Фундаменты под машины представляют собой специальные конструкции, которые обеспечивают устойчивость и долговечность при эксплуатации транспортных средств. Они должны учитывать не только вес автомобиля, но и характеристики грунта, водоотведение и климатические условия, что требует внимательного проектирования и материалов, способных выдерживать значительные механические нагрузки.
Отличительной особенностью таких фундаментов является необходимость обеспечения защиты от разрушительного воздействия влаги и токсичных масел, что может привести к деградации материала. Чаще всего для этих целей используются армированный бетон или специализированные композитные материалы, что позволяет существенно увеличить срок службы фундамента и снизить затраты на его обслуживание.
Назначение фундаментов и общие требования к ним
Фундаменты являются опорной частью оборудования и передают на грунт давление от его веса и сил, возникающих при работе. Кроме того, фундаменты придают оборудованию дополнительную жесткость и устойчивость.
Для нормальной работы оборудования фундамент должен обеспечивать:
- распределение на грунт сил от веса оборудования в соответствии с несущей способностью грунта;
- заданное при монтаже положение оборудования при всех грунтовых условиях;
- жесткость станины оборудования путем включения фундамента в общую систему;
- необходимую устойчивость оборудования за счет понижения центра тяжести всей установки;
- увеличение массы всего агрегата, а следовательно, уменьшение возможных амплитуд смещений при вибрациях и ударном действии сил;
- благоприятное влияние грунта как фактора демпфирования вибрации;
- защиту оборудования от внешних воздействий при работе окружающих машин и механизмов.
Неправильная конструкция фундамента может привести к возникновению вибраций, преждевременному износу оборудования, неточности работы, ухудшению качества обрабатываемых поверхностей, к смещению оборудования с установленного места, к износу станины и нарушению регулировок.
При устройстве фундаментов под оборудование необходимо стремиться к тому, чтобы общий центр тяжести фундамента и машины и центр тяжести подошвы фундамента находились на одной вертикали. Эксцентриситет для грунтов с расчетным нормативным давлением до 1,5 кгс/см2 — должен быть не более 3%, а для грунтов с нормативным давлением больше 1,5 кгс/см2 — не более 5% размера той стороны подошвы, в направлении которой происходит смещение центра тяжести.
Высота фундаментов и глубина их заложения зависит от особенностей грунта и определяется геологическими исследованиями.
Для обеспечения спокойной работы оборудования высоту фундамента нужно делать возможно меньшей, а его горизонтальные размеры большими, так как при этом уменьшается плечо действия горизонтальных сил и возрастает момент реактивного сопротивления грунта. Фундаменты под оборудование необходимо отделять от надземных и подземных соседних конструкций путем устройства зазора по всему периметру величиной не менее 0,5 м.
Форма и размеры фундамента в плане должны соответствовать форме поверхности оборудования, соприкасающегося с фундаментом, но в более упрощенном виде. Эта форма определяется главным образом схемой передачи нагрузок от станины на обрез фундамента.
При установке на фундаменты станков для точных работ, которые имеют значительные размеры и не обладают достаточной жесткостью станин, применяют регулируемые клинья или башмаки. При этом необходимо обеспечить удобную регулировку всех установочных клиньев для периодической выверки станка.
Высокоточные станки с жесткой станиной устанавливаются так, чтобы все деформации от действия внешних сил (неравномерность осадки фундамента и др.) не передавались от фундамента к станине и не нарушали точности станка. Такие станины устанавливаются на три опорные точки.
Верхняя часть фундамента таких станков должна выполняться по чертежам фундамента технических документов станка.
В зависимости от устанавливаемого оборудования фундаменты подразделяются на пять групп.
К первой группе относятся фундаменты общего назначения. Они используются для установки оборудования среднего веса и габаритов, работающих при умеренных режимах (транспортеры, конвейеры, насосы и т.п.). Конструкция таких фундаментов проста и обычно представляет собой бетонные или кирпичные блоки.
Вторая группа фундаментов включает фундаменты для машин с кривошипно-шатунными механизмами (поршневые машины, лесопильные рамы и т.п.). К третьей группе относятся фундаменты для машин с ударными нагрузками (ковочные молоты, копры и т.д.); они имеют значительные размеры и вес, а также упругие элементы, смягчающие удар. Четвертая группа объединяет фундаменты под тяжелое оборудование (турбоагрегаты, прокатные станы и т.п.). Эти фундаменты имеют значительные размеры и вес. Пятая группа объединяет фундаменты под легкие, средние и тяжелые металлорежущие станки.
Металлорежущие станки легкого и среднего веса устанавливаются обычно на бетонную подушку или на специально подготовленную бетонную подкладку пола. Под шлифовальные, зубообрабатывающие и отделочные станки обычно изготовляют специальные фундаменты. Фундаменты под тяжелые станки, а также под уникальные станки проектируются индивидуально; они имеют сложную конфигурацию и большой вес.
Для изготовления бетонных фундаментов обычно применяют портландцемент марок от 200 до 600. Сроки схватывания этого цемента: начало — не менее чем через 45 мин, конец — не более чем через 12 ч.
Заполнители для бетонов и растворов различаются по следующим признакам:
- по наибольшему размеру зерен (делятся на мелкие — пески с зернами до 5 мм и крупные — гравий, щебень — из кусков размерами 5-150 мм);
- по происхождению: природные (природный песок, гравий) или полученные дроблением и рассевом горных пород (песок, щебень) и искусственные (шлак и металлургические, битый кирпич);
- по объемному насыпному весу в сухом состоянии: тяжелые с объемным насыпным весом песка >1200 кгс/м3 и крупных заполнителей — >1000 кгс/м3 и пористые с объемным насыпным весом песка
- по назначению: для бетонов (крупные заполнители — щебень и гравий, мелкие — песок) и для растворов (только мелкие заполнители — песок).
При изготовлении фундаментов необходимо выполнить следующие основные технические условия. Фундаменты должны изготовляться по чертежам, которые должны содержать данные о материале, расположении осей фундамента относительно осей здания или других машин и проектные высотные отметки. При изготовлении фундаментов больших объемов (более 150 м3) их оси должны отмечаться реперами, вынесенными за пределы здания (бетонные столбы размером 50х50 см, врытые в землю на глубину не менее 0,2 м ниже уровня промерзания грунта).
Материалом для фундаментов может быть бетон или железобетон. Перед укладкой бетона в котлован проверяется установка закладных частей и анкерных болтов, а опалубка очищается от грязи и мусора. Бетон для фундамента должен поступать с бетонного завода в готовом виде: укладка его должна производиться механизированным способом с применением вибраторов с высоты не более 2 м и не позднее, чем 1,5 ч после его приготовления.
Для изготовления фундаментов применяются следующие марки бетона:
- под металлорежущие и металлообрабатывающие станки, транспортеры и другие машины со спокойным и уравновешенным режимом работы — 75-90;
- под тяжелые машины и машины с неуравновешенным режимом работы (механизмы прокатных станов, кузнечно-прессовые машины, тяжелые металлорежущие станки, двигатели внутреннего сгорания и паровые машины, пути для передвижения крапов и т.п.) — 90-110;
- под тяжелые и ответственные машины, к работе которых предъявляются повышенные требования в отношении возникающих вибраций (агрегаты с турбинным приводом, мощные насосы, вентиляторы, точные металлорежущие станки и т.п.) — 110-140.
Оценить прочность бетона можно по звуку при ударе и по состоянию поверхности после удара. Так, бетон марки 110-140 издает при ударе его молотком звонкий звук, на поверхности от удара молотка почти не остается следов, а при легкой насечке острым зубилом остается слабый след; бетон марки 60-90 издает глухой звук, от удара молотком остаются вмятины, а при ударе острым зубилом насечки глубиной 1-1,5 мм; бетон марки 30-50 издает мягкий звук, при ударе молотком получаются вмятины с осыпающимися краями, а при ударе острым зубилом он режется и осыпается.
При изготовлении бетона водоцементное отношение (отношение веса воды к весу цемента) принимается 0,5-0,7 для придания бетонной смеси большей подвижности. С понижением температуры скорость твердения бетона понижается.
В качестве добавок, повышающих стойкость бетона к водной среде, применяются трассы, пемзы, вулканические туфы, диатомиты, трепелы, опоки, кислые и основные гранулированные доменные шлаки, кислые золы. Если необходимо ускорить подготовку фундамента под монтаж, рекомендуется применять глиноземистый цемент (марки 400, 500 пли 600), прочность которого за сутки достигает 80% от проектной. Укладывать эту смесь необходимо при максимально допустимой температуре. Ускорить твердение бетона можно за счет температурной обработки (для получения 70% проектной прочности нужно дать 2000 град/ч при температуре 50-60 С).
Монтаж оборудования допускается при достижении прочности бетона не ниже 50% от проектной прочности на сжатие. К моменту пуска средне и тяжело нагруженных станков прочность бетона должна быть не менее 70% от проектной.
Современные конструкции фундаментов под машины и их расчет. Савинов О.А. 1979
В книге излагаются общие принципы устройства, способы расчета и правила конструирования фундаментов под машины с динамическими нагрузками (поршневые двигатели и компрессоры, электрические машины, турбоагрегаты, дробилки, лесопильные рамы, кузнечные молоты и др.). Особое внимание уделено современным облегченным и сборным конструкциям, а также рациональным способам устройства фундаментов на слабых и насыпных грунтах. Специальная глава посвящена мероприятиям по борьбе с вибрациями, вызываемыми работой неуравновешенных машин. Книга предназначена для инженеров-строителей и проектировщиков.
Часть первая. Общие положения
Глава 1. Фундаменты под машины 1. Виды машин и их классификация 2. Типы конструкций фундаментов под машины 3. Требования, предъявляемые к фундаментам под машины
Часть вторая. Массивные фундаменты на естественном основании
Глава 2. Основы расчета массивных фундаментов на колебания 1. Постановка задачи 2. Свободные колебания фундаментов 3. Вынужденные колебания фундаментов под действием периодических сил 4. Некоторые случаи расчета массивных фундаментов на действие сил малой продолжительности 5. Расчет колебаний фундаментов при групповой установке машин 6. Результаты экспериментального изучения колебаний массивных фундаментов 7. Методы определения характеристик основания, входящих в формулы для расчета фундаментов на колебания
Глава 3. Об осадках фундаментов, подвергающихся действию динамических нагрузок 1. Постановка вопроса 2. Результаты изучения процесса вибрационного уплотнения грунтов 3. О влиянии вибраций на сопротивление грунтов сдвигу и на сдвиговые деформации основания 4. Практические выводы и рекомендации
Глава 4. Выбор размеров и типа основания массивных фундаментов 1. Основные принципы выбора размеров массивных фундаментов 2. Определение минимальной высоты фундаментов по заданным условиям размещения и крепления машин 3. Определение глубины заложения, размеров подошвы и типа основания фундаментов 4. Устройство фундаментов под машины на насыпных грунтах 5. Методика типового проектирования массивных фундаментов под машины
Глава 5. Конструирование и расчет массивных фундаментов 1. Фундаменты машин периодического действия 2. Фундаменты машин непериодического действия 3. Фундаменты машин ударного действия 4. Фундаменты (основания) копровых бойных площадок
Часть третья. Свайные и рамные фундаменты
Глава 6. Проектирование и расчет свайных фундаментов 1. Условия применения свайных фундаментов для установки машин и особенности их конструирования 2. Расчет вертикальных колебаний свайных фундаментов 3. Расчет горизонтальных и горизонтально-вращательных колебаний свайных фундаментов
Глава 7. Проектирование и расчет рамных фундаментов 1. Общие сведения 2. Проектирование и расчет рамных фундаментов под турбоагрегаты и другие высокочастотные машины с вращающимися частями 3. Проектирование и расчет на колебания рамных фундаментов под мотор-генераторы и другие низкочастотные машины 4. Особенности конструирования и расчет прочности рамных фундаментов
Часть четвертая. Методы снижения уровня вибраций
Глава 8. Проектирование и расчет фундаментов с виброизоляторами под машины с динамическими нагрузками и под оборудование, чувствительное к сотрясениям 1. Общие сведения 2. Особенности устройства виброизоляторов 3. Виброизоляция машин с динамическими нагрузками 4. Виброизоляция оборудования, чувствительного к вибрациям
Глава 9. Мероприятия по борьбе с вибрациями, вызываемыми работой машин 1. Общие сведения о явлении распространения упругих волн в грунтах 2. О мерах предупреждения возможности возникновения недопустимых вибраций зданий и оборудования, предусматриваемых при проектировании 3. Способы снижения уровня колебаний существующих фундаментов неуравновешенных машин
Предисловие
С момента выхода в свет первого издания книги прошло около 15 лет. За эти годы в нашей стране и за рубежом было опубликовано значительное количество работ по вопросам расчета и проектирования оснований и фундаментов, подвергающихся динамическим воздействиям. Наиболее существенные результаты нашли в настоящем издании необходимое отражение.
Были внесены также коррективы, связанные с заменой действовавших ранее и появлением новых нормативных документов. В частности, благодаря любезному содействию д-ра техн. наук В.И. Ильичева, канд. техн. наук М.Г. Голубцовой и канд. техн. наук О.Я. Шехтер оказалось возможным учесть в книге основные положения новой редакции главы СНиП «Фундаменты машин с динамическими нагрузками. Нормы проектирования», подготовленной к изданию в 1979 г.
Автор считает своим долгом выразить признательность всем организациям и лицам, представившим свои материалы для книги. Глубокую благодарность автор приносит канд. техн. наук В.М. Пятецкому и инж. Б.К. Александрову, оказавшим ему большую помощь при подготовке рукописи книги к печати.
Типы конструкций фундаментов под машины
По конструкциям фундаменты под машины с динамическими нагрузками делятся на два основных вида — массивные и рамные.
Массивные фундаменты выполняются в виде сплошных блоков или плит с выемками, шахтами и отверстиями, необходимыми для размещения и крепления частей установки (машин, вспомогательного оборудования и коммуникаций), а также для ее обслуживания в процессе эксплуатации. В зависимости от особенностей компоновки машинных установок эти фундаменты могут устраиваться без подвала или с подвалом. Фундаменты бесподвального типа (наиболее распространенные) отличаются отсутствием развитой надземной части и применяются для машин, устанавливаемых на уровне самого нижнего этажа зданий. Напротив, фундаменты подвального типа имеют сильно развитую надземную часть, высота которой обычно соответствует высоте нижнего этажа.
Массивные фундаменты подвального типа можно разделить на фундаменты с массивной верхней частью (сплошные) и стенчатые, верхнее строение которых образовано продольными или поперечными стенами. Отметим, что фундаменты подвального типа со сплошным верхним строением являются неэкономичными и в современном строительстве не применяются.
В настоящее время массивные фундаменты находят широкое применение для установки машин всех видов. Общей их особенностью является большая жесткость, которая обычно позволяет пренебрегать в расчетах деформациями таких фундаментов и рассматривать их как твердые тела.
Рассмотрим несколько характерных примеров устройства массивных фундаментов.
На рисунке показан массивный фундамент бесподвального типа под воздушный горизонтальный поршневой компрессор производительностью в 35 м3/мин. Из рисунка видно, что этот фундамент представляет собой бетонный блок сложной формы, верхний обрез которого, за исключением отдельных выступов, совпадает с уровнем пола нижнего этажа здания. Выемки в верхней части фундамента позволяют удобно разместить машину и коммуникации, а также обеспечивают возможность обслуживания машины; для крепления последней к фундаменту используются анкерные болты, закладываемые в специальные шахты. Нижняя часть фундамента развита в плане и представляет собой плиту, плоской прямоугольной подошвой опирающуюся на грунт.
Существенно отличается по конструкции от вышеописанного фундамент бесподвального типа под вертикальный двухцилиндровый компрессор. Отсутствие глубоких выемок и отверстий в верхней части этого фундамента позволило устроить его в виде плиты, толщина которой составляет всего 0,6 м.
Фундамент в виде плиты под вертикальный двухцилиндровый компрессор производительностью 19 м3/мин
Так же как и в предыдущем примере, верхний обрез фундамента в основном совпадает с уровнем пола нижнего этажа. Электродвигатель компрессора устанавливается на этом же фундаменте.
На рисунке ниже приведена характерная конструкция фундамента подвального типа со стенчатым верхним строением, опирающимся на нижнюю плиту. В данном случае несущие стены расположены в поперечном по отношению к оси установки направлении и связаны поверху продольными ригелями.
Фундамент под мотор-генератор мощностью 750 кВт
Для удобства размещения машин, оборудования и коммуникаций в практике промышленного строительства наиболее часто применяются стенчатые фундаменты с продольным расположением стен; однако в некоторых случаях (например, для установки низкочастотных машин) предпочтение приходится отдавать фундаментам с поперечными стенами, обладающими большей жесткостью и прочностью при действии сил в плоскости, перпендикулярной оси машинной установки.
Существуют конструкции фундаментов, занимающие промежуточное положение между подвальными и бесподвальными. Это фундаменты лесопильных рам, имеющие достаточно развитую надземную часть, не доходящую, однако, до уровня перекрытия над подвалом. Подобные конструкции применяются изредка также для установки машин других видов (например, дробилок).
Фундамент под лесопильную раму
При известных условиях, которые будут рассмотрены ниже, оказывается целесообразным устанавливать по нескольку машин на одном общем (групповом) фундаменте. Такая установка рекомендуется для машин, при работе которых возникают значительные горизонтальные неуравновешенные силы инерции. Один из примеров устройства группового массивного фундамента подвального типа (под конусные дробилки) показан на рисунке ниже. Одна дробилка — I стадии дробления — расположена наверху, три дробилки II стадии дробления размещены внизу.
Стенчатый групповой фундамент под конусные дробилки I и II стадий дробления железорудных фабрик
I — место для дробилки I стадии дробления; 2 — места для дробилок
II стадии дробления; 3 — днище колодца
В качестве материала для возведения массивных фундаментов под машины применяется почти исключительно армированный бетон. Лишь для фундаментов небольших размеров, выполняемых в виде сплошных блоков под менее мощные машины, допускается использование неармированного бетона.
В необходимых случаях массивные фундаменты снабжаются так называемыми виброизоляторами (активной виброизоляцией), применение которых дает возможность ослабить динамическое действие машины на фундамент и уменьшить его колебания. Рассмотрим особенности рамных фундаментов. Конструктивные формы таких фундаментов, относящихся почти исключительно к подвальному типу, весьма разнообразны. Общей особенностью, характерной для любого рамного фундамента, является наличие несущей машину пространственной многостоечной жесткой рамы, заделанной стоиками в опорную плиту или фундаментные ленты. Горизонтальные элементы указанной рамы (поперечные и продольные по отношению к оси вала машины ригели) образуют площадку, предназначенную для установки и обслуживания машины.
Фундаменты рамного типа используются чаще всего для высокочастотных машин, хотя в последнее время эти конструкции стали применяться и под низкочастотные машины (мотор-генераторы, дробилки, мельничные установки).
Сборный стенчатый фундамент из дырчатых унифицированных блоков под мощный горизонтальный компрессор
1 — сборные блоки; 2 — монолитный бетон; 3 — отверстия в блоках (заштрихованы замоноличиваемые бетоном с арматурным каркасом)
Рамные фундаменты обычно устраиваются сборными или сборно-монолитными, характерный пример устройства сборно-монолитного рамного фундамента (под одну из опор вращающейся печи) приведен на рисунке ниже.
Сборно-монолитный рамный фундамент одной из промежуточных опор вращающейся печи
1 — сборные стойки; 2 и 3 — железобетонные плиты; 4 — монолитное заполнение верхней части; 5 — монолитный башмак
На рисунке ниже показан общий вид монолитного рамного фундамента под турбоагрегат. Из рисунка видно, что фундаментная пространственная рама состоит из ряда поперечных П-образных рам, ригели которых поддерживают подшипники агрегата; поперечные рамы связаны между собой в узлах продольными ригелями. Стойки рам жестко соединены с общей фундаментной плитой, имеющей форму прямоугольного параллелепипеда. Следует обратить внимание на четкую схему конструкции фундамента, что встречается не всегда. Нередко верхнее строение рамных фундаментов обладает сложной формой, включающей не только элементы рамной конструкции, но также и участки стен.
Железобетонный рамный фундамент под турбоагрегат мощностью 260 тыс. кВт
В качестве материала для рамных фундаментов в отечественной практике строительства применяется почти исключительно железобетон, однако встречаются верхние строения таких фундаментов и из металла. Рамные фундаменты с металлическим верхним строением обладают известными достоинствами, обусловившими их довольно широкое распространение за рубежом. Один из существующих металлических рамных фундаментов показан на рисунке ниже. Следует отметить, что при определенных условиях может оказаться целесообразным применение фундаментов с верхним строением смешанной конструкции — стальными стойками и железобетонными (с жесткой арматурой) ригелями, поддерживающими машину.
Стальной рамный фундамент под турбоагрегат мощностью 10 тыс. кВт
