Столбчатые фундаменты

Столбчатые (отдельные) фундаменты применяют для опирания колонн каркасных зданий с целью передачи всех сосредоточенных нагрузок от них (нормальных и поперечных сил, изгибающих моментов) на грунт; при соответствующем обосновании их используют в сочетании с фундаментными балками как фундаменты под стены при глубоком заложении несущего слоя грунта. По конструкции фундаменты разделяются на ступенчатые одноблочные (цельные) фундаменты; ступенчатые фундаменты из нескольких блоков; сборные фундаменты с траверсами; ребристые фундаменты; пустотелые фундаменты; фундаменты-оболочки; пирамидальные фундаменты (в вытрамбованном ложе; забивные блоки); заанкеренные фундаменты (рис. 7.12).

Столбчатые фундаменты могут быть центрально или внецентренно загруженными с эксцентриситетом в одном или двух направлениях. У центрально-нагруженных фундаментов сила N действует по отношению к их центральной оси с эксцентриситетом е0 < еa (менее случайного эксцентриситета). Эти фундаменты выполняют с квадратной формой подошвы в плане шириной b = а (если на ее форму не влияют другие расположенные рядом конструкции). Остальные фундаменты относят к внецентренно нагруженным. При действии значительных моментов и поперечных сил у внецентренно нагруженных фундаментов увеличивают длину подошвы в плоскости действия момента, повышая ее момент сопротивления W (b/а > 0,6). Для перехода от небольшой площади сечения колонны к большой площади подошвы устраивают ступени или делают уклон верха подошвы. Число ступеней назначают минимальным, оно зависит от высоты фундамента: при H < 45 см — одна ступень; при 45 < H < 90 см — две ступени; при H > 90 см — три ступени; высоту ступени обычно принимают h > 300 мм, она обосновывается расчетом, чтобы не ставить поперечную арматуру. Если у фундамента несколько ступеней, то только нижнюю ступень делают гибкой. Соотношение ее вылета к высоте см. ниже. Фундаментная плита работает на изгиб под действием отпора грунта, принимаемого за внешнюю нагрузку, и армируется одинарной нижней сеткой (рис. 7.13). Все верхние ступени выполняют обычно жесткими, при соотношении вылета к высоте 1:1. Для удобства бетонирования ступени чаще всего проектируют постоянной высоты. Для сокращения расхода бетона выполняют наклонные верхние поверхности без ступеней, особенно в сборных фундаментах. Фундаменты под сборные колонны проектируют со стыком стаканного типа с колонной; этот стык более материалоемкий, чем стыки без стакана (например, стык на сварке выпусков арматуры из фундамента с арматурой колонн, подобный стыку сборных колонн межу собой; для такого стыка устраивают короткую колонну, соединенную с монолитным фундаментом), но требует менее сложной технологии выполнения.

Толщину дна стакана принимают не менее 200 мм из условия предотвращения продавливания его колонной. Зазор между стенками стакана и колонной 75 мм поверху и 50 мм понизу служит для замоноличивания колонны. Глубину заделки колонны в стакан (hgl — 50 мм) принимают не менее наибольшего размера поперечного сечения колонны hc и не менее lan + 1 см, где длину анкеровки арматуры lan вычисляют для рабочей арматуры колонны. Глубину стакана hgl принимают больше на 5 см, чтобы выравнивать колонну с помощью подливки при неточности в отметке дна стакана.

Поэтому минимальная высота фундамента, обеспечивающая жесткую заделку колонны в него

Глубина заложения подошвы принимается не менее 0,5 м от поверхности планировки и больше толщины почвенного слоя; с учетом глубины промерзания и типов грунта; с учетом рядом стоящих фундаментов; из условия заделки колонны. Размеры в плане плитной части фундамента а, b принимают кратными 300 мм, по высоте — кратными 150 мм. С учетом выполнения нулевого цикла верх фундамента сборных колонн устраивают ниже уровня чистого пола на 150 мм, а монолитных колонн — на 50 мм. Толщину стенок стакана dg принимают не менее 0,3hc и не менее 150 мм. Стенки стакана армируют продольной и поперечной арматурой в соответствии с расчетом, диаметр поперечных стержней — не менее 8 мм и не менее 0,25 диаметра продольных стержней. В фундаментах мелкого заложения, когда стакан невысокий, если толщина стенок более 200 мм и более 0,75 глубины стакана, стенки можно армировать конструктивно (см. рис. 7.13). Подколонник ниже дна стакана рассчитывают и армируют как продолжение колонны.

В настоящее время наиболее широко применяют ступенчатые монолитные железобетонные фундаменты. В связи с ростом грузоподъемности механизмов возможно использование сборных одноблочных фундаментов большой площади в плане. Фундаменты можно устраивать на бетонной подготовке или непосредственно на грунте без подготовки. Толщину защитного слоя бетона в первом случае принимают 40 мм, во втором — 70 мм. Фундаменты армируют сварными сетками из стержней периодического профиля класса А400 диаметром не менее 12 мм. Размеры ячеек сетки принимают не менее 100 мм и не более 200 мм. С целью экономии арматуры в фундаментах со сторонами > 3 м половину стержней через один обрывают и принимают длиной 0,8 размера длинных стержней. Для упрощения армирования сварные сетки укладывают в два слоя. Стыкование колонны с фундаментами в монолитном железобетоне осуществляют посредством соединения внахлестку выпусков арматуры из фундаментов с арматурой колонн. Фундаментные балки под стены опирают на столбчатые фундаменты через сборные или монолитные столбики, бетонируемые на обрезах фундаментов. Эти столбики для фундаментных балок бетонируют одновременно с фундаментом.

Экспериментальные исследования. При изучении действительной работы столбчатых фундаментов при действии внешней нагрузки без эксцентриситета и с эксцентриситетом автором было обращено внимание на недостаточно изученные вопросы, в том числе на распределение усилий на контактной поверхности и напряжений в бетоне и арматуре, на продавливание и раскалывание фундаментов. Наиболее существенные особенности работы фундаментов таковы. В процессе увеличения нагрузки вследствие упругих прогибов, раскрытия трещин, а также деформаций грунта контактные давления перераспределяются, концентрируясь на более жестких участках фундаментов. По мере раскрытия трещин реализуются контактные силы трения, причем наблюдается взаимосвязь между контактными давлениями и силами трения в пределах консольных участков. Разрушение фундамента по наклонным сечениям начинается по коротким сторонам колонны или подколонника. Поперечную силу воспринимают участки сжатой зоны бетона над нормальной трещиной в сечениях по граням колонны или подколонника. Напряжения в бетоне сжатой зоны и в арматуре растянутой зоны в плане распределены неравномерно, концентрируясь у колонны. Тело продавливания, выделяющееся после действительного разрушения бетона сжатой зоны в наклонном сечении, может иметь криволинейную форму с углом наклона магистральной трещины, колеблющимся в широких пределах. Работа участка бетона над нормальной трещиной по наклонному направлению аналогична работе бетона на смятие: сжимающие напряжения действуют на части сечения бетона, ограниченного с трех сторон, при этом его прочность Rb близка к Rb,loc. Экспериментально выявленная последовательность хрупкого разрушения по наклонной поверхности такова:

1. Образование и раскрытие нормальных и наклонных трещин в растянутой зоне.

2. Образование наклонных трещин в угловых участках сжатой зоны.

3. Дробление бетона в углах стыка колонны (подколонника) и плиты, потрескивание и откол плоских пластинок.

4. Перетекание этого процесса на стороны квадратного в плане стыка или на короткие стороны прямоугольного стыка, дробление сжатой зоны в этих участках в направлении главных сжимающих напряжений.

5. Перетекание процесса разрушения на длинные стороны прямоугольного стыка.

6. Отделение тела «продавливания» с изгибом рабочей арматуры (при небольших процентах армирования) или отрыв сетки рабочей арматуры вместе с защитным слоем бетона (при больших процентах армирования).

7. Завершение процесса хрупкого разрушения с выделением тела «продавливания» носит мгновенный характер (типа удара), и зачастую протекает несимметрично, односторонне. Наблюдается концентрация напряжений в месте стыка колонны и плиты и в угловых зонах этого стыка.

Изучение работы фундаментов стаканного типа на раскалывание показало, что раскалывание по всей площади вертикальных сечений не наблюдается. Оно возможно только для невысоких фундаментов с относительно тонким дном стакана (200—250 мм) как следствие изгибно-го разрушения дна стакана с возникновением сил распора. Если же дно стакана рассчитано на восприятие усилий от колонны без разрушения, в том числе и вследствие изгиба (что и наблюдается чаще всего в обычных фундаментах), раскалывание невозможно и его расчет не нужен.

Проектирование фундаментов. Порядок проектирования:

а) определение усилий N, М, Q, действующих на верхнем обрезе фундамента;

б) определение минимальной высоты фундаментов и глубины заложения подошвы;

в) определение размеров подошвы, в том числе с учетом осадок и кренов. Определение высоты сечения ступеней. Назначение размеров стакана;

г) расчет сечений бетона и арматуры;

д) рассмотрение мер по возможному снижению расхода бетона и стали.

Высота фундамента, размеры его ступеней и сечение арматуры подошвы определяются от расчетных нагрузок. Назначают такие размеры фундамента, чтобы напряжения от поперечных сил воспринимались бетоном, избегая поперечной и сжатой арматуры в изгибаемых сечениях подошвы. Форма фундаментов должна быть наиболее проста для облегчения устройства опалубки и бетонирования. Рекомендуется квадратная форма ступенчатых и пирамидальных фундаментов в плане, за исключением случаев, когда фундамент не может быть развит во все стороны из-за стесненных габаритов, и в случаях, когда на фундамент действуют большие изгибающие моменты. Высота фундаментов Hf определяется необходимой глубиной заложения подошвы и расчетом на продавливание.

Определение размеров подошвы фундаментов. При расчете прочности основания давление от внешних нагрузок на подошву фундамента не должно превышать нормируемого расчетного сопротивления грунта R. Давление на грунт р при центральной нагрузке определяется по формуле.

При внецентренной нагрузке давление на грунт

где Nn — нормальная сила от нормативных нагрузок без учета веса фундамента и грунта на его уступах; Mn — изгибающий момент от нормативных нагрузок на уровне подошвы фундамента; Nf — вес фундамента и грунта на его уступах; Af — площадь подошвы фундамента, W — момент сопротивления подошвы фундамента; 1,2 R — наибольшее допустимое краевое давление для внецентренно нагруженного фундамента (при центральной нагрузке = R). При определении давления на грунт под подошвой фундамента учитывают вес грунта, находящегося на обрезах фундамента.

Размеры подошвы центрально нагруженных фундаментов при b2 = Af

В расчет фундаментов входят расчеты основания и фундамента. Из расчета основания находят размеры подошвы фундамента, а из расчета фундамента — размеры сечений и армирование. При расчете основания можно, используя модель Винклера, с некоторым приближением принять давление на грунт под подошвой фундамента равномерно распределенным. При этом эпюры контактного давления грунта могут быть прямоугольными, трапецеидальными и треугольными. Для фундаментов зданий с мостовыми кранами грузоподъемностью 750 кН и выше, а также для фундаментов открытых крановых эстакад при кранах грузоподъемностью свыше 150 кН при расчетном давлении на основание R < 0,15 МПа рекомендуется принимать трапециевидную эпюру давлений на грунт с отношением Pmax/pmin + 0,27. В остальных случаях для фундаментов зданий с мостовыми кранами допускается треугольная эпюра давления на грунт с pmin = 0. Для фундаментов бескрановых зданий и зданий с подвесным транспортным оборудованием допускается треугольная эпюра давлений с нулевой ординатой на расстоянии 1/4 размера подошвы от наименее нагруженного края подошвы (рис. 7.14).

При этом

При действии моментов в двух направлениях (см. рис. 7.14)

Ограничения значения рmin см. выше.

Разбивка ступеней в плане и по высоте. Высоты ступеней принимают в пределах 300...600 мм, хотя при технико-экономическом обосновании возможно применение и других высот (например, 200, 250 мм). Можно выполнять фундамент без ступеней, с наклонными боковыми поверхностями (хотя это более трудоемко). Обычно вылет и высоту ступеней, расположенных выше нижней ступени, принимают равными, хотя возможны и отступления от этого правила при соответствующем расчете. Размер консольного выноса гибкой нижней ступени lcn (рис. 7.15) определяется из условия продавливания и не должен превышать величины, приведенной в табл. 7.2.

После определения размеров подошвы фундамента, высот ступеней и размера консольного выноса нижней ступени lcn, границы остальных ступеней определяются пересечениями линии, соединяющей конец выноса консоли нижней ступени с наружной гранью колонны, с горизонтальными линиями, определяющими высоту ступеней. Значения h1 и h2 могут быть вычислены по табл. 7.3.

В фундаментах стаканного типа размеры в плане вышележащих ступеней должны быть не менее, см.: для двухступенчатых фундаментов

для трехступенчатых фундаментов

Минимальную высоту фундамента определяют из расчета на поперечную силу, чтобы не требовалась постановка поперечной арматуры. Высоту фундаментов стаканного типа уточняют с учетом конструктивных требований к размерам стакана. За оптимальную высоту H монолитного фундамента принимают большую из двух величин

где а, b — стороны подошвы фундамента, см; hc, bc — стороны сечения колонны (подколонника) у верхнего обреза фундамента, см; x — коэффициент, зависящий от расчетного давления на грунт р (табл. 7.4).

Расчет на продавливание. Рабочую высоту сечения h01 нижней ступени определяют из условия прочности на продавливание без поперечного армирования. При расчете на продавливание рассматривают расчетное поперечное сечение, расположенное вокруг зоны передачи усилий (то есть от вышележащей ступени размерами в плане a1xb1) на фундамент на расстоянии h0/2 нормально к его продольной оси (см. рис. 7.15). Касательные усилия по площади расчетного поперечного сечения должны быть восприняты бетоном с сопротивлением бетона растяжению Rbt. Расчет на продавливание элементов без поперечной арматуры производят из условия

где N1 — вертикальное усилие от внешней нагрузки; u — периметр контура расчетного поперечного сечения, расположенного на расстоянии 0,5ho от границы площадки опирания внешней нагрузки; h0 — рабочая высота элемента, равная среднеарифметическому значению рабочих высот для продольной арматуры в направлениях осей х и у. При размерах прямоугольной площадки опирания a1*b1 u = 2 (а1 + b1 + 2h0). Усилие N1 — это суммарный реактивный отпор грунта р. Он принимается за вычетом из силы N нагрузок, приложенных к нижней грани фундаментной плиты в пределах площади с размерами, превышающими размеры площадки опирания на h0 во всех направлениях (см. рис. 7.15).

Расчет на продавливание при совместном действии сосредоточенной силы N и изгибающего момента M производят из условия

где отношение M/Wb, принимается не более N1/u, Wb — момент сопротивления контура расчетного поперечного сечения.

При расчете на продавливание всего фундамента высотой H продавливающее усилие также определяется как суммарный реактивный отпор грунта р, принимаемый за вычетом нагрузок, приложенных к противоположной грани плиты в пределах площади с размерами, превышающими размеры площадки опирания на H0 во всех направлениях (см. рис. 7.15). При действии нормальной силы и момента прочность на продавливание можно определить (с небольшим приближением) только для наиболее нагруженной отпором грунта рmax части фундаментной плиты (см. рис. 7.15).

где А — ширина (меньший размер в плане) подошвы; lcn,max — длина участка наиболее нагруженной консоли высотой h0 за пределами площади с размерами, превышающими размеры площадки опирания (колонны) на h0, на которой действует максимальное давление грунта рmax.

Расчет на продавливание с учетом описанных выше новых экспериментальных данных производится так: принимаются два условия для определения прочности по наклонным сечениям: уравнение равновесия проекций всех сил на расчетное наклонное сечение и уравнение равновесия моментов относительно центра тяжести растянутой арматуры в нормальном сечении:

где р — контактные давления; а — угол наклона сечения к горизонтали; А — ширина сечения; х — высота сжатой зоны бетона по грани колонны.

Обоснованность введения сопротивления Rb,loc в расчетные формулы подтверждена сопоставлением результатов испытаний (в том числе выполненных различными авторами) с данными расчетов, а также расчетом величины а для опытных фундаментов, принимая распределение нормальных и касательных напряжении в сжатой зоне равномерным. Принимая во внимание предлагаемую расчетную схему разрушения сжатой зоны в направлении главных сжимающих напряжений, получим для столбчатых фундаментов

где b и bc — стороны фундамента и колонны; a — угол наклона расчетного сечения, принимаемый из выражения tg a = (h0—х/2)/0,5(a—h ).

Расчет арматуры подошвы. Площадь арматуры подошвы фундамента вычисляют путем расчета прочности на изгиб по нормальным сечениям 1—1, 2—2, и т.д. консолей, заделанных в этих сечениях, под действием реактивного отпора грунта р (рис. 7.16). Величины расчетных изгибающих моментов для центрально нагруженного фундамента в направлении большей стороны подошвы а (см. рис. 7.16)

то же, в направлении меньшей стороны b

Процент армирования рабочей арматурой в расчетном сечении в каждом направлении должен быть не менее минимально допустимого процента армирования в изгибаемых элементах. При квадратной подошве площадь арматуры в обоих направлениях будет одинакова. Площадь сечения рабочей арматуры на ширину фундамента можно найти по приближенной формуле

Расчет арматуры подколонника и стакана. В фундаментах с подколонником и стаканом рассчитывают продольную и поперечную арматуру подколонника и стакана (см. рис. 7.16). Площадь сечения вертикальной арматуры определяют на уровне дна стакана (сечение 3—3). Нормальные силы и изгибающие моменты определяют от комбинации усилий, действующих в колонне на уровне верха стакана (Мc, Nc, Qc) и веса стакана, а также части колонны в нем:

где Gw — вес части стены, передающейся на фундамент; еw — эксцентриситет нагрузки от стены до оси фундамента; hgl — глубина стакана. Коробчатое поперечное сечение стакана приводится к тавровому. Поперечную арматуру при е0 = M/N < hc/6 ставят конструктивно, а при е0 > hc/6 — определяют расчетом на момент в расчетных сечениях II-II и III-III относительно оси, проходящей через точки А или В поворота колонны (см. рис. 7.16).

Стаканная часть в сечении 3—3 рассчитывается как коробчатое внецентренно сжатое сечение. В сечении 2—2 рассчитывается внецентренное сжатие прямоугольного сечения подколонника. Минимальный процент армирования А и А' во внецентренно сжатых подколонниках, несущая способность которых при расчетном эксцентриситете используется менее, чем на 50 %, независимо от гибкости равен 0,05 %. Если сжатая арматура не требуется по расчету, а количество растянутой арматуры не более 0,3 %, допускается не устанавливать арматуру по граням, параллельным плоскостям изгиба. Глубину заделки колонны в стакан и толщину стенок стакана назначают в зависимости от величины эксцентриситетанормальной силы:

а) при е0 < 2hс для одиночной колонны, или е0 < 2Hн для двухветвевой колонны, где hс — больший размер поперечного сечения одиночной колонны, a Hн — расстояние между наружными гранями двухветвевой колонны, минимальная глубина заделки колонны в стакан принимается в соответствии с указаниями, изложенными выше; толщина стенок стакана принимается для одиночной колонны не менее 0,2hс; для двухветвевой не менее 0,2Hн, но не менее 20 см;

б) при е0 > 2hc или е0 > 2Hн глубина заделки колонны принимается для одиночной колонны не менее 1,4hс, а для двухветвевой — не менее (0,7— 0,45) Нн; толщина стенок стакана должна быть не менее 1/3hс для одиночной колонны и не менее 1/3Hн для двухветвевой, но не менее 20 см.

Глубина стакана должна назначаться также с таким расчетом, чтобы была обеспечена анкеровка стержней рабочей арматуры колонны. Стаканы с повышенным подколонником армируют поперечной и продольной арматурой. Продольная рабочая арматура определяется по расчету в сечениях 1—1 и 2—2 на изгиб или внецентренное сжатие и принимается не менее 0,05 % от всего сечения бетона. Продольная рабочая арматура стакана располагается равномерно по периметру стакана и должна проходить внутри ячеек сеток. Поперечная арматура определяется по расчету на момент при е0 > hс/2 по косому сечению II—II, проходящему через точку А поворота колонны, без учёта продольной арматуры; при hc/2 > е0 > hс/6 по косому сечению III—III, проходящему через точку В без учёта продольной арматуры (см. рис. 7.16). Сечение поперечной рабочей арматуры каждой сварной сетки определяется по формулам

где Ezsw — сумма расстояний от каждого ряда поперечной арматуры до нижней грани колонны.

При этом бетон поперечного сечения стенок стакана должен обеспечивать передачу всей нормальной силы в стыке, исходя из предположения, что бетон работает равномерно по площади, в центре тяжести которой эта сила приложена. Поперечное армирование стенок стакана назначают в виде сварных сеток, образующих сетчатый замкнутый контур с расположением стержней у наружной и внутренней поверхности стенок. Диаметр арматуры сеток принимают по расчету, но не менее 8 мм и не менее 0,25 диаметра продольной арматуры стакана. Расстояние между сетками в верхней трети стенок стакана следует принимать равным 10 см, в нижней части это расстояние принимают равным 20 см, но не более 0,25 глубины заделки колонны. Сетки поперечного армирования рекомендуется ставить ниже дна стакана на глубину, равную hc/7. При проектировании стаканного сопряжения, в чертежах надо давать указания о необходимости повышенного контроля качества заливки стакана при монтаже. Если класс бетона колонны намного выше класса бетона фундамента, нужна проверка на смятие под торцом колонны.

Конструирование фундаментов под железобетонные колонны. Бетон для монолитных столбчатых фундаментов принимается класса не ниже В15, для сборных фундаментов — В20, В30. Для рабочей арматуры рекомендуется класс А400. Отметка верха фундамента составляет — 0,15 м для фундаментов сборных колонн и —0,05 м в уровне верха фундаментной балки — для фундаментов монолитных колонн. Для стальных колонн отметка верха принимается на 100 мм ниже опорной плиты башмака колонны. При армировании плиты диаметр рабочей арматуры при укладке ее вдоль стороны длиной до 3 м составляет не менее 10 мм; при укладке вдоль стороны длиной более 3 м — не менее 12 мм. Для армирования рекомендуются типовые унифицированные сетки, укладываемые в 2 слоя с рабочей арматурой во взаимно перпендикулярных направлениях. Допускается (при обосновании) армирование подошвы отдельными стержнями, параллельными сторонам подошвы, с шагом 200 мм. Для арматуры периодического профиля необходима сварка двух крайних рядов пересечений по периметру. Внутренние пересечения должны быть перевязаны через узел в шахматном порядке. Минимальный процент армирования не регламентируется. Форму поперечного сечения подколонника принимают квадратную или прямоугольную; для сокращения расхода бетона в высоких подколонниках используют двутавровое поперечное сечение или установку вертикальных (например, картонных) пустотообразователей; для стальных двухветвевых колонн при обосновании можно принять х-образные или двухветвевые подколонники. Армируют подколонники по расчету аналогично армированию колонн продольной и поперечной арматурой. Минимальный процент армирования — 0,1% (площадь сечения продольной арматуры с каждой стороны подколонника — не менее 0,05% площади сечения бетона). Диаметр продольных стержней в подколоннике составляет не менее 12 мм для монолитных конструкций; для сборных — не нормируется.

Если сжатая арматура по расчету не требуется, а сечение расчетной растянутой арматуры составляет не более 0,3 % площади поперечного сечения бетона, то допустимо не устанавливать продольную и поперечную арматуру по длинным сторонам сечения подколонника. В этом случае подколонник армируется сварными унифицированными сетками (см. рис. 7.16, а). Допустимо армирование сварными сетками с их расположением по четырем сторонам поперечного сечения подколонника (по расчету). Так же армируют конструктивной арматурой подколонники, в которых рабочая арматура не требуется по расчету. Для фиксации сеток подколонника можно крепить их к опалубке. Если такое крепление невозможно, то при Hf < 7,2 м можно выполнять самонесущие каркасы, собираемые из сеток с помощью развязывающих шпилек (при Hf < 4,5 м) и горизонтальных диафрагм жесткости (при 4,5 < Hf < 7,2 м), выполненных из стержней 012—16 мм через 1800 мм по высоте. При Hf > 7,2 м допустимо при технико-экономическом обосновании для навески сеток применять сварной каркас из уголков, площадь которых должна быть учтена как рабочая арматура подколонника. Стыкование сеток внахлестку при обрыве всех стержней в одном сечении следует выполнять на величину lan. Длину нахлестки определяют по формуле (7.48) и принимают не менее 250 мм для растянутой и 200 мм для сжатой арматуры.

При обрыве в одном сечении 50 % всех стержней стык сеток можно осуществлять вразбежку путем выпуска из плитной части двух сеток — одной на длину 2lan, второй — на lan. Суммарная площадь сечения арматуры этих сеток равна площади сечения рабочей арматуры подколонника. Продольные стержни рабочей арматуры подколонника рекомендуется устанавливать непосредственно на бетонную подготовку при отсутствии грунтовых вод (без крюков и отгибов).

Глубина заделки типовых колонн hc,en принимается по типовым сериям. Глубина заделки нетиповых колонн зависит от типа колонны и должна удовлетворять условиям анкеровки арматуры. Глубина заделки также должна удовлетворять требованиям анкеровки растянутой ветви двухветвевой колонны в стакане (проверяется расчетом на сцепление бетона по плоскостям контакта бетона замоноличивания с бетоном стакана и с бетоном ветви колонны). Заделка колонн должна удовлетворять данным табл. 7.5.

Глубину заделки стержней согласно табл. 7.5. можно несколько сократить, если стержни поставлены с запасом по сравнению с расчетом по прочности. В этом случае значения табл. 7.5 умножают на коэффициент Ns/RssAs, но принимают не меньшим значения заделки для сжатой арматуры (здесь Ns — усилие, которое должно быть воспринято анкеру-емыми растянутыми стержнями по расчету; As — площадь сечения фактически установленных растянутых стержней). Можно также устроить на концах анкеруемых стержней усиления; при этом длина заделки растянутых стержней должна быть не менее 15d. Анкеровка выполняется в виде приваренных к концам стержней пластин, высаженных головок, а также не менее двух поперечных анкерующих стержней диаметром не менее 0,5d; в этом случае длина анкеровки lan может быть уменьшена на 5d. Толщина дна стакана принимается по расчету, но не менее 200 мм. Толщина стенок стакана, расположенных перпендикулярно плоскости действия изгибающего момента, должна быть не менее величин, указанных в табл. 7.6, но не менее 150 мм. Класс бетона для замоноличивания колонны в стакане принимают не ниже В20 и не ниже класса бетона фундамента, уменьшенного на одну ступень (5 МПа). Стенки стакана армируют (см. рис. 7.16) поперечной и продольной арматурой в соответствии с расчетом. Стержни продольной арматуры подколонника проходят внутри ячеек сварных сеток. Для двухветвевых колонн, где нижняя распорка расположена выше стакана, возможно устройство в одном фундаменте двух отдельных стаканов. В этом случае растянутая ветвь должна быть прикреплена к фундаменту анкерами, или в растянутой ветви на участках, входящих в стакан, устраивают шпонки.

При заделке таких колонн внутренняя поверхность стакана должна быть насечена или на внутренней поверхности стакана должны быть предусмотрены шпонки. Размеры бетонных шпонок определяют по формуле:

где Qсд — сдвигающая сила, передающаяся через шпонки; bш — глубина шпонки; hш — высота шпонки; lш — длина шпонки; n — количество шпонок, вводимое в расчет; при расчете на перерезывающее усилие nш > 7. Рекомендуется принимать bш = 20—25 мм (не более толщины защитного слоя бетона); Rb и Rbt принимают по наиболее низкому классу бетона в соединении.

Размеры подошвы фундамента принимают кратными нечетному числу стержней арматуры. В этом случае (при назначении расстояния от грани фундамента до оси крайнего стержня равным 50 мм) шаг стержней сеток может быть принят одинаковым — 200 мм. Минимальную толщину стенок стакана принимают 200—250 мм, но не менее 0,25 высоты верхней ступени фундамента. Глубину стакана принимают:

а) для фундаментов одиночных колонн не менее большего размера поперечного сечения колонны;

б) для двухветвевых колонн глубину заделки колонны hs назначают так, чтобы удовлетворялись условия:

где Hc — расстояние между наружными гранями двухветвевой колонны, м; bc — больший размер поперечного сечения ветви колонны.

Для заделки монолитных железобетонных колонн в фундаменты устраивают выпуски арматуры из фундаментов, сечением, равным расчетному сечению арматуры в колонне у обреза фундамента. Выпуски арматуры должны быть соединены хомутами (привязанными или приваренными). Первый хомут ставится у нижних концов арматуры, второй — на расстояния 100 мм от верхней грани фундамента. При армировании колонн стержнями периодического профиля в нижней части стержни при наличии бетонной подготовки ставят на подготовку, а при отсутствии подготовки — на бетонные подкладки. Рекомендуется выпуски арматуры из фундаментов объединять в пространственный каркас. Выпуски арматуры должны быть заделаны в фундамент не менее чем на величину 30d, где d — наибольший диаметр продольной рабочей арматуры колонны. Стыки арматуры монолитных колонн с выпусками из фундаментов рекомендуется устраивать выше верха фундаментных балок, а при их отсутствии — выше уровня пола. По верху монолитного фундамента устраивают короткий выпуск колонны. Стыки арматуры монолитных колонн с выпусками из фундаментов при армировании колонн вязаными каркасами рекомендуется выполнять внахлестку без сварки. Расстояние между осями стыков по длине стыкуемых стержней должно быть не менее длины стыка. При расположении стыков в сжатой зоне длина нахлестки уменьшается на 10d по сравнению с величинами, указанными в табл. 7.7. Стыки арматуры колонн с выпусками из фундаментов должны располагаться вразбежку. Площадь сечения стержней, стыкуемых в одном месте, должна составлять при стержнях периодического профиля не более 50 % от общей площади растянутой арматуры в сечении элемента. При стыковании с выпусками из фундаментов арматуры монолитных колонн, имеющих у растянутой грани всего три продольных стержня, допускается, как исключение, стыковать в одном сечении два стержня из трех, располагая при этом стык одного (среднего) стержня ближе к фундаменту. Сечение подколонника монолитных колонн принимается увеличенным на 50 мм в каждую сторону по сравнению с размерами колонны. Подколенник соединяется с колонной при помощи стыкования продольной арматуры. Количество, диаметр и расположение в плане арматурных выпусков из колонны должны быть такими же, как и в колонне в месте ее заделки. Заделка выпусков в фундаменте должна быть на величину не менее lan и в соответствии с данными табл. 7.7. Как правило, выпуски доводят до подошвы фундамента, и они служат продольной арматурой подколонника, объединенной хомутами. При большой высоте подколонника может быть выполнен дополнительный стык продольной арматуры путем устройства выпусков из верхней ступени плитной части фундамента.

Располагают выпуски стержней таким образом, чтобы стержни большего диаметра и длины находились по углам сечения. В пределах стыка устанавливают хомуты с шагом не более 10 меньших диаметров стержней продольной арматуры. При устройстве стыков с помощью ванной сварки все стыки выполняют в одном уровне, длина выпуска > Ad стыкуемого стержня и >160 мм, расстояние в свету между стержнями > 50 мм.

Пути снижения расхода материалов. Возможны следующие направления сокращения расхода бетона и стали на фундаменты:

1. Учет благоприятного перераспределения давлений на контакте с грунтом и реализации сил трения при нормируемом раскрытии трещин 0,3 мм. Это позволяет несколько сократить расход арматуры на подошву (см. выше).

2. Обрыв части рабочей арматуры в подошве в соответствии с эпюрой материалов.

3. «Управление» эпюрой реактивного отпора грунта (рис. 7.17).

4. Создание на подошве со стороны грунта «безопорных» участков с помощью легко деформируемых пенопластовых вкладышей, или устройство не равнопрочной подготовки под подошвой (в середине подошвы — более жесткая бетонная подготовка, по краям — более деформируемая песчаная подготовка). Эти мероприятия позволяют повысить контактные давления в центральной части и снизить их ближе к краям консолей, что снижает изгибающий момент.

5. Выполнение фундамента из бетона различных классов, с повышенным классом в пределах высоты сжатой зоны (см. рис. 7.17). Это позволяет существенно сократить расход цемента.

6. Устройство вутов, подрезок, снижающих концентрацию напряжений, введение пустотообразователей в плиты, в том числе для снижения площади контакта фундаментной плиты с грунтом (см. рис. 7.17).

7. Благоприятное изменение формы фундамента: использование пустотелых подколонников, вместо обычных подколонников, что ведет к сокращению размера вылета плиты, уменьшению числа ступеней, снижению расхода бетона и стали; использование переменной высоты ступеней.

8. Применение оболочек (конических, пирамидальных). Фундаменты с применением оболочек позволяют сократить затраты бетона и стали, но они имеют повышенную трудоемкость, требуют более тщательного изготовления.

Проектирование с учетом нулевого цикла работ. Соединение железобетонных фундаментов со стойками, осуществляемое ниже уровня пола здания на полтора и более метра, обладает рядом существенных недостатков:

а) невозможностью обратной засыпки фундаментов до установки стоек, окончательной их выверки и заливки стыков;

б) не засыпанные котлованы, достигая иногда больших размеров, затрудняют монтаж тяжелых стоек с бровки котлована;

в) разрытая площадь на участке застройки цеха затрудняет подачу конструкций под монтаж.

Для устранения вышеуказанных недостатков при выборе типов сборных фундаментов и их сопряжений с колоннами и фундаментными балками, а также при назначении типов монолитных фундаментов, рабочих швов бетонирования в колоннах и мест арматурных выпусков, нужно исходить из условия применения нулевого цикла работ.

Фундаменты для сборных железобетонных колонн с учетом выполнения нулевого цикла работ проектируется с отметкой верха фундамента — 0,15 м. Это дает возможность после возведения всех подземных конструкций произвести обратную засылку, устроить основание под полы, после чего монтаж колонн производить с нулевой отметки. В случаях, когда верх фундамента при заданной отметке его подошвы и его расчетной высоте оказывается ниже отметки — 0,15 м, необходимую отметку верха фундамента для соблюдения нулевого цикла работ можно достичь увеличением высоты стаканной части или устройством стыка колонны выше уровня пола. В случаях, когда высота фундамента должна быть принята больше расчетной, и увеличение высоты производят за счет верхней ступени, верхнюю степень рассматривают как уширенную часть колонны (подколонник). Общую высоту H нижних ступеней определяют по формулам, при этом значения hc или bc принимают равными размерам подколонника.

Сборные железобетонные фундаменты (рис. 7.18). Расход железобетона на фундаменты производственных зданий достигает до 1/3 расхода бетона на здание. Поэтому для ускорения строительства рекомендуется выполнять сборные железобетонные фундаменты из одного или нескольких элементов. Применение сборных фундаментов позволяет вести их изготовление на заводе или полигоне, сводя работу на площадке к монтажным работам. Устройство сборных фундаментов рационально при высоком уровне грунтовых вод, когда требуется устройство водоотлива из котлованов на время возведения фундаментов, и при производстве работ в зимнее время. Стоимость сборных фундаментов мало отличается от стоимости монолитных фундаментов, но трудоемкость возведения монолитных фундаментов на площадке выше. При проектировании сборных железобетонных фундаментов следует иметь в виду, что их применение целесообразно только при большой повторяемости сборных элементов, что требует их типизации. При больших размерах фундаментов, когда вес одного элемента превосходит 15 т, рекомендуется выполнять фундаменты монолитными. Наиболее экономичным типом сборного фундамента является фундамент из одного элемента или фундамент, собираемый из нескольких элементов, соединяемых на месте, чтобы в дальнейшем фундамент работал как один элемент.

Сборные железобетонные фундаменты рекомендуется разрабатывать с учетом окончания работ нулевого цикла до установки колонн. Изготовление фундаментов должно производиться в соответствии с СП, ГОСТ 13015-2003 «Изделия железобетонные и бетонные для строительства», ГОСТ 14098-91 «Соединения сварные арматуры и закладных деталей железобетонных конструкций», рекомендациями в учебниках и справочниках. Бетонирование фундаментов должно осуществляться непрерывно с уплотнением вибраторами. В процессе монтажа должно быть обеспечено опирание подошвы фундамента на песчаную подготовку толщиной 100—150 мм, чтобы подошва фундамента была расположена строго горизонтально. Стыкуемые поверхности бетона граней составных фундаментов для лучшего сцепления должны быть шероховатыми. Предельные габариты и вес сборных фундаментов или их элементов должны соответствовать габаритам и грузоподъемности транспортных средств. На транспортные средства элементы фундамента укладываются на деревянные подкладки. Перевозка элементов сборных фундаментов от места их изготовления к месту монтажа должна производиться только после приобретения бетоном фундамента прочности не менее 70 % от проектной.

При замоноличивании стыков поверхности фундаментов должны быть очищены от снега, грязи и наледи, а в зимнее время они должны быть подогреты. В зимнее время рекомендуется добавлять ускорители схватывания в раствор, укладываемый в местах сопряжения элементов. Бетонная смесь в местах укладки ее в стыках, обеспечивающих монолитную работу фундамента, должна в зимнее время прогреваться до получения проектной прочности бетона. Все работы по заделке стыков в зимнее время должны производиться в соответствии с нормативными документами по производству работ в зимних условиях и по заделке стыков и швов. Класс бетона, укладываемого в стыки, должен быть не ниже класса бетона элементов фундаментов.

Эффективны сборные железобетонные фундаменты под сборные железобетонные колонны, состоящие из одного блока, представляющего собой стакан с плитой по типу монолитных фундаментов (см. рис. 7.18). При больших размерах применение фундамента из одного блока из-за большого веса, сложности транспортировки и установка его на песчаную подготовку становится нецелесообразным, поэтому фундаменты выполняют составными из нескольких элементов (см. рис. 7.18). Известен фундамент, составленный из двух элементов — нижней плиты и подколонника. Размеры подошвы подколонника выбирают таким образом, чтобы в плоскости его опирания на нижнюю плиту, при всех комбинациях нагрузок, возникали только сжимающие напряжения. Поэтому такие фундаменты могут применяться только под центрально нагруженные колонны, либо под колонны с небольшим эксцентриситетом продольной силы.

При больших эксцентриситетах необходимо прикреплять подколонник к нижней плите болтовыми анкерами либо сваркой закладных частей, предусматриваемых в плите и подколоннике. На рис. 7.18, а показаны примеры фундаментов, заглубленных на значительную высоту, со стыком колонн на отметке +0,50, осуществляемым ванной сваркой выпусков из колонны, расположенной ниже отметки +0,50 с ее верхней частью. Фундамент, изображенный на рис. 7.18, а составляется из трех элементов: нижней плиты, стакана и подколонника, представляющего собой отрезок двухветвевой колонны с выпусками арматуры идя закладными деталями для стыка вышележащей части колонны. На рис. 7.18, г показан фундамент, собираемый из трех элементов: нижней плиты, состоящей из двух половин, и подколонника, состоящего из стакана под колонну и двух продольных ребер. Этот тип фундамента может быть применен для передачи нагрузки со значительным эксцентриситетом продольной силы. Подколонник может иметь одно широкое ребро вместо двух узких. Это упрощает его форму, но увеличивает вынос консолей нижних плит.