Расчет оснований и фундаментов при реконструкции здания

1.Конструктивная характеристика здания с указанием величин предельно-допустимых деформаций основания фундамент строительный нагрузка Здание, подлежащее реконструкции — колбасный цех — расположено по ул. Сенная, 8 в с. Заселье, Жовтневый район, Николаевская область. Здание — двухэтажное без подвала Обследуемое здание — постройки 70-х годов прошлого века, одноэтажное, без подвала, с продольными несущими стенами в осях 10−14 и поперечными несущими стенами в осях Г-М. Здание — сложной конфигурации в плане, габаритные размеры — 37,78×22,24 м (в осях). Высота этажа — 4,0 м.

— Фундаменты — ленточные монолитные ж/б шириной b=0,5 м. Глубина заложения фундамента d=1,05 м.

— Стены наружные выше отм. 0,000 — из обыкновенного глиняного кирпича толщиной 510 мм (550 с отделкой) и 250 мм (270мм с отделкой).

— Стены внутренние — из обыкновенного глиняного кирпича толщиной толщиной 510 мм (550 с отделкой) и 380 мм (450мм с отделкой).

— Покрытие — сборные железобетонные многопустотные плиты толщиной 220 мм.

— Кровля — из асбестоцементных волнистых листов по деревянной стропильной системе.

Техническое состояние строительных конструкций обследуемого здания — удовлетворительное и обеспечивают возможность капитального ремонта, пристройки дополнительных помещений и надстройки 2 этажа с последующим использованием его по функциональному назначению «колбасный цех».

Проектом реконструкции предусматривается:

— замена существующее покрытие;

— пристройка дополнительные помещения;

— устройство нового монолитного железобетонного перекрытия по металлическим балкам;

— надстройка второго этаж из газобетонных блоков, г=600 кг/мі, с монолитными железобетонными поясами с монтажом металлических колонн составного сечения и монолитных железобетонных;

— устройство покрытия из профнастила по металлическим прогонам. Утеплитель — минераловатные плиты, типа Rockwool, г=125 кг/мі, толщиной 150 мм.

После реконструкции колбасный цех представляет собой двухэтажное здание с неполным каркасом, с продольными несущими стенами. При реконструкции колбасного цеха приняты следующие конструктивные решения:

Фундаменты — ленточные и столбчатые, монолитные, железобетонные.

Наружные стены 1го этажа выполнены из кирпича; 2го этажа — из газобетонных блоков, г=600 кг/мі, с монолитными железобетонными поясами. Толщина наружных стен — 380 мм (400мм), внутренних — 250 мм.

Колонны металлические составного сечения и монолитные железобетонные.

Балки металлические из прокатных профилей Перегородки кирпичные, толщиной 120 мм.

Перекрытие — монолитное, железобетонное, по металлическим балкам.

Покрытие — из профнастила по металлическим прогонам. Утеплитель — минераловатные плиты, типа Rockwool, г=125 кг/мі, толщ.150мм.

Лестницы — металлические каркасные с монолитным ж/б заполнением.

Полы — в зависимости от назначения помещений.

Техническое состояние несущих строительных конструкций находится в удовлетворительном состоянии. Видимых следов деформаций, трещин ведущих к потере устойчивости здания не обнаружено. Категория технического состояния конструкций здания — II (вторая). Согласно ДБН В.2.1−10−2009 «Основи та фундаменти споруд» предельно максимальная осадка (S_max,u)=15см по таблице И.1, для многоэтажного здания с металлическим каркасом, максимальная осадка (?S)_u=3см. Относительная разность осадок ()_u = 0,004.

2. Оценка инженерно-геологических условий строительной площадки Рельеф местности спокойный без уклона.

На площадке были проведены инженерно-геологические изыскания.

Были пробурены две скважины глубиной 21,1 м. По результатам изысканий было установлено следующее напластование грунтов (сверху вниз):

Слой 1 — почвенно-растительный слой мощностью 0,6 м Слой 2 — суглинок лессовидный с карбонатными включениями — 4,2 м Слой 3 — лёсс светло-палевый — 7,0 м Слой 4 — суглинок тяжёлый и средний, коричневый — 9,3 м Подземные воды на глубине 5,1 м.

Основанием для фундаментов служит слой 2.

2.1 Основные физико-механические характеристики Основные физико-механические характеристики грунтов сведены в таблицу.

2.2 Дополнительные физико-механические характеристики.

1.Плотность грунта в сухом состоянии.

_{d =}.

Слой 2. с_d=1,71/(1+0,17)=1,46т/м³.

Слой 3. с_d =1,84/(1+0,29)=1,43т/м³.

Слой 4. с_d =1,92/(1+0,21)=1,59т/м³.

2.Коэффициент пористости.

e= _s / _d — 1.

Слой 2. e=2,67/ 1,46 — 1=0,829.

Слой 3. e=2,65/ 1,43 — 1=0,853.

Слой 4. e=2,69/ 1,59 — 1=0,692.

3.Пористость грунта.

п= e/ (1+ e).

Слой 2. п = 0,829/ 1,829=0,453.

Слой 3. п = 0,853/ 1,853=0,460.

Слой 4. п = 0,692/ 1,692=0,409.

4.Степень влажности.

S_r =W *_s / (e*_w),.

где _w=1г/см².

Слой 2. S_r =0,17×2,67/ 0,829 = 0,55.

Слой 3. S_r =0,29×2,65/ 0,853 = 0,90.

Слой 4. S_r =0,21×2,69/ 0,692 = 0,82.

5.Число пластичности.

I_с = щ_L — щ_P.

Слой 2. I_с = 0,36−0,22=0,14.

Слой 3. I_с = 0,27−0,21=0,06.

Слой 4. I_с = 0,39−0,25=0,14.

6.Показатель текучести.

I_L =(щ — щ_P) / I_P.

Слой 2. I_L = (0,17 — 0,22) / 0,14= -0,36? 0.

Слой 3. I_L = (0,29 — 0,21) / 0,06= 1,33? 0.

Слой 4. I_L = (0,21 — 0,25) / 0,14= -0,29? 0.

Результаты определения расчётных характеристик грунтов сводим в таблицу 1 и определяем наименование грунтов Табл.1. Сводная таблица характеристик грунтов.

3. Определение действующих нагрузок на фундаменты.

3.1 Временные нагрузки.

Снеговая нагрузка.

Расчет ведем по ДБН В.1.2−2:2006 «Нагрузки воздействия».

Предельное расчетное значение.

S_m=г_fm * S₀ * C.

г_fm — коэффициент надежности по предельному значению снеговой нагрузки.

г_fm = 0,96 (ориентировочно 40 лет).

S₀ = 0,87 кПа.

С = м * С_е * С_аlт.

м — коэффициент перехода от веса снегового покрова на поверхности земли к снеговой нагрузки на покрытие.

м = 1.

С_е — коэффициент, учитывающий режим эксплуатации кровли.

С_е = 1.

С_аlт — коэффициент географической высоты.

С_аlт = 1.

С = 1 * 1 * 1 = 1.

S_m = 0,96* 0,87 * 1 = 0,835 кПа.

Горизонтальная ветровая нагрузка.

Предельное расчетное значение ветровой нагрузки.

W_m = г_fm * W₀ * C.

г_fm — коэффициент надежности;

г_fm = 0,96.

W₀ = 0,47 кПа;

С = С_аеr * С_h * С_аlt * C_rel*С_dir * C_d.

С_аеr — аэродинамический коэффициент;

С_аеr = 0,7.

С_h — коэффициент высоты сооружения;

С_h = 2,3.

С_аlt — коэффициент географической высоты;

С_аlt=1.

С_rel — коэффициент рельефа;

С_rel = 1.

С_dir — коэффициент направления;

С_dir = 1.

C_d -коэффициент динамичности;

C_d = 0,9.

С = 0,7*2,3*1*1*1*0,9=1,449.

W_m = 0,96 * 0,47 *1,449= 0,654 кПа.

h₁ = 1,05 + 7,4/ 2 = 4,75 м.

h_ш = 1,05+7,4+0,35/2 = 8,625 м.

Статические составляющие нагрузки:

q₁₀ = 0,654 * 1,4 * 0,65 * 6 = 3,57 кН/м.

Ветровая нагрузка, расположенная выше нижнего пояса стропильных ферм, приводится к сосредоточенной силе, условно приложенной к нижнему поясу балки, и определяется по эпюре интенсивности ветрового давления.

W_ш = q₁₀ *H_ш *(с_акт + с_отс) = 3,57×0,35 х (0,7 + 0,7) = 1,75 кН,.

где H_ш = 0,35м — высота шатра;

с_акт = 0,7 и с_отс = 0,7 — аэродинамические коэффициенты.

W₁ = 3,57 * 7,4 = 26,42 кН.

Момент от каждой составляющей ветровой нагрузки.

М₁=26,42*4,75=125,5кН*м.

М_ш=1,75*8,625=15,1кН*м.

Момент от ветровой нагрузки на одну колонну поперечника.

М = У М / n =(125,5+15,1)/2=70,3 кН*м.

3.2 Постоянные нагрузки.

Сбор нагрузок на покрытие и перекрытие сводим в таблицы.

Расчётная схема фундамента.

Нагрузки на новое перекрытие собраны в разделе конструкций и составляют: нормативная — g ⁿ=4,159 кН/м², расчетная — g=4,918 кН/м².

Таблица. Сбор нагрузок на 1 м² старого покрытия.

Таблица. Сбор нагрузок на 1 м² нового покрытия.

Нагрузка на 1 м.п. фундамента по оси Е в осях 11−12 до реконструкции.

Грузовая площадь А=1*6,4/2=3,2 м².

Покрытие — N_покр = 5,33*3,2=17,06 кН.

Вес стены — N_ст = 20*0,51*4*1,1=44,88кН.

Вес фундаментаN_ф = 24*0,5*1,3*1,1=15,84 кН.

Всего N = 77,78 кН/м.

Нагрузка на 1 м.п. фундамента по оси Е в осях 11−12 после реконструкции.

Грузовая площадь А=1*(2,375+6,4)/2=4,39 м².

Покрытие — N_покр = 2,682*4,39=11,77 кН.

Перекрытие — N_пер = 4,918*4,39=21,59 кН.

Вес стены — N_ст =20*0,51*4*1,1+6*0,25*3*1,1+24*0,4*0,15*1,1=51,41 кН.

Вес фундаментаN_ф = 24*0,5*1,3*1,1=15,84 кН.

Всего N = 100,61 кН/м.

Нагрузка на 1 м.п. фундамента по оси И в осях 11−12 до реконструкции.

Грузовая площадь А=1*(6,4+4,375)/2=5,39 м².

Покрытие — N_покр = 5,33*5,39=28,73 кН.

Вес стены — N_ст = 20*0,38*4*1,1=33,44кН.

Вес фундаментаN_ф = 24*0,45*1,3*1,1=14,26 кН.

Всего N = 76,43 кН/м.

Нагрузка на 1 м.п. фундамента по оси И в осях 11−12 после реконструкции.

Грузовая площадь А=1*(6,4+4,375)/2=5,39 м².

Покрытие — N_покр = 2,682*5,39=14,46 кН.

Перекрытие — N_пер = 4,918*5,39=26,51 кН.

Вес стены — N_ст = 20*0,38*4*1,1+24*0,38*0,15*1,1=34,94 кН.

Вес фундаментаN_ф = 24*0,45*1,3*1,1=14,26 кН.

Всего N = 90,17 кН/м.

Нагрузка на 1 м² столбчатого фундамента по оси 4/С.

Грузовая площадь А=(4,6+5,9)/2*5,75=30,19 м².

Покрытие — N_покр = 2,682*30,19=80,97кН.

Перекрытие — N_пер =4,918*30,19=148,47 кН.

Вес колонны- 2 швеллера № 20 N_кол = 2*0,184*7,5*1,05=2,90 кН.

Вес фундамента при принятым размерам подошвы фундамента 1,8×1,8 м;

N_фунд=25*1,8*1,8*0,4*1,1+25*0,4*0,4*1,0*1,1=40,04кН.

Всего N = 272,38кН.

4.Проверочный расчёт ленточного фундамента по оси Е в осях 11−12.

Основанием является слой 2 — суглинок лессовидный с карбонатными включениями со следующими показателями физико-механических свойств: с=1,71 г/м³, с_s=2,67 г/м³, W=0,17, W_L=0,36, W_Р=0,22, Е=13,5 МПа, ц=19є, С=9кПа, ширина подошвы существующего фундамента b=0,5 м.

Определяем расчетное сопротивление грунта основания с учётом его уплотнения за период эксплуатации здания.

R_у = m_S*m_р*R.

Величина расчётного сопротивления в условиях природного залегания грунта для зданий без подвала.

R =(г_с1* г_с2/К)_* [ M_г*k_z*b* г₁₁ + M_q*d₁* г?₁₁ + M_с*C₁₁].

где г_с1= 1,25,.

г_с2= 1,0,.

К= 1,0,.

М_г= 0,47,.

M_q= 2,895,.

М_с= 5,485,.

k_z= 1,.

b=0,5 м,.

г₁₁= 1,71*10 =17,1кН/м3,.

г?₁₁ =(1,53*0,6+1,71*0,55)*10/1,15 =16,16кН/м3,.

d₁= d_n=1,15 м.

C₁₁= 9 кПа.

R=(1,25_* 1,0/1,0)_* [0,47*1,0*0,5*17,1+2,895*1,15*16,16+5,485*9] = 134кПа,.

Устанавливаем значение коэффициента m_р. Давление по подошве до реконструкции.

Р_II =N _II/b=77,78/0,5=156кПа.

Отношение Р_II / R=156/134=1,16, m_р.=1,3.

Устанавливаем значение коэффициента m_s. Для этого определяем значение осадки до реконструкции.

Определение величины осадки фундамента до реконструкции.

При определении величины усадки фундаментов в условиях реконструкции допускается пользоваться формулой:

где? — соотношение сторон фундамента,.

E_m — величина усреднённого модуля деформации в пределах сжимаемой толщи H_с для многослойных оснований.

где H_с — глубина сжимаемой толщи.

H_с =kxb.

где k — коэффициент, k= 6 для ленточного фундамента.

H_с = 6*0,5=3м.

E_{m прир}=13 500МПа.

E_{m замоч}=10 200МПа.

у_zpо= Р_о = Р — у_zgo = 156−19= 137кПа.

у_zgo = г? * d = 16,16*1,15= 19 кПа.

Осадка здания до реконструкции.

S_прир=1,44*6*137*0,5/((6+1)*13 500)=0,0062м=0,62 см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется.

S_замоч=1,44*6*137*0,5/((6+1)*10 200)=0,0083м=0,83 см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется.

Отношение УS_i / S_{max , u}= 0,62/15=0,041, поэтому m_S=1,1.

R_у=1,1*1,3*134=192кПа.

Фактическое давление после реконструкции составит.

P_{II, н}= N/b = 100,61/0,5=201кН > R_у=192кПа условие не соблюдается, следовательно, предполагаемая реконструкция из условия P_{II, н}< R_у невозможна без увеличения размеров фундамента.

Увеличиваем ширину подошвы фундамента на 0,4 м, тогда ширина фундамента составит 0,5+0,4=0,9 м.

P_{II, н}= N/b = 100,61/0,9=112кН у=192кПа условие соблюдается.

Проверяем выполнение условия ДS? S _{max , u}, для чего определяем осадку здания после реконструкции.

Определение величины осадки фундамента после реконструкции.

H_с = 6*0,9=5,4 м.

E_{m прир}=(13 500*3,65*3,575+4100*1,75*0,875)/0,5×5,4²=12 513МПа.

E_{m замоч}=(10 200*3,65*3,575+4100*1,75*0,875)/0,5×5,4²=9559МПа.

у_{zpо, н}= 112−19= 93кПа.

у_zgo = 19кПа.

Осадка здания после реконструкции.

S_{прир, н}=1,44*6*93*0,9/((6+1)*12 513)=0,0083м=0,83 см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется.

S_{замоч, н}=1,44*6*93*0,9/((6+1)*9559)=0,0108м=1,08 см < S_{max , u} = 15 см условие по второму предельному состоянию соблюдается, усиление не требуется.

В природном залегании.

ДS= S_н — S =0,83−0,62=0,21 см < ДS _u = 3 см условие выполняется.

ДS/L =0,21/985=0,0002 < (ДS/L)_u = 0,004 условие выполняется.

В замоченном состоянии.

ДS= S_н — S =1,08−0,83=0,25 м < ДS _u = 3 см условие выполняется.

ДS/L =0,25/985=0,0003 < (ДS/L)_u = 0,004 условие выполняется.

Уширение на 0,4 м подошвы фундамента достаточно.

5.Поверочный расчёт ленточного фундамента по оси И в осях 11−12.

Основанием является слой 2 — суглинок лессовидный с карбонатными включениями со следующими показателями физико-механических свойств: с=1,71 г/м³, с_s=2,67 г/м³, W=0,17, W_L=0,36, W_Р=0,22, Е=13,5 МПа, ц=19є, С=9кПа, ширина подошвы существующего фундамента b=0,45 м.

R=(1,25_* 1,0/1,0)_* [ 0,47*1,0*0,45*17,1+2,895*1,15*16,16+5,485*9] = 133кПа.

Давление по подошве до реконструкции.

Р_II =N _II/b=76,43/0,45=170кПа.

Отношение Р_II / R=170/133=1,29, m_р.=1,3.

Определение величины осадки фундамента до реконструкции.

H_с = 6*0,45=2,7 м.

E_{m прир}=13 500МПа.

E_{m замоч}=10 200МПа.

у_zpо= 170−19= 151кПа.

у_zgo = 19 кПа.

Осадка здания до реконструкции.

S_прир=1,44*6*151*0,45/((6+1)*13 500)=0,0062м=0,62 см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется.

S_замоч=1,44*6*151*0,45/((6+1)*10 200)=0,0082м=0,82 см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется.

УS_i / S_{max , u}= 0,62/15=0,041, m_S=1,1.

R_у=1,1*1,3*133=190кПа.

Фактическое давление после реконструкции составит.

P_{II, н}= N/b = 90,17/0,45=200кН > R_у=190кПа условие не соблюдается, следовательно, предполагаемая реконструкция из условия P_{II, н}< R_у невозможна без увеличения размеров фундамента.

Определяем ширину фундамента после реконструкции.

b`=(n`+G_ф)/R_у.

G_ф= 0,7*3,65*20*1=40,8кН.

b`=(245,4+40,8)/297,88=0,96 м?1,0 м.

b_уш=1−0,8=0,2 м.

Увеличиваем ширину подошвы фундамента на 0,4 м, тогда ширина фундамента составит 0,45+0,4=0,85 м.

P_{II, н}= N/b = 90,17/0,85=106кН у=190кПа условие соблюдается.

Определение величины осадки фундамента после реконструкции.

H_с = 6*0,85=5,1 м.

E_{m прир}=(13 500*3,65*3,275+4100*1,45*0,725)/0,5×5,1²=12 740МПа.

E_{m замоч}=(10 200*3,65*3,275+4100*1,45*0,725)/0,5×5,1²=9707МПа.

у_zpо= 106−19= 87кПа.

у_zgo = 19 кПа.

Осадка здания после реконструкции.

S_прир=1,44*6*87*0,85/((6+1)*12 740)=0,0072м=0,72 см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется.

S_замоч=1,44*6*87*0,85/((6+1)*9707)=0,0092 м =0,92 см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется.

В природном залегании.

ДS= S_н — S =0,72−0,62=0,1 см < ДS _u = 3 см условие выполняется.

ДS/L =0,1/2640=0,4 < (ДS/L)_u = 0,004 условие выполняется.

В замоченном состоянии.

ДS= S_н — S =0,92−0,82=0,1 м < ДS _u = 3 см условие выполняется.

ДS/L =0,1/2640=0,4 < (ДS/L)_u = 0,004 условие выполняется.

Уширение на 0,4 м подошвы фундамента достаточно.

6. Определение размеров столбчатого фундамента в плане в осях 4/С.

Определение расчётного сопротивления грунтов несущего слоя.

Основанием является слой 2 — суглинок лессовидный с карбонатными включениями со следующими показателями физико-механических свойств: с=1,71 г/м³, с_s=2,67 г/м³, W=0,17, W_L=0,36, W_Р=0,22, Е=13,5 МПа, ц=19є, С=9кПа.

Ориентировочная площадь подошвы фундамента.

А_тр=N / (R_o— г*d_n).

где R_o=228,5 кПа — расчетное сопротивление грунта,.

г =20 кН/м³ — среднее значение удельного веса грунта,.

d_n = 1,15м — глубина заложения фундамента от планировочной отметки.

А_тр =272,38 / (228,5- 20*1,15)=1,33 м²,.

b_тр =v А_тр/?

где ?=l/bсоотношение сторон, принимаем 1.

b_тр=v 1,33/1=1,15.

b_пр=1,2 м.

l_пр=? * b_тр =1*1,2=1,2 м.

А_пр=1,2*1,2=1,44 м²>1,33 м².

Уточняем расчетное сопротивление грунта основания.

R =(г_с1* г_с2/К)_* [ M_г*k_z*b* г₁₁ + M_q*d₁* г?₁₁ + M_с*C₁₁];

где г_с1= 1,25,.

г_с2= 1,0,.

К= 1,0,.

М_г= 0,47,.

M_q= 2,895,.

М_с= 5,485,.

k_z= 1,.

b=0,5 м,.

г₁₁= 1,71*10 =17,1кН/м3,.

г?₁₁ =(1,53*0,6+1,71*0,55)*10/1,15 =16,16кН/м3,.

d₁= d_n=1,15 м.

C₁₁= 9 кПа.

R=(1,25_* 1,0/1,0)_* [ 0,47*1,0*1,2*17,1+2,895*1,15*16,16+5,485*9] = 141кПа.

Определение средних и краевых давлений под подошвой фундамента.

Среднее давление на основание под подошвой фундамента.

P_ср =(N+G_ф)/ А_пр.

G_ф= 1,2*1,2*1,15*20=33,12кН.

P_ср= (272,38+33,12)/1,44=212кПа>R=141кПа, условие не выполняется, размеры подошвы фундамента недостаточны.

Принимаем b_пр=1,5 м.

l_пр=? * b_тр =1*1,5=1,5 м.

А_пр=1,5*1,5=2,25 м²>1,33 м².

R=(1,25_* 1,0/1,0)_* [ 0,47*1,0*1,5*17,1+2,895*1,15*16,16+5,485*9] = 144кПа.

G_ф= 1,5*1,5*1,15*20=51,75кН.

P_ср= (272,38+51,75)/2,25=144кПа=R=144кПа, условие выполняется, размеры подошвы фундамента достаточны.

Крайнее давление на основание под подошвой фундамента.

P_max= P_ср + (M+Q*d)/W.

P_min= P_ср — (M+Q*d)/W ,.

P_max=P_ср=144кПа<1,2*R=1,2*144=172,8кПа, условие выполняется, размеры подошвы фундамента достаточны.

P_min= P_ср =144кПа >0, условие выполняется, размеры подошвы фундамента достаточны.

Проверяем соблюдение условия экономичности:

100%*(RP_ср)/ R?20%; 100%*(1,2*RP_max)/ 1,2*R?20%.

100*(144−144)/144=0%; 100*(1,2*144−144)/1,2*144=16%.

Условие экономичности соблюдается.

Определение деформаций оснований.

k=2,0- табличный коэффициент при ?=l/b=1.

H_с = 2*1,5=3,0 м.

E_{m прир}=13 500МПа.

E_{m замоч}=10 200МПа.

у_zpо= Р_о = 144−19= 125кПа.

у_zgo = 19кПа.

Осадка здания.

S_прир=1,44*1*125*1,5/((1+1)*13 500)=0,01м=1,0 см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется, принятый размер фундамента обеспечивает надежную эксплуатацию здания.

S_замоч=1,44*1*125*1,5/((1+1)*10 200)=0,013 м =0,1,3 см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется, принятый размер фундамента обеспечивает надежную эксплуатацию здания.

Вывод.

Вывод: при реконструкции необходимо выполнить усиление ленточных фундаментов путём уширения их подошвы на величину, равную 0,4 м. Принимаем конструктивное усиление банкетами.