ТРУБОБЕТОННЫЙ ЦЕНТРАЛЬНО-НАГРУЖЕННЫЙ ПОДКОЛОННИК ФУНДАМЕНТА ПОД СТАЛЬНУЮ КОЛОННУ

Полный текст

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.

Об авторах

Николай Алексеевич ИЛЬИН

Самарский государственный технический университет

Email: panda-w800i@yandex.ru

Денис Александрович ПАНФИЛОВ

Самарский государственный технический университет

Email: panda-w800i@yandex.ru

Юрий Викторович ЖИЛЬЦОВ

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: panda-w800i@yandex.ru

Список литературы

Дополнительные файлы