на прочность по поперечной силе Qmax и изгибающему моменту Mx, воспользовавшись формулами (1) и (2).
б)
Qmax
Рисунок 4. Расчетная схема влияния узла шарнирного действия на местную прочность фундаментной плиты: а) схема приложения сил в узле; б) расчетная схема консольного участка плиты в виде защемленной балки переменной толщины
^ 1,5 • Rbt ■ Ъ • /?,,
max
Mx=Q^-x<R
ht
h-к
6
, (0 < x < L),
(1) (2)
где Qmax- максимальная поперечная сила в узле шарнирного действия на участке длиной b = 1 м; Mx - изгибающий момент в сечении 1-1 консоли, удаленном от точки приложения силы Qmax на расстояние х; Rbt - расчетное сопротивление бетона растяжению; hx - рабочая высота консоли в расчетном сечении 1-1; h0 - рабочая высота расчетного сечения консоли при x = 0; а - толщина защитного слоя арматуры; с - горизонтальная проекция наклонного сечения консольного участка плиты (h0 < c <2,4h0, при L > 2,4h0 принимают L = 2,4h0 [31]).
Для нормального функционирования узла шарнирного действия при повороте (рис. 5) должны быть выполнены условия (3) и (4).
Рисунок 5. Расчетная схема узла шарнирного действия при повороте смежных участков
фундаментной плиты
с
5 < t ; (3)
c* h ■ ^
S = - • sin в , (4)
2
где t - толщина сжимаемой прослойки в узле шарнирного действия; 5, в - соответственно показанные на рисунке 5 перемещение и угол поворота смежных участков фундаментной плиты, разделенных узлом шарнирного действия.
Основной технологической особенностью предлагаемой конструкции по сравнению с традиционными сплошными фундаментными плитами является то, что перед началом монолитных работ необходимо устанавливать в проектное положение элементы узлов шарнирного действия (рис. 3). В результате по всему телу фундамента за счет вводимых шарнирных узлов существенно снижаются изгибающие моменты. Поэтому рассматриваемый фундамент с узлами шарнирного действия можно классифицировать как фундаментную плиту с регулируемыми усилиями.
В практике фундаментостроения подобные конструкции фундаментных плит еще не применялись. Следовательно, при проектировании конкретных объектов будет необходимо всесторонне оценивать совместную работу всех узлов и элементов системы «основание -фундамент - сооружение» в соответствии с требованиями национальных стандартов на проектирование и, в частности, с принятыми ограничениями по деформациям, прочности и устойчивости оснований и строительных конструкций. Чтобы получаемые решения были максимально приближены к действительности, желательно в расчетах использовать математические модели, наиболее адекватно описывающие сопротивление грунтов и конструкционных материалов внешним воздействиям.
Для оценки эффективности конструкции фундаментной плиты с регулируемыми усилиями проводились серии сравнительных МКЭ расчетов. Сравнивались результаты расчета предлагаемой конструкции фундаментной плиты со сплошной фундаментной плитой. Оба варианта фундаментных плит рассматривались совместно в системе «основание - фундамент -сооружение».
Совместный расчет системы «основание - фундамент - сооружение» производился в программном комплексе «MIDAS GTS NX». Грунтовый массив моделировался трехмерными конечными элементами типа «Solid» с тремя степенями свободы в узлах. В качестве расчетной модели грунта, описывающей нелинейное поведение основания под нагрузкой, использовалась упругая идеально-пластическая модель Мора - Кулона, состоящая из двух компонент: закона Гука и условия прочности Кулона. Модель учитывает основные свойства грунта, такие как упругое поведение при малых нагрузках, малая жесткость материала при разрушении, условие разрушения и упругая разгрузка после течения. Предельное напряженное состояние по Мору -Кулону определяется условием (5):
а, - ст. а, + а, . ^ Л (5)
—-- + —-- • sin <р - С • cos <р = 0,
2 2
где о1, о3 - главные напряжения; ф - угол внутреннего трения; С - удельное сцепление.
Элементы каркаса моделировались стержневыми элементами типа «Beam» и пластинчатыми элементами типа «Shell». Для создания шарнирной работы смежных частей фундаментной плиты использовался инструмент «Add End Release (Shell)», который позволяет освободить необходимые перемещения в узлах пластинчатых элементов. Все остальные параметры рассматриваемой системы «основание - фундамент - сооружение» приведены ниже в таблице 1.
Таблица 1. Исходные данные системы «основание - фундамент - сооружение»
Общий вид расчетной схемы «основание - фундамент - сооружение»
Характеристики сооружения
Конструктивная схема - каркасная Сетка колонн 6х6 м, размер сетки в плане - 18х30 м Высота этажа - 3 м, количество этажей - 13 Колонны сечением 0,4х0,4 м Перекрытия толщиной 0,2 м Материал каркаса - бетон класса B25 Нагрузка на каждом перекрытии - 5 кН/м2
Характеристики фундамента
Фундамент в виде сплошной фундаментной плиты или в виде фундаментной плиты с регулируемыми усилиями
Толщина фундаментной плиты - 1,0 м
Материал фундамента - бетон класса B20
Нагрузка на фундаментную плиту - 5 кН/м2
Характеристики основания
Основание представлено однородным слоем песка средней крупности средней плотности со следующими механическими характеристиками: Ф = 36°, С = 1 кПа, E = 30 МПа, V = 0,3
Результаты исследований
По результатам расчета двух вариантов фундаментных плит были получены изополя значений изгибающих моментов, поперечных сил и осадок, которые показаны соответственно на рисунках 6-11. Сопоставление приведенных результатов расчета указывает на то, что узел шарнирного действия обеспечивает существенную разгрузку сечений фундаментной плиты как в пролетах, так и под колоннами при практически равных осадках основания в обоих вариантах расчета. Перераспределение усилий в надземной части системы «основание - фундамент -сооружение» за счет введения в плиту шарниров незначительно и не требует дополнительного расхода арматуры. Представленные на рисунках 6-11 графические материалы обобщены в таблице 2.
Рисунок 6. Изополя значений изгибающих моментов Мх (кН-м) сплошной фундаментной плиты
Рисунок 7. Изополя значений изгибающих моментов Мх (кН-м) фундаментной плиты с регулируемыми усилиями
Рисунок 8. Изополя значений изгибающих моментов Му (кН-м) сплошной фундаментной плиты
Рисунок 9. Изополя значений изгибающих моментов Му (кН-м) фундаментной плиты с регулируемыми усилиями
Рисунок 10. Значения осадок (мм) сплошной фундаментной плиты
Рисунок 11. Значения осадок (мм) фундаментной плиты с регулируемыми усилиями
Таблица 2. Обобщение результатов расчета по рассмотренным вариантам фундаментов
Сравниваемые параметры Сплошная фундаментная плита Фундаментная плита с регулируемыми усилиями
Mx, кНм (сечение по по оси А) -183,79-1511,81 -80,56-1341,0
Mx, кН м (сечение по по оси Б) -107,58-2026,53 -83,16-1703,58
My, кН м (сечение по по оси 1) -103,14-1626,22 -74,65-1279,41
My, кН м (сечение по по оси 2) -47,35-2068,07 -78,24-1695,10
My, кНм (сечение по по оси 3) -40,72-2128,96 -84,85-1633,66
Mx, кНм (в целом по плите) -196,28-2037,64 -88,87-1711,50
My, т м (в целом по плите) -114,25-2128,96 -86,45-1695,10
Qx, кН (в целом по плите) -2257,07-2245,23 -2291,64-2275,59
Qy, кН (в целом по плите) -2161,36-2176,92 -2262,30-2294,93
Осадка S, см (в целом по плите) 4,37-7,34 4,24-8,14
По данным, содержащимся в таблице 2, построена гистограмма (рис. 12), которая отражает эффективность конструкции фундаментной плиты с регулируемыми усилиями.
2500
2000
1500
1000
500
□ Мх, кН*м
□ Му, кН*м
□ Ох, кН
□ Оу, кН
□ Осадка, ем*100
Сплошная фундаментная плита
Фундаментная плита с регулируемыми усилиями
Рисунок 12. Гистограмма сравниваемых максимальных значений параметров Мх, Му, Ох, Оу,
Б в целом по плите
0
Выводы
На основе анализа полученных результатов расчетов можно сделать следующие выводы.
1. Благодаря наличию в теле фундамента узлов шарнирного действия удается повсеместно разгрузить сечения фундаментной плиты, а именно:
• снизить изгибающие моменты в сечениях под колоннами в среднем на 18 %;
• практически избавиться от изгибающих моментов в местах установки узлов шарнирного действия.
2. Значения поперечной силы у сравниваемых конструкций фундаментных плит лежат в одном диапазоне.
3. Осадки основания в обоих вариантах расчета не превышают предельно допустимых значений и несущественно отличаются друг от друга.
4. Использование фундаментной плиты с регулируемыми усилиями в системе «основание -фундамент - сооружение» не приводит к существенному перераспределению усилий и перемещений в элементах надземного сооружения по сравнению со сплошной плитой.
5. Предлагаемая конструкция фундаментной плиты с регулируемыми усилиями ведет к снижению расхода стали на армирование и к достижению положительного экономического эффекта с сохранением всех положительных качеств сплошных плитных фундаментов. По результатам исследований были поданы две заявки на изобретение: «Конструкция фундаментной плиты с регулируемыми усилиями» №2014103231, «Узел шарнирного действия для фундаментной плиты с регулируемыми усилиями» №2014113732.
Литература
1. Руководство по проектированию плитных фундаментов каркасных зданий и сооружений башенного типа / НИИОСП им. Н.М. Герсеванова.: Стройиздат, 1984. 263 с.
2. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А., Соломин В.И. Расчет конструкций на упругом основании. М.: Стройиздат, 1984. 679 с.
3. Клепиков С.Н. Расчет сооружений на деформируемом основании. К.: НИИСК, 1996. 204 с.
4. Городецкий А. С. [и др.] Расчет и проектирование конструкций высотных зданий из монолитного железобетона. Киев: ФАКТ, 2004. 105 с.
5. Улицкий В.М. Основы совместных расчетов зданий и оснований // Развитие городов и геотехническое строительство. 2006. №10. [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Reader. URL: http://www.georec.spb.ru/journals/10/files/10005.pdf (дата обращения: 9.02.2015).
6. Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Взаимодействие зданий и оснований: Тетрадь №2 // Приложение к журналу «Реконструкция городов и геотехническое строительство». СПб.: Стройиздат, 2002. 48 с.
7. Katzenbach R., Bachmann G., Gutberlet C. Soil-Structure interaction by high-rise buildings in megacities // Proceedings of the Indian Geotechnical Conference IGS, 14-16 December 2006. IIT Madras, Chennai. Vol. 1. Pp. 3-10.
8. Burland J.B., Broms B.B., De Mello V.F.B. Behaviour of foundations and structures // Proceedings of the 9th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. 1977. Tokyo, Japan. Rotterdam: Balkema, 1977. Vol. 2. Pp. 495-546.
9. Kabantsev O., Perelmuter A. Modeling transition in design model when analyzing specific behaviors of structures // Procedia Engineering. 2013. Vol. 57. Рр. 479-488.
10. Dutta S. C., Roy R. A critical review on idealization and modeling for interaction among soil-foundation-structure system // Computers & structures. 2002. Vol. 80. No. 20. Pp. 1579-1594.
11. Соломин В.И., Шматков С.Б. Об учете нелинейных деформаций железобетона и грунта при расчете круглых фундаментных плит // Основания фундаменты и механика грунтов. 1976. №3. C. 36-39.
12. Соломин В.И., Шматков С.Б. Методы расчета и оптимальное проектирование железобетонных фундаментных конструкций. М.: Стройиздат, 1986. 208 с.
13. Solomin V.I., Kopeikin V.S., Shmatkov S.B. Numerical Solution for NonLinear Problems of Relationship between Foundations and Soil Bases // Proceedings of 3rd International Conference on Numerical Methods in Geomechanics, Aachen. 2-6 April, 1979. Rotterdam: A.A. Balkema, 1979. Vol. 3. Pp. 1033-1039.
14. Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Расчет фундаментных плит в пространственной постановке с учетом нелинейных деформаций основания // Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2000. №3. [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Reader. URL: http://www.georec.spb.ru/journals/03/20/20.pdf (дата обращения: 7.02.2015).
15. Федоровский В. Г., Безволев С. Г. Прогноз осадок фундаментов мелкого заложения и выбор модели основания для расчета плит // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2000. №4. С. 10-18.
16. Федоровский В. Г., Безволев С. Г., Дунаева О. М. Методика расчета фундаментных плит на нелинейно-деформируемом во времени основании// Нелинейная механика грунтов: Тр. IV Рос. конф. с иностр. участием. 1993. Т. 1. C. 81-86.
17. Карпенко Н. И. Теория деформирования железобетона с трещинами. М.: Стройиздат. 1976. 208 с.
18. Bezvolev S. G. Method of Accounting for the Deformability of an Inhomogeneous Elastoplastic Bed in Analyzing Foundation Slabs // Soil Mechanics and Foundation Engineering. 2002. Vol. 39. No. 5. Pp. 162-170.
19. Morgun A.S., Ratushna A.M. Elastic-plastic modeling of a foundation plate geotechnical process // Scientific Works of Vinnytsia National Technical University. 2012. No. 1. Рр. 1-5.
20. Cerioni R., Mingardi L. Nonlinear analysis of reinforced concrete foundation plates // Computers & Structures. 1996. Vol. 61. No. 1. Рр. 87-106.
21. Barth C., Margraf E. Untersuchung verschiedener Bodenmodelle zur Berechnung von Fundamentplatten im Rahmen von FEM-Losungen // Bautechnik. 2004. Vol. 81. No. 5. Pp. 337-343.
22. Brinkgreve R. B. J. Selection of sil models and parameters for geotechnical engineering application // Soil Constitutive Models: Evaluation, Selection, and Calibration / Ed. J.A.Yamamuro, V.N.Kaliakin. American Society of Civil Engineers. 2005. Vol. 128. Pp. 69-98.
23. Эскулов С.Л. Прогноз и регулирование напряженно-деформированного состояния фундаментных плит под реакторные отделения и турбоагрегаты АЭС на стадии строительства // Энергическое строительство. 1989. №9. C. 49-51.
24. Alenikov S.M., Ikonin S.V. Controt of foundation shape and loading parameters of preserve uniform settlement // Communications in numerical methods in engineering. 1996. Vol. 12. Pp. 445-453.
25. Alenikov S.M., Ikonin S.V. Prevention of nonuniform settlement of foundations // Building research journal. 1996. Vol. 44. No. 2. Pp. 69-89.
26. Патент №1216288. СССР. Фундамент зданий и сооружений / А.К. Беляничев, И.А. Бердичевский, С.Н. Клепиков, М.Л. Клоницкий, Д.Б. Цекерман, А.С. Шенкар; заявитель и патентообладатель Киевское отделение Всесоюзного Ордена Ленина и Ордена Октябрьской Революции научно-исследовательского и проектно-изыскательского института «Атомтеплоэлектропроект». №3778436/29-33; заяв. 06.08.84; опуб. 07.03.86, Бюл. №9. 2 с.
27. Патент №1814677. СССР.Сборно-монолитная фундаментная плита / Р.Л. Айвазов. - №5019792/33; заяв. 29.12.91; опуб. 07.05.93, Бюл. №17. 2 с.
28. Патент №1814677. СССР. Фундаментная плита / Р.Л. Айвазов. №5019790/33; заяв. 29.12.91; опуб. 07.02.93, Бюл. №5. 6 с.
29. Патент №987033. СССР. Фундаментная железобетонная плита. / В.А. Таршиш, А.Л. Гордон, В.Э. Ростованов, А.Н. Лавренов, В.В. Марин; заявитель и патентообладатель Управление по проектированию жилищно-гражданского и комунального строительства «Моспроект-1». №2840936/29-33; за-яв. 19.11.79 ; опуб. 07.01.83, Бюл. №1. 3 с.
30. Сорочан Е.А. Фундаменты промышленных зданий. М.: Стойиздат, 1986. 303 с.
31. СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 / Минрегион России. М., 2013. 154 с.
Сергей Вячеславович Иконин, г. Воронеж, Россия Тел. раб.: +7(4732)558328; эл. почта: fornag@inbox.ru
Андрей Владимирович Сухотерин, г. Воронеж, Россия Тел. моб.: +7(952)5529563; эл. почта: asuhoterin@list.ru
© Иконин С.В., Сухотерин А.В., 2015
