Наука в системе культуры

Контрольные вопросы к работам  №1, №2.

1. Группы основных элементов  зданий, их краткая характеристика.

Основные элементы зданий подразделяются на следующие группы:

а) несущие конструкции, воспринимающие основные нагрузка,

б) ограждающие конструкции, разделяющие помещения, защищающие их от внешних и внутренних воздействий и обеспечивающие в помещениях заданные условия;

в) элементы, совмещающие несущие и ограждающие функции.

Наиболее  значительные внешние и внутренние нагрузки воспринимают конструкции зданий и сооружений промышленных предприятий тяжелой индустрии. Несущие конструкции таких зданий в основном состоят из фундаментов, колонн и стоек (реже стен), покрытий и перекрытий, подкрановых балок и связей. От качественных проектных решений конструкций зависит устойчивость, прочность и долговечность эксплуатации зданий и сооружений. Не менее значительную роль играет взаимодействие конструкций зданий с внешними и внутренними нагрузками, особенно, взаимодействие их с грунтами оснований.

2. Что называется основанием, фундаментом?

Основание - есть толща     массива грунтов, на которых возводят сооружения. Основания воспринимают от сооружений нагрузку и оказывают влияние на их прочность, устойчивость и нормальную эксплуатацию.

   Фундаментом     называют подземную или подводную часть здания или сооружения, расположенную ниже поверхности земли, которая воспринимает нагрузку от надземной части и передает ее на основание. При этом объем грунта, который воспринимает нагрузку от фундамента и деформируется, является   рабочей или активной частью основания

3. Группы грунтов в строительстве,  их основные свойства.

      В строительстве различают две группы грунтов:  обычные и со специфическими строительными свойствами. К обычным грунтам относятся : скальные, глинистые в сыпучие породы. Грунты со специфическими строительными свойствами - это лесс, торф, ил, мел. чернозем и т.д.

Скальные  породы обладают высокими прочностными свойствами, то есть большой несущей  способностью в пределах 100-300 Мегапаскаль (МПа). К ним относятся породы магматические (гранит, базальт), метаморфические (мрамор, кварц) и осадочные сцементированные (песчаники, кремнистые известняки). Скальные породы обеспечивают высокую прочность основания   и пригодны для строительства всех типов сооружений.

Глинистые породы - различные глины, суглинки, супеси   в различной консистенции (твердая, пластичная, текучая) соответственно I, П, Ш групп. Эти грунты обладают достаточной прочностью и служат основанием для большинства зданий и сооружений. Особенность глин - способность к размягчению в воде (набухание) и увеличение объема при замораживании (пучение). Сооружения, построенные на глинистых грунтах, могут иметь значительные деформации. Осадки сооружений на глинистых грунтах растянуты во времени я затухают через несколько лет, а иногда и десятков лет.

Сыпучие породы - это пески, гравий, галечники, щебень. Эти грунты характеризуются  отсутствием прочных связей между  зернами, водопроницаемостью, подверженностью  к пучению, сильно изменяются под влиянием динамических  нагрузок. В целом сыпучие породы пригодны для строительства легких сооружений. В силу своих высоких фильтрационных свойств сыпучие породы практически не пригодны для строительства водоудерживающих сооружений. Осадка сыпучих грунтов происходит быстро, но и быстро затухает.

Грунты со специфическими строительными свойствами обладают низкой несущей способностью. При строительстве эти грунты либо удаляют и заменяют на более прочные, либо укрепляют специальными способами. Сооружения, построенные на таких грунтах, испытывают значительные и резкие деформации.

4. Основные виды деформаций оснований  и сооружений.

Деформации основания в зависимости от причин возникновения бывают двух видов.

Первый - деформации от внешней нагрузки на основание. Это осадки, просадки, горизонтальные перемещения. Второй - деформации не связанные с внешней нагрузкой на основание и проявляющиеся в виде вертикальных и горизонтальных перемещении поверхности основания (оседания, просадки грунтов от собственного веса, подъемы и т.п.).

Совместная  деформация основания и сооружения характеризуется следующими величинами [1]:

• абсолютной осадкой основания отдельного фундамента(S);
• средней осадкой основания сооружения (Ŝ );
• относительной неравномерностью осадок двух фундаментов (ΔS/L);
• креном фундамента (сооружения) ( i );
• относительным прогибом или выгибом (f/L)
• кривизной изгибаемого участка сооружения (ρ );
• относительным углом закручивания сооружения (υ)

• горизонтальным перемещением фундамента  сооружения (u).

Общая осадка фундаментов складывается из следующих  элементов:

а) остаточной осадки перемятого верхнего слоя грунта при подготовке котлована землеройными механизмами;

б) пластических местных выдавливаний грунта в момент установки фундаментов и их загрузки;

в) длительных осадок уплотнения и затухающей ползучести сжатой зоны грунта под фундаментом.

Первые два  вида осадок следует избегать, для  чего котлован надо тщательно готовить. Длительная деформация уплотнения будет  наибольшей и зависит от свойств  грунтов в пределах сжимаемой  толщи основания. Для расчета  осадок фундамента необходимо иметь  следующие данные: инженерно-геологические  условия строительной площадки с  указанием мощности слоев грунта (литологический разрез);сведения об уровне грунтовых вод и физико-механических свойствах грунтов основания  в пределах активной зоны сжатия; размер и форму фундаментов, чувствительность здания к неравномерным осадкам; данные о глубине заложения фундаментов  и нагрузке на грунт от надфундаментных  конструкций.

5. Две группы предельных состояний  при проектировании оснований.

Основания рассчитываются по двум группам предельных состояний: первая — по несущей способности, вторая — по деформациям.

К первой группе предельных состояний оснований относятся  деформации неустановившейся ползучести, чрезмерные пластические деформации, резонансные колебания, потеря устойчивости формы и положения, вязкое или  хрупкое разрушение.

Ко второй группе предельных состояний относятся  такие состояния оснований, при  которых затрудняется нормальная эксплуатация здания или сооружения или снижается  его долговечность в результате недопустимых осадок, прогибов углов  поворота, а также колебаний, трещин и т. д.

Следует иметь в  виду, что потеря несущей способности  основания приводит чаще всего конструкции  здания или сооружения в предельное состояние первой группы. В этом случае предельные состояния основания  и конструкций здания или сооружения совпадают. Что касается деформаций основания, то они могут привести конструкции здания или сооружения в предельные состояния как второй, так и первой групп. В связи  с этим предельные деформации основания  могут ограничиваться прочностью, устойчивостью  и трещиностойкостью, а также  требованиями архитектурного, эксплуатационно-бытового и технологического характера.

6. В каких случаях выполняется  расчет основания по  несущей  способности, в каких по деформации?

Основание, фундамент и надземные  конструкции неразрывно связаны  между собой, взаимно влияют друг на друга и по существу рассматриваются как одна система. Однако, обычно, расчет оснований, фундаментов и конструкций выполняют раздельно. Чтобы в конечном итоге учесть особенности взаимной работы основания и сооружения проектирование оснований ведется по   предельным состояниям, которые подразделяются на две группы: по несущей способности и по деформациям. В первом случае определяется предельная и устанавливается безопасная нагрузка на основание, во втором случае определяются величины и характер перемещений различных точек поверхности основания, устанавливаются виды и предельные значения возможных деформация проектируемых зданий и сооружения. По деформациям основания рассчитываются всегда, по несущей способности в особых случаях предусмотренных СНИП 2.02.01-83.

7. Цель расчета основания по  деформации?

Целью расчета оснований по деформациям  является ограничение абсолютных или относительных перемещений фундаментов   и надфундаментных конструкций пределами, при которых гарантируется нормальная эксплуатация сооружения и не снижается     его долговечность. Расчет оснований по деформациям производится исходя из условия

                      S ≤ S_u                                                                                     (I)

где S   - совместная деформация основания и сооружения, определенная расчетом;

Su - предельное значение совместной деформации основания и сооружения, заданное СНиП.

       Левая часть условия (I) учитывает общее инженерно-геологическое строение площадки, особенности напластования и свойства грунтов основания, ожидаемые изменения геологических условий и свойств грунтов.

       Правая часть условия (I) учитывает особенности проектируемого объекта (здания или сооружения), конструктивные схемы, пространственную жесткость, особенности работы подземной частей и конструкций, чувствительность к деформациям, предъявляемые эксплуатационные и технологические требования. Чем ближе будут друг к другу левая и правая части условия (I), тем экономичнее запроектировано основание.

В настоящее время расчет деформаций основания выполняется по расчетным схемам в виде: линейно-деформируемого полупространства с условным ограничением глубины сжимаемой толщи (Н_с) и линейно-деформируемого слоя..

8.  Как определяется граница  сжимаемой толщи грунта аналитически, графически?

Сжимаемую толщу ограничивают глубиной (Hc), ниже которой сжатием грунта можно пренебречь (рисунок 4). Она может быть определена аналитически и графоаналитически. В первом случае возможны два варианта.

1. Нижняя граница сжимаемой толщи основания - принимается на глубине   Z= Н_с, где выполняется условие  σ _zp ≤ 0.2 σ_zп..
2. Если нижняя граница сжимаемой толщи заканчивается   в грунтах с модулем деформации  Е₀ ≤ 5 МПа или они залегают непосредственно под нею, то эти грунты нужно включить в сжимаемую толщу, а ее нижнюю границу перенести на глубину, где выполняется условие    σ _zp ≤ 0.1 σ_zп

Графо-аналитически нижняя граница сжимаемой толщи определяется в следующем порядке.

1. Строится геологический разрез по вертикальной оси, проходящей 
через точку, для которой определяется осадка.

2. На разрезе в том же масштабе наносится схема фундамента.
3. Вычисляют значения ординат ₍σ_zп,σ _{zp ,} 0.2σ_zп) и строят три эпюры: дополнительного вертикального напряжения от внешней нагрузки, вертикального напряжения от собственного веса грунта и вспомогательную  эпюру.
4. Нижняя граница сжимаемой толщи определяется точкой пересечения вспомогательной эпюры с эпюрой дополнительного напряжения.

      Применение второй расчетной схемы ограничено двумя условиями:

а) в пределах сжимаемой толщи основания залегает слой 
грунта с модулем деформации   Е ≥ 100 МПа и толщиной, удовлетворяющей условию

где   Е₂  - модуль деформации грунта, подстилающего слой грунта с модулем деформации Е₁;

б) ширина (диаметр) фундамента b 10 м. и модуль деформации 
грунтов основания   Е 10 МПа (100 кгс/см²).

9. Последовательность построения  эпюр вертикальных напряжений.

По вычисленным значениям σ_{zgi  ,} σ_{zgi  ,}строим эпюры вертикальных напряжений в линейно-деформируемом полупространстве в масштабах: вертикальный 1:100 , горизонтальный 1мм – 5кПа.

Для построения эпюры (σ_zgi ) за начало координат принимается точка пересечения поверхности природного рельефа и поверхности оси симметрии фундамента (рис.7). Положение каждой точки эпюры получается отложением абсциссы - глубины слоя грунта от поверхности природного рельефа (dj) таблица исходных данных 1 и ординаты - вертикального напряжения от собственного веса грунта (σ_{zgi  ,}).

При построении эпюры дополнительных вертикальных напряжений за начало координат берется точка  пересечения подошвы фундамента и вертикальной оси симметрии фундамента. Положение каждой точки эпюры определяется абсциссой - глубиной элементарного слоя (Zj) грунта от подошвы фундамента и ординатной - дополнительными вертикальным напряжением (σ_{zgi  ,}). Данные для построения этой эпюры берутся из таблицы 2.

Рисунок 7 - Схема распределения вертикальных напряжений в линейно-деформируемом  полупространстве.

На рис. 2  а - эпюра вертикальных напряжений от собственного веса грунта; б -эпюра дополнительных вертикальных напряжений; в - вспомогательная эпюра; масштабы: линейный (вертикальный) 1:100; горизонтальный 1мм=5кПа.

10. С какой целью и с соблюдением  каких условий слои основания  разбиваются на элементарные  слои?

В соответствии со СНиП 2.02.01-83 расчет осадок методом  послойного суммирования производится с использованием расчетной схемы  основания в виде однородного  линейно-деформируемого полупространства с условным ограничением глубины  сжимаемой толщи.

Расчет  осадок методом послойного суммирования заключается в том, что осадку грунта под действием сооружения определяют как сумму осадок элементарных слоев грунта такой толщины, для  которых можно принимать без  особых погрешностей средние значения действующий напряжений и характеристик  грунта

В принятой расчетной схеме каждый слой грунта основания сжимается  отдельно и сумма деформаций этих слоев представляет конечную деформацию всей толщи грунтового основания. При этом расчет ведется для средней точки каждого элементарного слоя грунта, на которые разбиваются слои грунтового основания. Причем элементарный слой должен включать в себя однородный грунт. По нормам толщина элементарных слоев не должна превышать 0.4 ширины или диаметра подошвы фундамента, иногда высота слоя на некоторой глубине может быть увеличена

11. Как изменяется с глубиной  значение дополнительного вертикального   напряжения и  значение нормального  вертикального  напряжения от  собственного веса?

     С глубиной уменьшаются значения дополнительного вертикального напряжения и значение нормального вертикального  напряжения от собственного веса.

12. По какой  формуле рассчитывается значение  среднего давления под подошвой  фундамента?               .

13. Как  учитывается граница  сжимаемой толщи грунта  при  вычислении осадки?

      Крен жесткого прямоугольного фундамента на слоистом основании с ограниченной сжимаемой толщей Н_с будет определяться в соответствии с формулой (3):

- в продольном направлении

                                   ;                               (7)                                                

- в поперечном направлении

                                 ,                                             (8)

                      где   е_прод и   е_поп - эксцентриситет соответственно в про дольном (l) и поперечном (b) направлениях;  l и b -длина и ширина   подошвы прямоугольного (ленточного) фундамента; K_e(l), К_e(b) – безразмерные коэффициенты при действии момента соответственно вдоль длины и ширины фундамента (определяются из таблицы 4 приложения 3).

Полная осадка любой    точки  подошвы фундамента определяется суммированием средней осадки и осадки от крена ΔS (рисунок 5):

                                                             S= +∆S ,                                                                        (9)

         где         ∆S=e ∙ i ;

 e - расстояние от середины подошвы фундамента до точки, в которой определяется осадка.

14.Что такое крен фундамента, в  каких случаях он возникает?

Крены фундаментов на однородном и слоистом основаниях возникают вследствие действия внецентренной нагрузки, приложенной в пределах ядра сечения фундамента.

Схема к определенно  крена ленточного (прямоугольного) фундамента приведена на рисунке 5, где  N   - полная расчетная нагрузка на фундамент;   е   - эксцентриситет (расстояние от точки приложения силы до центра тяжести подошвы фундамента);     - средняя осадка фундамента; S_л , S_п - осадка левой и правой части фундамента; ΔS- осадка от крена фундамента.

Рисунок 5 - Схема определения крена фундамента

15. Последовательность расчета  крена фундамента.

Расчет  крена при действии   внецентренной нагрузки для однородного основания выполняют согласно СНИП 2.02.01-83 /1/ по формуле:

 ∙ К_е   ,                                                                    (3)

где   е   - эксцентриситет;     а   - размер фундамента;     i-крен в относительной мере; E и υ- соответственно   модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта основания (коэффициент Пуассона характеризует упругие свойства изотропного вещества и определяется отношением относительного поперечного сжатия к продольному удлинению, таблица 4, приложение 3);    К_m - коэффициент, учитываемый при расчете крена фундамента по схеме линейно-деформируемого слоя (определяется из табл.3 СНИП 2.02-01-63 в зависимости от ширины фундамента и модуля деформации грунта основания);   K_e - коэффициент, зависящий от направления действия момента (вдоль большой иди меньшей стороны фундамента), определяется из таблицы 3, приложения 3.

При слоистых основаниях в формулу (3) подставляются средние значения модуля деформации и коэффициента Пуассона в пределах сжимаемой толщи грунта:

     ,                                 (4)

       ,                                       (5)

где   А_i;   - площадь эпюры вертикальных напряжений от единичного давления под подошвой фундамента в пределах i-го слоя грунта; E, υ, h_i   - соответственно модуль деформации, коэффициент Пуассона и толщина i-го слоя грунта; n - число слоев, отличающихся значениями Е и υ в пределах сжимаемой толщи грунта.