CC BY
40Пространственные платформы как эффективные и экономичные фундаменты для зданий в сложных грунтовых условиях и сейсмичности строительных площадок
Грузков Александр Артурович;
студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет, aleksandrgruz-kov29@mail.ru
Солянник Павел Евгеньевич,
студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет, pavel-grand557@gmail.com
Вернин Никита Александрович,
студент, кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений, Дальневосточный федеральный университет, nav-ernin@gmail.com
Описана проблема строительства зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях (строительство на слабых, насыпных, просадочных, пучинистых, вечномерзлых грунтах). Приведено описание конструкции пространственных фундаментных платформ, их виды и особенности конструктивных решений.
Проведено исследование распределение передаваемой платформой нагрузки на основание, составлена и рассчитана расчетная схема гибкой пространственной фундаментной платформы. Сделаны выводы о способности ПФП к распределению приложенной к ним нагрузки на основание. Описано устройство скользящего подстилающего слоя, строительные материалы и его влияние на сейсмостойкость возводимого здания или сооружения.
Представлено технико-экономическое сравнение по расходу железобетона на существующие фундаменты под 9-этажное здание с пространственной фундаментной платформой для свай-стоек и висячих свай. Сделаны выводы об экономичности использования ПФП, описаны их преимущества. Ключевые слова: пространственная фундаментная платформа, эффективность, технико-экономический анализ, строительство, фундамент.
Трудности проектирования и возведения зданий и сооружений в сложных грунтовых условиях - слабые, насыпные, просадочные, пучинистые, вечномерзлые грунты, сейсмичность района строительства, занимающих около 85% территории Российской Федерации, возникающие из-за неопределенности внешних воздействий по их величине, во времени и пространстве, решаются с помощью традиционных и не традиционных методов строительства.
Традиционные методы, такие как укрепление или замена фрунта, использование свай-стоек, антисейсмических поясов и швов, зачастую бывают недостаточно эффективны и не экономичны.
Пространственные фундаментные плиты, относящиеся к плавающим фундаментам для строительства на слабых и просадочных грунтах, решают эти проблемы, благодаря своим конструктивным особенностям. Отсутствие заглубления фундаментной платформы, использование скользящего слоя, большая пространственная жесткость и площадь опирания позволяют снизить горизонтальную составляющую сейсмических воздействий, обеспечивает целостную работу системы «фундамент-здание», а большая площадь передачи нагрузки от здания или сооружения на основания значительно снижает отпор и неравномерные осадки грунта.
Пространственная платформа представлена в виде верхнего и нижнего железобетонного пояса связанных пространственной решеткой, что придает платформе при небольшом весе конструкций многосвязность и дополнительную жесткость, по сравнению с фундаментными железобетонными плитами. Унификация элементов металлической решетки и железобетонных плит обеспечивают индустриальность производства платформ, облегчает доставку конструкций и их монтаж.
Существующие варианты конструктивных решений сборной пространственной фундаментной платформы (ПФП):
1) в сталежелезобетонном варианте (железобетонные верхний и нижний пояс, решетка металлическая на болтах). Первый тип сталежелезобетонной платформы - с легкими плитами, второй - с усиленными плитами.
2) в железобетонном варианте:
а) с фермами (раскосные, безраскосные), высота платформы 2-3 м;
б) с балками сплошного сечения (серии 1.462-2), высота платформы 70 см;
в) с балками двутаврового сечения (серии 1.462-1), высота платформы 1,0 - 1,2 м;
г) с балками решетчатыми (серии 1.462-3), высота платформы 1,5 м.
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м о
о сч
0 сч
ю
01
о ш m
X
<
m О X X
i_L
Гт^П
/
V
3 4 " s
Рисунок 1 - Общий вид сталежелезобетонной фундаментной платформы: 1 - фундаментная платформа; 2 - верхняя железобетонная плита; 3 - нижняя железобетонная плита; 4- металлический пространственный шпренгель; 5 -стойка; 6 - раскосами; 7 - закладные детали; 8 - поверхность грунта; 9 - продуваемое подполье; 10 - скользящий слой
Существующие технические решения фундаментных платформ разработаны как для восприятия относительно небольших широко распространенных нагрузок порядка 1-3 т/м2 площади (например, для одно- и двухэтажных большепролетных зданий), таки под резервуары, т.е. под большие нагрузки порядка 10-15 т/м2 и многоэтажные здания.
Исследования способности распределения передаваемой платформой нагрузки на основание производилось в программном комплексе SCAD.
В программном комплексе SCAD была построенная расчетная схема сталежелезобетонной фундаментной платформы высотой 1,5м, имеющую размеры в плане 24x24м, состоящая из сборных верхней и нижней ребристых железобетонных плит (смоделированные оболо-чечными пластинчатыми элементами) - 3x6м, эксцентрично подкрепленных ребрами. Толщина верхней плиты 3см, нижней - 5 см.
Ребра заданы стержнями, присоединенными к соответствующим пластинам жесткими вставками, сечение ребер верхних плит 10x17 см, нижних - 10x15 см. Сами плиты соединенных между собой пространственным металлическими шпренгелями, заданными одиночными металлическими равнополочными уголками по ГОСТ 8509-93 140х10. Расчет производился от действия 4-ех загружений (от сосредоточенной силы P1=100 кН в центре латформы, P1=P1 у края, P3= P1 в угловой зоне и от собственного веса) при различных грунтовых условиях:
Первый расчет при слабом грунте: коэффициенты постели упругого основания С1=1000 кН/м3, С2=0,01 кН/м.
Второй расчет при более сильном грунте (глина влажная): коэффициенты постели упругого основания С1=5000 кН/м3, С2=0,05 кН/м.
Полученные результаты расчета были сведены в таблицу 1 для основных интересуемых элементов. В таблице представлены: отпор грунта Rz в кН/м2, прогибы z в мм, Nx, Ny - продольные напряжения в плитах соответственно вдоль осей X и Y, N в кН/м2, Nmax, Nmin - продольные максимальные и минимальные напряжения в металлических связях.
1 1 1 1
1 -1 Н 1 гмн
I1 Л
1 1 у ¡У 1 1 __1 J
1 1__ _1
-1 ! Н Pi Ь) ■ 1 1
f г^л bv 1 J 1
L— 1М0 ]
УХО. ..уха. на. х« МО
2*000
Рисунок 2 -Расчетная схема пространственной фундаментной платформы
Рисунок 3 - Сечение железобетонных плит пространственной фундаментной платформы: а) верхняя плита; б) нижняя плита
Сосредоточенные силы, приложенные в узлах верхних плит, передаются через четыре сходящихся в узле раскоса на нижние плиты и упругое основание. Для более слабых грунтов отпор распространяется на значительную площадь, когда при более сильных грунтах величина отпора возрастает, а площадь распространения уменьшается.
Рисунок 4 - 3D модель пространственной фундаментной платформы, построенной в программном комплексе SCAD
Большая площадь отпора платформы обеспечивает значительную распределительную способность передачи нагрузки. Так максимальный отпор в расчетах Rz=5,59 кН/м2 (0,057 кг/см2) от сосредоточенной у края
силы Р2=100 кН, при коэффициентах упругого основания С1=5000 кН/м3, С2=0,05 кН/м, является незначительным, а максимальные прогибы от сосредоточенных сил не превышают 2 мм, что позволяет сделать вывод об эффективной работе пространственных фундаментных плит на слабых основаниях без заглубления и сохранении естественных свойств грунтов.
Рисунок 5 - Изополе напряжения (отпора грунта) в нижних железобетонных плитах пространственной фундаментной платформы
Таблица 1
Максимальные значения напряжения, усилий и перемещений
Элемент платформы Обозначение Размерность Максимальные значения от нагрузки в виде одиночных сосредоточенных сил в 100 кН, при С1=1000 кН/м3 Нагрузка от собственного веса Максимальные значения от нагрузки в виде одиночных сосредоточенных сил в 100 кН, при С2=5000 кН/м3 Нагрузка от собственного веса
В центре У края В угловой зоне В центре У края В угловой зоне
1 2 3 4 5 6 7 8
Нижние плиты Rz кН/м 2 -0,91 -1,88 -1,63 -3,28 -3,17 -5,59 -3,32 -5,3
Z мм -0,91 -1,88 -1,63 -3,28 -0,63 -1,12 -0,66 -1,06
Nx,mi n кН/м 2 -34,29 -181,68 -107,73 -109,92 -57,41 175,6 5 -95,59 -95,44
Nx,m ax кН/м 2 302,78 492,49 242,09 32,07 259,9 7 463,1 5 225,8 7 30,05
Ny,mi n кН/м 2 -13,71 -45,66 -87,83 -27,52 -29,94 -53,46 -59,47 -39,93
Ny,m ax кН/м 2 247,11 437,41 316,25 28,59 203,0 4 367,4 9 307,2 15,56
Связи Nmin кН -47,66 -83,09 -23,59 -6,02 -46,12 -82,26 -23,07 -5,98
Nmax кН 25,17 24,98 17,42 7,64 23,4 23,36 15,23 0,54
скользящий слой из материалов с низким значением коэффициента трения скольжения по основанию, уменьшающий трение между фундаментной платформой и основанием.
Материалы, рекомендуемые к использованию при устройстве скользящего слоя между нижней плитой платформы и грунтом основания:
1. два слоя пергамина с прослойкой молотого фа-фита;
2. смесь полиизобутилена, сажи и фафита;
3. два слоя пергамина с прослойкой инертной пыли;
4. два слоя полиэтиленовой пленки с прослойкой талька, молотого фафита или другой инертной сухой пыли.
Исследования [7], проведенные для модели 5-ти этажного каркасного здания, расчетная схема которого принималась в виде квадратной в плане пространственной рамы с узловыми сосредоточенными массами показали, что изгибающие моменты в колоннах и ригелях рамы в среднем в 40 раз меньше, чем для рамы на ПФП без скользящего слоя.
Также, расчеты [5] показывают, что существует возможность строительства большепролетных и 5-9 этажных зданий на пространственной фундаментной платформе высотой 1,5 м при слабых грунтах. Возможно спроектировать платформы различной высоты для различных зданий и грунтов.
ПФП позволяет возводить на них эффективные распорные строения (арки, рамы и т. п.), используя саму платформу как систему затяжек пространственного типа. А при создании предварительного натяжения, возможно разгружение верхнего строения.
Между нижней плитой и грунтом основания при сейсмичности площадки строительства устанавливается
Рисунок 6 - Пространственная расчетная схема 5-ти этажного каркасного здания на ПФП при оценке эффективности сейсмоизоляции в виде скользящего слоя: 1 - рамный каркас здания; 2 - фундаментная плита; 3 - массив грунта; 4 - горизонтальная вибрационная нагрузка
Таким образом, устройство скользящего слоя между фундаментом и основанием существенно снижает горизонтальные сейсмические воздействия на фундамент и на все сооружение, а объединение верхнего строения с фундаментной платформой в цельную пространственную многосвязную замкнутую систему позволяет повысить ее сейсмостойкость практически при любых сейсмических воздействиях (крутильных, несимметричных, вертикальных и др.). Таким образом, конструкция может использоваться при одновременном стечении неблагоприятных факторов сейсмичности и слабых грунтов.
Технико-экономическое сравнение по расходу железобетона на существующие фундаменты под 9-этажное здание с пространственной фундаментной платформой для свай-стоек и висячих свай [5], выявило экономичность пространственной фундаментной платформы.
Из таблицы 2 следует, что расход железобетона на пространственные фундаменты в расчете на 1 м2 площади и на 1 т веса здания значительно меньше (более чем в 1,5 раза). Также ПФП не требуют значительных
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю
2 О
м о
земляных работ и применения тяжелой техники, сохраняя при этом экологию окружающей среды и снижая себестоимость строительства квадратного метра на 10-12 процентов.
Таблица 2
Сравнение показатели расхода железобетона на фундамент из свай-стоек и висячих свай с пространственной
£ а ва я и Объем железобетона на фундамент (м3) Показатель расхода железобетона фундамента
№ п/п Характеристика 9-этаж- я н а на д со ь О 2 з у гр аг На 1 м2 площади здания На 1 т. веса здания
ного объекта 2 3 ро ел 2 С з со с е ш Сваи Висячие Сваи-стойк Висячие Сваи-стойк Висячие
а О. Н и сваи и сваи и сваи
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
9-этаж-
ный жи-
лой дом
для ма-лосемей- (17,4х 356,7 5
1 ных в 42) 14555 19,9 470,75 0,588 0,744 0,025 0,03
Красно- 730,8
ярске. Панель-
ное зда-
ние
2 Кирпичное зда- (17х12 ) 204 2938 14 88,8 111,8 0,535 0,648 0,03 0,04
ние
ЦНИИЭП
3 жилища, серия 90. Панельное здание (23,4х 12,3) 287,82 7053 24,1 5 173,3 228,5 0,702 0,894 0,025 0,032
Леннии-
4 проект, серия 137 Панельное здание (27,6х 10,8) 322,56 5961, 7 18,1 5 153,6 199,1 0,576 0,717 0,026 0,033
ЦНИИЭП
5 жилища, серия 85 Кирпичное здание (25,76 х12,9) 316,8 7152, 9 22,1 5 188 243 0,693 0,867 0,026 0,034
6 Средний показа- - - 19,6 7 - - 0,613 0,774 0,026 4 0,034
тель
Здание 630 м2
(21х30)
на про-
стран-
ственной
7 железобетонной (24х36 ) 864 12354 ,3 - 290 0,35 0,02
плат-
форме с
располо-
жением
ферм че-
рез 3 м.
Коэффициент, показывающий эффектив-
8 ность (раз) в использовании ПФП по сравнению со средним показателем дру- 1,75 2,2 1,6 1,85
гих вариантов
<
т о х
X
Кроме преимуществ в расходе железобетона, пространственная платформа обладает еще рядом преимуществ:
• не требует производства значительных объемов земляных работ, по сравнению с традиционными фундаментами;
• возведение возможно в любое время года;
• незначительная чувствительность к осадкам, вследствие чего повышается надежность возводимых зданий и сооружений;
• эффективна на слабых, насыпных, пучинистых, просадочных, вечномерзлых и других грунтах, параметры которых заранее могут быть не определены;
• верхняя плита платформы используется как пол;
Заключение
Пространственные фундаментные плиты являются эффективным фундаментом для зданий, строящихся в сложных грунтовых условиях и сейсмичности площадок строительства.
ПФП быстровозводимы (минимум земляных работ, на любых грунтовых условиях), что дает возможность для их оперативного строительства (постоянного и временного), для ликвидации последствий аварийных ситуаций. При этом повышенная живучесть ПФП и низкая чувствительность к неравномерным осадкам и сейсмическим воздействиям (при устройстве скользящего слоя между нижней плитой и основанием) дает повышенную надежность при повторных аварийных воздействиях.
ПФП совмещают конструктивные и технологические функции, в том числе несущую конструкцию пола и теплоизоляцию, снижая теплопотери на 15-20%.
ПФП экономичнее свайных фундаментов по расходу бетона, а унификация элементов способствует инду-стриальности производства, доставки и монтажа конструкций.
Возможность использования пустого пространства между нижней и верхней плитами для технических нужд. Доступность осмотра фундамента в эксплуатационных условиях.
Более широкое применение разработанных ПФП будет способствовать удешевлению и ускорению доступного жилья в сложных грунтовых условиях, особенно за счет использования «неудобных» участков, стоимость земли которых мала. Возможность строительства на паводковых территориях, при установке отметки верхней железобетонной плиты платформы выше паводковых вод.
Литература
1. Абовский Н.П., Попович А.П., Сиделев В.А. Опыт проектирования и строительства в сложных грунтовых условиях на примере Красноярского края // Проектирование и строительство в Сибири, - 2006. - №3- С.40.
2. Пространственная фундаментная платформа для строительства на вечномерзлых, слабых, просадоч-ных, пучинистых грунтах и в сейсмических зонах: пат. 2206665 Рос. Федерация № 2002101420 / Абовский Н.П., Абовская С.Н., Енджиевский Л.В., Майстренко Г.Ф., Дра-чев М.В., Невзоров; заявл. 11.01.2002; опубл. 20.06.2003, Бюл. № 17.
3. Сборная пространственная железобетонная фундаментная платформа для строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых условиях: пат. 38789 Рос. Федерация № 2004107322 / Абовский Н.П., Сапка-лов В.И.; заявл.16.03.2004; опубл. 11.03.2005, Бюл. 19.
4. Пространственная железобетонная фундаментная платформа для малоэтажных зданий для строительства в особых грунтовых условиях и сейсмичности в сборном и монолитном вариантах: пат. 55388 Рос. Федерация №2006113951 / Сиделев В.А., Абовский Н.П.,
Попович А.П., Сапкалов В.И., Карасев Д.В., заявл. 24.04.2006, опубл. 12.01.2007, Бюл. 22.
5. Абовский Н.П. Пространственные сборные сплошные фундаментные платформы для строительства в особых грунтовых условиях и сейсмичности. -КрасГАСА,2004. - 203 с.
6. Сиделев В.А. Разработка новых конструктивных решений и опыт экспериментального малоэтажного строительства в сложных грунтовых условиях: диссертация кандидата технических наук: 05.23.01, 05.23.02. -Красноярск, 2006. - 170 с..
7. Сейсмозащитные устройства: актуальные проблемы сейсмобезопасности [Электронный ресурс]: монография / ред. Н. П. Абовский [и др.]. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2013. - 98 с. - ISBN 978-5-7638-2727-9. -Текст: электронный. - URL: https://new.znanium.com/catalog/product/492779 (дата обращения: 10.05.2020)
Spatial platforms as effective and economical foundations for buildings under difficult ground conditions and seismicity of construction sites Gruzkov A.A., Solyannik P.E., Vernin N.A.
Far Eastern Federal University
The problem of the construction of buildings and structures in difficult ground conditions (construction on weak, loose, subsidence, heaving, permafrost soils) is described. The description of the construction of spatial foundation platforms,
their types and design features are given. A study was made of the distribution of the platform load transmitted by the platform, and a design scheme for a flexible spatial foundation platform was compiled and calculated. Conclusions are made about the ability of the SFP to distribute the load applied to them on the base. The device describes the sliding underlying layer, building materials and its effect on the seismic resistance of the erected building or structure.
A technical and economic comparison is presented for the consumption of reinforced concrete on existing foundations for a 9-story building with a spatial foundation platform for piles and suspended piles. Conclusions are made about the economical use of SFP, their advantages are described. Key words: spatial foundation platform, efficiency, technical and economic analysis, construction, foundation.
Referenes
1. Abovsky N. P., Popovich A. P., Sidelev V. A. Experience of de-
sign and construction in difficult ground conditions on the example of the Krasnoyarsk territory // Design and construction in Siberia, 2006, №3, P. 40.
2. Spatial Foundation platform for construction on permafrost, weak,
subsidence, heaving soils and in seismic zones: Pat. 2206665 ROS. Federation no. 2002101420 / Abovsky N. P., Abovskaya S. N., Yendzhievsky L. V., Maistrenko G. F., Drachev M. V., Nevzorov; declared 11.01.2002; publ. 20.06.2003, №17.
3. Precast spatial reinforced concrete Foundation platform for the
construction of multi-storey buildings in special ground conditions: Pat. 38789 ROS. Federation no. 2004107322 / Abovsky N. P., Sapkalov V. I.; declared.16.03.2004; publ. 11.03.2005, №19.
4. Spatial reinforced concrete Foundation platform for low-rise build-
ings for construction in special ground conditions and seismicity in prefabricated and monolithic versions: Pat. 55388 ROS. Federation no. 2006113951 / Sidelev V. A., Abovsky N. P., Popovich A. P., Sapkalov V. I., Karasev D. V., declared 24.04.2006, publ. 12.01.2007, №22.
5. Abovsky N. P. Spatial prefabricated solid Foundation platforms
for construction in special ground conditions and seismicity. Krasnoyarsk State Academy Of Architecture And Construction, 2004, 203 p.
6. Sidelev V. A. Development of new design solutions and experi-
ence of experimental low-rise construction in difficult ground conditions: dissertation of the candidate of technical Sciences: 05.23.01, 05.23.02. - Krasnoyarsk, 2006. - 170 p.
7. Seismic Protection devices: actual problems of seismic safety
[Electronic resource]: monograph / ed. N. P. Abovsky [et al.]. -Krasnoyarsk: Sib. Feder. U., 2013. - 98 p. - ISBN 978-5-76382727-9. - Text: electronic. - URL: https://new.znanium.com/cat-alog/product/492779 (date accessed: 10.05.2020)
X X О го А С.
X
го m
о
2 О
м о
