Методичні вказівки до розрахунку стовпчастого монолітного фундаменту під колону за Єврокодом -7 (en 1997).

Проектування фундаментів за європейськими нормами відноситься до геотехнічного проектування. У всіх випадках розрахунки виконують за граничними станами: за ULS – несучою здатністю грунту основи та матеріалу тіла фундамента та SLS - за експлуатаційною придатністю (за цим станом розраховують і осідання основи). Основною відмінністю від українських норм ДБН є те, що визначення геометричних розмірів фундаменту виконують за розрахунком несучої здатності, коли гранична несуча здатність зменшена на коефіцієнт використовується в якості допустимого навантаження на грунт несучого шару (як відомо розрахунковий опір грунту R, теоретичне обгрунтування якого було виконане ще професором Пузиревським в 1923 р. і з часом зазнало практичного корегування, в більшості країн світу, включаючи країни ЄС, в практиці проектування не використовується).

Для розподільчих фундаментів, в яких навантаження від споруди передається тільки через підошву фундамента ( в ДБН - фунаменти неглибокого закладання, в незалежності від конструкції (стрічкові, стовпчасті чи плитні - тільки такі типи фундаментів звичайно використовують в світі, маючи на увазі, що конструктивне рішення їх може бути різним) розраховують за одною схемою. При цьому глибину закладання фундаментів на почтковій підготовчій стадії задають орієнтовною, уточнюючи її при перевірці на несучу здатність як грунту основи, так і матеріалу фундаменту (остання перевірка - на продавлювання плитної частини фундаменту по периметру опорної частини несучої конструкції), що може привести і до зміни глибини закладання фундаменту. Це не означає, що правило прорізки поверхневого слабкого шару грунту (з умов геологічної будови в Україні) ігнорується, але EN не вимагають такого детального розгляду визначення мінімальної глибини закладання фундаменту, як того вимагає ДБН. Також EN не регламентують визначення попередніх геометричних розмірів фундмаментів (це встановлюється з врахуванням досвіду проектуванальника, хоча в більшості країн існує оцінка допустимого тиску на регіональні грунти - аналог нашого умовного розрахункового опору R₀, величина якого для різних грунтів приводиться в таблицях додатку ДБН з основ і фундаментів).

Повне проектування розподільчих фундаментів на практиці включає на підготовчому етапі врахування типу споруди (будівлі) за геотехнічною категорією, оцінки грунтових умов з визначенням характеристичного, презентативного і розрахункового значення параметрів грунту - зауважемо, що це виконує інженер - конструктор, а не інженер-геолог (геотехнік), завдання якого розкрити геологічну будову майданчика та привести результати польових і лабораторних випробувань зразків грунту. За конструктивною схемою споруди ведуть розрахунок характеристичних значень навантажень, що в подальшому будуть використані в розрахунках як розрахункові (визначені з частковим коефіцієнтами).

Проектувальник таким чином зобов’язаний при проектуванні фундаментів розглядати всі фундаменти споруди, що відрізняється за вихідними даними. В кожному випадку він складає розрахункову схему, призначає граничні стани, розгляд яких забезпечує надійність запроектованого фундаменту, та розглядає проетні підходи, для яких і встановлює комбінації навантажень.

Враховуючи, що індивідуальне розрахункове завдання має обмежений об’єм (відповідно трудомісткість за навчальним планом підготовки інженера-будівельника для промислового та цивільного будівництва), максимально спростимо його виконання з тим, щоб студент закріпив основні вимоги до геотехнічного проектування, не витрачаючи часу на детальне визначення вихідних даних.

На основі цього приймаємо, що постійні та перемінні навантаження уже визначені (приводяться в завданні), а грунт основи включає тільки один шар (еквівалентної назви, як в українських нормах - інженерно-геологічнний елемент - європейські норми не використовують) з характеристичними значеннями параметрів, що теж подані в завданні, Фактично при виконанні розрахунків ігноруються місцеві умови, споруда розглядається як каркасна з монолітного залізобетону з колонами, поперечний переріз яких задано в завданні.

Так як розрахунок за матеріалом виконувати не планується (може бути виконаний при вивченні конструктивних розмірів EN в другому модулі дисципліни), то дані що до бетону та арматури для конструювання фундаменту в завданні не приводеться. Спрощується і конструктивне рішення фундаменту: в усіх випадках його потрібно прийняти одноступінчатим, що дуже часто і виконується, як оптимальне рішення за вартістю, в світовій практиці. Ущільнення чи зміцнення основи в завданні не розглядаються, а розрахунки виконуються для природної основи.

Також умовно опускаються для розрахунку фундаментів випадкові дії та геотехнічні дії що пов‘язані з інженерно-геологічними (геотехнічними) процесами та явищами, включаючи і перспективну оцінку можливості зміни параметрів грунту (обводнення, просідання, набухання та ін.).

Виконання індивідуального завдання розпочинають з оцінки вихідних даних. Самостійно доповнюють призначення каркасної споруди, сітку колон та місце-положення колони (кутова, крайнього чи середнього ряду). Це роблять на основі виданого завдання. В подальшому дотримуються такого порядку:

• Складають розрахункову схему.

Оскільки прямий досвід з проектування фундаментів за EN у студентів відсутній, скористаяємось наступним порядком визначення:

а) приймаємо фундамент симетричним;

б) визначаємо попередні розміри підошви фундаменту, використовуючи досвід проектування в Україні, за величиною R₀, яке визначаємо з посібником [ ]. При цьому за описовими даними для пісків (враховують крупність, щільність та вологість) приймають R₀, кПа, за таблицею без інтерполяції. Для глинистих грунтів за видом, станом та величиною коефіцієнта пористості (маємо на увазі, що європейська класифікація для грунтів суттєво відрізняється від прийнятої в Україні, хоча теж базується на гранулометричному складі і враховує додатково число пластичності (загалом аналогу терміну “супісок” в країнах ЄС не існує взагалі). Значення R₀ з точністю до 10 кПа приймаємо наближено за табл. .

Приймаємо, що для центрально-навантаженого стовпчастого фундаменту сторони підошви приймають рівними b = l, значення яких умовно дорівнює:

В цій формулі враховуємо характеристичні значення G_K і Q_K, які прикладені до фундаменту в рівні підлоги. Коефіцієнт 1.50 умовно приймають для попереднього визначення як можливо масимальний в усіх випадкмх до розрахункових навантажень.

Тому тут не використовують традиційну формулу, прийняту в Україні:

Хоча і такий підхід (другий запис в формулі) можливий. Потрібно мати на увазі, що метод наближення в розрахунках фундаментів відомий в країнах ЄС (та і в цілому світі) як метод проб і помилок. При цьому суть його остається постійною: в кінцевому випадку прийняти такі розміри фундаментів, які будуть задовільняти вимогам граничних станів.

Вираховане значення “b” приймаємо бішим до величини, що кратна 100мм (такі рекомендації щодо розмірів зберігаються і в практиці проектування фундаментів в країнах ЄС).

Після цього керуємось такими конструктивними підходами. Оскільки споруда, що розглядається, є какасною будівлею цивільного чи промислового призначення середніх розмірів, вона відноститься до 2-ї геотехнічної категорії. При відсутності моменту ефективна площа підошви фундаменту дорівнює номінальній (визначеній за розмірами, встановленими вище), тобто А‘ = b’ · 𝓁’ = A = b · 𝓁 мм. Так як фундамент з монолітного залізобетону, то він добре працює на розтяг, а значить товщина фундаментної плити h_f може бути прийнята з досвідної умови h_f ≤ (1/4....1/3)·b, але не менше h_f = 300 мм. Розміри по вистоті ступенів чи плити приймають кратними 50 мм.

Глибину закладання фундаменту для об‘єкту в Україні приймаємо з врахуванням глибини промерзання. При виконанні розрахункового завдання d можна задати в межах 1.0...1.5 м. При цьому вимоги, щодо товщини шару підготовки та конструкції підлоги можуть не носити такого жорсткого визначення, як в Україні (150мм) і можуть бути значно більшими за 150 мм. Студент з врахуванням величини h_f і h_р самостійно приймає рішення по величині d. Ці дані відповідним чином позначаються на розрахунковій схемі. Також тут наносимо величини власної ваги фундаменту (фундаментної плити) W_f та конструкції підготовки і підлоги, яку спрощено приймаємо як вагу грунту W_S. Їх характеристичні значення дорівнюють:

W_f.K = A · h_f · γ_m = b · b · h_f · γ_m = 25 · · h_f, кН

W_Р.K = A · h_р · γ_Р.S = · h_р · γ_m.s , кН (значення питомої ваги грунту підготовки γ_m.s за завданням)

в) приймаємо розрахункову ситуацvю відповідно до розрахункової схеми, як стійку (постійну), тобто таку, що буде зберігатись протягом всього періоду експлуатації споруди.

• Розрахунок за граничним станом виконуємо за розрахунковими підходами, які передбачені при геотехнічному проектуванні за несучою здатністю (ULS).

Ці розрахунки викорнуються як перевірка за станом STR / GEO з використанням даних, що приведені на розрахунковій схемі.

Як відомо в EN 1997 використовується три розрахункових підходи, для кожних з яких окремо визначаються розрахункові значення навантажень і параметрів грунту з частковими коефіцієнтами, що визначаються за таблицями EN 1990. Таким чином перевірка передбачає як визначення розрахункових навантажень для прийнятої комбінації навантажень та розрахункових величин параметрів міцності грунту і опору (загальної несучої здатності) грунтової основи.

Визначаючи розрахункову величину діючих навантажень потрібно враховувати, що:

• задана велечина постійної дії G і перемінної дії Q є характеристичними значеннями, тобто G_K і Q_K, що попередньо встановлені за статичними розрахунками конструкції споруди як обережна оцінка середньої величини дії, тобто ймовірність проявлення найгірших (гарантованих) значень при квантилі 5% чи 95% (як нижнім або верхнім значенням) не враховувалась, так як споруда відноситься до другої геотехнічної категорії (див. п.4.1.2 EN1990)

Отже це середнє значення G_K = G_m, Q_K = Q_m.

• репрезентативні значення цих дій встановлюються при геотехнічних розрахунках за граничним станом STR/GEO з використанням часткових коефіцієнтів ψ, які для даного розрахунку рекомедується приймати:

а) для постійної дії, коли G_rep = ψ G_K, ψ = 1.0 (за п.6.3.1 і формулою (6.1 b) в EN1990);

б) для перемінної дії, коли Q_rep = ψ Q_K (формула 6.1 b), де ψ приймається в даному випадку для стійкої розрахунокової ситуації з врахуванням того, що це провідна перемінна дія (вона за завданням одна), як і для постійної дії при ψ = 1.0 (якщо ж на практиці є інше значення Q_K.i, воно розглядається як комбінацийна величина супутної перемінної дії і тоді потрібно визначати Q_rep.i = ψ₀ Q_K, де ψ₀ використовується як понижаючий коефіцієнт за табл. А.1.1 EN 1990 (найчастіше ψ₀ = 0.5...0.7).

• розрахункове значення дій, що роглядаються, визначаються для граничного стану STR/GEO за формулами (6.1 а) п.6.3.1 EN 1990):

а) постійної: G_d =γ_G G_rep;

б) перемінної: Q_d = γ_Q Q_rep

Коефіцієнти γ_G і γ_Q приймають в залежності від проектних підходів, які рекомендується виконувати при розрахунку фундаментів.

Приведемо загальне правило визначення сполучення часткових коефіцієнтів для проектних підходів при геотехнічному проектуванні любих об’єктів. З цією метою для спрощення розуміння покажемо комбінації дій в символьному позначенні, оскільки часткові коефіцієнти приводяться в різних таблицях додатку А EN1997 та відносяться до розрахункових значень дій позначених в EN, як F, G, Q, A; грунту (матеріалів за EN як загальної оцінки їх властивостей) позначених з індексом М; опору конструкції або основи позначеного індексом R. Відповідно часткові коефіцієнти до дій (γ_F –> γ_G, γ_Q i γ_A) та наслідків (ефектів) дій (γ_Е); до властивостей грунтів чи матеріалів (γ_M, наприклад γ_φ΄; γ_с΄; γ_γ), та опору конструкцій і основи (γ_R) можуть бути прийняті для кожного проектного підходу за умовним підходом з умовним об’єднанням їх знаком ‘‘+''. Розглянемо рекомендації, щодо такого визначення, які надані європейським технічним комітетом CEN/TC 25-/SC7 з цього приводу для окремих проектних підходів:

Проектний підхід 1.

Комбінація 1. Сполучення часткових коефіцієнтів приймається з множин А1 + М1 + R1; які відповідно приймаються для множини А1 за табл. А3 EN 1997 в залежності від того чи є дії сприятливими чи несприятливими; для опору грунту використовують множину М1 ( табл. А4) і множину R1 (табл. 4.5…4.8 та А12…А14 відповідно – тут γ_φ1 = γ_c1 = γ_сu = γ_γ = 1.0 і = 1.0)

Комінація 2. Сполучення часткових коефіцієнтів з множин А2 + М2 + R1(табл. А2 і А3 для і –> A2; табл. А.4 для і табл. А.8…А.14 для )

Проектний підхід 2 використовує одну комбінацію, яка являє наступний набір часткових коефіцієнтів з множин А1 + М1 +R1, але тут використання коефіцієнтів залежить від того чи маємо справу з діями, властивостями грунту та опором – проектний підхід, який звичайно позначають ‘‘ДА-2'', чи маємо справу з наслідками дії (проектний підхід ‘‘ДА-2*''). Для ДА-2 використовують правило підбору часткових коефіцієнтів до дій – ‘‘з одного джерела'', а в ДА-2* використовують часткові коефіцієнти рівними 1.0 (тобто характеристичні значення величин), а до наслідків дій застосовують єдиний частковий коефіцієнт. Коефіцієнти приймають за додатком А в EN 1997.

Проектний підхід 3 має комбінаційний набір коефіцієнтів за множинами (А1 або А2) + М2 +R3) при цьому множина А1 використовується до дій, а А2 до геотехнічних дій. Коефіцієнти приймають також за додатком А EN 1997 (схема підходу до вибору таблиць в проектних підходах 2 і3 така ж як і для проектного підходу 1.

Подамо спрощену оцінку часткових коефіцієнтів до дій, які розглядається при розрахунку центрально навантаженого фундаменту неглибокого закладання.