Особенности расчёта отдельно стоящих фундаментов под стальные колонны

Глубина заложения фундамента h_gf , его полная высота h_f , решение вопроса о количестве ступеней плитной части, их полной высоте h_pl и высоте подколонника h_cf (при его наличии) принимаются так же, как и для фундаментов под железобетонные колонны. Отметка верха подколонника (обрез фундамента), его размеры в плане l_cf × b_cf определяются размерами опорных плит башмаков стальных колонн, конструктивным решением базы колонны (с траверсой или с фрезерованным торцом), принятым в расчётной схеме способом сопряжения колонны с фундаментом (шарнирным или жёстким) и связанным с ним расположением анкерных болтов, а также расстоянием от оси болта до края фундамента.

Решение с траверсой, которая воспринимает нагрузку от стержня колонны и передает её на опорную плиту, применяют при N ≤ 5000 кН, а при более высоких расчётных усилиях в колоннах (N > 5000 кН) торцы их стержней фрезеруют и на монтаже приваривают к строганой плите башмака. При шарнирном сопряжении колонны с фундаментом анкерные болты устанавливают конструктивно для фиксации проектного положения колонны и закрепления её в процессе монтажа. Анкеры в этом случае крепятся непосредственно к опорной плите базы колонны. При жёстком сопряжении анкеры крепят к стержню колонны с помощью специальных выносных столиков (консолей), и фактически они устанавливаются в фундаменты за габаритами опорных плит.

По конструктивному решению болтымогут быть с отгибом, с анкерной плитой, прямые и конические (рис. 13). По способу установки болты подразделяют на устанавливаемые до бетонирования фундаментов, в которые они заделываются (с отгибом и с анкерной плитой), и устанавливаемые на готовые фундаменты в специальные колодцы или скважины (прямые и конические). По условиям эксплуатации болты подразделяют на расчётные (при жёстком сопряжении колонны с фундаментом) и на конструктивные (при шарнирном сопряжении).

Болты с отгибом и с анкерной плитой применяют для крепления строительных конструкций без ограничений. Болты, устанавливаемые в скважины, не следует применять для несущих конструкций колонн зданий и сооружений, оборудованных мостовыми кранами, а также для высотных зданий и сооружений, ветровая нагрузка для которых является основной.

Марку стали расчётных болтов принимают в зависимости от расчётной зимней температуры наружного воздуха: при температуре t – 40˚С и выше рекомендуется малоуглеродистая сталь марки ВСт3кп2; при – 50˚С ≤ t < – 40˚С рекомендуется низколегированная сталь марки 09Г2С; при – 65˚С ≤ t < – 50˚С рекомендуется низколегированная сталь марки 10Г2С1. Конструктивные болты во всех случаях допускается изготавливать из стали марки ВСт3кп2.

Диаметр анкерных болтовдля сталей вышеприведенных марок составляет 12, 16, 20, 24, 30, 36, 42, 48, 56, 64, 72, 80, 90, 100, 110, 125 и 140 мм. Исходя из опыта проектирования зданий и сооружений, при шарнирном сопряжении колонны с фундаментом применяют анкерные болты диаметром не менее 20 мм, а при жёстком – не менее 24 мм.

Минимальные значения глубины заделки расчётных и конструктивных анкерных болтов в фундамент l_an , расстояний между осями болтов z и от оси крайних болтов до наружной грани подколонника Δl приведены в таблице (рис. 13). Для расчётных болтов, выполненных из низколегированной стали, и бетоне фундамента, имеющего класс прочности на сжатие более В 12,5, табличные значения l_an умножаются на два коэффициента k₁ и k₂:

k₁— отношение расчётных сопротивлений растяжению бетона класса В12,5 и принятого класса бетона,

k₂ — отношение расчётных сопротивлений растяжению анкерных болтов принятой марки стали и стали марки ВСт3кп2.

Расстояния z и Δl допускается уменьшать на 2d при соответствующем увеличении значения l_an на 5d. Кроме этого, расстояние Δl допускается уменьшать ещё на один диаметр при наличии армирования вертикальной грани фундамента в месте установки анкерного болта. С целью ограничения размеров подколонника в плане во всех случаях принимают Δl ≤ Δl_max, где Δl_max = 100 мм при d ≤ 30 мм, Δl_max = 150 мм при 30 < d ≤ 48 мм, Δl_max = 200 мм при d > 48 мм.

Болты	С отгибом	С анкерной плитой	Прямые	Конические
эскиз
lan для конструктивных	15×d	10×d	5×d	5×d
lan для расчётных	25×d	15×d	10×d	10×d
zl , zb	6×d	8×d	5×d	10×d
Dl	4×d	6×d	5×d	10×d

Рис. 13. Конструктивные решения анкерных болтов

Для крепления базы центрально сжатых колонн анкерные болты устанавливают конструктивно. Для крепления базы внецентренно сжатых колонн анкерные болты устанавливают по расчёту. При этом используют комбинацию внешних нагрузок, при которой изгибающий момент имеет наибольшее значение, а продольная сжимающая сила – наименьшее. Если постоянная нагрузка разгружает анкерные болты (моменты от полной и постоянной нагрузки имеют разные знаки), то она вводится в расчёт с коэффициентом надёжности по нагрузке γ _f = 0,9.

Для сплошных, а также лёгких сквозных колонн при их габарите l_c < 1000 мм применяютобщие базы (рис. 14, а). В этом случае расчётные усилия в растянутых анкерных болтах определяют из условия их совместной работы со сжатым бетоном обреза фундамента. Расчёт производят как для прямоугольных сечений внецентренно сжатых железобетонных элементов. Первоначально используют условие равновесия ΣМ = 0. Это условие равенства моментов внешних сил и внутренних усилий относительно оси растянутых болтов. Из этого уравнения определяют высоту сжатой зоны бетона х:

,

затем проверяют условие .

¢

Рис. 14. Расчётные схемы для определения усилий в анкерных болтах стальных колонн: а – сплошного типа, б – сквозного типа

При его выполнении из второго условия равновесия ΣN = 0 определяют расчётное усилие растяжения в анкерном болте Р :

, ,

где

n — число анкерных болтов, расположенных с растянутой стороны базы колонны;

l_b , b_b — длина и ширина опорной плиты базы колонны;

— эксцентриситет продольной силы в уровне обреза фундамента;

z_l — расстояние между осями анкерных болтов вдоль большей стороны опорной плиты базы колонны;

R_b — расчётное сопротивление бетона осевому сжатию с учётом трех коэффициентов условия работы: γ_b1 , γ_b2 , γ_b3 .

В случае ξ > ξ_R следует произвести армирование подколонника в уровне обреза фундамента горизонтальными сетками косвенного армирования и использовать в расчёте вместо R_b значение R_bs,loc .

Для тяжёлых сквозных колонн при l_c ≥ 1000 мм применяют базы раздельного типа (рис. 14, б). Здесь ветви колонн работают на продольные осевые силы, и величину расчётного усилия Р, приходящегося на один болт растянутой ветви, определяют из условия равенства моментов внешних сил и внутренних усилий относительно оси сжатой ветви:

, , ,

где

n′ — число анкерных болтов крепления растянутой ветви колонны;

y₁ , y₂— расстояния от оси колонны до соответствующих осей её сжатой и растянутой ветви.

Требуемую площадь поперечного сечения анкерного болта «нетто», то есть с учётом ослабления его резьбой, вычисляют по формуле

,

где

R^*_bt — расчётное сопротивление растяжению болтов принятой марки стали;

γ_c = 0,95 — коэффициент условий работы конструкций.

Далее определяют требуемый диаметр болта, пользуясь соответствующими таблицами или по формуле .

После определения диаметра анкерных болтов, их количества и условий расстановки (z_l , z_b , Δl) назначают размеры подколонника в плане l_cf × b_cf по аналогии с фундаментами под железобетонные колонны. Затем производят определение размеров фундамента по подошве и все необходимые его расчёты по первой и второй группе предельных состояний: расчёт плитной части фундамента на продавливание по первой схеме от низа подколонника (при его наличии) или опорной плиты базы колонны (при отсутствии подколонника), расчёты на прочность по нормальным и наклонным сечениям (у подколонника рассчитывают только прямоугольное сечение в уровне плитной части, а поперечное армирование устанавливают конструктивно), проверку прочности подколонника на местное сжатие под опорной плитой базы колонны, расчёты по образованию и раскрытию трещин. Проверку фундамента по прочности на раскалывание не производят.

Все болты должны быть затянуты на величину предварительной затяжки, которую принимают равной V = 0,75∙Р. Для этого используют специальные динамометрические ключи с контролем величины крутящего момента.

Для стальных колонн, имеющих базы раздельного типа, сдвигающую силу Q, действующую в плоскости изгибающего момента, допускается передавать на фундаменты через силу трения под сжатой ветвью колонны (рис. 15). Устойчивость против сдвига обеспечивается при выполнении условия

Q ≤ f ∙ N₁,

где — усилие в сжатой ветви колонны;

f — коэффициент трения, равный 0,25.

¢

Рис. 15. Расчётная схема для определения сдвигающей силы при базе колонны раздельного типа

Для стальных колонн, имеющих общую базу, кроме сжимающей продольной силы учитывают усилия затяжки болтов. Для обеспечения устойчивости против сдвига здесь требуется выполнение условия

,

где n′′ — число анкерных болтов крепления сжатой ветви сквозной колонны или число сжатых анкерных болтов, расположенных с одной стороны базы колонны сплошного типа.

При невыполнении этих условий передачу сдвигающих усилий на фундамент осуществляют с помощью специальных упорных элементов, заделанных в его конструкцию.

ЛЕКЦИЯ 7