Строительные материалы

Основания и фундаменты

Прочность и устойчивость любого сооружения прежде всего зависят от надежности основания и фундамента.

Основанием считают слои грунта, залегающие ниже подошвы фундамента и в стороны от него, воспринимающие нагрузку от сооружения и влияющие на устойчивость фундамента и его перемещения. Проектирование оснований зданий и сооружений зависит от большого количества факторов, основными из которых являются: геологическое и гидрогеологическое строение грунта; климатические условия района строительства; конструкция сооружаемого здания и фундамента; характер нагрузок, действующих на грунт основания, и т.д. Основания под фундаменты зданий и сооружений бывают естественными и искусственными.

Естественными основаниями называют грунты, которые в условиях природного залегания обладают достаточной несущей способностью, чтобы выдержать нагрузку от возводимого здания или сооружения. Естественные основания не требуют дополнительных инженерных мероприятий по упрочнению грунта; их устройство заключается в разработке котлована на расчетную глубину заложения фундамента  здания  или  сооружения.   К  грунтам,   пригодным для устройства естественных оснований, относятся скальные и нескальные.

Скальные грунты представляют собой залежи изверженных, осадочных и метаморфических горных пород (граниты, известняки, кварциты и др.). Встречаются они в виде сплошного массива или отдельных трещиноватых пластов. Они обладают большой плотностью, а следовательно, и водоустойчивостью и являются прочным основанием для любого вида сооружений. К нескальным грунтам относятся крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты. Крупнообломочные грунты (щебень, гравий, галька) представляют собой куски, образовавшиеся в результате разрушения скальных пород, с размерами частиц более 2 мм. Они уступают по прочности скальным грунтам. Если крупнообломочные грунты не подвержены воздействию грунтовых вод, они также являются надежным основанием.

Песчаные грунты представляют собой частицы горных пород крупностью 0,1...2 мм. Пески крупностью 0,25...2 мм обладают значительной водонепроницаемостью и поэтому при замерзании не 1зспучиваются. Прочность и надежность песчаных оснований зависят от плотности и мощности залегающего слоя песка: чем больше мощность залегания и равномерней плотность слоя песка, тем прочнее основание. При регулярном воздействии воды прочность песчаного основания резко снижается.

Наименование грунтов, а также критерии выделения грунтов со специфическими свойствами и их характеристики приведены в СНиП «Основания зданий и сооружений. Нормы проектирования».

Искусственными основаниями называют грунты, которые по механическим свойствам в своем природном состоянии не могут выдерживать нагрузки от зданий и сооружений. Поэтому для упрочнения слабых грунтов необходимо выполнять различные инженерные мероприятия. К слабым относятся грунты с органическими примесями и насыпные грунты. Грунты с органическими примесями включают: растительный грунт, ил, торф, болотный грунт. Насыпные грунты образуются искусственно при засыпке оврагов, прудов, мест свалки. Перечисленные грунты неоднородны по своему составу, рыхлые, обладают значительной и неравномерной сжимаемостью. Поэтому в качестве оснований их используют только после укрепления уплотнением, цементацией, силикатизацией, битумизацией или термическим способом.

Расчет оснований по второй группе предельных состояний (по деформациям) ограничивает деформации над фундаментных конструкций сооружения такими пределами, при которых еще не нарушается нормальная эксплуатация сооружения.

В связи с расчетом оснований сооружений по указанным выше предельным состояниям оценку грунтов производят по прочности (устойчивости) и по их способности деформироваться под нагрузкой (по сжимаемости). Для оценки прочности грунтов и расчета фундаментов по первой группе предельных состояний необходимо уметь определять расчетные сопротивления грунтов основания сжатию. Для оценки способности оснований деформироваться под нагрузками и определения осадок фундаментов необходимо знать характеристики сжимаемости грунтов.

Фундаменты

Основными требованиями, предъявляемыми к фундаментам, являются: прочность, устойчивость, сопротивляемость влиянию атмосферных условий и отрицательных температур, долговечность, соответствующая эксплуатационному сроку службы надземной части зданий и сооружений, индустриальность устройства конструкций, экономичность.

По форме в плане фундаменты делятся на ленточные, столбчатые, сплошные и свайные. Ленточные фундаменты выполняют в виде непрерывных стен столбчатые — в виде системы отдельно стоящих столбов и сплошные — в виде сплошной плиты прямоугольного или ребристого сечения под все здание

По виду материала фундаменты бывают железобетонные, бетонные, бутовые, бутобетонные, кирпичные и деревянные. Под все ответственные здания и сооружения, как правило, устраивают железобетонные фундаменты.

По характеру работы под нагрузкой фундаменты делят на жесткие и гибкие, по   способу   производства

(изготовления) — на сборные и монолитные. Фундаменты под железобетонные колонны. Под железобетонные колонны применяют железобетонные сборные и монолитные фундаменты стаканного типа. Сборные фундаменты могут состоять из одного железобетонного блока (башмака) стаканного типа или из железобетонного блока-стакана и одной или нескольких опорных плит под ним. Монолитные железобетонные фундаменты имеют симметричную ступенчатую форму с двумя или тремя прямоугольными ступенями и подколенником, в котором размещен стакан для колонны. Дно стакана, как правило, располагается на 50 мм ниже проектной отметки низа колонны, чтобы иметь возможность компенсировать неточности ъ размерах и заложении фундаментов.

Фундаменты под колонны проектируют из бетона классов В10, В12,5, В15. Армирование их осуществляют в соответствии с расчетом, г В качестве рабочей арматуры применяют чаще всего горячекатаную,' сталь класса A-IL

В зависимости от нагрузок, действующих на фундамент, сваи в нем располагают: по одной —под отдельные опоры; рядами — под стеновые конструкции; кустами —под колонны; свайными полями —под здания и сооружения малой площади со i значительными нагрузками. Сваи классифицируют по различным признакам.

По материалу сваи бывают железобетонные, бетонные, стальные и деревянные. Железобетонные сваи в свою очередь делят на сборные и монолитные. Наиболее распространены сборные сваи.

Их изготовляют двух видов: сплошные — квадратного сечения в плане и трубчатые — цилиндрические. Бетонные сваи, как правило, выполняют МОНОЛИТНЫМИ, с разными диаметрами и глубиной заложения; стальные — из двутавровой, швеллеров, труб. Вследствие дефицитности металла и неустойчивости их к коррозии стальные сваи применяют редко. В лесной и деревообрабатывающей промышленности часто применяют деревянные сваи. Их изготовляют   из   древесины   хвойных

пород, оборудуя нижний конец стальным башмаком, а верхний — бугелем (стальное кольцо для защиты от повреждения при забивке).

По способу —изготовления и погружения в грунт сваи делят на забивные и набивные. Забивные сваи выполняются сборными железобетонными, стальными или деревянными. Их погружают (забивают) в грунт специальными механизмами путем забивки, вдавливания, вибрации, ввинчивания (винтовые стальные сваи). Набивные сваи относятся к монолитным. Их устраивают непосредственно в грунте из бетона или железобетона с помощью специальных обсадных труб, погружаемых в предварительно устроенные в грунте скважины. Набивные железобетонные сваи применяют при больших нагрузках на фундаменты, они имеют диаметр до 1000 мм и глубину залегания 30 м и более.

По характеру работы в грунте сваи делят на висячие и сваи-стойки Сваи стойки проходят через слабый грунт и нижними концами опираются на прочное основание, передавая на него всю нагрузку от здания. Висячие сваи не достигают прочного грунта, а лишь уплотняют слабый грунт. Нагрузку от здания висячие сваи воспринимают главным образом за счет сил трения, возникающих между их боковой поверхностью и грунтом.

Фундаменты под оборудование

Фундаменты под промышленное оборудование должны удовлетворять требованиям прочности, устойчивости и экономичности. Они должны обеспечивать нормальную эксплуатацию оборудования, надежное его крепление и отсутствие сильных вибраций. По конструкции фундаменты под промышленное оборудование делят на массивные и рамные. В качестве материала для их изготовления применяют чаще всего бетон и железобетон. Глубину заложения фундаментов назначают в зависимости от геологических и гидрологических условий строительной площадки, глубины заложения фундаментов здания, соседних примыкающих установок, размера и конструкции самого фундамента, вида и массы оборудования и др.

При проектировании фундаментов следует располагать центры тяжести фундамента и машины на одной вертикали. Во избежание передачи вибраций на конструкции зданий и другого оборудования необходимо предусматривать зазор между фундаментами зданий, соседних машин и другими конструкциями. Иногда целесообразно для уменьшения глубины заложения и давления на грунт увеличивать площадь фундамента и устраивать песчаное основание.

Каркас одноэтажных промышленных зданий и его конструктивные элементы

Каркас — несущая основа здания, которая состоит из поперечных и продольных элементов. Поперечные элементы — рамы воспринимают нагрузки от стен, покрытий, перекрытий (в многоэтажных зданиях), снега, кранов, ветра, действующего на наружные стены и фонари, а также нагрузки от навесных стен.

Основные элементы каркаса — рамы. Они состоят из колонн и несущих конструкций покрытий — балок или ферм, длинномерных настилов и пр. Эти элементы соединяют в узлах шарнирно с помощью металлических закладных деталей, анкерных болтов и сварки. Рамы собирают из типовых элементов заводского изготовления. Другие элементы каркаса — фундаментные, обвязочные и подкрановые балки и подстропильные конструкции. Они обеспечивают устойчивость рам и воспринимают нагрузки от ветра, действующего на стены здания и фонари, а также нагрузки от кранов. Каркасы проектируют железобетонными, металлическими и смешанными. При строительстве промышленных зданий в лесной и деревообрабатывающей промышленности применяют железобетонные каркасы.

Для каркасов зданий, оборудованных мостовыми кранами, применяют колонны прямоугольного и двух ветвяного сечений. Они состоят из двух частей: над крановой и подкрановой. Над крановая часть— надколенник — служит для отпирания несущей конструкции покрытия. Подкрановая часть передает нагрузку на фундамент от надколенника, а также от подкрановых балок, которые опираются на выступы консоли колонны. Крайние колонны крановых пролетов имеют односторонний выступ — консоль, средние — двусторонние консоли.

Колонны изготовляют из бетона классов В20, ВЗО и В40, армируют их сборными каркасами из горячекатаной стали периодического профиля класса А-Ш. Для крепления связей стеновых панелей, подкрановых балок, стропильных и подстропильных конструкций в колоннах предусматривают закладные металлические детали, представляющие собой металлические пластины с приваренными к ним анкерными стержнями. Для распалубки, погрузки и разгрузки в колоннах предусматривают подъемные монтажные петли из стали гладкого профиля.

Фундаментные балки. Они служат для передачи нагрузки от наружных и внутренних стен здания на фундаменты колонн. Фундаментные балки для наружных стен выносят за грани колонн, а для внутренних стен располагают между колоннами по линии их

осей. Балки имеют тавровое (16.8) или трапецеидальное поперечное сечение. Длина основных балок при шаге колонн 6000мм — 4950 мм, при шаге12 000мм — 10 700 мм.

Ширина верхней полки фундаментных балок для кирпичных и блочных стен равна 300, 400 и 520 мм, а для панельных стен — 200, 240, 300 и 400 мм. Высота балок 400 и 600 мм. Фундаментные балки изготовляют из бетона классов В20...В40, армируют стержнями периодического профиля из стали класса А-П. Укладывают их непосредственно на ступени фундаментов или на бетонные столбики.

Зазоры между торцами балок и фундаментов заполняют бетоном. По верхней поверхности балок устраивают гидроизоляцию. Пучинистые грунты из-под балок убирают и делают песчаную или шлаковую подсыпку.

из железобетона и реже из стали. По конструктивному решению подкрановые балки бывают нескольких типов: таврового сечения с обычным армированием, тавровое-трапецеидального сечения напряженно-армированные. Подкрановые балки таврового сечения с обычным армированием предназначаются под краны грузоподъемностью не свыше 5 т, балки тавровое-трапецеидального сечения — для кранов грузоподъемностью 6,0.-30,0 т, двутаврового сечения — для кранов 30...50 т. Длина балок 6000 и 12 000 мм, высота 1000...1400 мм. Подкрановые балки изготовляют из бетона классов ВЗ...В50, армируют их в высокопрочной прядево или стержневой арматурой класса А-Ш. В балках предусмотрены закладные детали для крепления их к колоннам, а также крепления к ним рельсов и токопроводящих шин.

Несущие конструкции покрытия. Основные несущие конструкции покрытий в зависимости от величины перекрываемых пролетов

Обвязочная балка состоят   из   железобетонных   одно-

скатных и двускатных балок, ферм, арок, пространственных конструкций и плит. По виду армирования несущие конструкции делят на обычно армированные и предварительно напряженные. Их выполняют цельными — на всю длину пролета, а также из отдельных блоков, собираемых в элементы путем укрупнительной сборки перед монтажом. Для небольших пролетов (6000, 9000, 12 000 и18 000 мм) в качестве несущих конструкций можно использовать железобетонные стропильные балки. Их изготовляют односкатными, двускатными и с параллельными поясами

Односкатные балки применяют в покрытиях одноэтажных промышленных зданий пролетом 6000... 12000 мм, с шагом колонн 6 м и наружным водостоком. Двускатные балки используют в покрытиях одноэтажных промышленных зданий при пролетах 6000...18 000 мм, шаге колонны 60000 и 12 000 мм с наружным и внутренним водостоком.

Балки с параллельными поясами применяют в покрытиях промышленных зданий с плоской кровлей при пролетах 12 000 и 18 000 мм и шаге колонн 6000 и 12 000 м. Стропильные балки имеют тавровое или двутавровое сечение. Для уменьшения массы балок и пропуска коммуникаций в их стенках

устраивают отверстия различного очертания. Одно и двускатные балки можно собирать из отдельных блоков с последующим натяжением пропущенной через них арматуры.

Балки устанавливают на железобетонные колонны или на несущие стены с устройством железобетонных подушек, а балки пролетом 18 000 мм также и на подстропильные балки. К колоннам балки покрытия прикрепляют анкерными болтами, выпущенными из колонн и проходящими через опорный лист, приваренный к закладной детали балки. Опорный лист балки прикрепляют к листу, заложенному в колонну.

Балки изготовляют из бетона классов ВЗО, В40, В50, армируют высокопрочной проволокой класса Вр-П или стержневой арматурой из стали марки A-IV и А-Шв.

Стропильные фермы. Такие конструкции состоят из отдельных соединенных между собой стержней, образующих каркас. Стержни фермы, расположенные по ее верхнему контуру, составляют верхний пояс, а по нижнему контуру — нижний пояс. Вертикальные стержни фермы называют стойками, наклонные — раскосами. Стойки и раскосы, расположенные между верхними и нижними поясами, образуют решетку фермы,' а точки (места), в которых сходятся концы стоек и раскосов,—узлы фермы. Участок между двумя соседними узлами называется панелью.

В зависимости от очертания, верхнего пояса фермы делят на сегментные, без раскосные и с параллельными поясам Их применяют в скатных и плоских покрытиях одноэтажных промышленных зданий пролетом 18 000 и более. Устанавливают стропильные фермы на железобетонные колонны или подстропильные фермы. Для крепления ферм к колоннам (подстропильным фермам), а также к фермам плит покрытия, рам фонаря, связей в них предусмотрены соответствующие стальные закладные детали. Фермы выполняют с предварительным напряжением нижнего пояса. Изготовляют их из бетона классов В30...В50, рабочую арматуру — из высокопрочной проволоки Вр-И и стержней из стали марки A-IV и др.

Подстропильные фермы (балки) применяют в средних рядах зданий для опирания ферм или балок покрытия в тех случаях, когда шаг крайних колонн составляет 6000 мм, а шаг колонн средних рядов — 12 000 мм. Их устанавливают и закрепляют путем сварки закладных деталей. Все фермы (балки) имеют одинаковый пролет 12 000 мм, кроме ферм, устанавливаемых в торцах здания и у поперечных температурных швов, пролет которых составляет 11 500 мм (в соответствии с расположением колонн). По концам и посредине (в нижнем узле) подстропильных ферм (балок) предусмотрены площадки для опирания стропильных ферм (балок); В площадках имеются закладные листы с приваренными к ним анкерными болтами Фермы (балки) изготовляют с предварительным напряжением нижнего пояса из бетона классов В40...В50. Основная напрягаемая арматура — из высокопрочной стальной проволоки марки Вр-П и стали марки A-IV и др. При возведении .большепролетных производственных зданий в покрытиях часто используют пространственные конструкции

Многоэтажные промышленные, здания, как правило, сооружают каркасными из сборного железобетона. Габаритные схемы типовых зданий с унифицированными конструкциями приведены на По конструкции многоэтажные промышленные здания могут быть с полным сборным железобетонным каркасом, самонесущими или навесными стенами. Сборные конструкции перекрытий применяют двух типов — балочные и без балочные. Основными элементами каркаса многоэтажного промышленного здания являются колонны, отличающиеся от элементов каркаса одноэтажных зданий, и ригели перекрытий, образующие железобетонные рамы. Ригели перекрытий разработаны прямоугольного и таврового сечений.

Конструкции междуэтажных балочных перекрытий могут быть двух типов:

1) с опиранием плит на полки ригелей;

2) с опиранием плит сверху на прямоугольные ригели.

В зданиях небольшой этажности часто применяют схему неполного каркаса, например кирпичные наружные стены (несущие) и внутренние кирпичные столбы. При больших нагрузках целесообразно вместо кирпичных столбов применять железобетонные колонны, которые вместе с железобетонными ригелями образуют каркас здания.

 Как указывалось выше, здания могут иметь полный или неполный каркас. Наряду с железобетонными каркасами в строительстве применяют стальные каркасы.

По конструктивной схеме стальной каркас в целом аналогичен железобетонному и представляет собой основную несущую конструкцию промышленного здания, поддерживающую покрытие, стены и подкрановые балки, а в некоторых случаях — технологическое оборудование и рабочие площадки. Основными элементами несущего стального каркаса, воспринимающими действующие на здание нагрузки, являются плоские поперечные рамы образованные колоннами и стропильными фермами, ригелями. На поперечные рамы опирают продольные элементы каркаса — подкрановые балки, ригели стенового каркаса фахверха, прогоны покрытия ив некоторых случаях фонари. Пространственная жесткость каркаса достигается устройством связей в продольном и поперечном направлениях.

Стальной каркас имеет определенные преимущества перед железобетонными. Его монтаж осуществляется значительно быстрее, а сокращение сроков строительства на один год дает значительную экономию стоимости основных фондов строящегося предприятия. Однако металлический каркас значительно дороже железобетонного, требует большого расхода металла и дороже в эксплуатации.