Уважаемые коллеги, продолжаем рассматривать небольшие примеры использования ФОК Комплекс для расчета фундаментов. Сегодня мы рассмотрим примеры расчета столбчатых фундаментов металлического каркаса. В начале произведем ручной расчет 2-х фундаментов с дальнейшим сравнением с полученными результатами по ФОК Комплекс.
Пример расчета столбчатых фундаментов. Исходные данные
Площадка строительства характеризуется следующими атмосферно-климатическими воздействиями и нагрузками:
- вес снегового покрова (расчетное значение) - 240 кг/м 2 ;
- давление ветра - 38 кг/м 2 ;
Геология
Относительная разность осадок (Δs/L) u = 0,004;
Максимальная S umax или средняя S u осадка = 15 см;
Нагрузки на столбчатые фундаменты получены из ПК ЛИРА.
Для ручного расчета рассмотрим фундаменты Фм3 и Фм4
1. Ручной расчет
Определение размеров подошвы фундамента
Основные размеры подошвы фундаментов определяем исходя из расчета оснований по деформациям. Площадь подошвы предварительно определим из условия:
P ≤ R ,
где P- среднее давление по подошве фундамента, определяем по формуле:
P = (N 0 / A )
N 0 = P · A
A - площадь подошвы фундамента.
N 0 = N +G
G – вес фундамента с грунтом на уступах
G = A · γ · d
где γ - среднее значение удельного веса фундамента и грунта на его обрезах, принимаемое равным 2 т/м 3 ;
d - глубина заложения;
P · A = N + A · γ · d
A · (P - γ · d ) = N
A = N / (P - γ · d )
Для предварительного определения размеров фундаментов, P определяем по таблице В.3 [СП 22.13330.2011]
Р = 250 кПа = 25,48 т/м 2 .
Для фундамента Фм3, N = 35,049 т
A = 35,049 т / (25,48 т/м 2 - 2,00 т/м 3 · 3,300 м) = 35,049 т/18,88 т/м 2 = 1,856 м 2 .
A = b 2
b = 1,5 м
Для фундамента Фм4, N = 57,880 т
A = 57,880 т / (25,48 т/м 2 - 2,00 т/м 3 · 3,300 м) = 57,880 т / 18,88 т/м 2 = 3,065 м 2 .
A = b 2
Принимаем габариты фундамента b = 1,8 м
1. Определение расчетного сопротивления грунта основания
5.6.7 При расчете деформаций основания фундаментов с использованием расчетных схем, указанных в 5.6.6, среднее давление под подошвой фундамента р не должно превышать расчетного сопротивления грунта основания R , определяемого по формуле
где γ с1 и γ с2 коэффициенты условий работы, принимаемые по таблице 5.4;
k - коэффициент, принимаемый равным единице, если прочностные характеристики грунта (φ п и с п) определены непосредственными испытаниями, и k= 1,1, если они приняты по таблицам приложения Б;
M γ, М q , M c - коэффициенты, принимаемые по таблице 5.5;
k z - коэффициент, принимаемый равным единице при b< 10 м; k z =z 0 /b + 0,2 при b ≥ 10 м (здесь z 0 = 8 м);
b - ширина подошвы фундамента, м (при бетонной или щебеночной подготовке толщиной h n допускается увеличивать b на 2h n );
γ II - осредненное (см. 5.6.10 ) расчетное значение удельного веса грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента (при наличии подземных вод определяется с учетом взвешивающего действия воды), кН/м 3 ;
γ" II - то же, для грунтов, залегающих выше подошвы фундамента, кН/м 3 ;
с II - расчетное значение удельного сцепления грунта, залегающего непосредственно под подошвой фундамента (см. 5.6.10), кПа;
d 1 - глубина заложения фундаментов, м, бесподвальных сооружений от уровня планировки или приведенная глубина заложения наружных и внутренних фундаментов от пола подвала, определяемая по формуле (5.8). При плитных фундаментах за d 1 принимают наименьшую глубину от подошвы плиты до уровня планировки;
d b - глубина подвала, расстояние от уровня планировки до пола подвала, м (для сооружений с подвалом глубиной свыше 2 м принимают равным 2 м);
здесь h s - толщина слоя грунта выше подошвы фундамента со стороны подвала, м;
h cf - толщина конструкции пола подвала, м;
γ cf - расчетное значение удельного веса конструкции пола подвала, кН/м 3 .
При бетонной или щебеночной подготовке толщиной h n допускается увеличивать d 1 на h n .
Примечания
1 Формулу (5.7) допускается применять при любой форме фундаментов в плане. Если подошва фундамента имеет форму круга или правильного многоугольника площадью А , значение b принимают равным.
2 Расчетные значения удельного веса грунтов и материала пола подвала, входящие в формулу (5.7) допускается принимать равными их нормативным значениям.
3 Расчетное сопротивление грунта при соответствующем обосновании может быть увеличено, если конструкция фундамента улучшает условия его совместной работы с основанием, например фундаменты прерывистые, щелевые, с промежуточной подготовкой и др.
4 Для фундаментных плит с угловыми вырезами расчетное сопротивление грунта основания допускается увеличивать, применяя коэффициент k d по таблице 5.6 .
5 Если d 1 >d (d - глубина заложения фундамента от уровня планировки), в формуле (5.7) принимают d 1 = d и d b = 0.
6 Расчетное сопротивления грунтов основания R , определяемое по формулам (В.1) и (В.2) с учетом значений R 0 таблиц B.1-В.10 приложения B, допускается применять для предварительного назначения размеров фундаментов в соответствии с указаниями разделов 5-6.
Исходные данные:
Основание фундаментом являются - суглинком лессовидным непросадочным полутвёрдой консистенции, желто-бурого цвета, с включением прослоев супеси, ожелезненный. (ИГЭ 2)
γ с 1 = 1,10;
γ с 2 = 1,00;
k = 1,00;
k z = 1,00;
Для фундамента Фм3: b = 1,50 м;
Для фундамента Фм4: b = 1,80 м;
γ II = 1,780 т/м 3 ;
γ" II = 1,691 т/м 3 ;
с II = 1,100 т/м 2 ;
d 1 = 3,30 м;
d b = 0,0 м;
M γ = 0,72;
М q = 3,87;
M c = 6,45;
Для фундамента Фм3:
R = (1,10 ·1,00) / 1,00· = 1,10· (1,922 т/м 2 +21,596 т/м 2 +
0,0 + 7,095 т/м 2) = 33,674 т/м 2 .
Для фундамента Фм4:
R = (1,10 ·1,00) / 1,00 · = 1,10 · (2,307 т/м 2 + 21,596 т/м 2 +
0,0 + 7,095 т/м 2) = 34,098 т/м 2 .
2. Определение осадки
5.6.31 Осадку основания фундамента s , см, с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства (см. 5.6.6) определяют методом послойного суммирования по формуле
где b - безразмерный коэффициент, равный 0,8;
σ zp,i - среднее значение вертикального нормального напряжения (далее - вертикальное напряжение) от внешней нагрузки в i -м слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента (см. 5.6.32), кПа;
h i - толщина i -го слоя грунта, см, принимаемая не более 0,4 ширины фундамента;
E i - модуль деформации i -го слоя грунта по ветви первичного нагружения, кПа;
σ z γ ,i - среднее значение вертикального напряжения в i -м слое грунта по вертикали, проходящей через центр подошвы фундамента, от собственного веса выбранного при отрывке котлована грунта (см. 5.6.33), кПа;
Е е,i - модуль деформации i-го слоя грунта по ветви вторичного нагружения, кПа;
n - число слоев, на которые разбита сжимаемая толща основания.
При этом распределение вертикальных напряжений по глубине основания принимают в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 5.2.
DL - отметка планировки; NL - отметка поверхности природного рельефа; FL - отметка подошвы фундамента; WL - уровень подземных вод; В , С - нижняя граница сжимаемой толщи; d и d n - глубина заложения фундамента соответственно от уровня планировки и поверхности природного рельефа; b - ширина фундамента; р - среднее давление под подошвой фундамента; s zg и s zg,0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на глубине z σ zp и σ zp,0 - вертикальное напряжение от внешней нагрузки на глубине z от подошвы фундамента и на уровне подошвы; σ zγ,i - вертикальное напряжение от собственного веса вынутого в котловане грунта в середине i -го слоя на глубине z от подошвы фундамента; Н с - глубина сжимаемой толщи
Рисунок 5.2 - Схема распределения вертикальных напряжений в линейно-деформируемом полупространстве
Примечания:
1 При отсутствии опытных определений модуля деформации Е е,i для сооружений II и III уровней ответственности допускается принимать Е е, i = 5Е i .
2 Средние значения напряжений σ zp,i и σ z γ ,i в i -м слое грунта допускается вычислять как полусумму соответствующих напряжений на верхней z i-1 и нижней z i границах слоя.
5.6.32 Вертикальные напряжения от внешней нагрузки σ zp = σ z - σ zu зависят от размеров, формы и глубины заложения фундамента, распределения давления на грунт по его подошве и свойств грунтов основания. Для прямоугольных, круглых и ленточных фундаментов значения s zp , кПа, на глубине z от подошвы фундамента по вертикали, проходящей через центр подошвы, определяют по формуле
σ zp = αp , (5.17)
где α - коэффициент, принимаемый по таблице 5.8 в зависимости от относительной глубины ξ, равной 2z /b ;
р - среднее давление под подошвой фундамента, кПа.
5.6.33 Вертикальное напряжение от собственного веса грунта на отметке подошвы фундамента σ zγ = σ zγ - σ zu , кПа, на глубине z от подошвы прямоугольных, круглых и ленточных фундаментов определяют по формуле
σ z γ = ασ zγ,0 , (5.18)
где α - то же, что и в 5.6.32;
s zg,0 - вертикальное напряжение от собственного веса грунта на отметке подошвы фундамента, кПа (при планировке срезкой σ zg,0 = γ"d , при отсутствии планировки и планировке подсыпкой σ zγ,0 = γ"d n , где γ" - удельный вес грунта, кН/м 3 , расположенного выше подошвы; d и dn, м, - см. рисунок 5.2).
При этом в расчете σ z γ используются размеры в плане не фундамента, а котлована.
5.6.34 При расчете осадки фундаментов, возводимых в котлованах глубиной менее 5 м, допускается в формуле (5.16) не учитывать второе слагаемое.
5.6.41 Нижнюю границу сжимаемой толщи основания принимают на глубине z = Н c , где выполняется условие σ zp = 0,5σ zγ . При этом глубина сжимаемой толщи не должна быть меньше Н min , равной b /2 при b ≤ 10 м, (4 + 0,1b ) при 10 ≤ b ≤ 60 м и 10 м при b > 60 м.
Если в пределах глубины Н с , найденной по указанным выше условиям, залегает слой грунта с модулем деформации Е > 100 МПа, сжимаемую толщу допускается принимать до кровли этого грунта.
Если найденная по указанным выше условиям нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации Е ≤ 7 МПа или такой слой залегает непосредственно ниже глубины z = Н с , то этот слой включают в сжимаемую толщу, а за Н с принимают минимальное из значений, соответствующих подошве слоя или глубине, где выполняется условие σ zp = 0,2 s zγ .
При расчете осадки различных точек плитного фундамента глубину сжимаемой толщи допускается принимать постоянной в пределах всего плана фундамента (при отсутствии в ее составе грунтов с модулем деформации Е > 100 МПа).
Площадь подошвы фундамента Фм3: S = 2,25 м 2 (габариты 1,50 м × 1,50 м).
= 29,208 тP 0 = N / S = 29,208 т / 2,25 м 2 ≈ 12,98т/м 2 .
η = 1,50 / 1,50 = 1,0
при b = 1,5 м ≤ 10 м
H min > b / 2 = 1,5 м / 2 = 0,75 м
Таблица: Осадка фундамента Фм3
Сжимаемая толща основания H = 2,00 м > H min = 0,75 м
Осадка фундамента: S = 0,8·0,049 м = 0,0392 м (3,92 см) < 15 см (Приложение Д.)
Площадь подошвы фундамента Фм4: S = 3,24 м 2 (габариты 1,80 м × 1,80 м).
= 47,598 тP 0 = N / S = 47,598 т / 3,24 м 2 ≈ 14,69т/м 2 .
η = 1,80 / 1,80 = 1,0
при b = 1,8 м ≤ 10 м
H min > b / 2 = 1,8 м / 2 = 0,9 м
Таблица: Осадка фундамента Фм4
Сжимаемая толща основания H = 2,00 м > H min = 0,90 м
Осадка фундамента: S = 0,8· 0,061 м = 0,0488 м (4,88 см) < 15 см (Приложение Д. )
3. Определяем армирование подошвы фундамента
Для фундамента Фм3
p p ср = N 0 / A = (35,049 т + 2,00 т/м 3 · 3,300 м · 1,500 м · 1,500 м) / (2,250 м 2) =
= 49,899 т / 2,250 м 2 = 22,177 т/м 2
Q I = 22,177 т/м 2 · 1,50 м · (1,50 м – 0,40 м) / 2 = 18,296025 т
Q II = 22,177 т/м 2 · 1,50 м · (1,50 м – 0,90 м) / 2 = 9,97965 т
R bt = 76,453 т/м 3 .
18,296025 т < 0,6 · 76,453 т/м 2 · 1,5 м · (3,600 м – 0,040 м)
18,296025 т < 244,955412 т
9,97965 т < 0,6 · 76,453 т/м 2 · 1,5 м · (0,300 м – 0,040 м)
9,97965 т < 17,890 т
М I = 0,125 · 22,177 т/м 2 · (1,50 м – 0,40 м) 2 · 1,50 м = 5,0314 тм
М II = 0,125 · 22,177 т/м 2 · (1,50 м – 0,90 м) 2 · 1,50 м = 1,4969 тм
R s = 37206,93 т/м 2 .
А sI = 5,0314 тм / (0,9 · (3,600 м – 0,040 м) · 37206,93 т/м 2) =
5,0314 тм / 119211,00372 т/м 2 = 0,000042 м 2 = 0,42 см 2 .
А sII = 1,4969 тм / (0,9 · (0,300 м – 0,040 м) · 37206,93 т/м 2) =
1,4969 тм / 8706,421 т/м 2 = 0,000172 м 2 = 1,72 см 2 .
Принимаем 8 Ø10 A-III А s = 6,280 см 2 , шаг 200 мм.
Для фундамента Фм4
Поперечная сила у грани колонны и грани подошвы (2.25) :
p p ср = N 0 / A = (57,880 т + 2,00 т/м 3 · 3,300 м · 1,800 м · 1,800 м) / (3,240 м 2) =
= 79,264 т / 3,240 м 2 = 24,464 т/м 2
Q I = 24,464 т/м 2 · 1,80 м · (1,80 м – 0,40 м) / 2 = 30,82464 т
Q II = 24,464 т/м 2 · 1,80 м · (1,80 м – 0,90 м) / 2 = 19,81584 т
Проверяем выполнение условий (2.26), для бетона класса В15,
R bt = 76,453 т/м 3 .
30,82464 т < 0,6 · 76,453 т/м 2 · 1,8 м · (3,600 м – 0,040 м)
30,82464 т < 293,94649 т
19,81584 т < 0,6 · 76,453 т/м 2 · 1,8 м · (0,300 м – 0,040 м)
19,81584 т < 21,468 т
Условия выполняются, поэтому установка поперечной арматуры не требуется и расчет на поперечную силу не производится.
Определяем изгибающие моменты у грани колонны и у грани подошвы по формуле (2.31)
М I = 0,125 · 24,464 т/м 2 · (1,80 м – 0,40 м) 2 · 1,80 м = 17,050 тм
М II = 0,125 · 24,464 т/м 2 · (1,80 м – 0,90 м) 2 · 1,80 м = 4,458 тм
В качестве рабочих стержней примем арматуру класса A-III с расчетным сопротивлением R s = 37206,93 т/м 2 .
Требуемая площадь сечения арматуры по формуле (2.32)
А sI = 17,054 тм / (0,9 · (3,600 м – 0,040 м) · 37206,93 т/м 2) =
17,054 тм / 119211,00372 т/м 2 = 0,000143 м 2 = 1,43 см 2 .
А sII = 4,458 тм / (0,9 · (0,300 м – 0,040 м) · 37206,93 т/м 2) =
4,458 тм / 8706,421 т/м 2 = 0,000512 м 2 = 5,12 см 2 .
Принимаем 9 Ø10 A-III А s = 7,065 см 2 , шаг 200 мм.
Относительная разность осадок (4,88 см – 3,92 см) / 600 см = 0,0016 < 0,004
2. Расчет по программе «ФОК-Комплекс»
Исходные данные для «ФОК-Комплекс»
Результаты
Выводы
Сведем в таблицу полученные варианты расчета столбчатых фундаментов
Как видно, результаты по ручному расчету не сильно отличается от результатов ФОК Комплекс, но при ручном вычислении, мы я не проверял на продавливание, на ширину раскрытия трещин и т.д., а при необходимо посчитать большое количество фундаментов (столбчатых, ленточных, на свайном основании), ручной расчет становится громоздким. Ручной расчет я использую, если нет под рукой программ или необходимо проверить полученные результаты по программе. Использование бесплатных программ возможно, но желательно чтобы они выдавали развернутые результаты, а платные программы должны быть сертифицированными. На данные момент ФОК Комплекс помогает производить расчет фундаментов, сразу введя весь план фундаментов (разных типов), но и выдать чертежи.
Список использованной литературы
- СП 22.13330.2012 "Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*" M., Стройиздат, 2011
- М.Б.Берлинов, Б.А.Ягупов "Примеры расчеты оснований и фундаментов" M.,
- Стройиздат, 1986
Факторы, влияющие на интенсивность воздействия колебаний на здание:
· геологические и гидрогеологические условия
· глубина очага и эпицентра
· частота сейсмических колебаний и самих зданий
· конструктивные особенности здания
Расчетной является сейсмичность в 7, 8 ,9 баллов. Строительство в районах с сейсмичностью в 10 и более баллов не производится.
Расчетная сейсмичность выше при высоком УГВ и в случае пересеченной местности, а где скальные породы, понижается на 1 балл.
Наиболее существенно влияние сейсмичности в насыпных грунтах, в водонасыщенных мелких и пылеватых песках, лессовых просадочных грунтах.
Конструктивные решения:
· фундаментные сооружения закладываются на одной отметке
· здание делится на осеки, разделяемыесейсмошвами
· отсеки должны быть равноэтажными
· монолитное домостроение
· применение монолитных фундаментов
· гибкое сопряжение свай и фундаментов
· устройство демпфирующих прокладок между фундаментами и конструкциями
· применение гасителей колебаний маятникового типа
При строительстве в сейсмоопасных зонах применяются общие мероприятия повышения жесткости сооружения в целом.
1. Основные принципы проектирования оснований и фундаментов. Исходные данные к проектированию.
2. Состав работ при проведении инженерно- геологических изысканий в строительстве. Методы определение характеристик физического состояния грунтов в лабораторных и полевых условиях.
3. Методы определения прочностных и деформационных характеристик грунтов в лабораторных и полевых условиях.
4. Предельные состоянияI и II группы.
5. Классификация фундаментов. Плитные фундаменты мелкого заложения.
6. Определение глубины заложения плитных фундаментов мелкого заложения.
7. Определение размеров плитной части фундаментов. Расчетное сопротивление грунтов.
8. Определение осадки плитных фундаментов мелкого заложения методом послойного суммирования.
9. Конструкции на упругом основании.
10. Существующие типы свайных ростверков. Виды свай по характеру передачи нагрузки на основание. Виды свай по способу изготовления.
11. Сваи, погружаемые в грунт. Классификация свай по форме поперечного и продольного сечения. Методы погружения свай.
12. Сваи, изготавливаемые в грунте. Методы бурения скважин, методы крепления стенок скважин, методы уплотнения забоя скважин.
13. Последовательность устройства буронабивных свай. Устройство буронабивных свай с уширением. Вибропогружная технология и технология полого шнека при устройстве свай.
14. Методы определения несущей способности одиночной сваи. Определения несущей способности свай, защемленных в грунте, расчетным (табличным) методом.
15. Определение несущей способности сваи по данным статического и динамического зондирования грунтов.
16. Определение несущей способности свай динамическим методом и по данным испытания статической нагрузкой.
17. Определение количества свай в ростверке. Конструирование ростверка. Проверка несущей способности наиболее нагруженной сваи в ростверке.
18. Определение границ условного фундамента. Определение осадки свайных фундаментов методом послойного суммирования.
19. Оболочки, столбы набивные. Траншейные стены, возводимые способом "Стена в грунте". Конструктивные особенности, область применения, технология погружения.
20. Опускные колодцы.
21. Конструктивные методы упрочнения грунтов. Устройство грунтовых подушек. Армирование грунтов (методы армирования грунтов, область применения, применяемые материалы).
22. Уплотнение грунтов. Поверхностное уплотнение грунтов. Глубинное уплотнение.
23. Уплотнение грунтов статической нагрузкой с устройством вертикальных дрен. Уплотнение грунтов водопонижением.
24. Закрепление грунтов. Цементация, силикатизация грунтов, электрохимическое закреплениегрунтов.
25. Фундаменты в особых условиях. Какие условия строительства относятся к особым. Конструктивные мероприятия снижения чувствительности здания к неравномерным осадкам.
26. Особенности проектирования оснований и фундаментов в просадочных грунтах.
27. Особенности проектирования оснований и фундаментов в слабых водонасыщенных грунтах, пучинистых грунтах и торфах.
28. Особенности проектирования фундаментов в вечномерзлых грунтах (I и II принцип проектирования).
29. Особенности проектирования фундаментов при динамических воздействиях.
30. Особенности проектирования фундаментов в сейсмоопасных зонах.
Сейсмическая активность земли проявляется на обширной части СССР. Общая площадь районов, подверженных землетрясениям, составляет около 28% территории страны.
Подавляющее большинство землетрясений возникает в результате тектонических процессов. Такие землетрясения наиболее часты (90% всех землетрясений) и достигают значительной силы. Происходящие вблизи действующих вулканов землетрясения охватывают небольшие территории. Они намного слабее тектонических. Еще меньшей силой обладают местные землетрясения, возникающие в результате горных обвалов, оползней, провалов карстовых полостей, шахтных и других выработок.
Землетрясения возникают, как правило, в определенных зонах (сейсмических), где продолжаются горообразовательные процессы. В этих зонах земная кора расчленена тектоническими разломами на отдельные массивы, испытывающие интенсивные взаимные смещения. Вызванные ими нарушения происходят по существующим или по вновь образовавшимся разломам.
Находящаяся в глубине земли область нарушения коры является очагом (гипоцентром) землетрясения. Проекция этого очага из центра земли на ее поверхность называется эпицентром землетрясения. Очаги обычно имеют вытянутую вдоль разломов форму. Их размеры изменяются от нескольких метров до десятков километров и в основном предопределяют силу землетрясения. При разрушительных землетрясениях очаги в большинстве случаев располагаются в толще земной" коры на глубине 10-50 км и более от ее поверхности.
В районе землетрясения каждая точка земли испытывает последовательное воздействие волн разного вида, поэтому колебания грунта при землетрясениях носят сложный пространственный характер. Из-за этого сейсмические силы могут иметь любое направление в пространстве и к тому же быть переменными по направлению, скорости и величине.
Продолжительность сейсмического импульса и вызываемых им колебаний грунта измеряется десятками секунд, а иногда несколькими минутами. Наиболее опасное воздействие землетрясения происходит в первые 20-40 с, чаще всего с первым мощным импульсом и следующим за ним сейсмическим колебанием грунта.
Для обеспечения достаточной надежности зданий и сооружений, возводимых в сейсмических районах, прежде всего необходимо знать силу землетрясения, которую обычно оценивают по общему разрушительному эффекту, характеризуемому сейсмическими баллами по соответствующей шкале.
Известно много сейсмических шкал, предложенных в разных странах и в разные годы. В СССР с 1952 г. принята 12-балльная сейсмическая шкала (ГОСТ 6249-52), составленная на основе разработок Института физики Земли АН СССР. В качестве классификационных признаков для оценки силы землетрясения в этой шкале приняты: степень повреждения и число поврежденных зданий разных типов; остаточные явления в грунтах и изменение режима ; прочие признаки (поведение домашних животных, ощущения людей). Кроме этого, каждый балл землетрясения характеризуют определенным диапазоном относительных смещений маятника стандартного сейсмометра и соответствующим ускорением смещения грунта.
С инженерной точки зрения к сейсмическим районам относят районы с силой землетрясения б баллов и выше. На территории СССР землетрясения 10 баллов и выше происходят крайне редко, поэтому в отечественном сейсмостойком строительстве учитывают землетрясения в диапазоне 6-9 баллов.
При характеристике степени повреждения и разрушения частей зданий под легкими повреждениями подразумевают тонкие трещины в штукатурке, кладке печей и т. п.; под значительными повреждениями - трещины в штукатурке и откалывание ее кусков, тонкие трещины в стенах, повреждения дымовых труб отопительных печей и т. п.; под разрушениями - большие трещины в стенах, расслоение каменной кладки, обрушение отдельных участков стен, падение карнизов и парапетов, обвалы штукатурки, падение дымовых труб отопительных печей и т. п.; под обвалами - полное или частичное обрушение стен, перекрытий и т. п.
Здания и сооружения, расположенные в сейсмических районах, подвергаются во время землетрясений воздействию особых факторов, приводящих к появлению дополнительных усилий в конструкции и к изменению условий ее работы. Совокупность этих факторов, вызывающих повреждения сооружений, называют сейсмическим воздействием. Повреждения дорог и дорожных сооружений наблюдаются при силе землетрясения 7 баллов и выше.
Ликвидация сейсмических повреждений земляного полотна, верхнего строения пути или покрытия производится сравнительно простыми техническими средствами и восстановление этих элементов дорог не требует длительного времени. Повреждения мостов и тоннелей приводят к продолжительным перерывам в движении, так как их восстановление связано с необходимостью выполнения длительных и трудоемких работ. По этой причине в нормах сейсмостойкого строительства многих стран для мостов и некоторых других дорожных сооружений предусмотрены повышенные гарантии сейсмостойкости.
Анализ последствий землетрясений показывает, что повреждения мостов происходят вследствие смещения или повреждения пролетных строений либо повреждения опор или же тех и других одновременно. Повреждения опор мостов можно подразделить на две группы: перемещения опор относительно первоначального положения (сдвиги, осадки, наклоны, опрокидывание); нарушения целостности конструкции опор (трещины, разломы, раскрытие швов и т. д.). Повреждения обоих видов нередко возникают одновременно.
Наиболее характерным повреждением устоев является их скольжение (сдвиг) в сторону пролета, часто сопровождаемое их наклоном и осадкой. Такие повреждения весьма распространены, особенно при наличии вокруг фундаментов устоев слабых глинистых грунтов; в единичных случаях деформации устоев могут происходить при землетрясениях силой от 7 баллов. Повреждения устоев являются следствием воздействия увеличившегося давления на них грунта со стороны насыпи, инерционных сил от пролетных строений и самих устоев, а иногда и в результате скольжения наклонно залегающих пластов берегового массива в сторону водотока. Перемещения устоев в сторону пролета часто бывают значительными и могут привести к полному разрушению мостов.
Характерными повреждениями промежуточных опор являются их осадки и наклоны, а иногда горизонтальные перемещения. Отмечены случаи поднятия опор относительно первоначального положения, а также их поворота в горизонтальной плоскости. Осадки и наклоны опор в большинстве случаев наблюдаются при фундаментах мелкого заложения, а также фундаментах из висячих свай, заглубленных в мелкие или пылеватые водонасыщенные пески средней плотности сложения, текучепластичные и текучие супеси, суглинки и глины. При землетрясении 9 баллов и более деформации опор достигают больших величин и являются массовыми. Установлено, что в общем случае осадки и наклоны опор уменьшаются с увеличением глубины заложения фундаментов и размеров их подошвы.
В результате землетрясения 1923 г. в Японии опоры одного моста с фундаментами мелкого заложения на песке осели на 0,5-1,5 м. При этом же землетрясении отмечены осадки фундаментов из висячих деревянных свай до 1,2 м.
В безростверковых опорах при землетрясении возникают трещины в ригелях и местах примыкания стоек к ригелю. В свайных фундаментах с высоким ростверком возникают повреждения в виде горизонтальных или косых трещин в сваях; вблизи заделки свай в ростверк раздробляется , выпучиваются сжатые стержни .
Анализ характера сейсмических повреждений мостов показывает, что они являются следствием воздействия комплекса факторов, из которых наиболее важны следующие: 1) горизонтальные силы инерции (сейсмические силы), возникающие при колебательных движениях масс сооружения под воздействием колебаний грунтового основания. Эти силы в большинстве случаев считаются основной причиной повреждения сооружений; 2) вертикальные силы инерции (сейсмические силы), вызванные вертикальной составляющей сейсмических колебаний грунта. Эти силы незначительны по сравнению с основными вертикальными нагрузками сооружения, поэтому они редко являются непосредственной причиной повреждения сооружений. Однако такие силы уменьшают запасы устойчивости фундаментов опор против сдвига и опрокидывания; 3) сейсмическое горизонтальное давление грунта на устои мостов; 4) сейсмическое (гидродинамическое) давление воды на промежуточные опоры мостов; 5) значительное снижение несущей способности грунтов, особенно водонасыщенных рыхлых песков и текучих и текуче-пластичных глинистых грунтов. Из-за этого происходят большие осадки и наклоны опор мостов; 6) остаточные деформации природного рельефа в виде оползней, обвалов и т. п.; 7) смещения по плоскостям тектонических нарушений, приводящие к образованию сбросов и сдвигов.
Следует отметить, что большей частью повреждение сооружений происходит в результате одновременного воздействия нескольких из перечисленных причин.
41. Особенности устройства ленточных фундаментов в сейсмических районах. Схема.
Проектирование фундаментов зданий следует выполнять в соответствии с требованиями нормативных документов по основаниям зданий и сооружений и свайным фундаментам.
Фундаменты зданий, возводимых на нескальных грунтах, должны, как правило, устраиваться на одном уровне. Подвальные этажи следует предусматривать под всем зданием. При расчетной сейсмичности 7 и 8 баллов допускается устройство подвала под частью здания. При этом следует располагать его симметрично относительно главных осей здания.
Для зданий выше 12 этажей устройство подвала под всем зданием обязательно.
При строительстве на нескальных грунтах по верху сборных ленточных фундаментов следует укладывать слой раствора марки 100 толщиной не менее 40 мм и продольную арматуру диаметром 10 мм в количестве три и четыре стержня при сейсмичности 7 и 8 баллов соответственно. Продольные стержни должны быть соединены поперечными с шагом 300-400 мм. В случае выполнения стен подвала из сборных панелей или монолитными, конструктивно связанными с ленточными фундаментами, укладка армированного слоя раствора не требуется.
В районах сейсмичностью 9 баллов ленточные фундаменты должны выполняться, как правило, монолитными.
В зданиях при расчетной сейсмичности 9 баллов стены подвалов должны предусматриваться, как правило, монолитными или сборно-монолитными.
42. Ленточные фундаменты в сейсмических районах с перепадом высот строительной площадки. Схемы.
43. Сборные ленточные фундаменты в сейсмических районах. Особенности конструктивных мероприятий обусловленных сейсмоопасностью.
При строительстве на нескальных грунтах по верху сборных ленточных фундаментов следует укладывать слой раствора марки 100 толщиной не менее 40 мм и продольную арматуру диаметром 10 мм в количестве три и четыре стержня при сейсмичности 7 и 8 баллов соответственно. Продольные стержни должны быть соединены поперечными стержнями с шагом 300-400 мм. В случае выполнения стен подвала из сборных панелей или монолитными, конструктивно связанными с ленточными фундаментами, укладка армированного слоя раствора не требуется.В районах сейсмичностью 9 баллов ленточные фундаменты должны выполняться, как правило, монолитными.В фундаментах и стенах подвала из крупных блоков должна быть обеспечена перевязка кладки в каждом ряду, а также во всех углах и пересечениях на глубину не менее 1/3 высоты блока; фундаментные блоки следует укладывать в виде непрерывной ленты. Для заполнения швов между блоками следует применять раствор марки не ниже 50.В каждом ряду блоков в местах углов, примыканий и пересечений устанавливать арматурные сетки с заведением их на 70 см от мест пересечения стен.
При прохождении сейсмических волн фундаменты зданий и сооружений могут испытывать подвижку относительно друг друга, поэтому рекомендуется возводить сплошные плитные фундаменты или фундаменты из перекрестных лент (рис.4.2, в) в монолитном или сборном варианте. Для усиления сборных фундаментов обязательно устраиваются перевязка блоков в узлах и укладка дополнительных арматурных сеток. В каркасных зданиях допускается применение отдельных фундаментов, которые должны раскрепляться железобетонными вставками(рис.4.2, б).
Рисунок 4.2 Конструкции фундаментов в сейсмически oпасных paйонax а - из перекрестных лент; б - закрепление отдельно стоящих фундаментов железобетонными вставками; 1 - сварные сетки; 2 – жирный цементно песчаный раствор.
Касательно монолитного каркаса. Наличие железобетонных включений увеличивает сейсмостойкость здания со стенами из кирпича (1, п. 7.6.14). Тут вопрос только в соединении. Так, цитирую: "каркасные здания, как правило, имеют ограждающие конструкции в виде самонесущих стен или навесных панелей, система крепления которых в сейсмических районах должна допускать независимое перемещение каркаса. Такое решение во многих случаях позволяет уменьшить сейсмические усилия в элементах ограждения и даже нагрузку на каркас" (1, п. 9.3.7). Потому мы и советуем делать не жесткое соединение. Хотя, нормы по сейсмике, как оказалось (мне пришлось уже не раз их перечитать, чтобы Вам помочь:-)), не запрещают использовать кирпичную кладку, как опалубку: "Железобетонные включения в кладку комплексных конструкций следует устраивать открытыми не менее чем с одной стороны. При проектировании комплексных конструкций как каркасных систем антисейсмические пояса и их узлы сопряжения со стойками должны рассчитываться и конструироваться как элементы каркасов с учетом работы заполнения. В этом случае предусмотренные для бетонирования стоек пазы должны быть открытыми не менее чем с двух сторон" (1, п.3.47).
Примечание. Комплексные конструкции (дальше по тексту - к.к.) - конструкции из каменной кладки (стены, простенки, столбы), усиленные включенными в них железобетонными элементами, работающими совместно с кладкой.К. к. применяются в случаях, когда требуется значительно увеличить несущую способность каменных конструкций (См. Каменные конструкции), не увеличивая размеров их сечения. Особо важное значение имеет применение К. к. для усиления стен зданий, возводимых в сейсмических районах. Преимущество К. к. (по сравнению с каменными конструкциями) — более высокая прочность. Однако они более трудоёмки, чем конструкции из сборного железобетона.
Источник: Поляков С. В., Фалевич Б. Н., Проектирование каменных и крупнопанельных конструкций, М., 1966; Справочник проектировщика, т. 12 — Каменные и армокаменные конструкции, М., 1968.
Как лучше сделать (совсем без каркаса, с жестко связанным каркасом или с каркасом на гибких связях) - мы не можем решить за Вас. Я даю Вам всю информацию, которой мы владеем, в данном случае - мнение практикующих строителей и действующие нормы по строительству в сейсмически опасных районах. Выбор за Вами.
Высота этажей в Вашем доме допустимая (удовлетворяет требованиям СП 31-114-2004, п. 7.6.7 и 7.6.8).
Углы кирпичной кладки не дают большую жесткость и прочность чем рама на их месте. В сопряжениях стен (в том числе и в углах, если стены выполнены полностью из кирпича) в кладку должны укладываться арматурные сетки сечением продольной арматуры общей площадью не менее 1 см 2 , длиной 1,5 м через 700 мм по высоте при расчетной сейсмичности 7-8 баллов и через 500 мм — при 9 баллах (2, п. 3.46). Если над входом в дом будете делать козырек, опирающийся на столбы, то они должны быть из жлезобетона. Так как кирпичные столбы допускаются только при расчетной сейсмичности 7 баллов (2, п. 3.46).
Для армирования каменных конструкций в соответствии с СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций следует применять:
- для сетчатого армирования - арматуру классов А-I и Вр-I;
- для продольной и поперечной арматуры, анкеров и связей - арматуру классов А-I, А-II и Вр-I
Арматурные сетки следует укладывать не реже, чем через пять рядов кирпичной кладки из обыкновенного кирпича, через четыре ряда кладки из утолщенного кирпича и через три ряда кладки из керамических камней.
Диаметр сетчатой арматуры должен быть не менее 3 мм.
Диаметр арматуры в горизонтальных швах кладки должен быть, не более:
- при пересечении арматуры в швах - 6 мм;
- без пересечения арматуры в швах - 8 мм.
Расстояние между стержнями сетки должно быть не более 12 и не менее 3 см.
Швы кладки армокаменных конструкций должны иметь толщину, превышающую диаметр арматуры не менее чем на 4 мм (3, п.2.6; п.6.76).
Перегородки из кирпича или камня следует армировать на всю длину не реже, чем через 700 мм по высоте стержнями общим сечением в шве не менее 0,2 см (2, п.3.12).
Размер окон мы тоже за Вас не выберем:-). Это зависит только от Ваших предпочтений. Единственное, перемычки над окнами и дверьми должны устраиваться, как правило, на всю толщину стены и заделываться в кладку на глубину не менее 350 мм. При ширине проема до 1,5 м заделка перемычек допускается на 250 мм (1, п. 7.6.17).
Лента. Окольцовывать ряды арматур нужно, "окольцовка" эта и получается из вертикальных и горизонтальных прутьев, которые схематических рисунках (выше) названы "поперечной арматурой" с шагом 20 см. Их достаточно, какого-то дополнительного окольцовывания не нужно.
Перекрытие. В уровне перекрытий и покрытий, выполненных из сборных железобетонных элементов, по всем стенам без пропусков и разрывов должны устраиваться антисейсмические пояса из монолитного железобетона с непрерывным армированием. В зданиях с монолитными железобетонными перекрытиями, заделанными по контуру в стены, антисейсмические пояса в уровне этих перекрытий допускается не устраивать.
Плиты перекрытий (покрытий) должны соединяться с антисейсмическими поясами посредством анкеровки выпусков арматуры или сваркой закладных деталей. Антисейсмические пояса верхнего этажа должны быть связаны с кладкой вертикальными выпусками арматуры.
Антисейсмический пояс (с опорным участком перекрытия) должен устраиваться, как правило, на всю ширину стены; в наружных стенах толщиной 500 мм и более ширина пояса может быть меньше на 100 - 150 мм. Высота пояса должна быть не менее толщины плиты перекрытия, класс бетона - не ниже В15.
Продольную арматуру антисейсмического пояса устанавливают по расчету, но не менее четырех стержней диаметром 10 мм при сейсмичности 7 - 8 баллов и не менее четырех стержней диаметром 12 мм - при 9 баллах (1, п. 7.6.11; п. 7.6.12).
Длина участков опирания плит перекрытий и покрытий на несущие конструкции принимается не менее:
- для кирпичных и каменных стен - 120 мм;
- для железобетонных панелей и ригелей - 60 мм (1, п.7.1.9).
Арматура вертикальная в ленте изначально и обсуждалась Ø14 мм, так что можно. Без среднего ряда вертикальной арматуры без расчета армирования обойтись нельзя. Мы не делаем таких расчетов, а советовать того, в чем не уверены не можем.
у Вас вообще сейсмика 8 баллов, но если Вы хотите подстраховаться, то о мерах, которые необходимо предпринять при 9 баллах Вы можете прочесть в таких пунктах СП 31-114-2004:
- диаметр арматуры - п.7.2.8;
- шаг хомутов - п.7.3.3;
- требования к кирпичу и кладке - п.7.6.1 - а) и г); п.7.6.2;
- ширина простенков и проемов - п.7.6.10.