PIPE-CONCRETE CENTRALLY-LOADED SUB-COLUMN OF A STEEL COLUMN FOUNDATION

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

A new progressive solution is considered, which consists in improving the design and static calculation of the strength of the elements of the sub-column part of a pipe-concrete foundation, in simplifying the design of a sub-column made of structural concrete of increased and high strength and a thin-walled metal pipe, using it in the form of a permanent formwork as a working element of a composite structure, in reduction of labor intensity and terms of performance of works of the zero cycle. An algorithm is proposed for designing elements of a precast-monolithic reinforced concrete foundation for a column, including a pipe-concrete sub-column, its fl ange connection with a steel column from above and with a foundation slab from below. Thin-walled pipe metal is an economical casing for in-situ concrete.

Full Text

Объект исследования относится к области строительства и касается проектирования составного трубобетонного сборно-монолитного центрально-нагруженного железобетонного фундамента под стальную колонну. Фундаментами являются подземные конструкции, предназначенные для передачи нагрузки от вышележащих частей здания на грунтовое основание [1]. Сборные фундаменты конструируют в виде цельного блока, который состоит из плитной и подколонной части. Минимальный размер железобетонных фундаментов определяют из расчета действующих усилий в предельном состоянии. Проектный класс бетона по прочности на сжатие для монолитных фундаментов на естественном основании принимают не менее класса В12,5 (Rb = 7,5 МПа). Армирование подколонников прямоугольного сечения предусматривают сварными сетками, арматура классов А400 и В500. Стенки стакана подколонника армируют, как правило, поперечной и продольной арматурой в соответствии с расчетом. Сетки крепятся к жесткой опалубке. Затраты на применение съемной опалубки составляют 30-35 % от общей стоимости бетонных работ [1, 2]. Известные конструкции фундаментов [2-6] характеризуются недостаточной несущей способностью и высокой трудоёмкостью возведения, неэкономичностью в расходовании металла и монолитного бетона, необходимостью устройства съемной опалубки, приводящими к удорожанию работ и повышению сроков возведения здания. Конструкция сборно-монолитного фундамента под колонну, включающая армированную фундаментную плиту и подколонник Н. А. Ильин, Д. А. Панфилов, Ю. В. Жильцов 15 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 со стаканной частью для колонны и с нижней сквозной заполненной бетоном полостью, который соединен с фундаментной плитой посредством арматуры, выпущенной из фундаментной плиты и заведённой в его полость, предложена в Ас. SU № 863774 [7]. Данный железобетонный фундамент характеризуется сложностью изготовления и установки объёмного арматурного каркаса подколонника, большой трудоёмкостью и материалоёмкостью, неэкономичностью в расходовании металла и монолитного бетона при изготовлении составного фундамента под колонну. Предлагаемое авторами новое прогрессивное решение заключается в совершенствовании конструкции составного фундамента, в упрощении подбора геометрических характеристик и прочностных показателей металла трубы и конструктивного бетона в составе трубобетонного подколонника; в использовании металлической трубы в качестве несъемной опалубки составного сборно-монолитного фундамента под центрально нагруженную колонну [8]. Технологический и экономический эффект достигается за счет использования несъемной опалубки из тонколистовой металлической трубы для изготовления экономичного фундамента, повышения прочности и жёсткости подколонника, снижения трудозатрат на проведение фундаментных работ, сокращения массы строительной стали и объема конструктивного бетона, снижения срока возведения фундамента, установки и закрепления стальной колонны здания. Технологический и экономический эффект достигается тем, что сборно-монолитный центрально нагруженный фундамент под стальную колонну, включающий армированную фундаментную плиту и соединённый с нею сквозной подколонник, заполненный бетоном и скреплённый с фундаментной плитой, выполнен с рядом существенных особенностей. Основными особенностями предлагаемой конструкции фундамента являются: 1) в качестве несъемной опалубки подколонника принята тонкостенная металлическая труба; 2) подколонник выполнен составным, содержащим металлическую трубу, оборудованную фланцами с обеих сторон, и конструктивный бетон замоноличивания; 3) толщина металла трубы, подколонника, площадь сечения и предельное сопротивление бетона приняты по расчету на прочность центрально нагруженного трубобетонного элемента; 4) крепление базы стальной колонны с металлом трубобетонного подколонника осуществляется фланцевым соединением на болтах; 5) крепление подколонника к опорной плите осуществлено фланцевым соединением на шпильках, оборудованных упругими шайбами и высокими гайками; 6) предусматривается устройство битумной изоляции внешней поверхности частей фундамента; 7) плитная часть принята в виде типовой фундаментной плиты [8]. Класс бетона по прочности на сжатие выявляют по величине расчетного сопротивления бетона в сечении трубобетона (Rb, МПа), используя уравнение (1) где N - продольная сила на верхний обрез подколонника фундамента, кН; ms, mb - коэффициенты условий работы металла и бетона в составе трубобетона (ms = 0,9; mb = 1,2); Rs - расчетное сопротивление металла трубы, МПа; Амт - площадь сечения металла трубы, мм2, вычисленная по уравнению (2) где rex и rin - наружный и внутренний радиус трубы, мм; Аb - площадь сечения бетона трубы, мм2, вычисляют по уравнению (3) При заданных геометрических характеристиках металла трубы, бетона, её заполняющего, и величине расчетного сопротивления материалов по прочности на сжатие, толщину металла трубы (θмт, мм) вычисляют по уравнению (4) где Амт - требуемая площадь сечения (мм2) металла трубы подколонника, определяют по уравнению (5) где N - продольная сила, действующая на верхний обрез подколонника фундамента, кН; ms, mb - коэффициенты условий работы металла и бетона в составе трубобетона; Rs и Rb - расчетное сопротивление бетона и металла на сжатие, МПа;Сμ - длина окружности трубы, мм по среднему диаметру подколонника (dμ, мм), вычисляют по уравнению (6) Ab - площадь сечения, мм2, бетона в трубе подколонника вычисляют по уравнению (7) где rb - радиус сечения бетона, мм. Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 16 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Битумную изоляцию внешней поверхности трубобетонного подколонника и опорной плиты выполняют в соответствии с нормативной документацией по проектированию и устройству гидроизоляции подземных частей здания [9-14]. Узел сопряжения стальной колонны с подколонником выполнен в виде фланцевого соединения на болтах. Узел сопряжения подколонника с фундаментной плитой выполняют в виде фланцевого соединения на самоанкерующихся дюбель-шпильках с резьбовыми концами, оборудованными натяжными гайками и упругими шайбами (рис. 1). Заделку анкерных болтов (а) и (б) проводят цементным раствором (цемент марки 300); анкерные болты с цангой (в) самозаанкеривающиеся; анкерные болты (а) и (в) изготавливают Ø 18 ÷ 60 мм из стали Ст. 3; болты (б) изготавливают из проката периодического профиля Ø 14 ÷ 40 мм; глубина заделки анкерных болтов при статической нагрузке (15 ÷ 25) · d; при переменной нагрузке (20 ÷ 30) · d; min. расстояние между анкерными болтами (10 ÷ 15) · d; где d - диаметр болта, мм. Дюбель-шпилька с конусом (рис. 2, г) удобна при монтаже тем, что сверление отверстий производят непосредственно через фундаментные отверстия плиты. Дюбель с шайбой (рис. 2, д) отличается тем, что анкеровку производят без смещения в отверстия. Дюбель со штоком (рис. 2, е) обладает преимуществами перед дюбелями (рис. 2, г, д); установку дюбеля производят через фундаментные отверстия без сдвига плиты. Рис. 1. Трубобетонный центрально-нагруженный подколонник фундамента под стальную колонну: а - составной трубобетонный центрально-нагруженный подколонник фундамента под стальную колонну при минимальной толщине металла трубы: 1 - стальная колонна; 2 - база стальной колонны; 3 - фланцевое соединение подколонника со стальной колонной; 4 - обрез фундамента (отм. - 0,15 м); 5 - тонкостенная металлическая труба; 6 - бетон замоноличивания трубы; 7 - подколонник фундамента; 8 - фундаментная плита; 9 - анкерные шпильки с резьбой на одном конце; 10 - крепёжные гайки с упругими шайбами; б - поперечное сечение (А -А) подколонника Н. А. Ильин, Д. А. Панфилов, Ю. В. Жильцов 17 Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 Рис. 2. Устройство для закрепления опорного кольца подколонника к фундаментной железобетонной плите в виде анкерных болтов НИИЖБ (а, б, в) и/или самоанкерующихся дюбелей: дюбель-шпильки (г), дюбель с шайбой (д), дюбель-шпильки со штоком (е) а б в г д е Анкеровку дюбелей производят ударом молотка по выступающему концу штока. Новое прогрессивное решение трубобетонного подколонника фундамента под стальную колонну предлагается к использованию при проектировании объектов водоснабжения и водоотведения ООО НПФ «Экос», в работе Отраслевой научно-исследовательской лаборатории ЖБК, Центра инженерно-технических разработок, Испытательного центра «Самарастройиздат» Академии строительства и архитектуры СамГТУ и др. Использование несъемной металлической трубы в качестве опалубки приведет к сокращению затрат конструктивного бетона на 30 % и стали в два раза; исключение работ по изготовлению временной опалубки приведет к снижению трудозатрат и к снижению сроков проведения строительных работ нулевого цикла, совершенствование конструкции подколонника фундамента позволяет упростить подбор материалов (стали и бетона) для трубобетонного элемента. Пример 1. Дано: составной трубобетонный центрально-нагруженный подколонник фундамента под круглую стальную колонну (Ø 400 мм) при толщине металла трубы θмт = 2 мм (Rs = 350 МПа;), воспринимаемый расчетную продольную силу на верхний обрез трубобетонного подколонника) N = 2600 кН (260 тс) [15, 16]; наружный диаметр металлической трубы подколонника dex = 400 мм; наружный и внутренний радиусы тонкостенной металлической трубы подколонника ξех = 400/2 = 200 мм; ξib = 198 мм; радиус сечения бетона трубобетонного подколонника ξВ = ξib = 198 мм. Определить требуемый класс бетона по прочности на сжатие. Решение. 1. Площадь сечения в металлической трубе подколонника (Ав, мм2) вычислена по уравнению (3): Ав = . ξ2 in = 3,142 . 1982 = 123163 мм2, где ξin - внутренний радиус тонкостенной металлической трубы подколонника, мм. 2. Площадь металла трубы (Амм, мм2) вычисляют по уравнению (2): АМТ = . (ξ2 ex - ξ2 in) = 3,142 . (2002 - 1982) = 2500 мм2, где ξex и ξin - наружный и соответственно внутренний радиус металлической трубы подколонника, мм. 3. Расчетное сопротивление бетона на сжатие (Rв, МПа) в основном сечении трубобетонного подколонника вычисляют по уравнению (1): Rb = (N - ms · Rs · AMT)/(тb · Ab) = (2600 - 0,9 · 350 · 2500)/(1,2 · Ab) = 1816/147 = 12,3 МПа, где N - расчетная продольная сила на верхний обрез фундамента трубопроводного подколонника фундамента, кН; ms и mb - расчетные коэффициенты условий работы бетона и стали; АМТ и Ав - площадь металла трубы и соответственно бетона в трубе, мм2. 4. Требуемый класс бетона по прочности на сжатие В 25 (Rв = 14,5 МПа). Пример 2. Дано: Стальная центрально-нагруженная колонна dкол = 400 мм равна диаметру трубобетонного подколонника фундамента; предварительная толщина металла трубы подколонника θМТ = 6 мм; наружный диаметр трубы dex = 400 мм (RS = 350 МПа; ТS = 0,9); средний диаметр металлической трубы подколонника dμ = dex - 0,5 · θМТ, пр = 400 - 3 = 397 мм; бе- Градостроительство и архитектура | 2021 | Т. 11, № 3 18 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ тон класса В55 по прочности на сжатие (Rb = 30 МПа; md = 1,2); радиус основного сечения бетона ςb = (dex - θМТ, пр) = (400 - 2 · 6) / 2 = 194 мм; продольная сила, приложенная центрально на верхний образ трубобетонного подколонника N = 2400 kH (240 тс) [15, 16]. Определить требуемую толщину металла трубы подколонника. Решение. 1. Площадь сечения бетона (Ав, мм2) заполнения металлической трубы трубобетонного подколонника вычисляют по уравнению (7): Ав = . ξ2 b = 3,142 . 1942 = 118253 мм2, где ξb - радиус сечения бетона заполнения металлической трубы трубобетонного подколонника фундамента, мм. 2. Требуемую площадь сечения металла трубы трубобетонного подколонника вычисляют по уравнению (5): АМТ = (N - mb . Rb . Ab)/(тs . Aс) = (2400 . 103 - 1,2 . 30 . 118253)/(0,9 . 350) = 5895,5 мм2, где N - продольная сила, приложенная к верхнему обрезу подколонника, кН (тс); ms, mb - коэффициенты условий работы бетона и соответственно стали трубобетонного подколонника. 3. Длину окружности металлической трубы подколонника вычисляют по уравнению (6): С = n . d = 3,142 . 397 = 1247,4 мм. 4. Требуемую расчетную толщину металла трубы подколонника вычисляют по уравнению (4): θMT, пр = AMT/Cт = 5895,5/1247,4 = 4,73 мм; принято θMT, пр = 5 мм. Вывод. Использование несъемной опалубки из тонколистовой металлической трубы позволяет изготовить экономически выгодный сборно-монолитный фундамент под колонну. С применением предполагаемого фундамента повышается прочность и жесткость железобетонного подколонника, сокращается масса строительной стали и объем конструктивного бетона повышенной прочности, сокращаются сроки возведения фундамента и других работ нулевого цикла строительства здания.
×

About the authors

Nikolay A. ILYIN

Samara State Technical University

Email: panda-w800i@yandex.ru

Denis A. PANFILOV

Samara State Technical University

Email: panda-w800i@yandex.ru

Yuriy V. ZHILTSOV

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: panda-w800i@yandex.ru

References

  1. Posobie po proektirovaniyu fundamentov na estestvennom osnovanii pod kolonny zdanij i sooruzhenij [Manual on the design of foundations on a natural foundation under the columns of buildings and structures]. M., TsITP, 1989.
  2. Redkin V. I., Tetior A. N. Fundament pod kolonnu [Foundation under the column]. Ac SU 763524, IPC E02 D 27/42, application. 06.05.78, publ. 05.09.80. Bull. no. 34.
  3. Zhuravlev S. M. ZHelezobetonnyj fundament [Concrete Foundation], MPK E 02 D 27/42, AU SU 831897; declared.: 06.07.79, publ. 25.05.81. Bull. no. 19.
  4. Tetior A. N., Redkin V. I., Rodin, S. V. the Foundation under the column. IPC E 02 D 27/42; application 03.12.79, publ. 05.10.81. Bull. no. 35.
  5. Krakovsky O. N. Fundament pod kolonnu [The foundation under the column]. IPC E 02 D 27/42; application. 09.01.80; publ. 28.10.81. Bull. no. 39.
  6. Redkin V. I., Tykva P. N., Tregub A. S., etc. Fundament pod kolonnu [The foundation for the column]. Ac SU 541925, IPC E 02 D 27/42; application. 27.10.72; publ. 05.01.77, Bull. no. 1.
  7. Din B. H. Sborno-monolitnyj fundament pod kolonnu [Prefabricated monolithic foundation for the column]. Ac SU 863774, IPC E 02 D 27/42; application: 23.01.78; publ. 15.09.81. Bull. no. 34.
  8. Ilyin N. A., Mordovsky S. S., Panfi lov D. A. Sposob opredeleniya ognestojkosti trubobetonnoj kolonny zdaniya [Prefabricated monolithic centrally loaded foundation for a steel column]. IPC E 02 D 24/42; E 04 B 1/38/.; application for invention no. 2020000000, Asia.
  9. Baykov V. N., Sigalov E. E. ZHelezobetonnye konstrukcii. Obshchij kurs [Reinforced concrete structures. General course]. 4-th ed., M., Stroyizdat, 1985. (ch. 12 Reinforced concrete foundations.).
  10. Davlatov B. I. et al. Proektirovanie fundamentov zdanij i promyshlennyh sooruzhenij [Design of foundations of buildings and industrial structures]. M., Higher School, 1968.
  11. Polishchuk A. I. Osnovy proektirovaniya i ustrojstva fundamentov rekonstruiruemyh zdanij [Fundamentals of design and construction of foundations of reconstructed buildings]. 3rd ed. Tomsk, 3TT, 2007. 476 p.
  12. Pishchulev AA., Panfi lov D.A., Zhiltsov Yu.V., Buzovskaya Ya.I. Research of the work of reinforced concrete bended elements with the use of post-tensioned ropes. Gradostroitel’stvo i arhitektura [Urban Construction and Architecture], 2020, vol. 10, no. 1, pp. 24–29. doi: 10.17673/Vestnik.2020.01.4. (in Russian)
  13. Panfilov D.A., Iluin N.A., Mordovsky S.S., Buzovskaya Ya.A. Experimental test installation of bending reinforced concrete beam elements. Gradostroitel’stvo i arhitektura [Urban Construction and Architecture], 2019, vol. 9, no. 3, pp. 12–16. doi: 10.17673/Vestnik.2019.03.2. (in Russian)
  14. Rodionov I.K. Reinforcement of steel truss by welding. Gradostroitel’stvo i arhitektura [Urban Construction and Architecture], 2017, vol. 7, no. 1, pp. 26–29. DOI: 1017673/Vestnik.2017.01.4. (in Russian)
  15. SP 63. 13330. 202. «SNiP 52-01-2003. Betonnye i zhelezobetonnye konstrukcii. Osnovnye polozheniya» [«SNiP 52-01-2003. Concrete and reinforced concrete structures. The main provisions»].
  16. SP 266.1325 800. 2016. Konstrukcii stalezhelezobetonnye. Pravila proektirovaniya [Steel-reinforced concrete structures. Design rules].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2021 ILYIN N.A., PANFILOV D.A., ZHILTSOV Y.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies