Нагрузка на фундамент. Расчет фундамента на упругом основании.

Расчет фундамента на нагрузки

Чтобы рассчитать фундамент на упругом основании и сравнить полученные результаты, возьмем типовой проект плитного фундамента под одноэтажный дом и два разных основания под фундамент (модель грунта).

Упругое основание - это цифровая 3d модель грунта с геологическими характеристиками основания под фундамент, заданными на основании отчета по геологии.

Расчет фундамента заключается в том чтобы собрать нагрузки на фундамент, рассчитать распределение напряжений и перемещения (расчет допустимой осадки) в условиях заданной модели грунта, подобрать арматуру и выполнить армирование фундамента на основании анализа полученных результатов расчета. Ни один онлайн калькулятор на расчет таких задач неспособен.

Нагрузка на фундамент от эксплуатации и собственного веса конструкций дома идентична в обоих рассматриваемых случаях. Нагрузка от эксплуатации, в данном случае, включает в себя нагрузки на пол первого этажа дома от мебели, оборудования и передвижения людей, нагрузки на перекрытие от снега и передвижения людей и оборудования для обслуживания крыши.

Совместив расчетную схему дома с приложенными нагрузками и обе модели грунта основания, поочередно, выполняем расчет фундамента МКЭ, анализируем и сравниваем полученные результаты:

1. Распределение вертикальных усилий в фундаменте. Так распределяется нагрузка на грунты основания под фундаментом в заданных геологических условиях (давление на грунт).

2. Осадка фундамента при большей нагрузке будет иметь более существенные численные отличия. Наглядное изменение вертикальных перемещений. Если допустимая осадка фундамента будет превышать допустимую нормами, то потребуется усиление основания, корректировка размеров или подбор другого вида фундаментов.

3. Распределение усилий Мх (момент действующий относительно оси Х) от приложенной нагрузки на фундаменты в заданных геологических моделях грунта основания.

4. Распределение усилий Му (момент действующий относительно оси Y) от приложенной нагрузки на фундаменты в заданных геологических моделях грунта основания.

5. Вертикальная перерезывающая сила Qx в сечении фундамента, ортогональном оси Х. Отличия, в основном, в центральной части фундамента.

6. Вертикальная перерезывающая сила Qy в сечении фундамента, ортогональном оси Y. Отличия, в основном, в боковых частях фундамента.

7. Нормальное напряжение Nx в сечении фундамента на упругом основании вдоль оси Х. При одинаковых нагрузках на фундамент, наблюдаются существенные отличия в распределении и численных значениях усилий на разных грунтах основания.

8. Нормальное напряжение Ny в сечении фундамента на заданном основании вдоль оси Y. При одинаковых нагрузках на конструкцию фундамента, имеются существенные отличия в распределении и численных значениях усилий на разных моделях грунта основания.

9. Сдвигающее напряжение Txy от нагрузки на фундамент.

10. Крутящий момент Mxy от нагрузки на фундамент. Положительные значения показывают усилия стремящиеся выгнуть плиту фундамента выпуклостью вниз, а отрицательные - вверх.

По полученным данным из расчета напряжений от нагрузок, приходящих на фундамент, выполняем расчет и анализ требуемого армирования для возведения фундамента:

1. В нижней зоне плиты фундамента по оси Y возникают участки с необходимостью дополнительного армирования. На грунтах основания в первом случае требуется установка арматуры диаметром 14 мм, а во втором - 12 мм. Если по основной поверхности нижней зоны фундамента достаточно установки арматуры диаметром 10 мм, то дополнительное армирование (усиление) достигается расстановкой этих же стержней но с более частым шагом установки.

2. В нижней зоне плиты фундамента по оси X также возникают участки с необходимостью дополнительного армирования. Для устройства фундамента на грунтах основания в первом случае требуется установка арматуры диаметром 12, 14 и 16 мм, а во втором - 12 и 14 мм.

3. В верхней зоне плиты фундамента по оси Y не возникает необходимость установки дополнительной арматуры на обоих грунтах основания. Достаточно фоновой арматуры диаметром 10 мм.

4. В верхней зоне плиты фундамента по оси X возникают участки с необходимостью дополнительного армирования.  На грунтах основания в первом случае требуется установка арматуры диаметром 12 мм на одном участке, а во втором случае - 12 мм на двух участках.

5. Установка дополнительной поперечной арматуры в фундамент на обоих моделях грунта основания отличаются численным значением необходимого армирования (шаг установки и диаметр арматуры) и размерами участков размещения вертикальных арматурных стержней.

Онлайн калькулятор не выдаст подобный результат расчета фундамента на основании с заданными геологическими характеристиками грунта. А строители, скорее всего, предложили бы армировать такой плитный фундамент сетками с диаметром арматурных стержней 10-12 мм без какого-либо расчета. Но как видно из результатов расчета армирования, даже арматурные сетки диаметром 12 мм, со ставкой на надежность, будут недостаточны на некоторых участках фундамента. В результате, помимо потери долговечности и надежности фундамента из-за недостаточного армирования на наиболее напряженных участках, вдобавок получится еще и бессмысленный перерасход арматуры на 40-45% (перерасход около 1.5 т на данный фундамент). К тому же есть необходимость усилить наиболее нагруженные участки фундамента стержнями поперечной арматуры.

Многие строители и застройщики ошибочно считают, что типовой плитный фундамент является универсальным и надежным без проведения необходимых расчетов. Если в типовой проект под дом заложен ленточный фундамент или, тем более, ростверковый фундамент на сваях, то отличия в результатах расчета будут куда более контрастными.

Грунты в основании, в подавляющем большинстве случаев, обладают неравномерными характеристиками. Чем прочнее участок основания тем больше на него приходится нагрузка от фундамента. Это, в свою очередь, приводит к перераспределению напряжений не только в фундаменте, а и в вышележащих несущих конструкциях дома (как пример - влияние основания под фундаменты на армирование перекрытия).

Конструкция фундамента (армирование, класс бетона, жесткость формы и размеры) зависит от распределения напряжений и их значений. На расчет осадки фундамента (вертикальные перемещения) оказывают влияние грунты залегающие в основании, форма фундамента (площадь опорной поверхности) и распределение нагрузки на фундамент.