2955
.pdf624.13/15
C512 |
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ |
|
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ |
Ю.П. Смолин, В.В. Бессонов
Проектирование оснований и фундаментов водонапорной башни в сейсмических районах
Методические указания к выполнению курсовой работы
Новосибирск
2015
11
УДК 624.131 С512
Смолин Ю.П., Бессонов В.В. Проектирование основа-
ний и фундаментов водонапорной башни в сейсмических районах: Метод. указ. к выполнению курсовой работы. – Ново-
сибирск: Изд-во СГУПСа, 2015. – 23 с.
Приводятся исходные данные и рекомендации по проектированию двух вариантов фундаментов водонапорной башни в сейсмических районах – мелкого заложения и свайного. При составлении методических указаний учтены действующие строительные нормы и правила, государственные стандарты и технические условия.
Предназначены для студентов очной и заочной форм обучения направления подготовки 270800 «Строительство» (квалификация выпускников – бакалавр).
Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры «Геология, основания и фундаменты».
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р д-р техн. наук, проф. А.М. Караулов
Р е ц е н з е н т
канд. техн. наук, проф. кафедры «Строительное производство и конструкции» Новосибирской государственной академии водного транспорта Г.Г. Чибряков
© Сибирский государственный университет путей сообщения, 2015 © Смолин Ю.П., Бессонов В.В., 2015
2
Введение
Причиной землетрясений могут быть различные явления техногенного и тектонического происхождения. С инженерной точки зрения наибольший интерес представляют землетрясения тектонического происхождения, что объясняется возможной значительной энергией, которая высвобождается при сейсмике.
Для классификации землетрясений применяется 12-балльная шкала ускорений колебаний грунтов. Расчет конструкций зданий
исооружений производится только на 7, 8 и 9 баллов. Считается, что при сейсмике с балльностью до 6 баллов грунты в основаниях под фундаментами не теряют своей прочности. Для сейсмики свыше 9 баллов расчет конструкций зданий и сооружений не производится, так как при 10, 11 и 12 баллах грунты в основаниях сооружений теряют прочность и устойчивость.
Настоящие методические указания к выполнению курсовой работы составлены на основе СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» [1], СП 22.13330.2011 «Основания зданий
исооружений» [2], СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты» [3].
1. Общие положения
Учебным планом для бакалавров направления подготовки 270800 «Строительство» транспортных вузов предусмотрено выполнение курсовой работы по дисциплине «Фундаменты зданий и сооружений».
Цель выполнения курсовой работы – закрепить теоретические знания по разделу «Фундаменты в сейсмических районах», а именно:
–научиться делать расчеты и выработать практические навыки проектирования оснований и фундаментов в сейсмических районах;
–ознакомиться с нормативной и справочной литературой по проектированию оснований и фундаментов при сейсмике.
В курсовой работе фундаменты проектируются для грунтов
ΙΙΙкатегории по сейсмичности. Для проектируемых зданий принимать II уровень ответственности. При этом разрабатываются два варианта фундаментов – мелкого заложения и свайный.
3
2. Исходные данные
Студент очного отделения получает бланк задания на курсовую работу, в котором содержатся необходимые данные для проектирования:
–вариант, согласно которому принимаются размеры водонапорной башни в плане и ее высота по табл. 2.1 (конструктивная и расчетная схемы башни приведены на рис. 2.1), а также расчетный вес массы mk, сосредоточенной в верхней части башни, т;
–сейсмический район строительства, интенсивность сейсмических воздействий в баллах (для заданного района строительства следует принимать на основе сейсмического районирования территории Российской Федерации по [1]);
–инженерно-геологический слой грунта, принимаемый согласно заданному варианту по табл. 2.2, вид для песчаных грун-
тов определяется по кривым гранулометрического состава
(рис. 2.2).
Студенты заочного отделения принимают данные для проектирования по предпоследней цифре шифра зачетной книжки из табл. 2.1, а физико-механические свойства – по последней цифре из табл. 2.3 (если в шифре одна цифра, то перед этой цифрой принять цифру ноль).
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|
Данные для проектирования |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Сейсмическая |
Внешний |
|
|
Расчетный вес |
Вариант |
балльность |
диаметр |
Внутренний |
Высота |
массы, сосредо- |
стройплощадки |
башни D, |
диаметр |
башни |
точенной в |
|
|
(только для |
башни d, м |
H, м |
верхней части |
|
|
заочников) |
м |
|
|
башни mk, т |
|
|
|
|
||
0 |
7 |
2,4 |
1,6 |
14,0 |
107 |
1 |
8 |
2,5 |
1,7 |
13,2 |
100 |
2 |
9 |
2,6 |
1,8 |
12,5 |
90 |
3 |
7 |
2,3 |
1,5 |
15,0 |
110 |
4 |
8 |
2,7 |
1,9 |
14,1 |
106 |
5 |
9 |
2,8 |
2,0 |
13,5 |
101 |
6 |
7 |
2,9 |
2,1 |
13,9 |
97 |
7 |
8 |
2,8 |
2,0 |
14,0 |
95 |
8 |
9 |
2,4 |
1,6 |
13,5 |
102 |
9 |
7 |
2,3 |
1,5 |
13,8 |
100 |
Примечание. Расчетная сейсмическая балльность дана в баллах шкалы MSK-64 для средних грунтовых условий и сейсмической опасности А
(10 %).
4
Рис. 2.1. Конструктивная (а) и расчетная (б) схемы водонапорной башни
5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.2 |
|
Физико-механические характеристики грунтов |
|
||||||||
|
|
(для студентов очного отделения) |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вариант |
γ, |
γs, |
W |
WL |
Wp |
φ° |
c, |
E, |
|
Кривая |
кН/м3 |
кН/м3 |
кПа |
МПа |
грансостава* |
||||||
1 |
17,0 |
26,3 |
0,17 |
– |
– |
35 |
– |
50,5 |
|
1 |
2 |
17,5 |
26,4 |
0,26 |
– |
– |
30 |
– |
45,0 |
|
2 |
3 |
18,0 |
26,6 |
0,21 |
– |
– |
28 |
– |
39,1 |
|
3 |
4 |
17,5 |
26,3 |
0,21 |
– |
– |
26 |
– |
35,0 |
|
4 |
5 |
18,5 |
27,0 |
0,17 |
– |
– |
25 |
– |
32,3 |
|
5 |
6 |
18,0 |
27,0 |
0,20 |
– |
– |
24 |
– |
28,0 |
|
6 |
7 |
18,0 |
26,8 |
0,18 |
0,30 |
0,27 |
26 |
15 |
24,0 |
|
– |
8 |
17,8 |
26,8 |
0,19 |
0,31 |
0,28 |
25 |
12 |
23,0 |
|
– |
9 |
17,6 |
26,7 |
0,19 |
0,32 |
0,29 |
24 |
10 |
19,5 |
|
– |
10 |
17,4 |
26,8 |
0,11 |
0,33 |
0,26 |
23 |
9 |
18,0 |
|
– |
11 |
17,2 |
26,7 |
0,12 |
0,34 |
0,29 |
22 |
8 |
16,2 |
|
– |
12 |
17,0 |
27,4 |
0,13 |
0,35 |
0,28 |
21 |
7 |
21,2 |
|
– |
13 |
17,0 |
27,3 |
0,20 |
0,42 |
0,27 |
17 |
6 |
17,1 |
|
– |
14 |
16,9 |
27,5 |
0,14 |
0,42 |
0,26 |
15 |
40 |
16,8 |
|
– |
15 |
17,2 |
27,2 |
0,17 |
0,43 |
0,28 |
14 |
42 |
20,0 |
|
– |
16 |
17,1 |
27,3 |
0,16 |
0,44 |
0,27 |
13 |
32 |
17,4 |
|
– |
17 |
16,8 |
27,1 |
0,19 |
0,41 |
0,27 |
12 |
31 |
14,7 |
|
– |
18 |
17,5 |
27,5 |
0,14 |
0,40 |
0,27 |
10 |
22 |
12,9 |
|
– |
19 |
18,5 |
27,6 |
0,16 |
0,42 |
0,27 |
12 |
25 |
15,0 |
|
– |
20 |
18,2 |
27,4 |
0,18 |
0,39 |
0,20 |
9 |
27 |
15,2 |
|
– |
21 |
17,8 |
27,5 |
0,19 |
0,38 |
0,17 |
7 |
44 |
19,4 |
|
– |
22 |
17,4 |
27,6 |
0,14 |
0,46 |
0,21 |
8 |
62 |
9,5 |
|
– |
23 |
17,2 |
27,7 |
0,15 |
0,47 |
0,24 |
10 |
56 |
11,6 |
|
– |
24 |
17,6 |
27,8 |
0,17 |
0,50 |
0,20 |
4 |
59 |
13,7 |
|
– |
* Кривые гранулометрического состава смотреть на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Кривые гранулометрического состава
6
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.3 |
|
||
|
Физико-механические характеристики грунтов |
|
|
||||||
|
|
(для студентов заочного отделения) |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Удельный |
Удельный |
|
Влажность |
|
Влажность |
Угол внут- |
Удел |
|
|
вес ча- |
вес грун- |
Естественная |
на границе |
|
на границе |
|||
Вариант |
|
реннего |
сцепл |
||||||
стиц γs, |
та γ, |
влажностьW |
текучести |
пластичности |
|||||
|
трения φ° |
с, к |
|||||||
|
кН/м3 |
кН/м3 |
|
WL |
|
Wp |
|
|
|
0 |
26,6 |
17,7 |
0,11 |
0,25 |
|
0,18 |
30 |
9 |
|
1 |
27,0 |
17,6 |
0,10 |
0,22 |
|
0,16 |
18 |
2 |
|
2 |
26,5 |
18,5 |
0,15 |
0,24 |
|
0,11 |
17 |
2 |
|
3 |
26,6 |
19,0 |
0,18 |
0,31 |
|
0,20 |
25 |
2 |
|
4 |
27,4 |
18,5 |
0,17 |
0,35 |
|
0,22 |
16 |
4 |
|
5 |
27,2 |
19,8 |
0,19 |
0,42 |
|
0,24 |
17 |
3 |
|
6 |
27,0 |
19,4 |
0,16 |
0,41 |
|
0,22 |
20 |
3 |
|
7 |
27,0 |
17,1 |
– |
– |
|
– |
31 |
6 |
|
8 |
26,7 |
18,0 |
– |
– |
|
– |
30 |
8 |
|
9 |
26,5 |
17,7 |
– |
– |
|
– |
29 |
7 |
* Кривые гранулометрического состава смотреть на рис. 2.2.
На защиту курсовой работы студент представляет расчетнопояснительную записку объемом 20–25 с. и чертеж на листе формата А2.
В расчетно-пояснительной записке содержатся:
–бланк задания на курсовую работу, подписанный преподавателем (для студентов дневного отделения);
–конструктивная и расчетная схемы водонапорной башни;
–исходные данные для выполнения работы;
–анализ инженерно-геологических условий строительной площадки;
–расчет фундаментов мелкого заложения;
–расчет свайных фундаментов.
Расчеты выполняются в соответствии с методическими указаниями и строительными нормами.
3. Анализ инженерно-геологических условий строительной площадки
Для построения геологического разреза в бланке задания указывается условный номер грунта, характеристики которого приведены в табл. 2.2.
7
Для данного номера грунта из задания и табл. 2.2 (для очников) и 2.3 (для заочников) определяется его наименование по ГОСТ 25100–2011 [4]. Для этой цели определяются следующие дополнительные характеристики: коэффициент пористости e, коэффициент водонасыщения Sr, удельный вес сухого грунта d, число пластичности Ip, показатель текучести IL (Ip и IL определяются только для глинистых грунтов). Все данные о грунте основания целесообразно представить в виде табл. 3.1.
Таблица 3.1
Сводная таблица физико-механических свойств грунтов строительной площадки
Показатель
1.Удельный вес частиц γs, кН/м3
2.Удельный вес γ, кН/м3
3.Влажность W
4.Удельный вес сухого грунта γd, кН/м3
5.Коэффициент пористости e
6.Степень влажности Sr
7.Влажность на границе пластичности Wp
8.Влажность на границе текучести WL
9.Число пластичности Ip
10.Показатель текучести IL
11.Угол внутреннего трения φ°
12.Удельное сцепление с, кПа
13.Модуль деформации Е, кПа
14.Условное расчетное сопротивление R0
15.Полное наименование грунта
по ГОСТ 25100–2011
Определение Значение значения показателя
Из задания
Из задания
Из задания
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
W |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
e |
|
|
s |
1 |
|||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
S |
|
|
|
W |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
e |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W |
|
|
|
|
Из задания |
||||||||||||
|
|
Из задания |
||||||||||||
I |
p |
(W W ) 100 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
p |
|
|
||
|
|
I |
|
|
W W |
p |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
L |
|
|
|
W |
|
|
|
W |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
||||
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
Из задания
Из задания
Из задания
По таблицам из прил. 5, 6
Наименование песчаного грунта устанавливается по его гранулометрическому составу, степени влажности и коэффициенту пористости. Гранулометрический состав задается в виде кривых (см. рис. 2.2). Разновидность песчаного грунта определяется по прил. 1. Разновидность песчаных грунтов по плотности сложения
8
определяется в соответствии с прил. 2. Разновидность глинистого грунта устанавливается по числу пластичности Ip (прил. 3) и по показателю текучести IL (прил. 4). По заданным вычисленным фазовым характеристикам для слоя грунта необходимо определить табличное значение условного расчетного сопротивления R0 в соответствии с прил. 5, 6.
4. Определение сейсмических нагрузок
Прежде чем приступить к расчету оснований и фундаментов в сейсмических районах, необходимо определить сейсмическую нагрузку, действующую на водонапорную башню. Эта нагрузка является результатом действия инерционных сил, возникающих при колебании сооружения, и зависит от периодов и форм собственных колебаний, которые определяются методами динамики сооружения. Сейсмические силы могут иметь произвольное направление в пространстве. В курсовой работе направление сейсмической нагрузки принимается только в горизонтальном направлении.
Для определения сейсмической нагрузки на водонапорную башню используется расчетная схема сооружения, в которой вес сооружения принимается в виде сосредоточенной массы с использованием консольной расчетной динамической модели
(см. рис. 2.1, б).
В качестве сосредоточенной массы принимается 1/3 веса от расчетного веса массы ствола башни и бака с водой. Расчетная масса, сосредоточенная в верхней части башни, по вариантам задания на проектирование приведена в табл. 2.1.
Расчет фундаментов на сейсмические силы производится по первой группе предельных состояний по несущей способности основания.
Расчетная сейсмическая нагрузка согласно [1] с одной сосредоточенной массой mk в точке определяется по формуле
S0 K0 K1mk A k k , |
(4.1) |
где K0 – коэффициент, учитывающий назначение и уровень ответственности водонапорной башни, принять равным 1,1 при сейсмической нагрузке, соответствующей уровню ПЗ (проектного землетрясения); K1 – коэффициент, учитывающий допустимые по-
9
вреждения башни (в курсовой работе K1 = 0,25); mk – расчетный вес массы, сосредоточенной в точке приложения сейсмической силы с учетом расчетных нагрузок на конструкцию (см. табл. 2.1); А – значение ускорения в уровне основания, принимаемое равным 1; 2; 4 м/с2 для расчетной сейсмичности 7, 8, 9 баллов соответственно; kψ – коэффициент для башен, согласно [1] принимается равным 1,5; ηk – коэффициент, зависящий от формы собственных колебаний сосредоточенной массы (так как расчетная модель рассматриваемой водонапорной башни имеет только одну форму собственных колебаний, то допустимо принять коэффициент ηk = 1); β – коэффициент динамичности, зависящий от периода собственных колебаний Т.
Так как расчетная схема башни имеет одну форму собственных колебаний, то период этих колебаний при жестком основании под фундаментом определяется по формуле
T 2 |
m |
|
, |
(4.2) |
|
k |
1 |
где δ1 – перемещение верха водонапорной башни от единичной силы в точке приложения S0 с массой mk.
Значение δ1 определяется по формуле
1
|
h |
2 |
|
|
|
||
3EI |
|||
|
,
(4.3)
где h – расстояние от обреза фундамента до точки приложения сейсмической силы (h = Н – h , h = 4,5 м); Е – модуль упругости бетона, равный 3 ·107 кПа; I – момент инерции сечения круглой конструкции ствола водонапорной башни, который определяется по формуле
|
D |
4 |
|
d |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I |
|
|
1 |
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|||
|
64 |
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.4)
где D и d – внешний и внутренний диаметры башни соответственно, м.
После определения периода собственных колебаний по формуле (4.2) определяется величина β из следующих условий:
при T ≤ 0,1 c |
β = 1 + 15T; |
при 0,1 с < Т < 0,4 с |
β = 2,5; |
при Т ≥ 0,4 с |
β = 2,5(0,4 / Т )0,5. |
10