Для расчета фундамента на опрокидывание необходимо определить моменты, действующие на основание, в том числе вертикальные и горизонтальные нагрузки, а также моменты, возникающие от этих нагрузок. Важно учесть размеры фундамента и его центр тяжести, что позволит рассчитать критический момент, который фундамент может выдержать без опрокидывания.
Используя метод статики, можно вычислить внешние моменты и сравнить их с моментами сопротивления, создаваемыми фундаментом. Если момент сопротивления превышает внешние моменты, то фундамент будет устойчив к опрокидыванию. В противном случае требуется либо увеличить размеры фундамента, либо изменить его форму для повышения устойчивости.
Фундамент: расчет возможного опрокидывания
Представить себе опрокинутый фундамент частного дома достаточно сложно. Естественной причиной, по которой возможно опрокидывание небольшого дома, является ветер огромной силы, способный за счет парусности строения опрокинуть его набок. Например, как одиноко стоящую сосну, у которой нет фундамента, но вместо него есть корни.
Рис. 1. Варианты возможных поворотов и смещений фундамента: а – осадка с поворотом, б – осадка с поворотом и смещением, в – сдвиг по подошве.
При расчете фундамента на опрокидывание необходимо учитывать несколько ключевых факторов, таких как характеристики грунта, нагрузки от здания и геометрические параметры самого фундамента. Я всегда начинаю с анализа устойчивости грунта, так как его несущая способность определяет, насколько велики могут быть нагрузки, которые могут воспринимать фундамент. Если грунт недостаточно прочный, потребуется либо увеличить размеры фундамента, либо использовать дополнительные методы усиления.
Кроме того, важно учитывать распределение вертикальных и горизонтальных нагрузок на фундамент. Я предпочитаю использовать расчетный метод, который включает в себя анализ моментов от нагрузок, действующих на стену фундамента. Это позволяет более точно оценить риски опрокидывания. Важно не только проверить моменты, но и сопоставить их с устойчивостью фундамента, чтобы гарантировать, что конструкция выдержит все предполагаемые нагрузки и не будет подвержена риску деформации.
Также я всегда обращаю внимание на внешний вид фундамента и его взаимодействие с окружающей средой. Например, подъемы уровня грунтовых вод или изменение условий эксплуатации могут повлиять на его устойчивость. Я часто рекомендую проводить дополнительные исследования, чтобы обеспечить комплексный подход к проектированию. Это особенно актуально для фундамента, который будет подвергаться нестандартным нагрузкам или воздействию природных факторов.
Какой расчет необходим для основания дома?
Исходя из прямого назначения, которое состоит в равномерной передаче нагрузки сооружения на грунт, необходимо выполнить расчет ширины его опорной части и ее прочность.
Для этого необходимо определить вес сооружения, включая и собственный вес основания.
В расчет на прочность фундамента должны войти и снеговые нагрузки, передающиеся на него от кровли в зимнее время, и вес всего, что будет смонтировано и внесено внутрь помещения (отопительная система, водоснабжение, канализация, мебель и т. п.).
Ветровые нагрузки на невысокое здание в расчет фундамента на прочность не включают. Эти нагрузки учитывают, когда выполняют расчет на прочность такого элемента кровли, как мауэрлат, с помощью которого через стены они передаются на основание дома.
На рис. 1 показаны варианты возможных поворотов и смещений фундамента: а) осадка с поворотом, б) осадка с поворотом и смещением, в) сдвиг по подошве.
Рис. 2. Неправильный расчет прочности фундамента может привести к опрокидыванию всего сооружения.
На мелкозаглубленное основание в зимний период действуют выталкивающие силы, возникающие в результате пучения грунта. Неравномерное распределение этих сил и может привести к потере устойчивости фундамента, показанное на изображении, особенно в том случае, если по каким-либо причинам на основание не было возведено строение. Чтобы в этом случае исключить потерю устойчивости, грунт необходимо защитить от промерзания.
Если произошла потеря устойчивости, когда строительство дома было закончено, следует искать ошибки при расчете требуемой прочности. Но это все же не должно было привести к опрокидыванию всего сооружения, как это показано на рис. 2. Изображен небольшой дом, опрокидывание которого произошло не потому, что не был выполнен соответствующий расчет фундамента. При определении размеров основания и его заглубления, не были учтены физические свойства грунта (на изображении видно, что это песчаный грунт).
Нужен ли расчет основания частного дома на устойчивость?
Фундамент, который под действием внешних сил не опрокинется, не сдвинется в горизонтальной плоскости вместе с грунтом, считают устойчивым. На устойчивость рассчитывают фундаменты таких ответственных элементов, как опоры мостов, заводских труб и т. п.
В отличие от заводских труб расчет фундамента частных домов на опрокидывание можно не выполнять. И причина в том, что эти дома имеют сравнительно небольшую высоту. Если у заводской трубы центр тяжести и равнодействующая силы ветра находятся на значительной высоте от фундамента, в результате чего может образоваться момент достаточный для нарушения устойчивости, то для низкого строения, расчет по этому фактору просто не нужен.
В частном секторе в настоящее время также появляются отдельные строения, которые требуют расчетов их оснований на такое воздействие. Например, ветровые генераторы. На рис. 3 представлен 1 из вариантов основания для такого генератора. Следует обратить внимание на глубину заложения основания. Она явно превышает глубину промерзания грунта.
Остальные же размеры на изображении 3 могут служить только для ориентирования и могут отличаться от фактических размеров. Высота вышки – НВ, для надежной работы генератора, зависит от местности, но в среднем ее можно считать равной 20 м.
Определение опрокидывающего момента
Рис. 3. Схема основания ветрового генератора.
На рис. 4 приведена расчетная схема с указанием сил, действующих на фундамент. Основным фактором, создающим опрокидывание, является момент MU, а основным препятствием этому является сила FU. Именно эта составляющая препятствует потере устойчивости.
Равномерно распределенная нагрузка Р представляет собой реакцию грунта на действие силы FU. Сила Qr оказывает влияние на сдвиг в горизонтальной плоскости. При расчете на сдвиг большое значение имеет коэффициент трения кладки по грунту. Для расчета на опрокидывание эту силу не учитывают
Для определения опрокидывающего момента MU необходимо знать скорость ветра и площадь сооружения, на которую он воздействует (парусность). Чтобы обеспечить работу ветрового генератора, необходима минимальная скорость, равная примерно 6-8 м/с. Однако, необходимо учесть, что скорости ветра могут быть значительно больше, поэтому следует рассчитывать на максимально возможную в данном районе скорость. Например, при скорости ветра 10 м/с давление составляет 60 Н/м 2 , а при скорости 50 м/с это давление составит 1500 Н/м 2 . В таблице № 1 приведены значения, по которым, зная максимальные скорости ветра, можно определить его давление.
| Скорость ветра, м/с | |||||||||
| 1 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 40 | 50 | |
| Давление, Н/м 2 | 0,60 | 15 | 60 | 135 | 240 | 375 | 540 | 960 | 1500 |
Зная скорость ветра V и площадь лопастей SЛ, по таблице 1 определяем соответствующее давление и по этой площади вычисляем силу РЛ, приложенную к краю вышки, то есть на расстоянии НВ от поверхности земли. С учетом глубины h, на которой расположена подошва основания, плечо составит:
Ветер будет действовать и на вышку по всей ее длине. Для определения площади, вначале определим среднее значение ширины вышки, LСР
Рис. 4. Схема сил, действующих на фундамент.
LВ-ширина вышки в верхней ее части; LН – ширина вышки у основания.
Определим площадь вышки, нормальную к направлению ветра:
и теперь определим общую нагрузку РВ как произведение площади SВ на значение давления из таблицы 1. Эта сила будет приложена посредине высоты вышки.
Теперь можно определить опрокидывающий момент.
Определение противодействующего момента
Для определения этого момента необходимо знать вес вышки со всеми устройствами, вес фундамента и вес грунта на нем. Анализируя рис. 4 можно сделать вывод, что противодействовать будет и грунт, расположенный по бокам по направлению действия опрокидывающего момента. Это действительно так, но только после того, как грунт станет достаточно плотным.
А для этого потребуется определенное время. Поэтому в процессе строительства этот противодействующий фактор учитывать нельзя.
Как видно на рис. 4, расстояние от силы FU до точки О (проекция опорного ребра) равно а. Следовательно, условие устойчивости основания ветрового генератора будет:
где k >1- коэффициент надежности.
Как предупреждение следует указать, что приведенный расчет не учитывает многих факторов, которые обязательно учитывают при строительстве высотных зданий, заводских труб, железнодорожных и автомобильных мостов. Поэтому имеет смысл привлечь специалиста даже для установки такого, на первый взгляд, не сложного сооружения, как вышка.
Расчет на опрокидывание здания
Когда отношение высоты здания к его размерам в плане велико, а также существует большая податливость основания, то под действием ветровых и сейсмических нагрузок возможно опрокидывание здания. Расчет на опрокидывание здания очень важен, так как напрямую связан с конструктивной безопасностью здания в целом.
«Нормы строительства и проектирования многоэтажных железобетонных конструкций» (JZ 102-79) рекомендуют при расчете на опрокидывание здания придерживаться следующего отношения удерживающего момента MR к опрокидывающему Mov:
«Правила строительства и проектирования многоэтажных железобетонных конструкций» (JGJ 3-91) тот же расчет ведут по условию:
«Строительные нормы сейсмостойкого проектирования» ( GB 50011-2001) предписывают при сочетании нагрузок, в которые входят сейсмические воздействия, коэффициенты сочетания принимать равными 1,0. Для многоэтажных зданий с отношением высоты к ширине больше 4 не допускается отрицательное давление под подошвой фундамента, а также области с нулевым давлением. В остальных зданиях область нулевого давления не должна превышать 15% площади фундамента.
Согласно «Технической инструкции по проектированию конструкций высотных зданий» (JGJ 3-2002) для зданий с отношением высоты к ширине больше 4 в основании фундаментов не должно быть области нулевых напряжений; для зданий с отношением меньше 4 область нулевых напряжений допускается не более 15% площади фундамента.
Схема фундамента
1 — верхняя часть; 2 — подвал; 3 — расчетная точка сопротивления опрокидывающему моменту; 4 — нижняя грань фундамента
- Опрокидывающий и удерживающий моменты
Пусть площадь воздействия момента опрокидывания является площадью его основания, а сила воздействия — горизонтальном сеисмическои нагрузкой или горизонтальной ветровой нагрузкой:
где Mov — опрокидывающий момент; Н — высота здания; С — глубина подвала; V0 — суммарные значения горизонтальной силы.
Удерживающий момент вычисляется в краевых точках от воздействия суммарных нагрузок:
где МR — удерживающий момент; G — суммарные нагрузки (постоянные нагрузки, ветровые и снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением); В — ширина подвала.
- Регулирование удерживающего момента и область нулевых напряжений в основании фундамента
К расчету удерживающего момента
Предполагаем, что линии действия суммарных нагрузок проходят через центр основания здания (рис. 2.1.4). Расстояние между этой линией и равнодействующей эпюрой напряжений основания e0, длина области нулевых напряжений В-х, отношения длины области нулевых напряжений и длины основания (В — х)/В определяются по формулам:
Из формул получено отношение площади области нулевых напряжений и площади основания для безопасного удерживающего момента.
Зоны нулевого напряжения основания и условие опрокидывания конструкций
Соотношение моментов (MR/Mov)
