Устройство усиления опорной части фундамента при увеличении моментной нагрузки одного знака

 

Изобретение относится к строительству, а именно к реконструкции и восстановлению зданий и сооружений, а также может быть использовано для усиления опорной части эксплуатируемых фундаментов при увеличении моментных нагрузок одного знака. Устройство для усиления опорной части фундамента при увеличении моментной нагрузки одного знака включает устроенный вокруг существующего фундамента и увеличивающий опорную площадь дополнительный элемент фундамента. Новым в изобретении является то, что общая опорная площадь усиленного фундамента имеет форму равнобедренной трапеции с уширением в направлении действия моментной нагрузки. Площадь трапеции А и ее большее основание b_макс определены по приведенным зависимостям. Технический результат заключается в создании эффективного усиления преимущественно в стесненных условиях реконструкции путем увеличения опорной площади фундамента, при котором материалоемкость и трудоемкость будут минимальными. 5 ил.

Изобретение относится к области строительства, а именно к реконструкции, восстановлению сооружений (зданий) и может быть использовано для усиления опорной части эксплуатируемых фундаментов при увеличении моментных нагрузок одного знака.

Известно устройство усиления фундамента, содержащее сваи, задавленные по периметру фундамента, упорную балку, установленную в сквозное отверстие, пробитое в теле фундамента, и соединенную через опорные стойки со сваями (а. с. N 1008357, E 02 D 21/01). Реализация такого усиления достаточно трудоемка и трудновыполнима в стесненных для реконструкции условиях. Кроме того, в процессе образования в теле фундамента сквозного отверстия в нем могут появиться трещины и микротрещины, которые повлияют на эксплуатационную пригодность фундамента.

Известно другое устройство усиления фундамента, включающее размещенный на расстоянии от него дополнительный фундамент, который выполнен в виде нескольких вертикальных опор, объединенных ростверком, и расположен между смежными фундаментами, горизонтальный и наклонный элементы. Наклонный элемент каждого фундамента жестко заделан нижним концом в ростверк, а верхним - в нижнюю часть усиливаемого фундамента, причем горизонтальный элемент выполнен гибким, размещен между смежными фундаментами в их верхней части и соединен с ними шарнирно (а. с. N 1456507, Мкл E 02 D 27/08). Это устройство предназначено для усиления группы известных фундаментов. Преимущество его заключается в том, что оно может быть применено в стесненных условиях реконструкции. Однако область его применения ограничена - он неприменим для отдельно стоящих фундаментов промышленных сооружений (башни, трубы и т.п.). Кроме этого, при значительных расстояниях между осями фундаментов повышается его материалоемкость.

Для отдельно стоящих фундаментов известна конструкция усиления фундамента по а. с. N 1170050, Мкл E 02 D 27/08, содержащая дополнительный фундамент, горизонтальную балку, расположенную между основным (усиливаемым) и дополнительным фундаментами. Балка с одной стороны шарнирно соединена с верхней частью дополнительного фундамента, а с другой - упирается в верхнюю часть основного фундамента. В тело усиливаемого фундамента жестко заделан конец наклонного стержня, а верхний его конец прикреплен к верхней части дополнительного фундамента. Устройство имеет приспособление для продольного сжатия горизонтальной балки. Реализация такого усиления также достаточно трудоемка.

Наиболее близким по технической сущности является устройство усиления отдельно стоящего фундамента симметричным увеличением опорной площади относительно центра тяжести его подошвы. Это усиление осуществляется за счет устройства вокруг фундамента железобетонных приливов или железобетонной рубашки. При этом центр приложения результирующей вертикальной нагрузки совпадает с центром тяжести подошвы усиливаемого фундамента (Мальганов А.И., Плевков В. С. , Полищук А.И. Усиление железобетонных и каменных конструкций: Атлас схем и чертежей. - Томск, Из-во Том. ун-та, 1989, листы 67, 68). При увеличении моментных нагрузок одного знака, симметричное увеличение опорной площади подошвы фундамента нерационально и требует больших трудовых и материальных затрат.

Задача предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы при увеличении моментной нагрузки одного знака создать эффективное усиление, преимущественно в стесненных условиях реконструкции, путем увеличения опорной площади фундамента, при котором материалоемкость и трудоемкость были бы минимальными.

Поставленная задача решается тем что, в известном устройстве усиление опорной части фундамента при увеличении моментной нагрузки одного знака, имеющем дополнительный элемент фундамента, устроенный вокруг (вдоль) существующего фундамента и увеличивающий его опорную площадь, общая опорная площадь усиленного фундамента (подошва фундамента) имеет форму равнобедренной трапеции с уширением в направлении действия моментной рагрузки. Общая площадь трапеции A и ее большее основание b_макс определены по формулам: при заданной эпюре контактного давления, характеризуемой параметром ρ = p_мин/p_макс, (3) принимаемого в пределах: -0,333≤ ρ 0,667, где Σ N - суммарная вертикальная нагрузка, действующая на фундамент в уровне его обреза после реконструкции сооружения (здания), кН; R - расчетное сопротивление грунта основания, кПа; p_мин, p_макс - соответственно минимальное и максимальное давление под краями подошвы фундамента, кПа; d - глубина заложения подошвы фундамента, м;
- осредненное значение удельного веса материала фундамента и грунта на его обрезах, кН/м³ ( =20 кН/м³);
b_мин - меньшее основание трапеции, не менее ширины подошвы существующего фундамента, м;
k_x - коэффициент, учитывающий расположение центра тяжести вновь сформированной трапециевидной площади подошвы усиленного фундамента по оси симметрии. При усилении существующих фундаментов увеличением опорной площади в виде трапеции, коэффициент k_x определяется по формуле

где a - высота трапеции, находящаяся в плоскости действия момента сил, м. Размер a назначается конструктивно, исходя из условий производства работ при реконструкции сооружения или здания (наличие коммуникаций, близко расположенных фундаментов и др.).

Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что:
1. Опорная площадь усиленного фундамента имеет форму равнобедренной трапеции.

2. Общая площадь трапеции (подошвы фундамента) A и ее большее основание b_макс определены по формулам (1) и (2).

3. Трапеция (площадь подошвы фундамента после усиления) уширяется в направлении действия моментной нагрузки.

4. Основные размеры и площадь подошвы усиленного фундамента трапециевидной формы в плане определены при заданной эпюре контактных давлений (параметре ρ).

Выбор параметра ρ зависит от функционального назначения сооружения (здания), характера передачи нагрузок на фундаменты и характеристик грунтов основания. Так, для внецентренно нагруженных фундаментов под колонны промышленных зданий, фундаментов высотных сооружений вид эпюры контактного давления трапециевидный. Параметр ρ рекомендуется принимать в этом случае в пределах 0,25≤ ρ ≤0,667. Для фундаментов сооружений (зданий) при значительных моментных нагрузках (в том числе одного знака), а также усиливаемых фундаментов реконструируемых, восстанавливаемых зданий в стесненных условиях вид эпюры контактного давления трапециевидный, треугольный или треугольный укороченной длины. Параметр ρ рекомендуется принимать в этом случае в пределах -0,333≤ ρ ≤0,25.

Усиление фундамента увеличением опорной площади в форме равнобедренной трапеции, уширяющейся в сторону увеличения моментной нагрузки, позволяет:
- уменьшить суммарную моментную нагрузку на усиленный фундамент за счет смещения центра тяжести подошвы и появления момента сил обратного знака;
- при значительных моментных нагрузках одного знака ограничить развитие подошвы фундамента в направлении действия момента сил и вести реконструкцию здания в стесненных условиях;
- получать по уравнению (1) меньшую опорную площадь подошвы усиленного фундамента трапециевидной формы в плане при всех прочих равных условиях;
- снизить материалоемкость и трудоемкость при выполнении работ по усилению фундамента.

Изобретение поясняется графическими материалами. На фиг. 1 изображена конструкция усиления фундамента, вид сбоку. На фиг. 2 - вид эпюры контактного давления фундамента после его усиления при ρ > 0, к фиг. 1. На фиг. 3 - сечение I-I к фиг. 1. На фиг. 4 изображена конструкция усиления фундамента под оборудование в стесненных условиях, вид сбоку. На фиг. 5 - вид эпюры контактного давления усиленного фундамента под оборудование при параметре ρ = 0, к фиг. 4.

Предлагаемая конструкция состоит из существующего (усиливаемого) фундамента 1 и дополнительного элемента 2. Дополнительный элемент 2 расположен вокруг плитной части существующего фундамента 1, они образуют вместе общую площадь подошвы A в виде трапеции 3, расширение которой направлено в сторону увеличения моментной нагрузки ΣM. Общая площадь трапеции (подошвы) A усиленного фундамента определена по формуле (1). Большая сторона трапеции (b_макс) 4 определена по формуле (2). Меньшая сторона трапеции (b_мин) 5 и высота трапеции (a) 6 заданы конструктивно исходя из размеров подошвы существующего фундамента, условий производства работ при реконструкции сооружения и др. Обеспечение совместной работы плитной части существующего фундамента 1 и его дополнительного элемента 2 осуществляется известными способами. Например, привариванием арматуры усиления к рабочей арматуре плитной части существующего фундамента и последующим устройством приливов из бетона. Давление по подошве фундамента после его усиления p_мин, p_макс, p. Вид эпюр контактного давления характеризуется параметром ρ = p_мин/p_макс. Точка O_p - центр тяжести подошвы существующего фундамента до усиления. Точка O_t - центр тяжести подошвы фундамента (трапеции) после усиления, расположение которого характеризуется коэффициентом k_x.

После реконструкции сооружения (здания) на существующий фундамент, до его усиления, в уровне обреза действуют суммарная вертикальная нагрузка ΣN и суммарный момент ΣM. На фундамент после его усиления в центре тяжести подошвы (трапеции) на уровне его заложения действуют суммарная вертикальная нагрузка ΣN_t и суммарный момент сил ΣM_t (фиг. 1-3).

Пример конкретного выполнения
Требуется усилить существующий фундамент 1 под оборудование 7 (фиг. 4) внутри здания 8. Усиление вызвано появлением дополнительной эксплуатационной нагрузки 9 (N = 600 кН), приложенной на расстоянии 1,81 м от оси, проходящей через точку O_p (центр тяжести подошвы существующего фундамента). После приложения дополнительной эксплуатационной нагрузки 9 на существующий фундамент 1 будет передаваться момент сил ΣM = 600·1,81 = 1084,2 кНм. При обследовании существующего фундамента было установлено, что он прямоугольной формы в плане с размерами сторон подошвы 2,0 х 1,5 м. Глубина заложения существующего фундамента d = 2,0 м. При обследовании также выявлено, что на расстоянии 1,0 м от края подошвы существующего фундамента 1 проложены инженерные коммуникации 10. На существующий фундамент 1 в уровне его верхнего обреза действует ΣN = 1000 кН (с учетом дополнительной эксплуатационной нагрузки N = 600 кН).

Расчетное сопротивление грунта основания R = 250 кПа, установленное по СНиП 2.02.01-83^*, Основания зданий и сооружений с учетом фактических характеристик грунтов, залегающих в основании фундамента.

Принимаем для усиленного фундамента треугольный вид эпюры контактного давления, которая характеризуется параметром ρ = 0 (фиг. 5). Это объясняется тем, что треугольный вид эпюры контактного давления по подошве рассматриваемого фундамента наиболее невыгодный (предельный) при действии моментной нагрузки одного знака.

Значительно увеличить подошву фундамента (высоту трапеции (a) 6, фиг. 3) в направлении действия момента сил ΣM не позволяют подземные инженерные коммуникации 10 и близко устроенный ленточный фундамент 11 под стену существующего здания. Принимаем максимально возможное значение высоты трапеции a усиленного фундамента a = 3,0 м. При этом увеличение a в направлении ленточного фундамента 11 возможно на расстояние 0,15 м, а в направлении инженерных коммуникаций 10 на расстояние 0,85 м. Принимаем минимально возможное значение меньшей стороны усиленного фундамента 5 (трапеции) b_мин = 1,8 м. Этот размер принят по конструктивным соображениям, так как в направлении меньшей стороны подошвы существующего прямоугольного фундамента (равной 1,5 м) толщина железобетонных приливов с обеих сторон его плитной части составит по 0,15 м.

По формуле (3) определяем коэффициент k_x, который устанавливает расположение центра тяжести подошвы усиленного фундамента трапециевидной формы в плане,

Площадь подошвы усиленного фундамента A (трапеции) при принятом параметре ρ = 0 согласно (1) составит

а большее основание (b_макс) 5 согласно (2) равно

Окончательно принимаем следующие размеры подошвы усиленного фундамента трапециевидной формы в плане: высоту трапеции 6 равной a = 3,0 м; меньшую сторону подошвы 5 равной b_мин = 1,8 м; большую сторону подошвы 4 равной b_макс = 3,5 м. Эти размеры соответствуют общей площади подошвы усиленного фундамента A = 7,95 м² при треугольной эпюре контактного давления с параметром ρ = 0.

Для сравнения определим требуемые размеры подошвы усиленного фундамента прямоугольной формы в плане при треугольной эпюре контактного давления (ρ = 0) и тех же нагрузках. Как и в предыдущем случае принимаем максимально возможное значение стороны подошвы a усиленного фундамента в плоскости действия момента сил, равное a = 3,0 м. При этом увеличение стороны a в направлении существующего фундамента 11 возможно на расстояние 0,15 м, а в направлении инженерных коммуникаций 10 на расстояние 0,85 м (фиг. 4).

Принимаем минимально возможное значение ширины подошвы b (стороны перпендикулярной плоскости действия момента сил ΣM) фундамента, равной b = 1,8 м. Этот размер принят по конструктивным соображениям с учетом устройства с двух сторон плитной части фундамента железобетонных приливов шириной по 0,15 м.

Общая площадь подошвы усиленного фундамента при принятых значениях a и b, составит
A = a·b = 3,0·1,8 = 5,4 м².

Проверяем условия:




где W - момент сопротивления прямоугольной подошвы усиленного фундамента, равный

ΣM_t - суммарный момент сил относительно центра тяжести подошвы усиленного фундамента прямоугольной формы в плане, кНм:
ΣM_t = ΣM - ΣN·a_pt = 1084,2 - 1000·0,45 = 634,2 кНм,
где a_pt - расстояние от центра тяжести существующего фундамента, точка O_p, до центра тяжести подошвы усиленного фундамента прямоугольной формы в плане, точка O_t, равное a_pt = 0,45 м.

Подставляя полученные значения W, ΣM_t в (5)-(8), получим:




Требуемые условия не выполняются, необходимо увеличить размеры прямоугольной подошвы фундамента.

Поскольку сторону a = 3 м увеличить невозможно, увеличиваем ширину подошвы прямоугольного фундамента b и принимаем b = 3,0 м. Тогда площадь подошвы усиленного фундамента при принятых значениях a и b, составит
A = a·b = 3,0·3,0 = 9,0 м².

Момент сопротивления прямоугольной подошвы усиленного фундамента W равен

Суммарный момент сил ΣM_t относительно центра тяжести подошвы усиленного фундамента равен
ΣM_t = ΣM -ΣN · a_pt = 1084,2 - 1000·0,404 = 680,02 кН·м,
Проверяем условия (5)-(8)




Требуемые условия выполняются. Но полученная площадь подошвы усиленного фундамента прямоугольной формы в плане при принятых параметрах на 15% больше по сравнению с трапециевидной.

Формула изобретения

Устройство усиления опорной части фундамента при увеличении моментальной нагрузки одного знака, включающее устроенный вокруг существующего фундамента и увеличивающий опорную площадь дополнительный элемент фундамента, отличающееся тем, что общая опорная площадь усиленного фундамента имеет форму равнобедренной трапеции с уширением в направлении действия моментной нагрузки, площадь трапеции А и ее большее основание bмакс определены по формулам


при заданной эпюре контактного давления, характеризуемой параметром
ρ = p_мин/p_макс, (3)
принимаемым в пределах: -0,333 ≤ρ≤ 0,667,
где ΣN - суммарная вертикальная нагрузка, действующая на фундамент в уровне его обреза после реконструкции сооружения или здания, кН;
R - расчетное сопротивление грунта основания, кПа;
р_мин, р_макс - соответственно минимальное и максимальное давление под краями подошвы фундамента, кПа;
d - глубина заложения подошвы фундамента, м;
- осредненное значение удельного веса материала фундамента и грунта на его обрезах, = 20 кН/м³;
bмин - меньшее основание трапеции, не менее ширины существующего фундамента, м;
k_х - коэффициент, учитывающий расположение центра тяжести вновь сформированной трапециевидной площади подошвы усиленного фундамента по оси симметрии, определяемый по формуле

где а - высота трапеции, находящейся в плоскости действия момента сил, м, назначается конструктивно, исходя из условия производства работ при реконструкции сооружения или здания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5