Фундамент — это ключевой элемент, обеспечивающий надежность и долговечность любого сооружения, ведь именно он принимает на себя все нагрузки и передает их на грунтовое основание. Курсовая работа по его расчету является не просто учебным заданием, а полноценной симуляцией реального инженерного проектирования. В этой статье мы пошагово разберем весь процесс на сквозном и показательном примере — расчете фундамента под промежуточную колонну двухпролетного промышленного здания. Такой выбор неслучаен: он достаточно сложен, чтобы охватить все основные аспекты проектирования. Мы пройдем полный цикл: от компоновки конструктивной схемы и сбора нагрузок до определения размеров подошвы, выполнения проверочных расчетов и конструирования арматуры.
Этап 1. Как компоновка здания влияет на расчеты фундамента
Любой расчет начинается не с самого фундамента, а с анализа вышележащих конструкций. Именно общая компоновочная схема здания определяет, какие нагрузки и в каком сочетании будут действовать на его основание. Для промышленных зданий характерны сетки колонн с типовыми шагами — 6, 12 или 18 метров, выбор которых зависит от технологии производства и используемого оборудования.
В нашем примере двухпролетного здания нагрузка на промежуточную колонну будет формироваться от следующих элементов:
- Плиты покрытия: создают основную распределенную нагрузку от собственного веса и внешних воздействий (снег, полезная нагрузка).
- Несущие ригели или фермы: собирают нагрузку с плит и передают ее на оголовки колонн.
- Подкрановые балки: добавляют значительные локальные нагрузки от мостовых кранов, если они предусмотрены проектом.
- Стеновые панели: передают свой вес и ветровую нагрузку.
В промышленном строительстве для подобных объектов типовым и технологически оправданным решением является применение сборных железобетонных колонн, которые устанавливаются в фундаменты стаканного типа. Такое конструктивное решение позволяет значительно ускорить монтаж на строительной площадке. Определив, из каких элементов состоит каркас, мы можем перейти к количественной оценке их воздействия.
Этап 2. Сбор нагрузок как основа корректного расчета
Это самый ответственный этап, так как любая ошибка здесь приведет к неверному проектированию фундамента. Сбор нагрузок производится последовательно для каждого конструктивного элемента с учетом его грузовой площади — той части перекрытия, с которой нагрузка стекается на нашу колонну. Все нагрузки делятся на две большие группы: постоянные и временные.
- Постоянные нагрузки: Это вес всех несущих и ограждающих конструкций, который не меняется в процессе эксплуатации. Сюда входит собственный вес плит покрытия, ригелей, подкрановых балок и, конечно, самой железобетонной колонны.
- Временные нагрузки: Их значение может меняться. К ним относятся:
- Полезная нагрузка на покрытие: например, от оборудования или людей при обслуживании кровли.
- Снеговая нагрузка: зависит от географического района строительства и формы кровли.
- Ветровая нагрузка: воздействует на наружные стены здания и через них передается на каркас.
Ключевой момент — это не просто суммирование всех воздействий. Согласно требованиям нормативных документов, в частности СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений», необходимо использовать расчетные сочетания усилий (РСУ). Для этого к каждому виду нагрузки применяется свой коэффициент надежности, который учитывает возможные отклонения от нормативных значений. В результате мы получаем главные исходные данные для дальнейшего расчета — расчетную вертикальную силу (N) и изгибающий момент (M), действующие на обрез фундамента.
Этап 3. Анализ грунтов и определение глубины заложения
Если нагрузки — это то, что действует на фундамент сверху, то инженерно-геологические условия — это то, что встречает его снизу. Именно свойства грунтов определяют несущую способность основания. Игнорирование этого фактора недопустимо. Исходные данные о грунтах получают по результатам инженерно-геологических изысканий.
Центральный вопрос на этом этапе — назначение глубины заложения фундамента (d). Она определяется несколькими факторами, но главным из них является глубина сезонного промерзания грунта в районе строительства. Подошва фундамента в обязательном порядке должна располагаться ниже этой отметки, чтобы избежать губительного воздействия сил морозного пучения.
Кроме глубины промерзания, на выбор глубины заложения влияют:
- Конструктивные требования: наличие подвалов, технических подполий или приямков требует соответствующего заглубления фундаментов.
- Уровень грунтовых вод (УГВ): высокий УГВ может потребовать дополнительных мер по гидроизоляции и усложнить производство работ.
- Геологические особенности: наличие слабых грунтов в верхних слоях может вынудить «прорезать» их и опирать фундамент на более прочные нижележащие слои.
Только после анализа всех этих факторов принимается окончательное решение о глубине заложения, которое становится отправной точкой для проектирования геометрии фундамента.
Этап 4. Расчет геометрических размеров подошвы фундамента
Теперь, зная нагрузки и глубину заложения, мы можем определить размеры фундамента в плане. Основная задача — подобрать такую площадь подошвы (A), чтобы давление под ней не превышало расчетного сопротивления грунта основания (R). Это базовое условие прочности и устойчивости.
В простейшем случае, при действии только центральной вертикальной силы, требуемая площадь определяется по формуле: A ≥ N / R.
Однако в нашем случае от колонны на фундамент передается не только вертикальная сила, но и изгибающий момент. Это приводит к внецентренному (эксцентричному) приложению нагрузки. Давление под подошвой распределяется неравномерно: с одной стороны оно максимальное, с другой — минимальное. Расчет усложняется, и его главная цель — убедиться, что даже максимальное краевое давление не превышает расчетного сопротивления грунта.
После определения требуемой площади A, назначаются конструктивные размеры плиты — ее длина (l) и ширина (b). Их стараются принимать кратными 100 мм для удобства производства работ. Высота фундамента назначается конструктивно, исходя из глубины заложения и высоты стакана, необходимой для надежного защемления колонны.
Этап 5. Проверка несущей способности и осадки основания
Предварительно назначенные размеры фундамента обязательно должны пройти проверку. Инженерное проектирование — это итерационный процесс, где за расчетом следует проверка. Необходимо выполнить два ключевых контроля.
- Проверка давлений под подошвой фундамента. С учетом реального веса самого фундамента и грунта на его уступах уточняются значения давлений. При наличии эксцентриситета важно убедиться, что эпюра давлений не имеет отрыва (то есть минимальное краевое давление больше или равно нулю), а максимальное краевое давление не превышает R (допускается p_max ≤ 1.2R в некоторых случаях).
- Расчет осадки основания. Это критически важная проверка, которая гарантирует, что деформации здания будут находиться в допустимых пределах. Чрезмерная или неравномерная осадка может привести к появлению трещин в конструкциях и нарушению нормальной эксплуатации. Расчет осадки — это отдельная сложная задача, методика которой подробно изложена в нормативных документах (СП). В условиях многопролетных зданий особенно важно учитывать взаимное влияние соседних фундаментов, которое может увеличить итоговую осадку.
Если хотя бы одна из проверок не выполняется, необходимо вернуться на предыдущий этап и увеличить размеры подошвы фундамента, после чего повторить проверки.
Этап 6. Расчет прочности на продавливание пирамидой
После того как взаимодействие фундамента с грунтом признано надежным, нужно убедиться в прочности самого тела фундамента. Один из самых опасных видов разрушения для отдельно стоящих фундаментов — это продавливание. Физически это можно представить как риск «прокалывания» плиты фундамента телом колонны под действием концентрированной нагрузки.
Расчет выполняется по методике СП. Проверяется прочность бетона на действие поперечной силы в пределах наклонного сечения, которое образует условную усеченную пирамиду с вершиной в колонне и основанием в плите фундамента. Алгоритм расчета следующий:
- Определяется расчетный контур продавливания на уровне рабочей высоты плиты.
- Вычисляется действующая продавливающая сила, равная всей нагрузке от колонны за вычетом отпора грунта, находящегося внутри пирамиды продавливания.
- Рассчитывается несущая способность бетона на действие поперечной силы по контуру пирамиды.
В завершение сравнивается действующая сила и несущая способность. Если прочность бетона достаточна — отлично. Если нет, то необходимо либо увеличить рабочую высоту плиты фундамента (что является наиболее эффективным решением), либо установить специальную поперечную арматуру, что усложняет конструкцию.
Этап 7. Определение требуемого армирования подошвы фундамента
Финальный этап конструирования — подбор рабочей арматуры. Подошва фундамента под действием отпора грунта снизу изгибается, работая как несколько консольных плит, защемленных в теле колонны. В растянутой нижней зоне плиты возникают растягивающие напряжения, для восприятия которых и устанавливается стальная арматура.
Расчет выполняется по нормальным сечениям (перпендикулярным продольной оси элемента). Сначала определяются максимальные изгибающие моменты в расчетных сечениях у граней колонны и подколонника в двух направлениях (вдоль и поперек оси здания). Затем, используя известные формулы сопротивления железобетона, по величине момента и характеристикам сечения находят требуемую площадь арматуры (As) для каждого направления.
На основе полученных значений площади подбирается сортамент арматуры: ее диаметр и шаг укладки. Обычно для фундаментов используют арматурную сталь класса A400-A500 и бетон класса по прочности на сжатие B25-B30. По результатам расчета вычерчивается схема армирования, на которой показывается расположение стержней в нижней сетке подошвы фундамента.
Заключение и выводы
Мы прошли весь путь проектирования фундамента: от анализа конструктивной схемы здания, сбора нагрузок, оценки геологических условий до определения геометрии, выполнения проверочных расчетов на несущую способность основания и прочность самого железобетона, и, наконец, до конструирования арматурного каркаса. Становится очевидно, что успешный и надежный проект — это результат не интуиции, а последовательного и методичного применения нормативных требований и расчетных методик. Используйте данный материал как дорожную карту для выполнения своей курсовой работы, но помните о необходимости внимательно адаптировать каждый этап под ваши индивидуальные исходные данные.