УСТРОЙСТВО УЗЛА СОЕДИНЕНИЯ СБОРНОЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ С ОТДЕЛЬНЫМ ФУНДАМЕНТОМ
DEVICE FOR CONNECTING PRE-CAST REINFORCED CONCRETE COLUMN TO SEPARATE FOUNDATION

Изобретение относится к строительству, в частности к устройству узла соединения сборной железобетонной колонны со стаканной частью отдельного фундамента.
Известно устройство узла соединения монолитной колонны с монолитным отдельным фундаментом, состоящее из стыковки продольной арматуры колонны с выпусками стержней из фундамента (Проектирование железобетонных конструкций: Справочное пособие / А.Б.Голышев, В.Я.Бачинский, В.П.Полищук и др.; под ред. А.Б.Голышева. - К.: Будевiвельник, 1985. - 496 с. [1]). Недостатками данного устройства являются повышенная трудоемкость при выполнении опалубочных работ и при вертикальном бетонировании, а также необходимость выдержки бетона для получения требуемой прочности.
Наиболее близким по технической сущности является устройство узла соединения сборной железобетонной колонны с отдельным фундаментом, состоящее из колонны и стаканной части фундамента [1], пирамида продавливания которого образовывается от дна стаканной части фундамента. Недостатками данного устройства являются применение относительно высоких классов бетона на осевое сжатие и относительно большой расход на армирование подошвы фундамента; ухудшение условий работы фундамента на продавливание и раскалывание.
Техническая задача - расширения эксплуатационных возможностей устройства за счет применения более низких классов бетонов на осевое сжатие, улучшение условий работы фундамента на продавливание и раскалывание, уменьшение металлоемкости подошвы фундамента при сохранении несущей способности нормальных сечений.
Техническая задача достигается тем, что колонна дополнительно снабжена заглубленными в стаканную часть опорными консолями, верхний обрез которых устраивается выше обреза фундамента на 150 мм, а в стаканной части фундамента выполнены соответствующие углубления с горизонтальными площадками для опирания консолей колонны.
1
2
Такое техническое решение позволяет передавать усилия с колонны на фундамент в нескольких уровнях: вверху - в уровне нижней плоскости заглубленной консоли N и внизу - по торцу колонны N. В дальнейшем будут рассмотрены примеры для колонн квадратного и прямоугольного поперечного сечения, однако предлагаемое техническое решение может быть применено и для колонн, имеющих иную поперечную конфигурацию.
Для уменьшения класса бетона фундамента можно воспользоваться установкой в стаканную часть фундамента четырехсторонних консолей колонны на глубину, определяемую расчетом, при этом сохранить все конструктивные зазоры для осуществления фиксации колонны в фундаменте. Для уменьшения расхода арматуры подошвы фундамента и для удобства выполнения нулевого цикла высоту консолей выше обреза фундамента предлагается принять равной 150 мм. Замоноличивание можно производить, например, торкрет-бетоном через свободные угловые пространства.
На фиг.1 и 2 показан разрез узла соединения сборной железобетонной колонны со стаканной частью фундамента с указанием схемы передачи вертикальных усилий по высоте нижней части колонны на фундамент и схем образования пирамид продавливания. На фиг.3 показана расчетная схема прочности нормальных сечений. На фиг.4 показаны центрально нагруженный фундамент и необходимые геометрические размеры для примера 1. На фиг.5 показаны внецентренно нагруженный фундамент и необходимые геометрические размеры для примера 2.
Узел соединения состоит из сборной колонны 1, имеющей консоли 2, верхний обрез которых устраивается на уровне чистого пола и отдельного фундамента, состоящего из плитной части 3, подколенника 4, стаканной части 5, имеющей горизонтальные полки (выступы) 6 для опирания консолей 2 колонны 1. При таком конструктивном решении узла соединения сборной железобетонной колонны 1 со стаканной частью 5 отдельного фундамента вертикальное усилие с колонны будет передаваться на фундамент в двух уровнях: в верхнем - на уровне отметки нижней опорной плоскости консоли и в нижнем - на уровне торца колонны.
2
Известно, что высота плитной части фундамента определяется главным образом на продавливание [1]. Уменьшение усилия, действующего от дна стаканной части фундамента с N до N позволяет применять при изготовлении фундамента бетоны более низких классов, значительно улучшить условия работы фундамента на продавливание и раскалывание. Увеличение рабочей высоты сечения по грани колонны приводит к сокращению расхода арматуры на армирование подошвы фундамента при сохранении условия прочности нормальных сечений.
1. К ВОПРОСУ РАСЧЕТА НА ПРОДАВЛИВАНИЕ
Механизм разрушения при продавливании
0
01
Механизм разрушения при продавливании базового варианта заключается в отрыве бетона по пирамиде продавливания 8 (см. фиг.1), образованной от дна стаканной части фундамента. В предлагаемом варианте, кроме отрыва бетона по пирамиде продавливания 8, должно происходит одновременно разрушение консолей колонны за счет среза последних. Можно заметить и другой возможный механизм разрушения в зависимости от положения крестообразной пирамиды продавливания 7 (верхним основанием пирамиды служат четырехсторонние консоли), образованной от консолей колонны. Если пирамида продавливания 7 пересекает подколенник, то это не влияет на описанный выше механизм разрушения предлагаемого варианта (см. фиг.1). Если пирамида продавливания 7 проходит внутри плитной части фундамента (см. фиг.2), то возможен отрыв бетона по этой пирамиде без разрушения консолей колонны. Учитывая, что механизм разрушения по пирамиде продавливания 7 имеет ряд преимуществ по отношению к первому механизму - значительное увеличение рабочей высоты сечения с h до h, увеличение среднеарифметического значения периметров верхнего и нижнего оснований пирамиды продавливания, значительное уменьшение продавливающего усилия, то наиболее опасным является первый механизм разрушения.
БАЗОВОГО ВАРИАНТА
Высота плитной части фундамента определяется из расчета на продавливание по формулам: 6.19 [1], 3.177 (Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП 52-101-2003) ЦНИИПромзданий, НИИЖБ. - М.: ОАО ЦНИИПромзданий, 2005. - 141 с.[2]), 357 (Бондаренко В.М., Суворкин Д.Г. Железобетонные и каменные конструкции: Учебн. Для студентов вузов по спец. «Пром. и гражд. стр-во». - М.: Высш. Шк., 1987. - 384 с.:ил. [3]). Прочность плитной части фундамента проверяют из условия равновесия внешних и внутренних сил на вертикальную ось.
Для центрально-нагруженных фундаментов с квадратной подошвой
0
m
где F - продавливающая сила, h - рабочая высота плитной части фундамента - расстояние от арматуры подошвы до дна стаканной части фундамента, u - среднеарифметическое значение параметров верхнего и нижнего оснований пирамиды продавливания 8 (см. фиг.1)
col
col
где h, b - размеры поперечного сечения колонны (с учетом зазоров размеры верхнего и нижнего оснований пирамиды продавливания увеличиваются на 100 мм). Рабочую высоту плитной части фундамента можно определить по приближенной формуле [3]
f
f
где N - усилие, действующее на фундамент, р=N/A - давление под подошвой фундамента, A - площадь подошвы фундамента. Точное решение имеет вид
Для центрально-нагруженных фундаментов с прямоугольной подошвой условие прочности на продавливание имеет вид [1]
m
где a, b - размеры подошвы фундамента, b - среднее арифметическое значение периметров верхнего и нижнего оснований боковой стороны пирамиды продавливания, определяемое по формуле
значение продавливающей площади можно определить по формуле
Для внецентренно-нагруженных фундаментов с прямоугольной подошвой [1]
где продавливающая сила определяется по формуле
max
где p - максимальное давление на грунт, определяемое по формуле
0
где e=M/N - эксцентриситет приложения силы N.
ПРЕДЛАГАЕМОГО ВАРИАНТА
Передача усилия с колонны на фундамент в двух и более уровнях не приводит к изменению значения давления под подошвой фундамента, однако такое соединение приводит к уменьшению продавливающего усилия, действующего от дна стаканной части фундамента, и к увеличению продавливающего усилия, воспринимаемого бетоном и арматурой на величину ΔF.
Для центрально-нагруженных фундаментов с квадратной подошвой
b
s
где F - соответственно дополнительное внутренние усилие, воспринимаемое бетоном при срезе консольных выступов колонны, F - усилие, воспринимаемое консолями при срезе арматуры.
b
Величину F можно определить по формуле на чистый срез
bu
con
где τ - предельное значение касательных напряжений при срезе колонны; ∑A - соответственно суммарная контактная плошадь консолей с колонной (площадь среза).
В показателях качества бетона и арматуры [2] отсутствуют данные по предельному или допускаемому значению касательных напряжений при чистом срезе, поэтому воспользуемся формулой 7.16 (Сопротивление материалов. Н.М.Беляев. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М., 1976 г. - с.608. [4]). Для материалов, неодинаково сопротивляющихся растяжению сжатию
где Rbt и Rb - расчетные сопротиления бетона соответственно на растяжение и сжатие для предельных состояний первой группы. В табл.1 приведены допускаемые значения касательных напряжений для тяжелого бетона классов В10-В30.
Таблица 1
Допускаемые значения касательных напряжений для бетона, МПа
Класс бетона
В10
В15
В20
В25
В30
R<sub>b</sub>, МПа
6,0
8,5
11,5
14,5
17,0
R<sub>bt</sub>, МПа
0,57
0,75
0,9
1,05
1,2
τ<sub>bu</sub>, МПа
0,521
0,689
0,835
0,979
1,12
s
Усилие, воспринимаемое при срезе арматуры консолей (F), можно определить по формуле
s
s
где τ - допускаемое значение косательных напряжений стальной арматуры; ∑A - суммарная площадь поперечного сечения продольной арматуры.
s3
s4
В табл.2 приведены значения допускаемых касательных напряжений для различных классов арматуры из пластичных материалов, имеющих одинаковое сопротивление растяжению и сжатию по третьей τ и четвертой τ теориям прочности [4].
Таблица 2
Допускаемые значения касательных напряжений для арматуры, МПа
Класс арматуры
А300
А400
А500
R<sub>s</sub>, МПа
270
355
435
τ<sub>s3</sub>, МПа
135
177,5
217,5
τ<sub>s4</sub>, МПа
156
205
251
Таким образом, дополнительное усилие, воспринимаемое бетоном и арматурой ΔF, зависит от класса бетона колонны, суммарных площадей среза консолей колонны, от класса и суммарной площади поперечного сечения продольной арматуры консолей.
Формула по определению рабочей высоты плитной части фундамента для центрально сжатых фундаментов с квадратной подошвой
Для прямоугольных фундаментов: центрально-нагруженных
внецентренно-нагруженных
2. К ВОПРОСУ РАСЧЕТА НА РАСКАЛЫВАНИЕ
Если пирамида продавливания образуется от дна стаканной части фундамента, то необходим расчет прочности на раскалывание, вызываемое действием усилий от кольцевого распора вокруг колонны (А.Н.Тетиор, И.М.Дьяков. / Сравнение отечественных и зарубежных норм расчета фундамента на продавливание // Бетон и железобетон. - 1988. - №11. - С 12-13 [5]). Условие на раскалывание имеет вид [1]
fa
fb
1
где A, A - площади сечения фундамента, получаемые при пересечении плоскостью, проходящей через ось колонны параллельно стороне подошвы фундамента «а» и «b», N - усилие, действующее по торцу колонны. Следует отметить, что усилие N, передаваемое через фундаментную консоль, приводит к уменьшению раскалывающего усилия, действующего от дна стаканной части фундамента. Передача продольного усилия с колонны на фундамент в двух уровнях приводит к перераспределению раскалывающих усилий: к уменьшению на уровне дна стаканной части и появлению раскалывающего усилия на уровне нижнего сечения консоли. Следует заметить, что консоли способствуют улучшению сопротивления материала фундамента на раскалывание за счет значительных сил трения между опорными поверхностями консолей и фундамента. Все это позволяет улучшить работу фундамента на раскалывание. В примере 1 будут рассмотрены вопросы прочности на раскалывание с учетом уменьшения продавливающего усилия.
3. К ВОПРОСУ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ НОРМАЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ
0б
б
Подбор площади сечения арматуры подошвы фундамента производится из условия обеспечения прочности нормальных сечений. Наиболее опасным сечением является сечение по грани колонны. Увеличение рабочей высоты нормального сечения по грани колонны по отношению к базовому варианту (h) на 150 мм приводит к уменьшению требуемой площади сечения арматуры подошвы фундамента. При установке консолей изменяется и расчетная схема по определению изгибающего момента, действующего по грани колонны (см. фиг.3 сечение 1-1). Значение изгибающего момента в предлагаемом варианте уменьшается на величину ΔМ по отношению к базовому (М) и можно определить по формуле (для колонны прямоугольного поперечного сечения и при равномерном распределении давления под квадратной подошвой фундамента)
col
col
1
con
1
где p - давление под подошвой фундамента; a - размер подошвы фундамента; h, b - размеры колонны; p - давление под опорной площадью консоли; t - вылет консоли. Значение p можно определить по формуле
где n - число консолей. Уменьшение значения изгибающего момента во многом зависит от величины ΔF.
ПРИМЕР 1. Отдельный центрально-сжатый фундамент с квадратной подошвой.
Исходные данные (см. фиг.4): усилие, действующее на фундамент N=1800 кН, рассматриваемые классы бетона - В20, В15, В10, глубина заложения фундамента 1050 мм, высота фундамента 900 мм, глубина стаканной части фундамента 450 мм, колонна сечением 400·400 мм, арматурная сетка подошвы фундамента из арматуры класса A300 (Rs=270 МПа [2]), размеры подошвы фундамента зависят от расчетного сопротивления грунта и в данном примере будут рассмотрены три типоразмера подошвы фундамента: 2700·2700, 2400·2400, 2100·2100 мм.
Базовый вариант
Определим минимальный класс бетона для различных вариантов.
f
2
2
Вариант 1.1. Подошва фундамента с размером 2700·2700 мм. Площадь подошвы фундамента A=2,7·2,7=7,29 м. Давление под подошвой фундамента р=1800/7,29=247 кН/м. Высота плитной части фундамента по формуле (4) для бетона класса В20
col
col
принимаем с учетом защитного слоя бетона, равного 35 мм, высоту плитной части фундамента 450 мм (модуль 150 мм). Здесь значения h и b увеличены на 100 мм, так как колонна прикладывается к плитной части фундамента на расстоянии 50 мм от дна стакана.
Высота плитной части фундамента по формуле (4) для бетона класса В15
расчет показывает, что применение более низкого класса бетона приводит к увеличению высоты плитной части фундамента до 600 мм.
f
2
2
Вариант 1.2. Подошва фундамента с размером 2400·2400 мм. Площадь подошвы фундамента A=2,4·2,4=5,76 м. Давление под подошвой фундамента р=1800/5,76=313 кН/м. Высота плитной части фундамента по формуле (4) для бетона класса В20
Принимаем с учетом защитного слоя бетона, равного 50 мм, высоту плитной части фундамента 450 мм (модуль 150 мм).
Высота плитной части фундамента по формуле (4) для бетона класса В15
Расчет показывает, что применение более низкого класса бетона даже при минимальном защитном слое бетона, равном 35 мм, составит 470 мм, что более 450 мм.
f
2
2
Вариант 1.3. Подошва фундамента с размером 2100·2100 мм. Площадь подошвы фундамента A=2,4·2,4=4,41 м. Давление под подошвой фундамента р=1800/4,41=408 кН/м. Высота плитной части фундамента по формуле (4) для бетона класса В15
Принимаем с учетом защитного слоя бетона, равного 50 мм, высоту плитной части фундамента 450 мм (модуль 150 мм). Рассмотрим возможность уменьшения класса бетона плитной части до В10
Расчет показывает, что применение более низкого класса бетона даже при минимальном защитном слое бетона, равном 35 мм, составит 490 мм, что более 450 мм.
Предлагаемый вариант
На фиг.4 показан предлагаемый вариант решения узла соединения колонны с фундаментом с использованием 4-сторонних консолей. Принимаем вылет консоли при ширине колонны 400 мм равным 200 мм (с учетом верхних зазоров, равных 75 мм, в каждую сторону от колонны), высоту консолей примем в двух вариантах равной 400 мм и 300 мм (150 мм выше обреза фундамента и соответственно на 250 и 150 мм ниже обреза фундамента).
В табл.3 приведены значения усилия ΔF в зависимости от класса бетона колонны, контактной площади четырех консолей с колонной, диаметра продольной арматуры консолей при классе арматуры А400 и суммарном количестве продольных стержней консоли равном 16.
b11
b12
s
s3
Примечание: F, F - усилия, воспринимаемые консолями с размерами площади контакта консоли и колонны соответственно 300·400 и 400·400 мм, при определении усилия F - принималось значение τ (табл.2).
Диапазон возможного изменения продавливающего усилия ΔF колеблется от 411 до 758 кН, примем значение ΔF=543 кН - класс бетона колонны В20 (усилие, воспринимаемое бетоном колонны без учета армирования и гибкости колонны -1840 кН), размеры площади контакта консоли с колонной 300·400 мм, продольная арматура диаметром 6 мм, число консолей - 4.
Зададимся геометрическими размерами всех ступеней фундамента.
Вариант 1.1 - 2700·2700, 2100·2100, 1500·1500.
Вариант 1.2 - 2400·2400, 2100·2100, 1500·1500.
Вариант 1.3 - 2100·2100,1500·1500, 900·900.
Определим минимальный класс бетона для этих вариантов. Рассмотрим вариант 1.1. Рабочая высота плитной части фундамента при классе бетона В15 составит по формуле (13)
как видно из расчета, в предлагаемом варианте можно использовать бетон более низкого класса (В15). Рассмотрим возможность использования бетона класса В10
можно принять высоту плитной части фундамента равной 450 мм при защитном слое бетона, равном 40 мм.
Рассмотрим вариант 1.2. Рабочая высота плитной части фундамента при классе бетона В15 составит по формуле (13)
Как видно из расчета, в предлагаемом варианте можно использовать бетон более низкого класса (В15). Рассмотрим возможность использования бетона класса В10
можно принять высоту плитной части фундамента равной 450 мм при защитном слое бетона, равном 50 мм.
Рассмотрим вариант 1.3. Рабочая высота плитной части фундамента при классе бетона В15 составит по формуле (13)
Как видно из расчета, в предлагаемом варианте можно использовать бетон более низкого класса (В15). Рассмотрим возможность использования бетона класса В10
Можно принять высоту плитной части фундамента равной 450 мм при защитном слое бетона, равном 50 мм.
В табл.5 приведены сводные результаты высоты плитной части фундамента базового и предлагаемого вариантов из условия прочности на продавливание. Указаны минимальные классы тяжелого бетона на осевое сжатие и значения рабочей высоты плитной части фундамента.
Таблица 4
Итоговая таблица результатов расчета предлагаемого и базового вариантов.
Базовый вариант
Предлагаемый вариант
Варианты
1.1
1.2
1.3
1.1
1.2
1.3
Класс бетона
В20
В20
В15
В10
В10
В10
h<sub>0</sub>, мм
414
396
405
404
379
348
Как видно из табл.4, применение предлагаемого устройства позволяет снизить класс тяжелого бетона для вариантов 1.1 и 1.2 с В20 до В10, а для варианта 1.3 с В15 до В10. Полученные значения рабочей высоты сечения плитной части фундамента предлагаемого варианта ниже, чем в базовом варианте.
К вопросу расхода арматуры на армирование подошвы фундамента. Введение продольной арматуры в консолях несколько увеличивают расход арматуры (в данном случае приблизительно на 5 кг, см. табл.3), что практически не сказывается на общем экономическом эффекте. Следует отметить, что консоли увеличивают рабочую высоту сечения по грани колонны, а следовательно, уменьшают требуемую площадь сечения арматуры подошвы фундамента. В таблице 5 приведены значения требуемой площади сечения арматуры подошвы фундамента и процент экономии арматуры с учетом уменьшения значения изгибающего момента по грани колонны на величину ΔМ (формула 17)
1
con
col
2
где давление под опорной площадью консоли p=543/(4·0,2·0,4)=1697 кН/м; вылет консоли t=0,2 м; b=0,4 м.
Таблица 5
Значения требуемой площади сечения арматуры подошвы фундамента, мм<sup>2</sup>
Варианты задачи
1.1
1.2
1.3
Значение изгибающих моментов базового варианта, кН·м
441
376
310
Базовый вариант
2135
1820
1500
Предлагаемый вариант
1760
1490
1219
Процент экономии
17,6
18,2
18,7
0б
0п
Примечание: рабочая высота сечения по грани колонны базового варианта h=0,85 м, предлагаемого варианта h=1 м (см. фиг.4)). Формула для определения требуемой площади сечения арматуры подошвы фундамента
Таким образом, применение консолей колонны на примере центрально нагруженного отдельного фундамента позволило уменьшить расход цемента за счет применения бетона более низкого класса на осевое сжатие и снизить расход арматуры на 17-18%.
К вопросу расчета на раскалывание
2
Продавливающая сила в базовом варианте принята равной N=1800 кН, в предлагаемом N=N-ΔF=1800-543=1257 кН. Результаты расчета на раскалывания сведем в табл.6 при следующих размерах сечений в плоскости чертежа:
fa
fb
2
вариант 1.1 - 2.7·0.3, 2.1·0.3, 1.5·0.3 м, площадь A=A=1,654 м;
fa
fb
2
вариант 1.2 - 2.4·0.3, 1.8·0.3, 1.2·0.3 м, площадь A=A=1,384 м;
fa
fb
2
вариант 1.3 - 2.1·0.3, 1.5·0.3, 0.9·0.3 м, площадь A=А=1,114 м
2
2
col
col
fb
fa
(площадь сечения стаканной части фундамента 0,525·0,45=0,236 м). Расчеты производим для b/h=1. В предлагаемом варианте значения площадей A=A уменьшаются на 0,08 м за счет двух заглубленных консолей колонны. Размеры заглубления с учетом зазоров составляют в плоскости чертежа 0,2·0,2·2=0,08 м.
Таблица 6
Результаты расчета на раскалывание, кН
Базовый вариант
Предлагаемый вариант
1.1
1.2
1.3
1.1
1.2
1.3
В20
В20
В20
В15
В15
В15
2903
2429
1955
2203
2012
1512
В10
В10
В10
1674
1529
1149
2
Условия прочности на раскалывания в базовом варианте удовлетворяются для всех вариантов при классе бетона В20. Для варианта 1.3 и класса бетона В15 условие прочности не удовлетворяется N=1800>1629 кН. В табл.6 приведены значения усилий, воспринимаемых бетоном из классов В15 и В10 предлагаемого варианта. Для варианта задачи 1.3 условие прочности на раскалывание не выполняется, однако, данную проблему можно решить, увеличив значение ΔF с 543 до 758 кН (см. табл.6), тогда условие прочности будет иметь вид N=1042<1105 кН.
ПРИМЕР 2. Отдельный фундамент с прямоугольной подошвой (фиг.5).
Исходные данные: усилие, действующее на фундамент N=6000 кН,
b1
бетон тяжелый класса В25 (Rbt=1,05 МПа при γ=1 [2]), размеры
b
col
col
подошвы фундамента зависят от расчетного сопротивления грунта и могут колебаться в широком диапазоне (в примере приняты размеры подошвы фундамента а·b=4800·3600 мм, что соответствует расчетному сопротивлению грунта, равному 0,386 МПа), высота фундамента 1800 мм, глубина стаканной части фундамента - 900 мм, колонна сечением 800·500 мм, арматурная сетка подошвы фундамента из арматуры класса А300 (Rs=270 МПа [2]). Класс бетона колонны В30 (усилие, воспринимаемое бетоном колонны без учета армирования, устойчивости и изгибающего момента R·b·h=17·1000·0,5·0,8=6800 кН).
Базовый вариант
0
a
a
0
a
Различают фундаменты с прямоугольной подошвой центрально- или внецентренно-нагруженные в зависимости от соотношения расчетного (е) и случайного (е) эксцентриситетов. Значение случайного эксцентриситета определяется по формуле е=а/30=4800/30=160 мм. Рассмотрим пример при условии е<е. Определим минимальный класс бетона из условия на продавливание.
0
Для класса бетона В25. Предварительно принимаем рабочую высоту плитной части фундамента равной h=850 мм. Условие прочности на продавливание по формуле (5) для класса бетона фундамента В25
m
col
0
при b=b+h=0,6+0,85=1.45 м=1450 мм
f0
2
2
и A=0,5·3,6(4,8-0,9-1,7)-0,25(3,6-0,6-1,7)=3,538 м
col
bt
2
Условие прочности удовлетворяется (b - ширина верхнего основания трапеции продавливания увеличивается на величину двойного зазора между колонной и дном стаканной части фундамента, равного 50 мм). Можно принять с учетом защитного слоя бетона, равного 50 мм, высоту плитной части фундамента равной 900 мм (модуль 150 мм), давление под подошвой фундамента равно p=6000/(4,8·3,6)=347 кН/м. Назначаем количество ступеней три, высотой по 300 мм каждая с размерами 4800·3600, 4200·3000 и 3600·2400 мм. Размер подколенника 3000·1800 мм. Определим возможность применения тяжелого класса бетона В20 (R=0,9 МПа при
b1
γ=1 [2]) из условия прочности на продавливания N=6000>5418 кН. Условие прочности не удовлетворяется. Таким образом минимальный класс бетона фундамента из условия прочности на продавливание составит В25.
Предлагаемый вариант
Рассмотрим техническое решение задачи с применением 4 консолей вылетом по 400 мм. На фиг.5 показаны геометрические размеры фундамента. В табл.7 приведены значения дополнительной продавливающей силы в зависимости от высоты и ширины сечения консоли колонны из бетона класса ВЗО, а также количества и диаметра продольной арматуры консолей класса А400.
Определим требуемое значение дополнительной продавливающей силы ΔF по формуле (17)
2
2
f0
m
при давлении под подошвой фундамента, равном p=6000/(4,8·3,6)=347 кН /м и рабочей высоте плитной части фундамента, равной 850 мм, при A=3,538 м и b=1450 мм.
Для класса бетона фундамента В20
С помощью табл.6 принимаем размер консоли: по высоте 300 мм (150 мм соответственно выше и ниже обреза фундамента), при ширине - 500 мм. Даже без учета армирования консоли дополнительная продавливающая сила составляет ΔF=168>118 кН.
Для класса бетона В15 требуемое значение дополнительной продавливающей силы по формуле
Методом подбора с использованием табл.6 принимаем размеры консоли: по высоте 600 мм (150 мм выше и 450 мм ниже обреза фундамента), по ширине - 500 мм, ΔF=336>304 кН.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет уменьшить класс бетона фундамента с В25 до В15.
Расчет прочности нормальных сечений. Значение изгибающего момента по грани колонны для базового варианта: в плоскости действия изгибающего момента
из плоскости
b
s2
Значение изгибающего момента в предлагаемом варианте уменьшается на величину ΔM: в плоскости действия изгибающего момента при значении усилия ΔF, действующего в консоли, равного 390 кН (см. табл.6 F+F)
из плоскости: значение ΔF принимаем равным 646 кН
Таким образом, экономия арматуры подошвы фундамента составит соответственно в плоскости изгибающего момента 8,2% из плоскости 8,6%. Дополнительный расход арматуры на продольное армирование консолей колонны из арматуры диаметром 8 мм (см. табл.б) составит около 8 кг.
К вопросу расчета на раскалывание. Значение раскалывающего усилия, действующего по торцу колонны, уменьшается с 6000 до 3928 кН (суммарное значение ΔF для четырех консолей составляет 2·390+2·646=2072 кН), что значительно улучшает условие прочности на раскалывание.