СБОРНАЯ ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ ФУНДАМЕНТНАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ В ОСОБЫХ ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ И СЕЙСМИЧНОСТИ

Изобретение относится к строительству пространственной фундаментной платформы с многоэтажными зданиями в особых грунтовых условиях и сейсмичности.
Известны монолитные сплошные железобетонные плиты, которые устраиваются на специальном упрочненном основании, используются под здания и сооружения жилого, гражданского или производственного назначения с обязательной предварительной инженерной подготовкой (упрочнением) грунтового основания с получением заданных характеристик его жесткости (см. статью автров В.Е.Сеськов, В.Н.Лях, Т.И.Бич «Проектирование и технология возведения тонких фундаментных плит», журнал «Строительство», Белорусь, БИТУ, Минск, 2003 г. с.253-257)
Недостатком конструкции является малая изгибная жесткость фундаментных плит даже при весьма значительных их толщинах (т.е. при большом расходе железобетона), кроме того, повышенная трудоемкость возведения
на строительной площадке, особенно в зимних условиях, а также необходимость предварительного уплотнения основания на значительную глубину.
Так, например, данная конструкция имеет изгибную жесткость фундаментной плиты во много раз (5-10) меньше, чем в предлагаемом авторами решении благодаря сборности при практически равном объеме железобетона без затрат на уплотнение грунта. Это не позволяет эффективно использовать монолитные сплошные плиты при неравномерных осадках, в пучинистых и других слабых грунтах, а также на вечномерзлых грунтах. Предложенная сборная пространственная железобетонная фундаментная платформа отличается тем, что состоит из сборных ребристых плит с расположенными между ними железобетонными фермами, связанных между собой с помощью шпоночных соединений с выпуском арматуры, с замоноличиванием стыков, швов между плитами, плитами и фермами или балками, а закладные детали свариваются. Расположение или ориентация ферм или балок параллельна длинной или короткой стороне здания прямоугольного типа. Шаг ферм принимается равным, или большим высоте пространственной фундаментной платформы. Предложенные конструктивные решения для сборных железобетонных фундаментных платформ (плит) в литературе не обнаружены.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является пространственная фундаментная платформа (см. патент №2206665, М. кл. 7 Е 02 В 27/32, 27/34, 27/35, Пространственная фундаментная платформа, опубл. БИ №17, 2003 г.), которая включает объединенные между собой
посредством металлических элементов верхнюю и нижнюю плиты, верхняя плита ребрами вниз и нижняя плита ребрами вверх связаны между собой металлическим пространственным шпренгелем со стойками и раскосами с образованием единой пространственной конструкции для установки на верхней плите как на общей фундаментной платформе, одного или нескольких резервуаров вместе с обслуживающими их трубопроводами и оборудованием. Размеры площади опирания пространственной фундаментной платформы выбираются большими, чем размеры площади опирания надфундаментного строения, верхние и нижние плиты совместно с металлическим пространственным шпренгелем образуют вентилируемое во всех направлениях продуваемое подполье, предотвращающее теплообмен между подогреваемым наполнителем резервуара и вечномерзлым грунтом.
Недостатками ее являются значительная металлоемкость за счет использования металлических соединительных элементов в платформе, что требует принятия специальных антикоррозийных мер. К тому же конструкция специально не разрабатывалась под многоэтажные здания. Использование железобетона для этих целей повысит надежность конструкции и снизит металлоемкость.
Предложенная конструкция сборной пространственной фундаментной платформы для строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых условиях и сейсмичности позволяет ориентировать расположение балок или ферм под различного вида здания.
Задачей изобретения является создание сборной пространственное железобетонной фундаментной платформы для строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых условиях и сейсмичности, обладающей большей надежностью, прочностью, уменьшением расхода металла, удобством монтажа и эксплуатации.
Цель изобретения достигается тем, что сборная пространственная железобетонная фундаментная платформа для строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых условиях и сейсмичности, включающая объединенные между собой верхние и нижние плиты, нижняя плита установлена без заглублений на наружной поверхности грунта с устройством скользящего слоя из материалов с низким значением коэффициента трения скольжения по основанию, между верхними и нижними плитами образовано вентилируемое во всех направлениях продуваемое подполье, у которой плиты верхнего и нижнего пояса соединены между собой железобетонными фермами раскосными или безраскосными или балками, которые имеют шпоночные выступы, входящие в углубления верхних и нижних плит, швы между плитами или фермами и шпоночными соединениями все замоноличиваются, а закладные детали и выпуски арматуры свариваются, между фермами или балками в поперечном направлении установлены крестовые связи, расположение ферм или балок согласовывается с топологией нагрузки от верхнего строения и может быть ориентировано параллельно длинной или короткой стороне в плане прямоугольного здания, а при сложном сочетании - комбинированное, при сложной конструкции здания возможны комбинации расположения ферм
или балок, при круглом очертании здания фермы могут располагаться радиально, а плиты могут быть сегментной или трапециевидной формы, шаг ферм принимается равным или большим высоте платформы, в случае установки каркасных зданий в плитах предусмотрены отверстия для стаканов, в которые устанавливаются колонны, которые затем замоноличиваются с верхними и нижними плитами, в которых колонна защемляется.
Пространственная платформа устанавливается на выровненное основание с устройством скользящего слоя из материала с низким коэффициентом трения, причем размеры ее принимаются значительно большими размера установленного на него здания, этим осуществляется устойчивое положение здания, установленного на пространственной фундаментной платформе и создается возможность строительства на слабых, пучинистых, вечномерзлых грунтах и в сейсмических районах.
Соединение верхних и нижних плит с железобетонными фермами или балками раскосными или безраскосными создают новый вид соединения, причем швы между фермами или балками и шпоночными соединениями замоноличиваются, закладные детали свариваются. Этим, обеспечивается большая прочность и надежность конструкции.
В прототипе использование в пространственной фундаментной платформе только связей из металла, требует определенных антикоррозийных мер для повышения долговечности. Замена этих связей полностью или частично на железобетонные элементы повышает долговечность предложенной конструкции.
Предложенная конструкция сборной пространственной фундаментной платформы для строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых условиях и сейсмичности позволяет ориентировать расположение балок или ферм под различного вида здания.
Сборная пространственная железобетонная фундаментная платформа для строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых условиях и сейсмичности представлена на рисунках:
Фиг.1 - общий вид сборной пространственной железобетонной фундаментной платформы, выполненной с применением безраскосной фермы;
Фиг.2 - общий вид сборной пространственной железобетонной фундаментной платформы, выполненной с применением раскосной фермы;
Фиг.3 - бесраскосная железобетонная ферма;
Фиг.4 - раскосная железобетонная ферма;
Фиг.5 - шпоночное соединение ферм с верхними и нижними плитами,
Фиг.6 - схема расположения сборной пространственной железобетонной платформы под здание П-образного типа;
Фиг.7 - схема расположения сборной пространственной железобетонной платформы под здание прямоугольного типа с продольным расположением ферм или балок;
Фиг.8 - схема расположения сборной пространственной железобетонной платформы с поперечным расположением ферм или балок;
Фиг.9 - схема расположения сборной пространственной железобетонной платформы под г-образное здание;
Фиг.10 - схема расположения сборной пространственной железобетонной платформы под здание круглого типа в плане с радиальным расположением ферм или балок.
Сборная пространственная железобетонная фундаментная платформа 1 (см. фиг.1) содержит верхние 2 и нижние 3 железобетонные плиты с полочками. Между верхними 2 и нижними 3 плитами уложены фермы 4 (см. фиг.1, 3) безраскосные или раскосные (см. фиг.2, 4) с выступами 5 (см. фиг.2). Выступы 5 ферм входят в углубления 6 в железобетонных верхних 2 и нижних 3 плит и образуют шпоночные соединения (см. фиг.5). Шпоночные соединения плит с балками аналогичные. В ферме 4 дополнительно выпускается арматура 7. Швы между верхними 2 и нижними 3 плитами, фермами 4 и шпоночными соединениями все замоноличиваются, а закладные детали свариваются. Фермы 4 дополнительно усиливаются крестовыми связями 8.
В случае установки каркасных зданий в плитах 2 предусмотрены отверстия 9 для стаканов, в которые устанавливаются колонны.
Нижняя плита 3 установлена без заглублений на наружной поверхности грунта 10 с устройством скользящего слоя из материалов с низким значением коэффициента трения скольжения по основанию.
Между верхними 2 и нижними 3 плитами и фермами 4 образовано вентилируемое во всех направлениях продуваемое подполье, предотвращающее теплообмен между верхним строением и вечномерзлым грунтом.
Расположение ферм 4 согласовывается с топологией нагрузки от верхнего строения и может быть ориентировано параллельно длинной или короткой
стороне прямоугольного в плане здания, а при сложном сочетании - комбинированное. При установке на сборной пространственной железобетонной фундаментной платформе зданий в плане круглого типа, платформа выполняется из ферм 4 раскосного или безраскосного типа в плане, установленных радиально. Все швы замоноличиваются.
При сложной конструкции здания возможны комбинации расположения ферм 4. Шаг ферм 4 принимается равным или большим высоте платформы, при круглом очертании здания фермы 4 могут располагаться радиально. Размеры площади опирания пространственной платформы выбираются большими, чем размеры площади опирания многоэтажного здания. В случае установки каркасных зданий, в плитах предусмотрены отверстия для стаканов, в которые устанавливаются колонны, которые затем замоноличиваются с верхними и нижними плитами, в которых колонна защемляется.
Монтаж сборной пространственной железобетонной фундаментной платформы для строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых условиях и сейсмичности осуществляется следующим образом.
На выровненное основание 10 с установкой скользящего слоя в виде сухого песка или материалов с низким коэффициентом трения монтируются нижние плиты 3 с установкой в углубления 6 между нижними плитами 3 ферм раскосных или безраскосных или плит выступами 5 в углубления 6, образуя шпоночные соединения. В ферме 4 в плитах 2 и 3 дополнительно выпускается арматура 7. Швы между верхними 2 и нижними 3 плитами шпоночными соединениями и фермами 4 все замоноличиваются, а закладные детали
и выпуски арматуры свариваются. Этим обеспечивается надежное соединение. Фермы 4 дополнительно усиливаются крестовыми связями 8.
При сложной конструкции здания возможны комбинации расположения ферм 4. Шаг ферм 4 принимается равным или большим высоте платформы, при круглом очертании здания фермы 4 могут располагаться радиально. В случае установки каркасных зданий в плитах предусмотрены отверстия для стаканов, в которые устанавливаются колонны, которые затем замоноличиваются с верхними и нижними плитами, в которых колонна защемляется.
Технико-экономические обоснование:
Авторы провели конкретные технико-экономические сравнения по расходу железобетона на фундамент 5 и 9-ти этажных зданий и выявили значительную экономию бетона по сравнению с традиционными и сплошными плитными фундаментами (см. приложение).
1. Конструкция сборной пространственной железобетонной фундаментной платформы на выровненном грунте с устройством скользящего слоя позволяет эффективно строить здания на слабых, просадочных, пучинистых грунтах, вечномерзлых грунтах и в сейсмических зонах с малой трудоемкостью возведения и монтажа, сокращения расхода металла и повышения антикоррозийных свойств.
2. Предложенная конструкция сборной пространственной железобетонной фундаментной платформы обладает повышенной надежностью работы строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых в условиях и
сейсмичности за счет конструкции шпоночного соединения верхних и нижних плит с фермами, замоноличивания швов, соединения ферм или балок и плит с помощью дополнительной арматуры, выбора размеров площади опирания сборной пространственной платформы больше, чем площади опирания многоэтажного здания.
3. По сравнению с прототипом снижен расход металла.
4. Использование данной конструкции позволяет снизить металлоемкость за счет применения железобетонных балок или ферм, обеспечивается коррозийная стойкость.
5. Конструкция позволяет строить на предложенной платформе здания различной конфигурации и назначения.
4.3-Технико-экономическое обоснование применения пространственной фундаментной платформы
Проведено технико-экономическое сравнение по расходу железобетона на фундамент 9-этажного здания для двух случаев: традиционных вариантов - ленточный и свайный фундамент; и нетрадиционного решения - фундамент с тонкой плитой [7]. Сравнение с пространственными фундаментами не проводится, т.к. аналогов нет. Для проведения сравнения следует определить среднюю нагрузку на фундаментную поверхность 9-этажного здания в городе Красноярске.
Отметим, что традиционное сравнение проводится по расходу материала или другим показателям только на фундаменты. В рассматриваемом случае сравнение технико-экономических показателей только по фундаментам неполноценно, особенно если речь идет о сейсмических районах. Нужно вести сравнение зданий целиком, так как принятый фундамент в виде платформы сразу увеличивает антисейсмичность в то время как применение заглубленного фундамента, в том числе и свай, нуждается в дополнительных антисейсмических мероприятиях для верхнего строения и создает условия неопределенности живучести данных сооружений.
2
Для технико-экономического сравнения принята методика, которая ведется на сравнительных примерах, взятых из источников: [1, 2, 3, 4, 5, 7]. Учитывая, что имеющиеся объекты различаются по площадям и по конструкциям, для определения порядка средней величины расхода железобетона на фундамент, все данные по примерам приближенно пересчитаны для города Красноярска и приведены по двум показателям расхода: на 1 м площади первого этажа и на 1 тонну веса зданий. Фундамент всех приведенных объектов подсчитан из условия грунтовых характеристик по дипломному проекту, в котором применены буронабивные сваи несущей способностью 71 т и висячие сваи несущей способностью 53 т на 12-метровой толще просадочных суглинков, что соответствует микрорайону Северный города Красноярска. Стоит отметить, что грунтовые условия, приведенные в дипломном проекте, являются далеко не самыми неблагоприятными. Так, в том же микрорайоне Северный известен случай, когда сваи не достают до несущего слоя 24 м. При подсчете объема железобетона для фундамента при таких грунтовых условиях, его величина заметно возрастет, увеличив тем самым преимущества фундаментной платформы.
таблица 3Сравнительная таблица показателей расхода железобетона на фундамент для 9-этажных зданий
№
Характеристика 9-ти этажного объекта
(Размеры в плане (м)) Площадь (м<sup>2</sup>)
Вес здания, (т)
Нагрузка от здания, (т/м<sup>2</sup>)
Объем железобетона на фундамент (м<sup>3</sup>)
Показатель расхода железобетона фундамента
на 1 м<sup>2</sup> площади здания
на 1 т. веса здания
Сваи-стойки
Висячие сваи
Сваи-стойки
Висячие сваи
Сваи-стойки
Висячие сваи
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
9-ти этажный жилой дом для малосемейных в городе Красноярске Здание панельное
(17,4×42) 730,8
14555
19,9
427,9
508,5
0,59
0,7
0,029
0,035
2
Здание кирпичное
(17×12) 204
2938
14
108,8
125,8
0,53
0,62
0,037
0,043
3
ЦНИИП жилища, серия 90 Панельное здание.
(23.4×12.3) 287.82
7053
24,15
184,8
242,65
0,64
0,84
0,026
0,034
4
Ленниипроект, серия 137 Панельное здание. Площадь здания
(27.6×10.8) 322.56
5961.7
18,15
186,1
219,6
0,58
0,68
0,031
0,037
5
ЦНИИЭП жилища, серия 85 Кирпичное здание. Площадь здания
(25.76×12.9) 316.8
7152.9
22,15
222,4
261,8
0,7
0,83
0,031
0,037
6
Средний показатель
-
-
19,67
-
-
0,61
0,74
0,031
0,037
7
Здание 630 м<sup>2</sup> (21×30) на пространственной железобетонной платформе
(24×36) 864
12354.3
-
290
0,46
0,02
8
Уменьшение расхода железобетона на пространственную платформу
-
-
-
-
-
1,3
1,6
1,6
1,85
ВЫВОД для традиционных решений: использование пространственной железобетонной фундаментной платформы позволяет уменьшить объем железобетона по сравнению с вариантами фундамента из буронабивных и висячих свай.
Кроме преимуществ в расходе железобетона, пространственная платформа обладает еще рядом возможностей:
- не требует производства земляных работ;
- может собираться в любое время года;
- малочувствительна к осадкам;
- вследствие снижения чувствительности к горизонтальным сейсмическим воздействиям, повышает надежность и живучесть здания;
- может устраиваться на слабых, насыпных, пучинистых, просадочных и других грунтах, параметры которых заранее могут быть не определены;
- применима для строительства на вечномерзлых грунтах;
- верхняя плита платформы используется как пол;
- как уже отмечалось выше, нужно вести сравнение зданий целиком;
- для пространственной сталежелезобетонной фундаментной платформы расход бетона в несколько раз меньше, но при этом увеличивается расход стали на раскосы. Например, для арочного здания замкнутого типа пролетом 24 м, включающего сталежелезобетонную пространственную платформу, выведены следующие показатели:
2
3
2
1. Показатель расхода железобетона на 1 м площади здания - 0,11 м/м;
3
2. Показатель расхода железобетона на 1 т веса здания - 1,25 м/т.
ВЫВОД для нетрадиционных решений: монолитные сплошные плиты [7], которые устанавливаются на специальные уплотненные основания. Недостатком данных конструкций является малая изгибная жесткость фундаментных плит даже при весьма значительной их толщине, т.е. больший расход железобетона, а кроме того повышенная трудоемкость возведения на строительной площадке, особенно в зимних условиях, а также необходимость предварительного уплотнения основания на значительную глубину.
Так, например, по белорусскому проекту изгибная жесткость фундаментной плиты во много раз (5÷10) меньше, чем в предлагаемом решении при практически равном объеме железобетона (без затрат на уплотнение грунта). Это не позволяет эффективно использовать данные монолитные плиты при неравномерных осадках, в пучинистых и других слабых грунтах, а также на вечномерзлых грунтах.
Кроме фундаментов с тонкой плитой известна сталежелезобетонная пространственная платформа (Патент №2206665) [8]. Недостатком ее является значительная металлоемкость и необходимость принятия специальных антикоррозионных мер. К тому же конструкция специально не разрабатывалась под многоэтажные здания (в смысле специальной нагрузки от них).
Возможные конструктивные решения для сборных железобетонных фундаментных платформ (плит) в литературе не обнаружены.
Литература:
1. дипломный проект Трухиной Н.В. - «9-ти этажный жилой дом для малосемейных в городе Красноярске», выполненный в 2001 году. Консультант раздела «Основания и фундаменты» - Козаков Ю.Н.;
2. Основания и фундаменты: Справочник / Г.И.Швецов, И.В.Носков, А.Д.Слободян, Г.С.Госькова; Под ред. Г.И.Швецова. - М.: Высш. шк., 1991. - 383 с.: ил.;
3. Шерешевский И.А. Конструирование гражданских зданий. Учеб. пособие для техникумов. - Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. - 176 с., ил.;
4. Шерешевский И.А. Конструирование гражданских зданий. Учеб. пособие для техникумов. - Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. - 176 с., ил.;
5. Шерешевский И.А. Конструирование гражданских зданий. Учеб. пособие для техникумов. - Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. - 176 с., ил.;
6. Глава 4, раздел 4.2 данной работы.
7. Сеськов В.Е., Лях В.Н. Бич Т.И. «Проектирование и технология возведения тонких фундаментных плит», «Будаунщтва», №1-3, 2003 г.
8. Глава 3, раздел 3.1 данной работы.