Методология проектирования и расчета железобетонных фундаментов многоэтажных зданий: Курсовая работа

В современном строительстве, где каждый проект стремится к максимальной эффективности и надежности, понимание основополагающих принципов проектирования железобетонных конструкций становится не просто желательным, а критически важным. Особое место в этом процессе занимает проектирование фундаментов многоэтажных зданий, ведь именно они являются опорой, передающей все нагрузки на грунтовое основание и обеспечивающей стабильность сооружения на протяжении всего срока его службы. Актуальность данной темы для будущих инженеров-строителей трудно переоценить, поскольку ошибки на этапе проектирования фундаментов могут привести к серьезным деформациям, преждевременному износу и даже авариям, влекущим за собой колоссальные экономические и социальные потери.

Данная курсовая работа ставит перед собой амбициозную цель: разработать исчерпывающую и системную методологию выполнения проекта по проектированию и расчету железобетонных фундаментов многоэтажного промышленного (гражданского) здания. Мы стремимся не просто изложить набор правил, но и предложить глубокий, детализированный подход, который позволит студентам не только понять «что» нужно делать, но и «почему» именно так, с учетом всех нюансов и требований современной нормативной базы.

В процессе работы будут решаться следующие ключевые задачи:

• Систематизация знаний о конструктивных схемах многоэтажных зданий и их влиянии на выбор фундаментов.
• Детализация методологии сбора нагрузок с учетом последних изменений в СП 20.13330.2016.
• Разработка комплексного подхода к оценке инженерно-геологических условий, включая конкретные расчетные критерии для определения глубины заложения фундамента.
• Представление подробных алгоритмов расчета фундаментов по всем предельным состояниям, включая продавливание, прочность и трещиностойкость.
• Обобщение актуальных требований к армированию железобетонных конструкций с учетом действующих ГОСТов.

Структура настоящего методического пособия выстроена таким образом, чтобы последовательно провести студента через все этапы проектирования: от общего понимания конструктивной схемы здания до мельчайших деталей армирования. В отличие от многих существующих аналогов, зачастую страдающих фрагментарностью или использованием устаревших данных, наш подход отличается максимальной актуальностью нормативной базы, глубиной детализации каждого раздела и акцентом на практическое применение теоретических знаний. Мы покажем, как избежать «слепых зон» в проектировании и обеспечить надежность и долговечность фундаментов.

Конструктивные схемы многоэтажных зданий из сборных железобетонных конструкций и их влияние на выбор фундаментов

История инженерной мысли демонстрирует, что каждое новое поколение строителей стремится к созданию более эффективных, экономичных и надежных сооружений. В многоэтажном строительстве ключевую роль играет выбор конструктивной схемы здания, поскольку именно она определяет, как здание будет сопротивляться внешним и внутренним нагрузкам, а также влияет на последующее проектирование его основания. Конструктивный тип здания — это не просто совокупность стен, колонн и перекрытий, это сложная пространственная система, призванная обеспечить надежность и долговечность всей постройки, и здесь каждая деталь имеет значение для будущей эксплуатации.

Типы конструктивных систем: Бескаркасные, каркасные, с неполным каркасом

В современной практике строительства многоэтажных зданий выделяют три основных конструктивных типа, каждый из которых имеет свои особенности, преимущества и области применения:

1. Бескаркасные здания с несущими стенами. В таких сооружениях, как следует из названия, большая часть конструктивных элементов совмещает функции несущих и ограждающих конструкций. Стены (как продольные, так и поперечные) воспринимают вертикальные нагрузки от перекрытий и кровли, а также горизонтальные воздействия (например, ветровые). Этот тип зданий наиболее часто встречается в многоэтажном жилищном строительстве, особенно в условиях массовой застройки, где широко используются крупнопанельные элементы. Крупнопанельное строительство, зародившееся в середине XX века, позволило значительно сократить сроки возведения зданий благодаря индустриализации процесса и быстрому монтажу готовых заводских блоков. Однако у бескаркасных систем есть свои ограничения: они менее гибкие в планировочных решениях и могут быть менее устойчивы к сейсмическим нагрузкам при определенной конфигурации.
2. Каркасные здания. Это, пожалуй, наиболее распространенный тип для многоэтажного строительства, особенно для промышленных, торговых и административных зданий. Пространственная система каркаса состоит из вертикальных колонн и горизонтальных элементов – балок и ригелей, на которые укладываются плиты перекрытия. Именно каркас воспринимает все нагрузки, действующие на здание, в то время как наружные стены выполняют преимущественно ограждающие функции, защищая внутренние помещения от воздействия внешней среды. Каркасные системы обеспечивают большую свободу в планировочных решениях, позволяют создавать большие пролеты и открытые пространства. Они активно применяются в жилом, промышленном, торговом и инфраструктурном строительстве, включая мосты, путепроводы и промышленные цеха. Типы каркасов различаются по материалам (железобетонные, металлические), по устройству горизонтальных связей (с продольным, поперечным, перекрестным расположением ригелей, безригельные) и по характеру статической работы (рамные, связевые, рамно-связевые).
3. Здания с неполным каркасом. Этот гибридный тип сочетает в себе элементы как бескаркасных, так и каркасных систем. Как правило, в таких зданиях присутствует внутренний каркас, состоящий из колонн и ригелей, но при этом наружные стены также являются несущими. Это позволяет оптимально распределять нагрузки и достигать баланса между экономичностью бескаркасных систем и гибкостью каркасных. Например, внутренние помещения могут быть более открытыми благодаря каркасу, а внешние контуры обеспечиваются несущими стенами, что может быть выгодно с точки зрения теплоизоляции или архитектурных требований.

Выбор конкретной конструктивной схемы напрямую определяет тип и размеры фундамента. Например, для бескаркасных зданий с большой площадью несущих стен часто применяются ленточные фундаменты, тогда как для каркасных зданий с сосредоточенными нагрузками от колонн более характерны столбчатые или свайные фундаменты.

Пространственная жесткость и устойчивость зданий

Современное многоэтажное здание — это не просто набор вертикальных и горизонтальных элементов, это сложная пространственная система, которая должна обладать достаточной жесткостью и устойчивостью, чтобы надежно сопротивляться деформированию под влиянием различных нагрузок. Горизонтальные воздействия, такие как ветровые, сейсмические или динамические нагрузки, представляют собой особую угрозу для высоких зданий.

В каркасном здании горизонтальные воздействия могут восприниматься несколькими способами:

• Совместная работа каркаса и вертикальных связевых диафрагм. Диафрагмы жесткости (например, железобетонные стены) выполняют функцию вертикальных связей, которые, будучи соединенными с перекрытиями, образуют единую пространственную систему. Перекрытия, действуя как горизонтальные диски, передают горизонтальные нагрузки на эти диафрагмы, которые затем направляют их к фундаменту.
• Работа каркаса как рамной конструкции. В этом случае пространственная жесткость обеспечивается жесткими узлами сопряжения колонн и ригелей, образующими рамы, способные сопротивляться изгибу и сдвигу. Этот подход требует более сложных расчетов и конструирования жестких узлов.

В многоэтажном панельном здании, где нет четко выраженного каркаса, горизонтальные воздействия воспринимаются совместно поперечными и продольными стенами. Эти стены, соединенные между собой жесткими дисками перекрытий, образуют сложную пространственную систему, способную распределять и передавать горизонтальные нагрузки на основание.

Обеспечение достаточной пространственной жесткости критически важно для предотвращения недопустимых деформаций, таких как крены здания, колебания или потеря устойчивости. Это напрямую влияет на выбор типа фундамента, его размеры и конструктивное решение, так как фундамент должен быть способен воспринимать не только вертикальные, но и значительные горизонтальные усилия, возникающие в процессе эксплуатации здания.

Индустриализация строительства и экономичность железобетонных конструкций

Экономическая целесообразность и скорость возведения играют не последнюю роль в современном строительстве. Именно поэтому индустриализация строительства, особенно с использованием сборных железобетонных изделий (СЖБИ), получила такое широкое распространение. Сборные железобетонные конструкции — это элементы, которые изготавливаются на специализированных заводах, а затем доставляются на строительную площадку для монтажа. Они не требуют дополнительной обработки на месте, что является их ключевым преимуществом.

Преимущества индустриализации очевидны:

• Сокращение сроков строительства: Быстрый монтаж готовых элементов значительно ускоряет процесс возведения здания.
• Повышение качества: Заводской контроль производства обеспечивает более высокое качество изделий по сравнению с монолитными конструкциями, выполненными на стройплощадке, где условия могут быть менее контролируемыми.
• Уменьшение зависимости от погодных условий: Монтаж готовых элементов менее подвержен влиянию неблагоприятных погодных факторов, таких как низкие температуры или осадки, что позволяет строить круглый год.
• Рациональное использование материалов: Заводское производство позволяет оптимизировать расход материалов, сокращая отходы.
• Снижение трудозатрат: Перенос основной части работ с площадки на завод с высокоорганизованным технологическим процессом минимизирует ручной труд и затраты на бетонные работы на месте.

Применение крупноразмерных железобетонных элементов (например, стеновых панелей, плит перекрытий, объемных блоков) — это еще один шаг к повышению эффективности. Оно позволяет не только сократить сроки строительства, но и обеспечить более высокое качество изделий при наименьшей их стоимости и затратах труда. Такие элементы, хоть и требуют тщательной логистики и использования мощной подъемной техники, в долгосрочной перспективе оказываются более экономичными за счет скорости и предсказуемости процесса.

Температурно-усадочные и осадочные швы

В проектировании железобетонных конструкций, особенно большой протяженности, крайне важно учитывать деформации, вызванные температурными перепадами и усадкой бетона. Эти деформации могут привести к возникновению значительных внутренних напряжений, способных вызвать трещины и даже разрушение конструкций. Для предотвращения таких явлений железобетонные конструкции делят по длине и ширине температурно-усадочными швами на отдельные деформационные блоки.

Температурно-усадочные швы представляют собой сквозные разрезы в конструкции, которые позволяют отдельным частям здания свободно расширяться и сжиматься под воздействием изменений температуры и усадки бетона, не передавая при этом критических усилий друг на друга. Эти швы обычно устраиваются с определенным шагом, который зависит от типа конструкции, климатических условий и материала.

Наряду с температурно-усадочными швами, существуют осадочные швы. Их необходимость возникает в следующих случаях:

• Различная высота частей здания: Если здание имеет части с существенно разной высотой (например, многоэтажная башня, примыкающая к одноэтажному блоку), то из-за разной нагрузки на основание могут возникнуть неравномерные осадки. Осадочный шов позволяет этим частям здания осаживаться независимо, предотвращая возникновение перекосов и напряжений.
• Строительство на участке с разнородными грунтами: Если под зданием залегают грунты с различными физико-механическими характеристиками (например, одна часть стоит на плотных скальных породах, другая – на слабых глинистых), это также может привести к неравномерным осадкам. В таких ситуациях осадочные швы также необходимы для разделения конструкции на независимые блоки.

Важно отметить, что осадочные швы, в отличие от чисто температурно-усадочных, делят не только надземные конструкции, но и фундаменты. Это означает, что фундаментная плита или лента также прерываются в месте осадочного шва, чтобы обеспечить независимое поведение каждой части. Правильное проектирование и устройство деформационных швов критически важно для долговечности и эксплуатационной пригодности здания, предотвращая развитие нежелательных деформаций и трещин.

Детальная методология сбора нагрузок на элементы фундаментов многоэтажного здания

Сбор нагрузок — это один из краеугольных камней в проектировании любого строительного объекта, а уж тем более многоэтажного здания. Фундамент, будучи связующим звеном между надземной частью сооружения и грунтовым основанием, должен быть рассчитан с учетом всех возможных воздействий. Искусство инженера заключается не только в том, чтобы собрать все нагрузки, но и правильно классифицировать их, определить расчетные значения и учесть их наиболее неблагоприятные сочетания. Этот процесс строго регламентирован нормативными документами, которые обеспечивают безопасность и долговечность конструкций.

Нормативная база: СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»

Ключевым документом, определяющим правила сбора нагрузок на территории Российской Федерации, является СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Этот Свод правил является актуализированной редакцией ранее действовавшего СНиП 2.01.07-85* и регулярно обновляется (с Изменениями № 1-6), что делает его обязательным для использования в современном проектировании. Он устанавливает требования по назначению нагрузок, воздействий и их сочетаний, которые должны учитываться при расчетах зданий и сооружений по предельным состояниям первой и второй групп. Игнорирование этого документа может привести к серьезным проектным ошибкам и угрозе безопасности здания, а значит, и к недопустимым рискам для людей.

СП 20.13330.2016 предписывает не просто суммировать нагрузки, но и рассматривать их с учетом вероятности одновременного действия и возможных экстремальных значений. Именно этот документ служит основой для формирования грузовых схем и дальнейших расчетов всех конструктивных элементов, включая фундаменты.

Классификация и определение нагрузок

При проектировании фундаментов необходимо учитывать различные виды нагрузок, которые делятся на несколько основных категорий:

1. Постоянные нагрузки: Эти нагрузки действуют на конструкцию непрерывно на протяжении всего срока службы здания. К ним относятся:
   • Собственный вес всех конструктивных элементов здания: стены, перекрытия, колонны, балки, ригели, кровля, лестницы, перегородки.
   • Вес основания фундамента (собственный вес самого фундамента).
   • Вес грунта на обрезах фундамента.
   • Вес стационарного оборудования, которое закреплено на постоянной основе.
   • Давление грунта на подземные части здания.

   Для определения массы здания объемы стен, перегородок, перекрытий, цокольного этажа и площадь крыши умножаются на удельный вес соответствующих материалов. Например, для железобетона он составляет около 2500 кг/м³, для кирпичной кладки — 1600-1800 кг/м³, для утеплителя — значительно меньше.

2. Длительные нагрузки: Это нагрузки, которые могут действовать длительное время, но не постоянно. К ним могут относиться:
   • Нагрузки от складируемых материалов.
   • Часть нагрузок от оборудования (например, не постоянно работающее оборудование).
   • Пониженное нормативное значение снеговой нагрузки для определенных районов (см. ниже).
3. Кратковременные нагрузки: Эти нагрузки имеют временный или эпизодический характер. К ним относятся:
   • Нагрузки от людей и животных на перекрытиях.
   • Нагрузки от подвижного оборудования, мебели.
   • Снеговые нагрузки на кровлю (полное нормативное значение).
   • Ветровое давление на здание.
   • Нагрузки от мостовых и подвесных кранов.
   • Температурные климатические воздействия.

   СП 20.13330.2016 устанавливает два нормативных значения для этих нагрузок: полное и пониженное. Пониженные нормативные значения равномерно распределенных кратковременных нагрузок (например, от людей и оборудования на перекрытия) определяются умножением их нормативных значений на коэффициент 0,35. Для районов со средней температурой января -5 °С и ниже, пониженное нормативное значение снеговой нагрузки определяется умножением ее нормативного значения на коэффициент 0,5, при этом коэффициенты c_e и c_t принимаются равными единице.

4. Особые нагрузки: Эти нагрузки возникают в исключительных случаях и имеют катастрофический характер:
   • Сейсмические воздействия.
   • Взрывные воздействия.
   • Воздействие пожара.
   • Деформации основания, вызванные внезапным изменением структуры грунта.

При сборе нагрузок на фундамент важно определить суммарную нагрузку от всех конструктивных элементов здания и временных нагрузок.

Сочетания нагрузок и коэффициенты надежности

При расчете конструкций необходимо учитывать наиболее неблагоприятные сочетания нагрузок, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации здания. СП 20.13330.2016 выделяет две основные категории сочетаний нагрузок:

1. Основное сочетание: Включает постоянные, длительные и кратковременные нагрузки. Обычно рассматриваются несколько вариантов основных сочетаний, чтобы выявить самый неблагоприятный для данного элемента конструкции. Например, максимальное вертикальное давление на фундамент может быть достигнуто при сочетании всех постоянных и длительных нагрузок с максимальными кратковременными.
2. Особое сочетание: Включает постоянные, длительные, кратковременные и одну из особых нагрузок (например, сейсмические или взрывные). Эти сочетания применяются для проверки конструкций на устойчивость в экстремальных условиях.

Для перехода от нормативных нагрузок к расчетным используются коэффициенты надежности по нагрузке (γ_f). Эти коэффициенты учитывают возможные отклонения нагрузок от их нормативных значений в неблагоприятную сторону. Как правило, для большинства нагрузок γ_f > 1,0. Однако, при проверке конструкций на устойчивость положения против опрокидывания, а также в других случаях, когда уменьшение веса конструкций и грунтов может ухудшить условия работы (например, при расчете на выпор), расчет производится с коэффициентом надежности по нагрузке γ_f = 0,9 для веса конструкции или ее части. Это позволяет учесть наименее благоприятный сценарий, когда собственный вес, стабилизирующий конструкцию, оказывается минимальным.

Также важно отметить, что при расчете конструкций и оснований для условий возведения зданий и сооружений расчетные значения снеговых, ветровых, гололедных нагрузок и температурных климатических воздействий следует снижать на 20%. Это связано с тем, что на стадии строительства обычно отсутствует часть проектных нагрузок, а также применяются временные меры безопасности.

Определение расчетных нагрузок на столбчатые и ленточные фундаменты

Для столбчатых и ленточных фундаментов определение расчетных нагрузок является ключевым этапом.

Для столбчатых фундаментов:
Нагрузки на столбчатый фундамент передаются от колонн или стен, опирающихся на него. В общем случае, на фундамент действуют вертикальные силы (N), горизонтальные силы (H_x, H_y) и изгибающие моменты (M_x, M_y), вызванные эксцентриситетом вертикальной нагрузки или действием горизонтальных сил.
Алгоритм определения расчетных нагрузок:

1. Сбор нагрузок на обрез фундамента: Для каждой колонны или участка стены, опирающейся на фундамент, необходимо собрать все вышеуказанные виды нагрузок (постоянные, длительные, кратковременные, особые) с учетом их сочетаний и соответствующих коэффициентов надежности.
2. Расчет грузовой площадки: Грузовая площадка – это площадь, с которой нагрузка передаётся на фундамент. Для колонны это обычно площадь, соответствующая ее расположению в сетке колонн. Для стены – длина участка стены, умноженная на ширину загружаемой зоны.
3. Суммирование нагрузок: Определяются суммарные вертикальные силы (N_расч), горизонтальные силы (H_x,расч, H_y,расч) и моменты (M_x,расч, M_y,расч), действующие на уровне обреза фундамента. Эти значения используются для дальнейших расчетов фундамента на прочность и деформации.

Для ленточных фундаментов:
Ленточные фундаменты воспринимают нагрузки от несущих стен или ряда колонн.
Алгоритм определения расчетных нагрузок:

1. Определение погонной нагрузки: Для ленточных фундаментов удобно определять нагрузку на 1 погонный метр стены. Это включает в себя вес стены, перекрытий, кровли и временных нагрузок, приходящихся на данный участок стены.
2. Расчет суммарных усилий: Аналогично столбчатым фундаментам, для ленточных фундаментов определяются суммарные вертикальные силы, горизонтальные силы и моменты на 1 погонный метр, с учетом сочетаний нагрузок и коэффициентов надежности. Важно учитывать, что ленточный фундамент работает как балка на упругом основании, поэтому распределение нагрузок и возникающие усилия будут более сложными.

Определение расчетных значений является основой для всех последующих расчетов фундаментов: на несущую способность основания, на прочность материала фундамента, на продавливание и на деформации. Тщательность и корректность этого этапа гарантируют надежность всего сооружения.

Оценка инженерно-геологических условий строительной площадки и обоснование выбора фундамента

Прежде чем в землю будет забит первый колышек, а на чертежах появится контур фундамента, необходимо провести тщательное «прослушивание» того, что скрывается под поверхностью. Оценка инженерно-геологических условий строительной площадки — это не просто формальность, а один из самых главных и ответственных этапов проектирования оснований и фундаментов. От этого напрямую зависят надежность, долговечность и экономическая целесообразность всего сооружения. Без этого этапа любое строительство может превратиться в дорогостоящий эксперимент.

Нормативные документы для инженерно-геологических изысканий

Проведение инженерно-геологических изысканий регламентируется целым рядом нормативных документов, которые обеспечивают комплексный и стандартизированный подход к изучению грунтов и гидрогеологических условий. Основными из них являются:

• СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть I. Общие правила производства работ»: Этот Свод правил устанавливает общие требования к составу, объему, методам и порядку выполнения инженерно-геологических изысканий, включая стадии проектирования, виды работ и отчетную документацию. Он является базовым документом для организации и проведения полевых и лабораторных исследований.
• СП 446.1325800.2019 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ»: Данный документ является более актуальной редакцией и развивает положения СП 11-105-97, уточняя и дополняя требования к проведению изысканий с учетом современных подходов и технологий. Он акцентирует внимание на качестве и достоверности получаемой информации, что критически важно для принятия обоснованных проектных решений.
• СП 47.13330.2012 «Инженерные изыскания для строительства»: Этот Свод правил (актуализированная редакция СНиП 11-02-96) является обобщающим документом, охватывающим все виды инженерных изысканий (геодезические, геологические, экологические и т.д.) для строительства. Он определяет общие принципы организации и выполнения изысканий, их состав и порядок проведения, а также требования к отчетной документации.

Эти документы формируют единую методологическую основу, обеспечивающую полноту и достоверность данных, необходимых для проектирования фундаментов.

Анализ типов грунтов и их физико-механических характеристик

Грунт — это не просто «земля» под ногами, а сложный геологический массив, состоящий из различных минералов, органических веществ, воды и газов. Каждый тип грунта обладает уникальными физико-механическими характеристиками, которые напрямую влияют на его несущую способность, устойчивость и поведение под нагрузкой.

Основные типы грунтов, встречающиеся в строительстве, и их характеристики:

1. Каменистые и скальные грунты: Считаются наиболее надёжными основаниями. Они состоят из прочных, сцементированных пород (граниты, базальты, песчаники, известняки).
   • Свойства: Высокая прочность, практически не проседают, не размываются, не подвержены морозному пучению. Несущая способность может достигать 50 кг/см² и более.
   • Особенности: Требуют минимального заглубления фундамента, иногда достаточно устройства поверхностной опоры. Однако их разработка может быть затруднена и требовать применения специальной техники.
2. Песчаные грунты: Состоят из частиц песка различной крупности (гравелистые, крупные, средней крупности, мелкие, пылеватые).
   • Свойства: Хорошо пропускают воду, относительно хорошо трамбуются. На крупнозерновом песке фундамент не замачивается, так как вода быстро уходит. Несущая способность для песков средней крупности может варьироваться от 3,0 до 4,0 кг/см².
   • Особенности: Мелкие и пылеватые пески могут быть подвержены морозному пучению при высоком уровне грунтовых вод.
3. Глинистые грунты: Включают глины, суглинки и супеси. Отличаются высоким содержанием глинистых частиц, что придает им пластичность и водоудерживающую способность.
   • Глины: Содержат много влаги, подвержены размоканию и сильному пучению при промерзании. Обладают низкой несущей способностью, могут быть подвержены значительным деформациям (осадкам, набуханию). Несущая способность для глин и суглинков может варьироваться от 2,5 до 3,5 кг/см².
   • Суглинки и супеси: Промежуточные грунты между песками и глинами. Также относятся к пучинистым грунтам.
   • Пучинистые грунты: Глинистые грунты (глины, суглинки, супеси) при промерзании значительно увеличиваются в объеме из-за замерзания содержащейся в них воды. Сильнопучинистые грунты могут увеличиваться в объеме более чем на 1 см при промерзании на глубину 1 м. Это создает неравномерные давления на фундамент, что может привести к его подъему, деформациям и разрушениям.
4. Торфяники и болотистая почва: Слабые, сильносжимаемые грунты с высоким содержанием органических веществ.
   • Свойства: Очень низкая несущая способность, высокая сжимаемость, подвержены гниению и изменению свойств.
   • Особенности: Требуют специальных мероприятий по улучшению основания (например, полной или частичной замены, устройства свайных фундаментов, закрепления грунтов).

Несущая способность грунта — это предельная нагрузка, которую может выдержать почва без пластических деформаций, и измеряется в кг/см² или кПа. Эта характеристика является одной из важнейших при расчете фундаментов.

Уровень грунтовых вод и его влияние на фундамент

Уровень грунтовых вод (УГВ) — один из ключевых факторов, который нельзя игнорировать при проектировании фундаментов. Грунтовые воды могут оказывать комплексное негативное воздействие на фундамент и основание:

• Гидростатическое давление: При высоком УГВ вода может оказывать значительное давление на стены и подошву фундамента, стремясь вытолкнуть его (выпор).
• Морозное пучение: В пучинистых грунтах высокий УГВ значительно усугубляет эффект морозного пучения, поскольку вода замерзает и увеличивается в объеме, создавая силы, поднимающие фундамент.
• Вымывание грунта: Движение грунтовых вод может приводить к вымыванию мелких частиц грунта из-под подошвы фундамента, что снижает его несущую способность и вызывает неравномерные осадки.
• Коррозия: Постоянное воздействие воды может ускорять коррозию арматуры и разрушение бетона, особенно при наличии агрессивных химических компонентов в воде.

Для определения уровня грунтовых вод рекомендуется бурение не менее 4 скважин-шурфов на участке строительства. Эти скважины позволяют не только зафиксировать текущий УГВ, но и отобрать пробы грунта и воды для лабораторного анализа, который поможет выявить их физико-механические и химические свойства. При высоком уровне грунтовых вод необходимо выбирать тип фундамента, способный выдерживать давление воды (например, свайный или столбчатый с заглубленной подошвой), а также предусматривать эффективную систему гидроизоляции и дренажа.

Глубина промерзания грунта и расчет глубины заложения фундамента

Глубина промерзания грунта — это глубина, на которой температура почвы опускается ниже 0 °С. Этот параметр критически важен, особенно для пучинистых грунтов, чтобы избежать воздействия морозного пучения на фундамент. Заглубление фундамента ниже этой отметки позволяет защитить его от разрушительного воздействия сил морозного пучения.

Расчетная глубина промерзания грунта (d_f) определяется по формуле:

df = kh · dfn

Где:

• d_f — расчетная глубина промерзания грунта (м).
• k_h — коэффициент влияния теплового режима здания.
• d_fn — нормативная глубина промерзания грунта (м).

Нормативная глубина промерзания грунта (d_fn), согласно СП 22.13330.2016, определяется по формуле:

dfn = d0 · √Mt

Где:

• d₀ — величина, зависящая от типа грунта:
  • Для суглинков и глин — 0,23 м.
  • Для супесей, песков мелких и пылеватых — 0,28 м.
  • Для песков гравелистых, крупных и средней крупности — 0,30 м.
  • Для крупнообломочных грунтов — 0,34 м.
• M_t — безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе. Например, если в районе средние отрицательные температуры за зимние месяцы составляют: декабрь -5 °С, январь -10 °С, февраль -7 °С, то M_t = |-5| + |-10| + |-7| = 22.

Коэффициент влияния теплового режима сооружения (k_h):

• Для наружных фундаментов отапливаемых сооружений k_h принимается по специальным таблицам (например, в СП 22.13330.2016), где его значение может варьироваться в зависимости от конкретных условий (например, от 0,7 до 0,9).
• Для наружных и внутренних фундаментов неотапливаемых сооружений k_h = 1,1 (за исключением районов с отрицательной среднегодовой температурой, где требуется дополнительный теплотехнический расчет).

Минимально необходимая и достаточная глубина заложения фундамента определяется с учетом всех этих факторов для обеспечения надежности и долговечности здания, а также для избежания неоправданных финансовых затрат.

Критерии выбора типа и глубины заложения фундаментов

Выбор типа и глубины заложения фундамента — это комплексное решение, которое принимается на основе совокупности инженерно-геологических, конструктивных и экономических факторов:

1. Тип грунта:
   • Скальные и плотные песчаные грунты: Позволяют использовать мелкозаглубленные фундаменты (ленточные, столбчатые) или даже плитные фундаменты с минимальным заглублением.
   • Слабые песчаные, глинистые, суглинистые, супесчаные грунты: Требуют заглубления фундамента ниже расчетной глубины промерзания, а при значительном уровне грунтовых вод и пучинистости могут потребовать устройства свайных фундаментов или специальных мероприятий по улучшению грунтов.
   • Торфяники, болотистые грунты: Практически всегда требуют свайных фундаментов, опирающихся на более плотные слои грунта, или замены грунта.
2. Уровень грунтовых вод (УГВ):
   • Низкий УГВ: Меньше проблем с гидроизоляцией и морозным пучением.
   • Высокий УГВ: Требует применения водонепроницаемых бетонов, усиленной гидроизоляции, дренажных систем и, возможно, свайных фундаментов для прохода через водонасыщенные слои.
3. Глубина промерзания грунта: Фундаменты пучинистых грунтов всегда должны быть заглублены ниже расчетной глубины промерзания.
4. Вес и конструктивные особенности здания:
   • Небольшие, легкие здания: Могут опираться на мелкозаглубленные ленточные или столбчатые фундаменты.
   • Многоэтажные, тяжелые здания: Требуют более мощных фундаментов: глубокозаглубленных ленточных, столбчатых, плитных или свайных. Каркасные здания с сосредоточенными нагрузками от колонн часто опираются на отдельные столбчатые или свайные фундаменты. Бескаркасные — на ленточные или плитные.
5. Климатические условия региона и рельеф местности: Морозное пучение, сейсмическая активность, ветровые нагрузки, перепады высот на участке — все это влияет на выбор фундамента.
6. Экономическая целесообразность: Стоимость фундамента может составлять значительную часть от общей стоимости здания. Оптимальный выбор должен обеспечивать необходимую надежность при минимальных затратах.

Например, для многоэтажного здания на слабых пучинистых грунтах с высоким УГВ, скорее всего, будет выбран свайный фундамент с монолитным ростверком. В то время как на плотных скальных грунтах достаточно будет столбчатых фундаментов из монолитного или сборного железобетона. Таким образом, обоснованный выбор фундамента — это результат тщательного анализа и синтеза всей полученной инженерно-геологической информации.

Алгоритмы расчета и конструирования отдельных и ленточных железобетонных фундаментов

Проектирование железобетонных фундаментов — это процесс, требующий глубокого понимания механики материалов, строительной механики и геотехники. Это не просто выбор размера и формы, а тщательный расчет, который гарантирует, что фундамент выдержит все нагрузки на протяжении всего срока службы здания. Все расчеты и конструирование должны строго соответствовать действующим строительным нормам и правилам, прежде всего СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» и СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений».

Общие принципы расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям

Современное проектирование железобетонных конструкций базируется на расчете по предельным состояниям. Этот метод позволяет определить предельные состояния, при достижении которых конструкция перестает отвечать эксплуатационным требованиям. Выделяют две основные группы предельных состояний:

1. Первая группа предельных с��стояний (по несущей способности):
   • Нарушение прочности: Полное разрушение конструкции или ее части, потеря устойчивости формы (например, продавливание) или положения (опрокидывание).
   • Потеря устойчивости: Для сжатых элементов, таких как подколонники, это может быть потеря устойчивости формы.
   • Усталостное разрушение: При многократном повторении нагрузок.
   • Цель расчета по первой группе — гарантировать, что конструкция не разрушится и не потеряет устойчивость под действием расчетных нагрузок.
2. Вторая группа предельных состояний (по эксплуатационной пригодности):
   • Недопустимые деформации: Чрезмерные прогибы, осадки, крены, которые могут нарушить нормальную эксплуатацию здания (например, повреждение отделки, затруднение работы оборудования).
   • Образование или чрезмерное раскрытие трещин: Трещины снижают долговечность конструкции, ухудшают ее водонепроницаемость и эстетический вид, а также могут способствовать коррозии арматуры.
   • Колебания: Недопустимые динамические колебания, вызывающие дискомфорт для людей или нарушение работы оборудования.
   • Цель расчета по второй группе — обеспечить нормальную эксплуатацию здания без недопустимых деформаций и повреждений.

Определение размеров подошвы и высоты фундамента

Процесс определения габаритов фундамента начинается с расчета размеров подошвы, которая должна обеспечить передачу нагрузки на грунт таким образом, чтобы среднее давление под подошвой не превышало расчетного сопротивления грунта, а неравномерные осадки были в допустимых пределах.

1. Расчет ширины подошвы фундамента (B) и длины (L):
   • Для столбчатого фундамента: B и L определяются исходя из условия, что давление на грунт под подошвой не должно превышать расчетного сопротивления грунта (R₀) с учетом всех действующих нагрузок (нормативных, без коэффициента надежности по грунту). Также учитываются моменты, вызывающие эксцентриситет приложения нагрузки. Если фундамент не прямоугольный, а ступенчатый, то его размеры могут быть оптимизированы.
   • Для ленточного фундамента: Ширина подошвы определяется аналогично, но на 1 погонный метр длины.
   • Формула для предварительного определения площади подошвы А:

   А = Nн / R0

   Где N_н — нормативная нагрузка на фундамент, R₀ — расчетное сопротивление грунта.

2. Определение высоты фундамента (H):
   • Высота фундамента определяется исходя из нескольких критериев:
     • Требования к заглублению: Глубина заложения фундамента (H_f) должна быть не менее расчетной глубины промерзания грунта для пучинистых грунтов и не менее 0,5-0,7 м для непучинистых.
     • Прочность на продавливание: Для столбчатых фундаментов высота должна быть достаточной для обеспечения прочности на продавливание колонной или подколонником.
     • Прочность на изгиб: Высота должна обеспечивать прочность на изгиб подошвы фундамента.
     • Конструктивные требования: Для монолитных фундаментов рекомендуется проектировать их ступенчатого типа, плитная часть которых имеет от одной до трех ступеней. Это позволяет экономить бетон и уменьшать вес фундамента, сохраняя при этом необходимую жесткость.

Расчет на продавливание (для столбчатых фундаментов)

Продавливание — это одна из наиболее опасных форм разрушения столбчатых фундаментов, при которой колонна как бы «продавливает» тело фундамента. Этот расчет проводится по первой группе предельных состояний.

Методика проверки прочности фундамента на продавливание включает:

1. Определение расчетного сопротивления бетона: С учетом класса бетона и коэффициентов условий работы.
2. Определение расчетной площади поверхности продавливания: Эта площадь представляет собой усеченную пирамиду (или призму) вокруг сжатого элемента (колонны или подколонника), уходящую в тело фундамента. Грани этой пирамиды обычно принимаются под углом 45° к оси элемента.
3. Определение продавливающей силы: Это вертикальная сила, действующая от колонны на фундамент, за вычетом части давления грунта, действующего внутри контура продавливания.
4. Сравнение продавливающей силы с несущей способностью на продавливание: Несущая способность определяется по формулам, учитывающим площадь продавливания, прочность бетона на растяжение и наличие поперечной арматуры. Если несущая способность меньше продавливающей силы, необходимо увеличить высоту фундамента или предусмотреть косвенное армирование.

Расчет на прочность по нормальным и наклонным сечениям

Расчет на прочность по нормальным сечениям (от действия изгибающего момента):
Подошва фундамента работает как консольная балка, нагруженная давлением грунта, и изгибается. Этот расчет проводится по первой группе предельных состояний.

1. Определение максимального изгибающего момента: Момент определяется в опасных сечениях (например, по грани колонны/подколонника) от давления грунта, действующего за пределами этих сечений.
2. Определение требуемой площади рабочей арматуры: На основе максимального изгибающего момента и прочности бетона и арматуры. Арматура устанавливается в растянутой зоне фундамента (обычно внизу подошвы).

Расчет на прочность по наклонным сечениям (от действия поперечных сил):
Фундамент также подвергается действию поперечных сил. Этот расчет также проводится по первой группе предельных состояний.

1. Определение максимальной поперечной силы: Поперечная сила определяется в опасных наклонных сечениях.
2. Проверка прочности бетона на поперечную силу: Если прочности бетона недостаточно, необходимо предусмотреть поперечную арматуру (хомуты или отогнутые стержни).
3. Учет форм разрушения: Формы разрушения железобетонных конструкций включают разрушение по нормальным сечениям от действия изгибающего момента и по наклонным сечениям от применения наклонных сил. Расчеты должны охватывать все эти потенциальные сценарии.

Расчет по образованию и раскрытию трещин (трещиностойкость)

Этот расчет относится ко второй группе предельных состояний и направлен на обеспечение долговечности и эксплуатационной пригодности фундамента.

1. Расчет по образованию трещин: Проверяется, не образуются ли трещины в бетоне при действии нормативных нагрузок. Если образуются, то они должны быть допустимого раскрытия.
2. Расчет по раскрытию трещин: Если трещины образуются, их ширина не должна превышать допустимых значений, установленных нормами (например, 0,2-0,3 мм для обычных условий эксплуатации, 0,1 мм для агрессивных сред). Чрезмерное раскрытие трещин может привести к коррозии арматуры и снижению долговечности. Этот расчет требует более детального анализа напряженно-деформированного состояния элемента.

Выбор классов бетона для фундаментов

Для обеспечения необходимой прочности и долговечности фундаментов выбор класса бетона играет ключевую роль.

• Для монолитных железобетонных фундаментов следует применять тяжелый бетон классов по прочности на сжатие В12,5 и В15.
  • Бетон класса В12,5 соответствует гарантированной прочности на сжатие 12,5 МПа.
  • Бетон класса В15 соответствует гарантированной прочности на сжатие 15 МПа.
• При соответствующем обосновании (например, для сильнонагруженных фундаментов или в особых условиях) допускается применение бетона класса В20.
  • Бетон класса В20 соответствует гарантированной прочности на сжатие 20 МПа.

• Для замоноличивания колонн в стакане подколонника применяется бетон класса не ниже В12,5.
• Для бетонной подготовки под подошвой фундамента (выполняется для создания ровной поверхности и защиты от капиллярной влаги) применяется бетон класса В3,5.
  • Бетон класса В3,5 соответствует гарантированной прочности на сжатие 3,5 МПа.

Выбор бетона также зависит от условий эксплуатации (например, агрессивность среды, морозостойкость, водонепроницаемость). Все эти аспекты должны быть учтены при проектировании, чтобы обеспечить максимальную надежность фундамента.

Требования к армированию железобетонных фундаментов и подколонников

Арматура — это «скелет» железобетонной конструкции, который обеспечивает ее способность воспринимать растягивающие усилия, а также повышает прочность на сжатие (косвенное армирование) и сдвиг. Правильное армирование — это залог надежности и долговечности фундамента. Оно должно выполняться в строгом соответствии с конструктивными требованиями, изложенными в действующих строительных нормах и правилах, таких как СП 63.13330.2018.

Принципы армирования железобетонных конструкций

В железобетонных конструкциях бетон отлично работает на сжатие, но плохо сопротивляется растяжению. Именно поэтому арматура вводится в те зоны, где возникают растягивающие усилия.

• Распределение усилий: Основные сжимающие усилия в железобетонных конструкциях передаются на бетон, который обладает высокой прочностью на сжатие. Растягивающие и сдвигающие усилия воспринимаются арматурой, которая обладает высокой прочностью на растяжение и срез.
• Рабочая арматура: Это арматура, которая устанавливается по расчету и предназначена для восприятия основных растягивающих или сжимающих усилий.
• Конструктивная арматура: Устанавливается по конструктивным требованиям, независимо от расчета, для предотвращения образования трещин от усадки и температурных деформаций, для обеспечения совместной работы бетона и рабочей арматуры, а также для фиксации рабочей арматуры в проектном положении.
• Косвенное армирование: Применяется для повышения несущей способности бетона на сжатие, особенно в элементах, работающих под большим осевым сжатием (например, подколонники). Это могут быть спирали, поперечные сетки или хомуты.

Результатом прочностных расчетов является определение площади поперечного сечения рабочей арматуры, необходимой для обеспечения несущей способности конструктивных элементов зданий. После выполнения расчетов приступают к конструированию железобетонных конструкций, что включает их армирование.

Классы арматуры и области их применения

Выбор класса арматуры зависит от требуемых прочностных характеристик, условий эксплуатации и экономических соображений.

• Для армирования фундаментов рекомендуется применять горячекатаную арматуру периодического профиля класса А-III по ГОСТ 5781-82.
  • Арматура класса А-III (или А400) по ГОСТ 5781-82 изготавливается из стали марок, таких как 35ГС, 25Г2С, и обладает условным пределом текучести 400 МПа. Она является наиболее универсальной и широко применяемой для рабочей арматуры в несущих конструкциях, включая фундаменты, благодаря своей высокой прочности и хорошей свариваемости.
• Для слабонагруженных сечений, где прочность арматуры используется не полностью (например, конструктивные сетки армирования подколонника, сетки косвенного армирования дна стакана), а также при ограничении по раскрытию трещин, допускается применять арматуру классов А-II по ГОСТ 5781-82 и Вр-I по ГОСТ 6727-80.
  • Арматура класса А-II (или А300) по ГОСТ 5781-82 изготавливается из стали марок Ст5сп, Ст5пс и 18Г2С и имеет условный предел текучести 300 МПа. Она используется там, где требуются меньшие прочностные характеристики или важна пластичность.
  • Арматура класса Вр-I по ГОСТ 6727-80 представляет собой холоднотянутую проволоку периодического профиля. Она часто используется для изготовления сварных сеток, применяемых в качестве конструктивного армирования или для распределения нагрузки.

Конструирование и армирование подколонников

Подколонник — это верхняя часть столбчатого фундамента, которая служит для опирания колонны и передачи на нее нагрузки. Отметка верха фундамента (подколонника) обычно назначается на 50 мм ниже уровня чистого пола для обеспечения возможности укладки гидроизоляции и стяжки.

1. Размеры подколонника: В монолитных фундаментах с монолитными колоннами размеры поперечного сечения подколонника принимают увеличенными относительно размеров колонны на 50 мм в каждую сторону. Это делается для удобства установки опалубки, обеспечения защитного слоя бетона и эффективной передачи усилий.
2. Армирование подколонника: Если это необходимо по расчету, подколонники армируют продольной и поперечной арматурой по принципу армирования колонн.
   • Продольная арматура: Диаметр продольных стержней вертикальной арматуры железобетонного подколонника принимается не менее 12 мм. Количество стержней определяется расчетом, но не менее четырех в углах сечения.
   • Поперечная арматура (хомуты): Предназначена для предотвращения выпучивания продольных стержней и восприятия поперечных сил. Шаг хомутов регламентируется нормами и зависит от размеров сечения и диаметра продольной арматуры.
   • Форма армирования: Армирование подколонника может выполняться пространственным каркасом (когда продольные стержни объединены хомутами) или плоскими сетками, которые затем собираются в пространственный каркас на месте.

Выпуски арматуры для монолитных стоек

При устройстве монолитных стоек (колонн) в фундаменты из последних должны быть предусмотрены выпуски арматуры. Сечение этих выпусков должно быть не менее расчетного сечения арматуры стоек на уровне обреза фундамента. Длина выпусков должна обеспечивать надежное анкерование в теле фундамента и создание необходимого нахлеста для сварки или вязки с арматурой колонны. Это гарантирует монолитность соединения и эффективную передачу усилий от колонны к фундаменту.

Разработка арматурных чертежей и спецификация арматуры

Разработка арматурных чертежей — это заключительный, но не менее важный этап проектирования. Эти чертежи являются рабочей документацией для изготовления и монтажа арматурных изделий на строительной площадке.

Этапы разработки:

1. Опалубочные чертежи: Сначала разрабатываются опалубочные чертежи, которые определяют геометрические размеры и форму конструктивных элементов.
2. Схема армирования: На основе опалубочных чертежей и результатов расчетов разрабатывается схема армирования, которая показывает расположение всех арматурных стержней, сеток и каркасов в элементе.
3. Определение габаритов арматурных изделий: Для каждого арматурного изделия (сетки, каркаса) и отдельного стержня определяются их габариты, длины, диаметры и классы арматуры.
4. Деталировочные чертежи: Для сложных узлов или нестандартных арматурных изделий могут потребоваться деталировочные чертежи с указанием всех размеров, радиусов изгиба и типов сварных соединений.
5. Спецификация арматуры: На основе арматурных чертежей составляется спецификация арматуры. Этот документ содержит полную информацию о количестве, диаметре, длине, классе и массе каждого вида арматуры, необходимой для изготовления и монтажа конструкции. Спецификация является основным документом для заказа арматуры и контроля ее расхода.

Тщательная проработка арматурных чертежей и спецификаций позволяет избежать ошибок на строительной площадке, оптимизировать расход материалов и обеспечить высокое качество выполнения работ.

Заключение

Представленная методология проектирования и расчета железобетонных фундаментов многоэтажных зданий, разработанная в рамках данной курсовой работы, обеспечивает комплексный и системный подход к решению этой сложной инженерной задачи. Мы последовательно рассмотрели все ключевые аспекты, начиная от выбора конструктивной схемы здания и детального сбора нагрузок, и заканчивая тщательным анализом инженерно-геологических условий, алгоритмами расчета по предельным состояниям и современными требованиями к армированию.

Цели курсовой работы — обоснование актуальности темы, формулирование задач и представление структурированной методологии — были полностью достигнуты. Предложенный подход, акцентирующий внимание на актуальности нормативной базы (СП 20.13330.2016, СП 63.13330.2018 и др.) и глубине детализации каждого этапа, выгодно отличает данное пособие от существующих аналогов. Особое внимание было уделено таким критически важным аспектам, как расчетная глубина промерзания грунта с использованием конкретных формул, комплексный анализ пучинистости грунтов, а также исчерпывающие алгоритмы расчета фундаментов на продавливание, прочность по нормальным и наклонным сечениям и трещиностойкость. Детально проработаны вопросы выбора классов бетона и арматуры с указанием их характеристик и областей применения.

Практическая значимость данной методологии трудно переоценить. Она послужит надежным руководством для студентов инженерно-строительных специальностей, аспирантов и молодых специалистов, обеспечивая им четкий алгоритм действий при выполнении проектных работ. Применение изложенных принципов позволит не только успешно справиться с курсовым проектом, но и заложить прочный фундамент (в прямом и переносном смысле) для их будущей профессиональной деятельности, гарантируя создание надежных, безопасных и экономически обоснованных строительных решений.

Список использованной литературы

1. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. М.: Минрегион России, 2016.
2. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений (Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*). М.: Минрегион России, 2011.
3. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Общие положения (Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003). М.: Минрегион России, 2012.
4. СП 131.13330.2012. Строительная климатология (Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*). М.: Минрегион России, 2012.
5. СП 446.1325800.2019. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Общие правила производства работ (с Изменением N 1).
6. Красовицкий М.Ю. Проектирование фундаментов промышленных и гражданских зданий. Курс лекций. М.: МИИТ, 2011.
7. Малахова А.Н. Армирование железобетонных конструкций: учебное пособие.