Строительство и архитектура/3. Современные технологии строительства, реконструкции и  реставрации.

к.т.н., доцент Грязнов М.В.,

студент Юдина Т.А.,

студент Бледных Е.О..

К расчету усиления столбчатых каменных

фундаментов при реконструкции зданий

Владимирский государственный университет, Россия

Реконструкция зданий часто связана с надстройкой и переоборудованием помещений, а следовательно с увеличением нагрузки на фундаменты, что требует проведение мероприятий по усилению, как самих фундаментов, так и грунтов основания. При оценке технического состояния фундаментов, повреждения материла кладки в виде деструкции достигают 200…300 мм, что приводит к снижению прочности материала кладки и уменьшению ширины подошвы. Следовательно, требуется проведение мероприятий по усилению фундаментов с уширением подошвы. Эффективным известным способом усиления является устройство железобетонной обоймы вокруг отдельно стоящего фундамента. Поскольку единой методики назначения армирования до сих пор нет, то предлагается следующее решение.

После разборки и удаления поврежденного материала, отдельно стоящий фундамент получает форму усеченной многогранной пирамиды. В расчетах ее заменяем усеченным конусом. Для определения армирования принятой конической оболочки используем цилиндрическую систему координат. Центральная ось системы и вертикальная ось фундамента совмещены. Считая материал кладки сплошным как в случае бетонного фундамента, кольцевые усилия и соответствующее кольцевое армирование конусной оболочки (обоймы) определяем из условия совместного деформирования материала фундамента и обоймы (см. рис. 1).

Нормальные напряжения в принятой системе координат определим, используя зависимости [2]:

,

где A_z –площадь сечения фундамента с координатой z; - средний объемный вес тела фундамента; μ – коэффициент поперечной деформации материала усиливаемого фундамента.

Напряжения, нормальные к внутренней поверхности обоймы равны:

,

где α – угол наклона боковых граней (образующей) фундамента к горизонту.

В пределах малой величины A_z, принята равной 1 см. Изменением величины напряжений и диаметра d(z) конической оболочки можно пренебречь, соответственно в интервале [z, z+1] эти значения постоянны, а растягивающие усилия в сечении z для кольца высотой равны:

,

где t – толщина оболочки обоймы.

В предельном состоянии материала фундамента , что соответствует максимальному значению усиления в сечении z. С учетом значений при имеем выражение для (z):

(1)

Выражение (1) позволяет построить эпюру (z), в соответствии с которой следует выполнять кольцевое армирование железобетонной обоймы.

Вертикальное армирование обоймы назначим из условия восприятия усилия N от колонны в любом горизонтальном сечении:

(2)

где обозначения согласно норм.

При наличии анкерных болтов кольцевое армирование в зоне их отгибов назначается из условия

,

где N_a – суммарное усилие растяжения, воспринимаемое анкерами, либо от затяжки анкерных болтов. Верхнюю часть оболочки - обоймы необходимо усиливать косвенным армированием для исключения разрушения бетона обоймы под базой колонны при увеличении ее площади.

Толщина бетона оболочки-обоймы назначается в пределах 150…200 мм.

Рис. 1. Схема усиления фундамента - увеличение ширины существующего фундамента по периметру; h₁ – высота кольца, А_sp – напрягаемая арматура кольцевая; а – элемент конусной оболочки – обоймы; - усиливаемый фундамент.

Для обеспечения совместной работы обоймы и тела фундамента следует применять бетон класса В15…20 на безусадочном цементе; арматура А300, А400.

В случае, если фундаменты под колонны (столбы) находятся в работоспособном состоянии, но площадь подошвы недостаточна из-за роста нагрузок, снижения несущей способности грунтов, следовательно, необходимо увеличение площади подошвы.

Требуемая дополнительная площадь фундамента (без учета веса усиления) определяется выражением

(3)

где - величина разгружения; А_ф площадь подошвы старого фундамента.

Сцепление старого материала и нового бетона крайне неопределенно, поэтому целесообразно для обеспечения надежной совместной работы старой и новой части фундамента применить предварительное напряжение, следовательно рациональна кольцевая форма обоймы. Натяжение может выполняться электромеханическим или механическим методом, а также используя для усиления самонапряженный железобетон.

Требуемое напряжение обжатия определится из условия равновесия сил трения по поверхности контакта старого и нового бетона и реакции грунта под усиливающей частью фундамента (обоймы):

,

где – реактивное давление грунта под дополнительной площадью подошвы фундамента; a и b – размеры подошвы старого фундамента; h₁ – высота ступени старого фундамента; f – коэффициент трения бетона по бетону.

Изгибающий момент в нижней точке контакта старого материала и нового бетона вызывает напряжения , значения которых не должны превосходить

.

Для полосы единичной ширины

.

Момент в консольной части усиливающего кольца

,

где - радиус обоймы усиления, - радиус вписанной окружности.

Усилия в кольце определяем согласно [2, c. 661]. Включая в совместную работу новый материал со старым фундаментом, возрастут изгибающие моменты в его нормальных сечениях, прочность которых удобно обеспечить увеличением плеча внутренней пары за счет наращивания высоты сечения каждой ступени (). Требуемая высота сечения равна:

,

где - площадь сечения арматуры усиливаемого фундамента;

- момент в сечении уступов;

- момент в том же сечении, от отпора грунта под усиливающей частью ().

Соответственно: ;

.

Если неизвестно, то площадь может быть назначена по требованиям ранее действовавших норм.

Литература:

1. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений. – М., 1985, с. 2-15.

2. Справочник проектировщика. Расчетно-теоретический. – М., 1980.– 661с.