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 - 37,78х22,24м (в осях). Высота этажа - 4,0м.

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

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

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

Покрытие - сборные железобетонные многопустотные плиты толщиной 220мм.

- 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, γ=600 кг/м³, 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, γ=125 кг/м³, толщиной 150мм.

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, γ=600 кг/м³, с монолитными железобетонными поясами. Толщина наружных стен - 380мм(400мм), внутренних - 250мм.

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, γ=125 кг/м³,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 21,1м. 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 - 7,0м

Слой 4 - суглинок тяжёлый и средний, коричневый - 9,3 м

Подземные воды на глубине 5,1 м.

Основанием для фундаментов служит слой 2.

.1 Основные физико-механические характеристики

Основные физико-механические характеристики грунтов сведены в таблицу

.2 Дополнительные физико-механические характеристики

.Плотность грунта в сухом состоянии.

_{d =}

Слой 2. ρ_d=1,71/(1+0,17)=1,46т/м³

Слой 3. ρ_d =1,84/(1+0,29)=1,43т/м³

Слой 4. ρ_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 =0,17х2,67/ 0,829 = 0,55

Слой 3. S_r =0,29х2,65/ 0,853 = 0,90

Слой 4. S_r =0,21х2,69/ 0,692 = 0,82

.Число пластичности.

I_ρ = ω_L - ω_P

Слой 2. I_ρ = 0,36-0,22=0,14

Слой 3. I_ρ = 0,27-0,21=0,06

Слой 4. I_ρ = 0,39-0,25=0,14

.Показатель текучести.

I_L =( ω - ω_P) / I_P

Слой 2.  I_L = ( 0,17 - 0,22) / 0,14= -0,36 ≤ 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=γ_fm * S₀ * C

γ_fm - коэффициент надежности по предельному значению снеговой нагрузки

γ_fm = 0,96 (ориентировочно 40 лет)

S₀ = 0,87 кПа

С = μ * С_е * С_аlт

μ - коэффициент перехода от веса снегового покрова на поверхности земли к снеговой нагрузки на покрытие

μ = 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 = γ_fm * W₀ * C

γ_fm - коэффициент надежности;

γ_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 = 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 х 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 = Σ М / n =(125,5+15,1)/2=70,3 кН*м

.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 1м² старого покрытия

Таблица. Сбор нагрузок на 1м² нового покрытия

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

Покрытие - N_покр = 5,33*3,2=17,06 кН

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

Вес фундамента- N_ф = 24*0,5*1,3*1,1=15,84 кН

Всего N = 77,78 кН/м

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

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

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 фундамента- N_ф = 24*0,5*1,3*1,1=15,84 кН

Всего N = 100,61 кН/м

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

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

Покрытие - N_покр = 5,33*5,39=28,73 кН

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

Вес фундамента- N_ф = 24*0,45*1,3*1,1=14,26 кН

Всего N = 76,43 кН/м

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

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

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 фундамента- N_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=30,19м²

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 1,8х1,8м-

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: ρ=1,71 г/м³ , ρ_s=2,67 г/м³ , W=0,17, W_L=0,36, W_Р=0,22, Е=13,5 МПа, φ=19º, С=9кПа, ширина подошвы существующего фундамента b=0,5м.

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 =( γ_с1* γ_с2/К)_* [ M_γ*k_z*b* γ₁₁ + M_q*d₁* γ′₁₁ + M_с*C₁₁]

где γ_с1= 1,25,

γ_с2= 1,0,

К= 1,0,

М_γ= 0,47,

M_q= 2,895,

М_с= 5,485,

k_z= 1,

b=0,5 м,

γ₁₁= 1,71*10 =17,1кН/м3,

γ′₁₁ =(1,53*0,6+1,71*0,55)*10/1,15 =16,16кН/м3,

d₁= d_n=1,15м

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 ŋ - соотношение сторон фундамента,

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

где H_с - глубина сжимаемой толщи _с =kxb

где k - коэффициент, k= 6 для ленточного фундамента_с = 6*0,5=3м

E_{m прир}=13500МПа

E_{m замоч}=10200МПа

σ_zpо= Р_о = Р - σ_zgo = 156-19= 137кПа

σ_zgo = γ′ * d = 16,16*1,15= 19 кПа

Осадка здания до реконструкции

S_прир=1,44*6*137*0,5/((6+1)*13500)=0,0062м=0,62см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется

Отношение ΣS_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=0,9м

P_II,н= N/b = 100,61/0,9=112кН <R_у=192кПа условие соблюдается

Проверяем выполнение условия ΔS ≤ S _{max , u}, для чего определяем осадку здания после реконструкции

Определение величины осадки фундамента после реконструкции

H_с = 6*0,9=5,4м

E_{m прир}=(13500*3,65*3,575+4100*1,75*0,875)/0,5x5,4²=12513МПа

E_{m замоч}=(10200*3,65*3,575+4100*1,75*0,875)/0,5x5,4²=9559МПа

σ_zpо,н= 112-19= 93кПа

σ_zgo = 19кПа

Осадка здания после реконструкции

S_прир,н=1,44*6*93*0,9/((6+1)*12513)=0,0083м=0,83см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется

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

В природном залегании

ΔS= S_н - S =0,83-0,62=0,21см < ΔS _u = 3 см условие выполняется

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

В замоченном состоянии

ΔS= S_н - S =1,08-0,83=0,25м < ΔS _u = 3 см условие выполняется

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

Уширение на 0,4м 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: ρ=1,71 г/м³ , ρ_s=2,67 г/м³ , W=0,17, W_L=0,36, W_Р=0,22, Е=13,5 МПа, φ=19º, С=9кПа, ширина подошвы существующего фундамента b=0,45м.

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 _с = 6*0,45=2,7м

E_{m прир}=13500МПа

E_{m замоч}=10200МПа

σ_zpо= 170-19= 151кПа

σ_zgo = 19 кПа

Осадка здания до реконструкции

S_прир=1,44*6*151*0,45/((6+1)*13500)=0,0062м=0,62см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется

S_замоч=1,44*6*151*0,45/((6+1)*10200)=0,0082м=0,82см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется

ΣS_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=0,96м≈1,0м

b_уш=1-0,8=0,2м

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

P_II,н= N/b = 90,17/0,85=106кН <R_у=190кПа условие соблюдается

Определение величины осадки фундамента после реконструкции _с = 6*0,85=5,1м

E_{m прир}=(13500*3,65*3,275+4100*1,45*0,725)/0,5x5,1²=12740МПа

E_{m замоч}=(10200*3,65*3,275+4100*1,45*0,725)/0,5x5,1²=9707МПа

σ_zpо= 106-19= 87кПа

σ_zgo = 19 кПа

Осадка здания после реконструкции

S_прир=1,44*6*87*0,85/((6+1)*12740)=0,0072м=0,72см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется

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

В природном залегании

ΔS= S_н - S =0,72-0,62=0,1см < ΔS _u = 3 см условие выполняется

ΔS/L =0,1/2640=0,00004 < (ΔS/L)_u = 0,004 условие выполняется

В замоченном состоянии

ΔS= S_н - S =0,92-0,82=0,1м < ΔS _u = 3 см условие выполняется

ΔS/L =0,1/2640=0,00004 < (ΔS/L)_u = 0,004 условие выполняется

Уширение на 0,4м 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: ρ=1,71 г/м³ , ρ_s=2,67 г/м³ , W=0,17, W_L=0,36, W_Р=0,22, Е=13,5 МПа, φ=19º, С=9кПа.

Ориентировочная площадь подошвы фундамента

где R_o=228,5 кПа - расчетное сопротивление грунта,

γ =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)=1,33м²,

b_тр =√ А_тр/ŋ

где ŋ=l/b -соотношение сторон, принимаем 1

b_тр=√ 1,33/1=1,15

b_пр=1,2м

l_пр= ŋ * b_тр =1*1,2=1,2м

А_пр=1,2*1,2=1,44м²>1,33 м²

Уточняем расчетное сопротивление грунта основания

R =( γ_с1* γ_с2/К)_* [ M_γ*k_z*b* γ₁₁ + M_q*d₁* γ′₁₁ + M_с*C₁₁];

где γ_с1= 1,25,

γ_с2= 1,0,

К= 1,0,

М_γ= 0,47,

M_q= 2,895,

М_с= 5,485,

k_z= 1,

b=0,5 м,

γ₁₁= 1,71*10 =17,1кН/м3,

γ′₁₁ =(1,53*0,6+1,71*0,55)*10/1,15 =16,16кН/м3,

d₁= d_n=1,15м

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

_ср =(N+G_ф)/ А_пр

G_ф= 1,2*1,2*1,15*20=33,12кН_ср= (272,38+33,12)/1,44=212кПа>R=141кПа, условие не выполняется, размеры подошвы фундамента недостаточны

Принимаем b_пр=1,5м

l_пр= ŋ * b_тр =1*1,5=1,5м

А_пр=1,5*1,5=2,25м²>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_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_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:

%*( R- P_ср)/ R≤20%; 100%*( 1,2*R- P_max)/ 1,2*R≤20%

*(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 ŋ=l/b=1_с = 2*1,5=3,0м

E_{m прир}=13500МПа

E_{m замоч}=10200МПа

σ_zpо= Р_о = 144-19= 125кПа

σ_zgo = 19кПа

Осадка здания

S_прир=1,44*1*125*1,5/((1+1)*13500)=0,01м=1,0см < S_{max , u} = 15 см условие выполняется, принятый размер фундамента обеспечивает надежную эксплуатацию здания

S_замоч=1,44*1*125*1,5/((1+1)*10200)=0,013м =0,1,3см < 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 0,4м. Принимаем конструктивное усиление банкетами