Проектирование оснований, фундаментов и надфундаментных конструкций

Основания, фундаменты и надфундаментные конструкции ра­ботают совместно и должны проектироваться как одно единое целое. Для проектирования такой системы следует оценить особенности работы всей системы и каждой из ее составных частей в отдельности.

Параметры взаимодействия фундаментов с конструктивными элементами сооружения зависят от конструктивных характеристик всех составляющих элементов системы основание-сооружение (жесткости-деформативности основания, размеров сечений и жесткостных характеристик материалов конструкций и т.п.). Например, изменение жесткости-гибкости несущих конструкций, их размеров, условий нагружения, эксплуатации и пр. по­влечет за собой изменение условий нагружения фунда­мента и как следствие напряженно-деформированного состояния грунтов основания. В свою очередь, изменение жесткости-деформативности оснований и фундаментов приведет к перераспределению внутренних усилий в надфундаментных конструкциях, в том числе и перерас­пределению нагрузок на фундаменты.

Наибольшее распространение в проектной практике совместных методов проектирования оснований, фун­даментов и надфундаментных конструкций, т.е. системы основание - фундамент - верхнее строение, имеют две группы:

1. Комплексный совместный расчет надземного строения, фундамента и грунтового основания.

2. Использование при проектировании оснований и фундаментов данных о допустимых перемещениях фундаментов, корректирующих коэффициентов и рекомендаций, учитывающих жесткостные особенности сооружения.

Первая группа методов рассматривает сооружение, фундамент и основание как неделимое, совместно деформирующееся целое. При этом используют различные расчетные схемы или расчетные идеализации надфундаментного строения, фундаментов и основания.

Например, каркасное здание на отдельно стоящих фундаментах может быть представлено такой расчетной схемой (рис. 1): надземное строение - рама; фундамент - стержень бесконечной жесткости; основание – упруго податливая связь с жесткостями, эквивалентными жесткости основания. Указанные элементы расчетной схемы сопрягаются между собой жестко, создавая расчетную модель сооружения. Такие системы могут рассчитываться на заданные нагрузки и воздействия с использованием программного обеспечения САПР, например, "SCAD", "Лира-Windows" и др.

Рисунок 1. Расчетная схема рамы:

1 – абсолютно жесткий стержень, моделирующий фундамент; 2 – упруго податливая связь, моделирующая работу основания; 3 – стержни, моделирующие элементы каркаса; q, M, N, W – внешняя нагрузка.

Жесткости С_z, С_j и С_х упруго податливых связей, моделирующих работу грунтового основания, назначаются из уравнений:

(1)

где А_f, I_f - соответственно площадь подошвы фундамента и момент инерции этой площади относительно оси, нормальной к плоскости изгиба; S, j, D - вертикальное перемещение, угол поворота и горизонтальное смещение фундамента.

Расчет системы ведется следующим образом.

Вначале рассматривают раму на не деформируемых опорах. От действующих на сооружение нагрузок и воздействий определяют реакции опор, по которым, в соответствие с расчетными формулами, назначают размеры фундаментов и вычисляются соответствующие перемещения оснований. По формулам (1) вычисляются жесткости упруго податливых связей.

Затем производится расчет рамы на упруго податливых связях, и определяются значения перемещений фундамента, которые сопоставля­ются с деформациями основания при тех же нагрузках. В процессе проектирования размеры конст­рукции фундамента и жесткости связей могут быть откорректированы.

В итоге при проектировании последовательными рас­четами надо добиться, чтобы деформации основания и пе­ремещения фундамента были близки между собой.

Вторая группа методов объединяет приемы оценки совместной работы основания и верхнего строения, в которых жесткость надфундаментных конструкций учитывается приближенно с помощью корректирующих коэффициентов и классификаций сооружений по жесткости. Такие методы разработаны в нормах на проектирование оснований зданий и сооружений и наиболее часто используются на практике в силу их простоты. По сути, в этих методах используется принцип оценки предельных состояний сооружений по обобщенным деформационным критериям, которые установлены либо опытным путем на основании статистической обработки результатов натурных наблюдений за осадками зданий и сооружений, либо на основании предварительного расчета сооружения на смещения опор. Например, для оценки прочности конструкций каркасного здания достаточно вычислить разность осадок его фундаментов и сравнить ее с допустимым значением, рекомендуемым нормами или типовым проектом.

Но в любом случае, каким бы методом проектировщик не пользовался при расчете системы основание – фундамент - сооружение, он должен решить следующие задачи расчета оснований и фундаментов, обеспечивающих надежную эксплуатацию как системы в целом, так и отдельных ее частей:

1. выполнить анализ местных условий строительства;

2. проанализировать технологическое назначение и конструктивное решение сооружения;

3. определить нагрузки, передаваемые на фундамент;

4. наметить возможные варианты оснований и фундаментов;

5. произвести по группам предельных состояний расчет оснований и фундаментов под характерную или наиболее нагруженную надземную конструкцию;

6. выбрать оптимальный вариант оснований и фундаментов;

7. рассчитать и разработать рабочие чертежи фундаментов для всего сооружения;

8. разработать сметную документацию, проекты производства работ и организации строительства.