Нагрузки и воздействия на основания

При проектировании оснований и фундаментов нагрузки и воздействия их классификацию, вид, интенсивность, условия воздействия (приложения), возможные сочетания назначают в соответствии с требованиями СНиП, в которых приведены нормативные значения нагрузок. Расчетные значения определяют как произведение нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке γ _f применительно к рассматриваемому предельному состоянию. В самих же расчетных формулах учитываются и другие коэффициенты надежности.

Нагрузки и воздействия в зависимости от продолжительности действия подразделяют на следующие группы: длительные - действующие в течение всего времени существования сооружения (вес всех его частей и элементов, вес и давление грунтов); длительные временные - действующие продолжительное время, но отсутствующие в отдельные периоды (вес стационарного оборудования, нагрузки на перекрытия от складированных материалов, вертикальные нагрузки от кранов, нагрузки от людей (с пониженными нормативными значениями), снеговые нагрузки (с понижением в зависимости от снегового района), а также воздействия, обусловленные деформациями основания, не сопровождающимися коренным изменением грунта); кратковременные - действующие эпизодически (вес людей и ремонтных материалов, нагрузки от людей (с полными нормативными значениями), снеговые нагрузки (с полными нормативными значениями), ветровые нагрузки).

К особым нагрузкам относятся воздействия, обусловленные деформациями основания с коренным изменением структуры грунта (при замачивании просадочных грунтов), оседанием его в районах горных выработок и в карстовых районах, сейсмические, взрывные и другие аналогичные воздействия. Одновременное действие всех этих нагрузок маловероятно и нормы рекомендуют учитывать следующие их сочетания: основное, состоящее из постоянных длительных и кратковременных нагрузок; особое, в котором к основному сочетанию добавляется одна из особых нагрузок.

СНиП 2.01.07-95 в сочетании нагрузок рекомендуют учитывать следующие положения. Временные нагрузки с двумя нормативными значениями (нагрузки от людей, снеговые нагрузки), когда их рассматривают как длительные, включать с пониженными, а когда как временные - с полными нормативными значениями. Равномерно распределенные временные нагрузки в расчетах рекомендуется принимать при полном нормативном значении менее 2 кПа с коэффициентом надежности по нагрузке γ _f = l,3, а при 2 кПа и более - с коэффициентом γ _f = 1,2. В связи с малой вероятностью приложения и времени действия одновременно на всех этапах полных временных нагрузок СНиП рекомендуют снижать их введением коэффициентов сочетания ψ _а и ψ _n, на которые умножаются нормативные нагрузки. Коэффициент сочетания ψ _а учитывает размеры грузовых площадей, а коэффициент сочетания ψ _n - число этажей над рассчитываемым элементом.

В расчетах оснований для квартир, спальных комнат общежитий, санаториев, домов отдыха, палат больниц коэффициент сочетания нагрузок можно определять по упрощенной формуле

, (1.1)

где n - число перекрытий, от которых нагрузка передается на основание (в том числе от чердачного и перекрытий над подвалом и подпольем).

Для зрительных, читальных, обеденных залов и подобных помещений при n ≥2

. (1.2)

Значения коэффициентов ψ _а и ψ _n для других видов нагрузок приведены в СНиП.

Применительно к основаниям (СНиП 2.02.01-83) расчеты по деформациям рекомендуется производить на основное сочетание нормативных нагрузок, по несущей способности - на основное сочетание расчетных нагрузок, а при наличии особых нагрузок и воздействий - на основное и особое сочетание.

Нагрузки на перекрытия и снеговые нагрузки при расчете по деформациям считаются длительными, а по несущей способности - кратковременными. Нагрузки от подвижного оборудования в обоих случаях считаются кратковременными.

В основном сочетании нагрузок, включающем одну временную нагрузку, коэффициент надежности γ _f принимают равным 1,0, а включающем две и более временных нагрузки - для длительных нагрузок γ _f = 0,95, а для кратковременных - γ _f = 0,9.

В расчетах оснований необходимо учитывать пригрузку от складированного материала и оборудования, размещаемого вблизи фундаментов.

Усилия от температурных воздействий в расчетах по деформациям можно не учитывать, если расстояние между температурно-усадочными швами не превышает значений, принятых для проектируемого сооружения.

Необходимо отметить, что приведенные сочетания нагрузок отвечают главным образом условиям работы строительных конструкций, находящихся в пределах упругости, к которым применим принцип независимости действия сил; после снятия нагрузки остаточные деформации отсутствуют и конструкция принимает свое первоначальное положение.

Для естественных оснований рекомендуемые сочетания нагрузок, строго говоря, применимы при одновременном, одноразовом приложении всех нагрузок, действующих постоянно. Эти условия имеют место в зданиях и сооружениях, в которых постоянные нагрузки значительно превышают временные и последние существенно не влияют на общую осадку фундаментов. В тех случаях, когда временные нагрузки преобладают над постоянными, эти сочетания следует назначать с учетом изменения осадок во времени от различных нагрузок. Поскольку осадки протекают во времени и складываются из остаточных и восстанавливающихся осадок, к грунтам, особенно к глинистым, неприменим принцип независимости действия сил. Нельзя суммировать напряжения и осадки без учета изменения свойств грунтов, так как снятая нагрузка дает остаточную осадку.

При определении суммарной осадки необходимо установить, какую осадку вызывает постоянная или временная нагрузка, а также последовательность приложения временных нагрузок и длительность их действия. Если вначале приложена и через некоторое время снята большая, а затем приложена и снята меньшая нагрузка, то в результате первоначального уплотнения грунтов осадка от приложенной в последующем меньшей нагрузки будет меньше, чем при обратной последовательности.

Конечные осадки будут определены более достоверно, если сочетание нагрузок назначать дифференцированно, с учетом последовательности, времени приложения и действия каждой нагрузки.

В зданиях и сооружениях со статически неопределимой схемой несущих конструкций неравномерные осадки отдельных опор приводят к перераспределению усилий в элементах и нагрузок на фундаменты и основания. По СНиП 2.02.01-95 перераспределение нагрузок на основания можно не учитывать в расчетах: оснований зданий и сооружений III класса; общей устойчивости массива грунта основания совместно с сооружением; средних значений деформаций основания; деформаций основания в стадии привязки типового проекта к местным грунтовым условиям.

Если при проектировании основания принимают нагрузки, полученные в расчетах конструкции, то следует убедиться, что принятое сочетание нагрузок совпадает с неблагоприятным сочетанием нагрузок для основания. В противном случае нагрузки должны быть откорректированы.

Основания и фундаменты часто проектируются раньше несущих конструкций, тогда на схеме здания или сооружения выявляют несущие элементы, грузовые площадки и приложенные к ним нагрузки. В этом случае нагрузки определяют как для разрезных конструкций без учета опор и перераспределения опорных реакций.

Внецентренно приложенные нагрузки на стены и столбы, конструкции перекрытия и покрытий принимают в соответствии с нормами проектирования каменных конструкций, приложенных по оси подошвы фундамента.

В расчетах фундаментов подвальных, заглубленных и полузаглубленных помещений учитываются горизонтальные давления от грунта и нагрузки на поверхность.

Нагрузки на основания от наземных частей сооружения в зависимости от их схемы определяются на уровне спланированной отметки дневной поверхности, верхнего обреза или подошвы фундамента отдельно от вертикальных и горизонтальных сил. В бесподвальных зданиях у наружных стен нагрузки удобно определять на уровне спланированной отметки дневной поверхности; при передаче давления от колонн через железобетонные башмаки или металлические траверсы - на уровне верхнего обреза фундамента; для внутренних стен и колонн в заглубленных помещениях; в сооружениях, где фундаменты являются частью конструкции (стойки, рамы и каркасы, подпорные стенки); для фундаментов, на которые действуют одновременно вертикальные, горизонтальные силы и моменты - на уровне подошвы.

В бескаркасных зданиях вся нагрузка от чердачного, междуэтажного перекрытия и покрытия передается на наружные и внутренние продольные стены или на наружные торцовые и внутренние поперечные стены (рис. 1.1).

В каркасных зданиях с неполным каркасом нагрузки от перекрытий передаются на наружные стены и внутренний железобетонный или металлический каркас. Пристенных колонн здания не имеют, и их наружные стены будут несущими. В зданиях с полным каркасом вся нагрузка от перекрытий воспринимается только каркасом. Здания имеют как внутренние, так и наружные (пристенные) колонны. Наружные стены выполняются самонесущими или как дополнение каркаса с передачей на него веса стен. Поскольку стены здания передают нагрузку на фундамент по простенкам, нагрузка суммируется по длине, равной расстоянию между осями оконных проемов. В этом случае легко учесть уменьшение веса стены за счет оконных проемов.

Примеры сбора нагрузок на покрытие, перекрытие и обрез фундамента приведены в табл. 1.1-1.3.

Рис. 1.1. К сбору нагрузок на фундаменты: а - план: 1, 2 - грузовые площади соответственно для наружной и внутренней стен, б - разрез здания

Таблица 1.1

Пример сбора нагрузок на покрытие

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м²	Коэффициент по нагрузке, g _f	Расчётная нагрузка, кН/м²
Вес покрытия 6,2´0,02´16	1,984	1,1	2,579
Вес стропил 6´0,04	2,0	1,1	2,2
Вес шлаково-известковой корки 14´0,1	0,14	1,3	0,182
Вес утеплителя 5´0,15	0,75	1,3	0,975
Вес цементной стяжки 28´0,02´13,5	0,36	1,3	0,468
Вес плиты покрытия 2,68 / 1,5´6	0,298	1,1	0,328
Итого постоянные	5,532	-	6,732
Снеговая	1,68	-	2,4
Суммарная	7,212	-	9,132

Таблица 1.2

Пример сбора нагрузок на перекрытие

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м²	Коэффициент по нагрузке, g _f	Расчётная нагрузка, кН/м²
Вес конструкции пола деревянного 0,025´6	0,15	1,3	0,195
Вес деревянных лаг 0,04´6	0,24	1,1	0,264
Собственный вес утеплителя из керамзита 0,05´6´5	1,5	1,3	1,95
Собственный вес перекрытия	0,298	1,1	0,328
Итого постоянных	2,188	-	2,737
Б. Временные
Полезная	1,5	1,3	1,95
Суммарная	3,688	-	4,687

Таблица 1.3

Пример сбора нагрузок на обрез фундамента с грузовой площадью 27 м²

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН	Коэффициент по нагрузке, g_f	Расчётная нагрузка, кН
Собственный вес конструкции покрытия 1,11´27	29,97	1,1	32,967
Собственный вес структурной плиты 18189,8:4	4547,45	1,1	5002,195
Собственный вес колонны 2,75´25	68,75	1,1	75,625
Итого постоянных	4646,17		5110,79
Полезная 2´27´2	108	1,3	140,4
Снеговая нагрузка 1,68´27	45,36	-	64,80
Итого временных	153,36	-	205,2
Суммарная	4799,53	-	5315,99