Требованием п. 5.1.4. СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений является учет взаимодействия сооружения с основанием. Расчетная схема системы "сооружение-основание" или "фундамент-основание" должна выбираться с учетом наиболее существенных факторов, определяющих напряженное состояние и деформации основания и конструкций сооружения (статической схемы сооружения, особенностей его возведения, характера грунтовых напластований, свойств грунтов основания, возможности их изменения в процессе строительства и эксплуатации сооружения и т.д.).
Для совместного расчета сооружения и основания могут быть использованы численные методы и специализированное программное обеспечение. В полной мере такой расчет может быть реализован в модуле APM Structure3D, входящем в систему APM Civil Engineering. APM Structure3D – модуль конечно-элементного анализа – уникальная отечественная разработка, в которой помимо прочностного расчета пространственных металлических, железобетонных, армокаменных и деревянных строительных конструкций реализован расчет всех основных типов фундаментов.
Типы фундаментов, расчет которых может быть проведен в модуле APM Structure3D:
- столбчатые железобетонные фундаменты под колонны;
- ленточные железобетонные фундаменты;
- сплошные железобетонные фундаменты;
- свайные: висячие сваи и сваи-стойки.
Проектирование оснований фундаментов зданий и сооружений ведется по двум группам предельных состояний. Целью расчета по I группе предельных состояний является определение несущей способности оснований, обеспечение прочности и устойчивости фундаментов на сдвиг по подошве и опрокидывание. Расчет по II группе предельных состояний должен ограничить абсолютные и относительные перемещения фундаментов предельными величинами, гарантирующими нормальную эксплуатацию сооружения.
APM Structure3D имеет сертификат РОСС RU.СП15.Н00172 на соответствие расчета оснований и фундаментов следующим нормативным документам:
- СП 50-101-2004 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений;
- СП 50-102-2003 Проектирование и устройство свайных фундаментов;
- СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры (используется для расчета железобетонных ленточных и сплошных фундаментов).
1. Общие принципы расчета фундаментов на упругом основании
Расчет фундамента начинается с предварительного выбора конструктивного решения и определения глубины заложения.Проверка пригодности принятых размеров, а также выбор размеров отдельных частей фундамента и способов его армирования, выполняется исходя из расчета прочности грунта основания. Расчет оснований по деформациям производится исходя из условия совместной работы сооружения и основания. Совместная деформация основания и сооружения характеризуется абсолютной осадкой (подъемом) основания отдельного элемента фундамента.
При расчете деформаций основания с использованием расчетной схемы в виде линейно деформируемого полупространства среднее давление под подошвой фундамента не должно превышать расчетное сопротивление грунта основания (п. 5.5.8 СП 50-101-2004).
Следует отметить, что для моделирования упругого основания требуется определение коэффициентов пропорциональности, называемых коэффициентами постели. На основании данных инженерно-геодезических изысканий APM Structure3D позволяет задать структуру грунта и определить расчетное сопротивление грунта и коэффициенты постели оснований.
Для всех типов фундаментов для ввода нагрузок на основания используются результаты статического расчета от действия какого-либо загружения или комбинации загружений. В качестве альтернативы возможен и «ручной» ввод в соответствии с расчетной схемой.
2. Расчет параметров грунта основания
В текущей версии системы APM Civil Engineering реализована модель грунта основания с использованием двух коэффициентов постели, которую принято называть моделью Пастернака. При использовании в расчете одного коэффициента постели модель Пастернака сводится к традиционной модели Винклера, регламентированной СП 50-101-2004. В дальнейших планах разработчиков создание дополнительных инструментов для моделирования грунта объемными конечными элементами (модели грунта Кулона-Мора и Дрюкера-Прагера).Понятие основания в APM Structure3D включает в себя фундамент одного типа (столбчатый, ленточный, сплошной, свайный) с одинаковыми конструктивными параметрами и установленный на одном грунте.
Рис. 1 Задание параметров грунта основания
Есть возможность выбора одного из типов грунтов с предопределенными характеристиками, например Глина IL = 0 или Песок средней крупности с возможностью дальнейшего редактирования параметров грунта. Расчетные сопротивления для каждого слоя грунта вычисляются на основании п. 5.5.8 СП 50-101-2004.
3. Расчет основания под столбчатый фундамент
Столбчатый фундамент устанавливается, как правило, под колонну. Поэтому для расчета упругого основания под столбчатый фундамент необходимо создать стальной или железобетонный конструктивный элемент – Колонна и установить опоры.
Рис. 2 Расчет столбчатого фундамента под колонну
4. Расчет свайного фундамента
В основу расчета свайного фундамента положено определение необходимого количества свай в кусте. Необходимо выделить все колонны (ЖБ колонны или стальные конструктивные элементы) с опорами и с помощью команды Упругое основание под свайный фундамент создать соответствующие упругие основания. Так автоматически будут созданы упругие основания под каждую колонну.
Рис. 3 Порядок расчета свайных фундаментов
Рис. 4 Результаты расчета и схема свайного фундамента В результате расчета определяются (рис. 4): толщина продавливания грунта с учетом нагрузки на основание, коэффициенты постели, осадка, крен, несущая способность сваи по грунту на продавливание и на выдергивание и необходимое количество свай, а также геометрические размеры плиты ростверка, размеры условного фундамента, расчетное сопротивление грунта под условным фундаментом. После выполнения расчета доступна схема расположения куста свай в грунте, 3D модель ростверка отображается на расчетной схеме.
5. Расчет основания под ленточный фундамент
Ленточный фундамент представляет собой балку установленную под стеной или рядом близкорасположенных колонн. Для расчета упругого основания под ленточный фундамент необходимо создать ЖБ ригель, стальной или деревянный конструктивный элемент, затем установить опоры по длине конструктивного элемента.
Рис. 5 Подготовка модели ленточного фундамента
Рис. 6 Конфигурация и результаты расчета ленточного фундамента
6. Расчет основания под сплошной фундамент
Сплошной фундамент представляет собой плиту. Для расчета упругого основания под сплошной фундамент необходимо создать конструктивный элемент с типом элемента ЖБ оболочка, а затем установить опоры по всей пластине.
Рис. 7 Конфигурация и результаты расчета сплошного фундамента
Дальнейшее задание параметров и выполнение расчета основания по прочности грунта и осадкам осуществляется во вкладках диалогового окна Фундаменты для каждого основания или группы. Расчет фундамента как железобетонного элемента с подбором арматуры выполняется в диалоговом окне Конструктивные элементы.
7. Совместный расчет сооружения, фундамента и основания
Расчет внутренних усилий в системе "основание-фундамент-сооружение" допускается выполнять на основании, характеризуемом переменным в плане коэффициентом жесткости (коэффициентом постели). При этом переменный в плане коэффициент постели назначается с учетом неоднородности в плане и по глубине основания. Коэффициенты постели зависят от структуры и физических свойств грунта, а также от нагрузки на основание. В APM Structure3D эти коэффициенты могут быть определены в процессе последовательных приближений:- расчет сооружения на жестком основании и определение первоначального распределения коэффициентов постели исходя из глубины продавливания толщи грунта;
- расчет совместных перемещений сооружения фундамента и основания с принятым распределением коэффициента постели при действии заданных нагрузок;
- определение осадок основания с использованием принятой модели основания, а также следующего приближения и пересчет коэффициентов постели;
- повторение шагов 2) и 3) до достижения сходимости по контрольному параметру (например, по коэффициенту постели).
- пользователь работает с программным обеспечением одного разработчика;
- отсутствует «лишняя» операция переноса результатов и данных из одной программы в другую;
- возможность реализации итерационного процесса решения нелинейной задачи совместной работы системы "основание-фундамент-сооружение";
- одновременная проверка несущей способности стальных, деревянных и армированных (железобетонных и армокаменных) конструктивных элементов.