Сейсмостойкость, обеспечение устойчивости зданий и сооружений

Каменск-Шахтинский

2016 год

УДК 624.69

Рецензент: к.т.н. Моргунов В. Н. доцент каф. ПГСГиФ

Печатается по решению кафедры ЕНДИТУ протокол № ___ от ____________

Составитель: Ещенко Т.В.

Название: Методические указания по дисциплине Сейсмостойкость, обеспечение устойчивости зданий и сооружений Каменский институт (филиал) ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова, Каменск-Шахтинский, 2016.– 15 с.

Методические указания предназначены для студентов следующих направлений подготовки:«08.03.01(270800)СТРОИТЕЛЬСТВО, направленность Промышленное и гражданское строительство. В методических указаниях приводятся общие рекомендации по проведению и подготовке к практическим занятиям, структура и содержание практических занятий

©Каменский институт (филиал) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, 2016

©Ещенко.Т.В,2016

«ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЙ СООРУЖЕНИЙ, ВОЗВОДИМЫХ В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ»

Основания сооружений, возводимых в районе с сейсмичностью 7,8 и 9 баллов, должны проектироваться с учетом требований СНиП по проектированию зданий и сооружений в сейсмических районах.

В районах с сейсмичностью менее 7 баллов следует проектировать без учета сейсмических воздействий.

Проектирование оснований с учетом сейсмических воздействий должно выполняться из расчета по несущей способности на основе расчета по несущей способности на особое сочетание нагрузок, определяемых в соответствии с требованиями СНиП по нагрузкам и воздействиям, а также по проектированию зданий и сооружений в сейсмических районах.

Предварительные размеров фундаментов допускается определять расчетом основания по деформациям на основное сочетание нагрузок (без учета сейсмических воздействий).

Целью расчета несущей способности оснований при особом сочетании нагрузок является обеспечение их прочности для скальных грунтов и устойчивости наскальных грунтов, а также недопущение сдвига фундамента по подошве и его опрокидывания.

Деформация основания (абсолютные и неравномерные осадки, крена и т.д.) при сейсмических воздействиях могут превышать предельные значения, допустимые при основном сочетании нагрузок, и поэтому при особом сочетании нагрузок с учетом сейсмических воздействий расчету не подлежат.

Расчет оснований по несущей способности выполняется на действие вертикальной составляющей внецентренной нагрузки, передаваемой фундаментом, исходя из условия

, (1)

где N_а - вертикальная составляющая расчетной внецентренной нагрузки в особом сочетании;

N_u_,_eq - вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания при сейсмических воздействиях;

g_c,_eq - сейсмический коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,0; 0,8; 0,6 соответственно для грунтов I, II и III категорий по сейсмическим свойствам, причем для зданий и сооружений, возводимых в районах с повторяемостью землетрясений 1,2 и 3 значение

g_c,_eq следует умножать на 0,85; 1,0 и 1,15 соответственно (категории грунтов по сейсмическим свойствам и повторяемость землетрясений определяются в соответствии со СНиП по проектированию и строительству в сейсмических районах);

g_n- коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2; 1.15 и 1,1 соответственно для зданий и сооружений I, II, III классов.

Горизонтальная составляющая нагрузки учитывается при расчете фундамента на сдвиг по подошве.

При использовании условия (1) следует учитывать, что оно определяет максимальную величину нагрузки N_a, при которой устойчивость основания при сейсмическом воздействии обеспечена.

Проверка на сдвиг по подошве производится с учетом трения подошвы фундамента о грунт, исходя из условия (2), приведенного ниже, но с учетом сейсмического коэффициента условий работы .

å F_s,a <= (2)

å F_s,a, å F_s,_r - суммы проекций на плоскость скольжения соответственно сдвигающих и удерживающих сил, определяемых с учетом активного и пассивного давления грунта на боковые грани фундамента;

-коэффициент надежности по назначению сооружения, принимаемый равным 1,2; 1,15 и 1,.10 соответственно для зданий и сооружений I, II, III классов.

коэффициент условий работы, принимаемый: для песков, кроме пылеватых =1,0; для песков пылеватых, ā также пылевато-глинистых грунтов в стабилизированном состоянии =0,9; для пылевато-глинистых грунтов в нестабилизированном состоянии =0,85; для скальных грунтов: невыветрелых и слабовыветрелых =1,0; выветрелых =0,9; сильновыветрелых =0,8.

При основном сочетании нагрузок с учетом сейсмических воздействий вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания, сложенного скальными грунтами определяется по формуле (здесь R_c–расчетное значение предела прочности на одностороннее сжатие скального грунта, кПа; b’, l’- соответственно приведенные длина и ширина фундамента , ; e_b, e_l – соответственно эксцентриситеты приложения равнодействующей нагрузок в направлении поперечной и продольной осей фундамента, м), а для оснований из нескальных грунтов - по схеме одностороннего сдвига с учетом влияния сейсмических колебаний на напряженное состояние грунта.

При расчете несущей способности нескальных оснований, испытывающих сейсмические колебания, ординаты эпюры предельного давления по краям подошвы фундамента (рис. 1) определяется по формулам:

(3)

(4)

x_q, x_c, x_g - коэффициенты формы определяемые по формулам x_g = 1-0,25/h; x_q = 1+1,5/h; x_с = 1+0,3/h (h=l/b), но без уменьшения длины l и ширины b подошвы фундамента на величины эксцентриситета нагрузок; F₁, F₂ и F₃ - коэффициенты определяемые по графикам рис. 1 в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения j₁; и g₁ - соответственно расчетные значения удельного веса грунта, находящегося выше и ниже подошвы фундамента (с учетом взвешивающего действия подземных вод); d - глубина заложения фундамента (в случае неодинаковой вертикальной пригрузки с разных сторон фундамента принимается значение, соответствующее наименьшей пригрузке, например со стороны подвала); k_eq - коэффициент, принимаемый равным 0,1; 0,2; 0,4 при сейсмичности площадок строительства 7,8 и 9 баллов соответственно.

П р и м е ч а н и е: В формуле при F₂<k_eqF₃ следует принять p_b = p₀.

Эксцентриситеты расчетной нагрузки e_a и эпюры предельного давления e_u определяется по формулам

; (5)

, (6)

где N_a и M_a - вертикальная составляющая расчетной нагрузки и момент, приведенные к подошве фундамента при особом сочетании нагрузок.

Величины e_a и e_u рассматриваются с одинаковым знаком, т.е. направлены в одну сторону от вертикальной оси симметрии фундамента, так как несущая способность основания минимальна при сдвиге грунта в сторону, противоположную эксцентриситету нагрузки.

Рис. 1. Эпюра предельного давления под подошвой фундамента при сейсмическом воздействии.

В зависимости от соотношения между величинами e_a и e_u вертикальная составляющая силы предельного сопротивления основания принимается:

при e_a < e_u ; (7)

при e_a < e_u ; (8)

При применении формулы для ленточных фундаментов нагрузка и предельное сопротивление основания определяются для единицы их длины (l=1).

При действии моментных нагрузок в двух направлениях расчет основания по несущей способности должен выполняться раздельно на действие сил и моментов в каждом направлении независимо друг от друга.

При расчете оснований и фундаментов на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмических воздействий допускается частичный отрыв подошвы фундамента от грунта при выполнении следующих условий:

П 1. Эксцентриситет e_a расчетной нагрузки не превышает одной трети ширины фундамента в плоскости моменты;

П 2. Сила предельного сопротивления основания определяется для условного фундамента, размер подошвы которого в направлении действия момента равен размеру сжатый зоны b_c = 1,5(b-2e_a);

П 3. Максимальное краевое давление p_max под подошвой фундамента, вычислительное с учетом его неполного опирания на грунт, не превышает краевой ординаты эпюры предельного сопротивления основания.

Максимальное расчетное давление по подошве фундамента определяется по формуле

, (9)

где b - ширина фундамента; N_a и е_а - те же величины, что и в формуле , причем е_а>b/6; p_b - определяется по формуле причем е_а>b/6; p_b - определяется по формуле (3),но для фундамента, имеющего условную ширину b .

При e формула (4) приобретает вид:

N p (10)

Глубина заложения фундаментов в грунтах, относимых по их сейсмическим свойствам согласно СНиП по проектированию зданий и сооружений в сейсмических районах к I и II категориям, принимается, как правило, такой же, как и для фундаментов в несейсмических районах.

На площадках, сложенных грунтами III категории по сейсмическим свойствам, рекомендуется предусматривать устройство искусственных оснований.

При невозможности заглубления фундаментов здания или отсека на одном уровне в нескальных грунтах должно выполняться условие (4)*, в котором расчетное значение угла внутреннего трения грунта должно быть меньше при сейсмичности: 7 баллов – на 2 , 8 баллов – на 4 и 9 баллов – на 7 .

Ленточные фундаменты примыкающих частей отсеков должны иметь одинаковое заглубление на протяжении не менее одного метра от осадочного шва. Столбчатые фундаменты, разделенные осадочным швом, должны располагаться на одном уровне.

Для зданий высотой более 5 этажей рекомендуется устройство подвальных этажей, которые должны располагаться под всем зданием и его отсеками.

Пример. Рассчитать несущую способность основания ленточного фундамента на основное сочетание нагрузок здания 1 класса, шириной подошвы фундамента b=6м при глубине заложения d=2м. Основанием служат пылеватые влажные пески средней плотности и крупности, имеющие следующие значения расчетных характеристик: удельный вес =15кН/м ; угол внутреннего трения φ=26 ; удельное сцепление 4 кПа. Удельный вес насыпного грунта выше подошвы фундамента =12кН/м. При особом сочетании нагрузок с учетом сейсмического воздействия интенсивностью 8 баллов и повторяемостью землетрясения 2 к подошве фундамента приложены вертикальная нагрузка N =1040 кН/м, горизонтальная нагрузка Q=130 кН/м и момент М =980 кН/м.

По графику рис.2 определяем: F =12; F =8,2; F =16,8. Принимаем k =0,2. Ординаты эпюры предельного давления под краями подошвы ленточного фундамента вычисляем по формулам:

p ; (11)

p (12)

Эксцентриситеты расчетной нагрузки и эпюры предельного давления по формулам (5) и (6) равны:

e м; (13)

e /6)(803-450/803+450)=0,28м; (14)

Величина e , следовательно, имеет место полное опирание подошвы фундамента на грунт.

Так как e ,несущую способность основания определяем по формуле (8)

6*1*803/(1+6*0,94/6)=2480кН/м. (15).

Принимая для грунта второй категории по сейсмическим свойствам при повторяемости землетрясений 2 =0,8, получим N =1040кН<0,8*2480/1,2=1660кН/м, следовательно, принятые по расчету на основное сочетание нагрузок размеры фундамента со значительным запасом удовлетворяют проверке по первому предельному состоянию при особом сочетании нагрузок.

Пример расчета несущей способности основания столбчатого фундамента. Фундамент имеет размеры b = 2,8м и l=4,4м, глубину заложения d =1,8м. Основанием служат глинистые грунты второй категории по сейсмическим свойствам, имеющие расчетные характеристики: =16,3кН/м ; φ=23 ; с=12 Па.

Удельный вес грунта выше фундамента =15,5кН/м . Сейсмичность района 7 баллов и повторяемость землетрясений 3. При этом к основанию фундамента приложена вертикальная нагрузка N =2960кН, горизонтальная нагрузка Q=380кН и момент М=2150кН*м. Здание отнесено к ІІ классу по назначению.

По формуле (5) определим эксцентриситет расчетной нагрузки e =2150/2960=0,73м.

Первое условие п.1 при этом выполняется (e ), однако имеет место частичный отрыв подошвы, так как e =0,47м, поэтому в соответствии со вторым условием п.2 расчет необходимо проводить для условной ширины фундамента

b =1,5(2,.80-2*0,73) = 2,01м.

По графику рис.2 по формулам определяем F =8,4; F =5,4; F =12,7,

Ординаты эпюры предельного давления при k =0,1 вычисляем по формулам (3) и (4)

p = 1,69*8,4*15,5*1,8+1,14*(8,4-1)*12/0,42=659 кПа;

p = 659+0,89*16,3*2,01*(5,4-0,1*12,7)=774 кПа.

Максимальное давление под краем подошвы фундамента равно:

p =2*2960/ (3*4,4*(2,80/2-0,73))=674 кПа;

т.е. условие п.1 выполняется.

Находим по формуле (6) эксцентриситет эпюры предельного давления

e =(2,01/6)*(774-659/774+659)=0,027 м.

Несущую способность вычисляем по формуле (10)

N =0,5*2,01*4,4*774=3420 кН.

Принимая =0,8*1,15=0,92 и =1,15, получаем

N =2960 kH kH,

Следовательно, устойчивость основания не обеспечена и требуется увеличить размеры фундамента.

Примем b=3м, оставляя другие размеры фундамента прежними. Тогда:

b ;

p кПа;

p кПа ;

e ;

N к Н;

N=2960 кН 0,92*4130/1,15=3300 кН.

Окончательно ширина фундамента принята равной 3 м.

Примечание. При изменении ширины подошвы столбчатого фундамента в примере расчета не учтено некоторое возрастание вертикальной нагрузки, так как в данном случае оно относительно мало и не приводит к нарушению условия (1) при ширине подошвы 3 м.

Варианты к домашнему заданию по расчету фундамента на сейсмические нагрузки.

Таблица 1.

№ варианта	Тип фундамента	Класс здания	Данные о инженерно-геологических условиях площадки							Нагрузки			Размеры фундаментов
№ варианта	Тип фундамента	Класс здания	Сейсмичность площадки	Повторяемость замлетрясений	Категория грунта по сейсмическим свойствам	j, °	с, кПа	g_1,кН/м³	g^/_1,кН/м³	N_а, кН (кН/м)	Q, кН (кН/м)	M_а,, кН м (кН м/м)	d, м	b, м	l, м
1	Л	I	7	2	III	21	23	16.3	16.0	1080	130	950	1.8	6.3	-
2	Л	II	8	3	I	26	47	15.5	15.0	1000	120	760	2.0	5.1	-
3	С	I	9	1	II	24	31	17.0	16.8	2000	0	800	2.2	3.0	4.0
4	С	II	7	3	III	27	13	16.2	15.8	2300	80	1300	2.3	2.9	4.3
5	Л	I	8	2	I	23	25	15.4	15.0	1300	100	180	2.0	5.7	-
6	Л	II	9	1	III	18	20	16.8	16.3	1250	80	300	1.8	5.9	-
7	С	I	7	2	II	16	16	15.0	14.8	2100	75	1500	2.2	3.6	3.6
8	С	II	8	3	I	22	22	16.4	16.0	1900	150	1300	2.4	3.0	4.4
9	Л	I	9	1	II	28	13	15.3	14.8	960	110	850	1.7	5.0	-
10	Л	II	7	3	III	25	37	14.9	14.7	990	120	900	1.8	5.7	-
11	С	I	8	2	I	29	11	16.6	16.1	2000	80	1000	1.9	2.8	4.6
12	С	II	9	1	II	30	15	18.3	17.5	2600	120	1700	2.0	3.0	4.2
13	Л	I	7	2	III	27	13	15.9	15.4	1500	10	190	2.3	6.3	-
14	Л	II	8	2	III	18	20	15.9	15.4	1100	70	190	2.1	5.3	-
15	С	I	9	1	II	16	16	14.9	14.7	2150	80	2100	1.8	2.7	4,2

Таблица 2.

№ варианта	Тип фундамента	Класс здания	Данные о инженерно-геологических условиях площадки							Нагрузки			Размеры фундаментов
№ варианта	Тип фундамента	Класс здания	Сейсмичность площадки	Повторяемость замлетрясений	Категория грунта по сейсмическим свойствам	j, °	с, кПа	g_1,кН/м³	g^/_1,кН/м³	N_а, кН (кН/м)	Q, кН (кН/м)	M_а,, кН м (кН м/м)	d, м	b, м	l, м
16	C	I	9	2	II	21	13	16.3	16.0	1900	130	950	1.8	6.3	4.0
17	C	II	7	3	III	26	37	15.5	15.0	960	120	760	2.0	5.1	4.3
18	Л	I	8	1	II	24	11	17.0	16.8	990	0	800	2.2	3.0	-
19	Л	II	9	3	II	27	15	16.2	15.8	2000	80	1300	2.3	2.9	-
20	С	I	7	2	II	23	13	15.4	15.0	2600	100	180	2.0	5.7	3.6
21	С	II	9	1	II	18	20	16.8	16.3	1500	80	300	1.8	5.9	4.4
22	Л	I	7	2	III	16	16	15.0	14.8	1100	75	1500	2.2	3.6	-
23	Л	II	8	3	II	22	23	16.4	16.0	1080	150	1300	2.4	3.0	-
24	С	I	8	1	III	28	47	15.3	14.8	1000	110	850	1.7	5.0	4.6
25	С	II	9	3	I	25	31	14.9	14.7	2000	120	900	1.8	5.7	4.2
26	Л	I	7	2	II	29	13	16.6	16.1	2300	80	1000	1.9	2.8	-
27	Л	II	8	1	I	30	25	18.3	17.5	1300	120	1700	2.0	3.0	-
28	С	I	9	2	II	27	20	15.9	15.4	1250	10	190	2.3	6.3	4.2
29	С	II	7	2	II	18	16	15.9	15.4	2100	70	190	2.1	5.3	4,0
30	Л	I	8	1	III	16	22	14.9	14.7	2150	80	2100	1.8	2.7	-