Абсолютно жесткий фундамент это

Обновлено: 04.05.2024

Фундамент, воспринимая нагрузку от сооружения, распределяет приложенное к нему давление по поверхности грунта основания. В плоскости его подошвы возникают нормальные и касательные напряжения, которые называют контактными. При вертикальной, нагрузке на основание наибольшее значение имеют нормальные напряжения. Роль касательных напряжений здесь невелика, и ими, как правило, пренебрегают.

Характер распределения нормальных напряжений по подошве фундамента зависит от его жесткости, формы и размеров в плане, а также от свойств грунта основания и степени развития в нем областей предельного равновесия.

В случае абсолютно гибкого фундамента возникающие по его подошве напряжения имеют такой же характер распределения, как и приложенная нагрузка. Однако осадка этого фундамента даже при равномерном давлении на основание будет происходить неравномерно. Она, как это нетрудно убедиться из рассмотрения напряженного состояния в толще основания, будет в средней части фундамента больше, чем у его краев. Такой фундамент, точки подошвы которого беспрепятственно следуют за деформацией грунта, приобретает криволинейную форму очертания, обращенную выпуклостью вниз.

В действительности фундаменты, обладая достаточно большой жесткостью, получают при ocaдкe на сжимаемых грунтах весьма малое искривление, влиянием которого по сравнению с деформациями грунта можно пренебречь. Следовательно, осадку жесткого фундамента при центральной нагрузке на основание можно считать практически равномерной, одинаковой для всех точек его подошвы. При внецентренном нагружении осадка будет сопровождаться еще и некоторым креном в сторону действия момента.

В сравнении с гибким жесткий фундамент как бы выравнивает осадку грунта основания, которая становится меньше в средней его части и увеличивается у краев. Это вызывает соответствующие изменения и в распределении нормальных напряжений по его подошве, которые в пределах средней части жесткого фундамента снижаются, а у его краев они возрастают.

(тела таких фундаментов воспринимают, в основном, сжимающие усилия), и, как следствие, влияние изгиба на распределение контактных давлений по подошве такого фундамента практически исключено.

(Растягивающие и скалывающие напряжения в них отсутствуют или настолько малы, что ими можно пренебречь, а также принимается, что реактивное давление по подошве жестких фундаментов определяется без учета их изгиба, ввиду его отсутствия или малости)

Деформации изгиба у таких фундаментов практически отсутствуют и осадки таких фундаментов определяются только влиянием сжимаемости основания под передаваемой фундаментом нагрузкой.

- гибкие (изгибающиеся) (деформируемые)

Гибкие фундаменты - это фундаменты, имеющие такие форму и размеры, при которых их подошва изгибается

(тела таких фундаментов работают на сжатие с изгибом), и, как следствие, присутствует влияние изгиба фундамента на распределение контактных давлений (распределение напряжений в плоскости подошвы) и осадки.

Деформации изгиба гибких фундаментов того же порядка, что и осадки этого же фундамента (деформации их изгиба и осадки определяются совместным влиянием гибкости фундамента и сжимаемости основания).

Гибкие (деформируемые) фундаменты - фундаменты, работающие на сжатие с изгибом (испытывающие как сжимающие, так и растягивающие и скалывающие напряжения), изгибающиеся при восприятии нагрузки в одном или обоих направлениях подошвы.

Деформации изгиба гибких фундаментов того же порядка, что и осадки этого же фундамента (деформации определяются совместным влиянием гибкости фундамента и сжимаемости основания).

Реактивные давления по подошве определяются исходя из совместной работы фундамента и основания и зависят от прогиба фундамента.

В соответствии с тем, является фундамент жестким или гибким, и выбирают методику расчета как основания, так и конструкции самого фундамента.

Жесткие фундаменты следует рекомендовать в тех случаях, когда грунты основания относительно прочные, нагрузки на подошву относительно невелики, а также когда число уступов (ступеней) отдельных и ленточных фундаментов не превышает двух - трех (ввиду угла жесткости).

Жесткие фундаменты выполняют из бутовой кладки, кирпича, бутобетона и бетона.

К жестким фундаментам могут быть отнесены ленточные фундаменты большого поперечного сечения и сравнительно малой длины, нагруженные колоннами (при небольших расстояниях между ними).

Монолитные ленточные и отдельные фундаменты проектируют как жесткие, обычно имеющие ступенчатое очертание сечения (с уступами), определяя высоту hy и ширину by уступов с помощью угла жесткости α (угла распределения давления в материале фундамента).

По углу жесткости определяют возможные размеры жестких фундаментов из выбранного материала (с учетом заданной глубины заложения и предполагаемого давления на грунт), при которых возникающие в его теле скалывающие усилия не превышают предельных значений.

Практически установлено, что фундамент работает как жесткое тело, когда все его горизонтальные сечения лежат в пределах трапеции, образованной линиями распределения давлений (наклоненных под углом жесткости).

Грани гибких фундаментов могут быть наклонены к вертикали под любым углом, так как растягивающие и скалывающие усилия, возникающие при изгибе, воспринимаются арматурой, укладываемой в растянутой зоне.

Угол жесткости зависит от материала фундамента и составляет 25°–40° для каменных материалов и 45° для бетона и железобетона.

После определения размеров жесткого фундамента в плане и размеров его поперечного сечения, рассчитывают распределение напряжений в плоскости подошвы как для сооружений бесконечной жесткости (контактные напряжения).

При симметричной нагрузке и согласованном напластовании осадка абсолютно жесткого фундамента будет равномерной. При этом фундамент встретит значительное сопротивление от грунта в краевых зонах, т.е. возникнет более интенсивное давление на этих участках.

В слоистом основании с выклинивающимися слоями различной сжимаемости внецентренно приложенная нагрузка может увеличить или уменьшить крен жесткого фундамента.

(При слабых грунтах и больших нагрузках на подошву жесткие фундаменты вследствие малого угла распространения давления в материалах, из которых они изготовляются, получаются большой ширины, глубокими, имеют большой вес и становятся экономически невыгодными.

Поэтому при слабых грунтах или при больших нагрузках на подошву рекомендуются гибкие фундаменты, так как они способны работать на изгиб и распределять нагрузку от веса здания на необходимую (расчетную) ширину основания. При этом их не нужно заглублять более глубины промерзания.)

Так как в жестких фундаментах учитываются только напряжения сжатия, то расчет их прочности сводится к проверке сжимающих напряжений.

При расчете абсолютно жесткого фундамента его заделку в грунте учитывают, исходя из тех же предпосылок, которые были приняты в расчете столбчатых фундаментов конечной жесткости. Грунт рассматривают как тело, упругие свойства которого характеризуются коэффициентом постели, линейно возрастающим по глубине.

Гибкие (деформируемые) фундаменты

Гибкие фундаменты работают совместно со сжимаемым основанием и рассчитываются на прочность при изгибе с учетом деформаций основания.

Гибкие фундаменты применяются при малой прочности грунтов основания или при больших нагрузках на подошву.

Гибкие фундаменты изготовляются, в основном, из железобетона, чтобы воспринимать не только сжимающие, но и растягивающие усилия при изгибе. (так как он способного работать на растяжение и скалывание (изгиб)).

К гибким фундаментам могут быть отнесены ленточные фундаменты большой длины, нагруженные колоннами, расположенными на значительных расстояниях, железобетонные плиты, фундаменты из перекрестных лент, коробчатые фундаменты, кольцевые фундаменты дымовых труб.

Отличия гибких и жестких фундаментов:

1) Деформации изгиба гибких фундаментов того же порядка, что и осадки этого же фундамент, у жестких фундаментов они практически отсутствуют.

2) Жесткие фундаменты проектируют таким образом, чтобы их горизонтальные сечения лежали в пределах трапеции, образованной линиями распределения давлений (наклоненных под углом жесткости). Грани гибких фундаментов могут быть наклонены к вертикали под любым углом, так как растягивающие и скалывающие усилия, возникающие при изгибе, воспринимаются арматурой, укладываемой в растянутой зоне.

(подробнее см. выше)

3) К гибким (деформируемым) фундаментам могут быть отнесены фундаменты по следующему критерию: при отношении их высоты к их длине менее 1/3

h /ℓ > 1 / 3 - абсолютно жёсткие фундаменты (при распределении давлений в пределах углов жесткости)
h /ℓ < 1 / 3 - гибкие фундаменты

Абсолютно твёрдое тело (АТТ) (неищменяемая или жесткая система) - это механическая система, расстояние между точками которой не меняется в условиях рассматриваемой задачи.

(Механическая система - совокупность материальных точек, движение и положение которых в пространстве взаимосвязано)

Абсолютно жесткое тело (АЖТ) - это группа узлов, перемещения которых кинематически связаны по закону движения абсолютно твёрдого тела (перемещение без деформации).

Пример использования АЖТ - моделирование опирания плиты перекрытия на колонну: в уровне плиты создаётся ряд узлов, расположенных точно по контуру сечения колонны, затем, эти узлы объединяются в АЖТ.

Абсолютно жесткая (EI = ∞) вставка - это недеформируемая часть стержневого элемента.

Абсолютно жесткие вставки используются, как правило, при нарушении соосности стыковки стержней в узле.

В месте примыкания колонн, пилонов и стен к перекрытиям и покрытиям формируется АЖТ.
АЖТ призвано уменьшить значение изгибающих моментов, возникающих на опоре и избежать пика армирования плиты внутри сечения колонны, пилона или стены.
То есть внутри сечения колонны, пилона или стены получается как бы бесконечная жесткость, а армирование плиты нужно начинать только с грани колонны, пилона или стены.

Моделирование конструкций с использованием абсолютно жестких вставок:

Про использование абсолютно жёстких вставок в SCAD можно прочитать здесь: ссылка
Про использование абсолютно жёстких вставок в ПК Лира Софт можно прочитать здесь: ссылка

Цель введения жестких вставок - создание кинематической связи перемещений.

При введении в стержневые элементы абсолютно жестких вставок гибкая часть стержня отодвигается от узлов элемента на длину задаваемой абсолютно жесткой вставки. При этом нагрузки, задаваемые на стержень с абсолютно жесткими вставками, привязываются к началу гибкой части. Усилия вычисляются только в гибкой части стержня, и, поэтому, при проверке равновесия в узле, где присутствует такой стержень, нужно производить перенос усилий из гибкой части стержня в узел, с учётом заданной нагрузки на жесткую вставку.

Абсолютно жесткие вставки используются, как правило, при нарушении соосности стыковки стержней в узлах для учета эксцентричности стыковки элементов:

- при моделировании двухступенчатой колонны (стык подкрановой и надкрановой частей колонны):

- при моделировании рёбер в плитах и оболочках, подпёртых (подкреплённых) рёбрами, эксцентрично расположенными по отношению к срединной поверхности
(продольные оси ребер, моделируемых стержнями, не лежат в срединной плоскости плиты)

Для этого на концах стержней, моделирующих ребра плиты, вводят жесткие вставки, через которые стержень прикрепляют к узлам плиты:

Влияние на напряженно-деформированное состояние: При моделировании с использованием абсолютно жестких вставок общий изгиб оребренной плиты представляется в виде изгиба плитной части конструкции и пары сил, образованной мембранными напряжениями плиты (оболочечного элемента) и продольной силой в стержне:

Подробнее см. Скорук Л. "Поиск эффективных расчётных моделей ребристых железобетонных плит и перекрытий"

Здесь стоит отметить, что для плит с широкими ребрами моделировать следует не с использованием абсолютно жестких вставок, а с использованием абсолютно жестких тел, так как изгиб плиты в пролете между подкрепляющими ребрами будет заметно большим, чем в том случае, когда будет учитываться сокращение пролета плиты за счет ширины ребра.

- при моделировании смещения расчётной оси, проходящей через центр тяжести в местах изменения толщины поясов рам переменного сечения:

- при моделировании этажного опирания балок

- при моделировании примыкания к колонне ригелей разной высоты

- и т. п.

Более подробно с нюансами применения абсолютно жестких вставок и жестких тел можно ознакомиться в труде А.С. Городецкого, И.Д. Евзерова "Компьютерные модели конструкций", Киев, "Факт", 2005
*Статья создана не без использования указанных выше источников.

По виду конструктивной схемы (гибкая/жесткая) здания и сооружения условно подразделяются на:

- абсолютно жесткие сооружения

Абсолютно жесткие сооружения обладают такой вертикальной жесткостью, при которой они не изгибаются при приложении нагрузок, а дают осадку как единый массив, и плоская подошва такого сооружения после деформации основания остается плоской, возможны лишь вертикальные оседания и наклон сооружений.

Осадка таких сооружений может быть равномерной, оцениваемой размерами абсолютной осадки или неравномерной, оцениваемой средней осадкой и креном сооружения в одном или в двух направлениях.

Равномерной осадка абсолютно жесткого сооружения будет при симметричной нагрузке и однородном основании или слоистом основании с согласным залеганием пластов (согласованном напластовании). При этом фундамент встретит значительное сопротивление от грунта в краевых зонах, т.е. возникнет более интенсивное давление на этих участках.

В слоистом основании с выклинивающимися слоями различной сжимаемости внецентренно приложенная нагрузка может увеличить или уменьшить крен.

При не симметричном залегании грунтов и/или нагружении соседних площадей, вследствие перераспределения контактных напряжений (давлений) по подошве фундамента и возникновения дополнительных усилий, возможны крены жестких сооружений. В конструкциях таких сооружений возможны и деформации - косые трещины в углах (В углах возникают относительно большие напряжения).

При прочих равных условиях, чем жёстче сооружение, тем больше отличия в его деформации от деформаций основания (меньше следуют вслед за ними) и тем большие усилия в нём возникают при осадке.

Примеры зданий и сооружений с жесткой конструктивной схемой:

Сооружения типа башен (водонапорные башни со сплошными стволами), силосных корпусов (силосы), дымовых труб, домен (доменные печи), элеваторы, массивные мостовые опоры, здания панельные, блочные и кирпичные, в которых междуэтажные перекрытия опираются по всему контуру на поперечные и продольные стены или только на поперечные несущие стены при малом их шаге, сооружения, конструкции которых специально приспособлены к восприятию усилий от деформации основания и др.

- сооружения конечной жесткости

Сооружения конечной жесткости в процессе развития неравномерных деформаций получают искривления.

При расчете сооружений конечной жесткости учитывается не только жесткость фундамента, но и всего сооружения в целом. Для сооружений конечной жесткости приходится регламентировать не только величины осадок, но и их неравномерность, так как при неравномерных осадках в несущих конструкциях данного класса сооружений возникают дополнительные усилия, которые могут нарушить их прочность.

Относительно жесткие сооружения, деформируясь вместе с основаниями, оказывают влияние на величину осадок и частично их выравнивают. В конструкциях происходит перераспределение напряжений и изменение усилий, действующих на основание.

Подавляющее число сооружений современного строительства обладает конечной жесткостью. Совместную работу основания и сооружения, обладающего конечной жесткостью, возможно учесть, используя схему с упругооседающими опорами.

К относительно жестким сооружениям могут относиться здания и сооружения с несущими стенами и железобетонными перекрытиями, кирпичные, крупноблочные и крупнопанельные здания.

- гибкие сооружения (абсолютно гибкие)

Абсолютно гибкие сооружения, передавая нагрузку на основания, во всех точках контакта с поверхностью, следуют за перемещением (осадкой, деформацией) грунтов основания, которое может быть различным в разных точках основания.

При этом (при таком деформировании) в случае возникновения неравномерных осадок в конструкциях гибких сооружений практически не возникает никаких (значительных) дополнительных усилий (напряжений). Как правило, конструкции таких зданий имеют статически определимую схему.

В "абсолютно" гибких сооружениях нагрузки, передающиеся основанию, считаются неизменными при деформировании основания, и совместная работа основания и сооружения оценивается лишь предельными значениями средних осадок и их неравномерности (относительной разности).

Предельные деформации гибких сооружений назначают исходя из требований нормальной эксплуатации.

Одноэтажные промышленные здания с разрезными балками по колоннам относятся к практически гибким.

Земляные насыпи, дамбы, гибкие днища резервуаров, сооружения со статически определимой схемой несущих конструкций (эстакады с разрезными пролетными строениями), покрытия дорог и аэродромов.

Условно здания и сооружения подразделяются на абсолютно жесткие, конечной жесткости и гибкие. Гибкие сооружения, передавая нагрузку на основания, следуют за осадкой, которая может быть различной в разных точках основания. При таком деформировании в них не возникает практически никаких дополнительных усилий и разрушений. Как правило, конструкции таких зданий имеют статически определимую схему. Подавляющее число зданий обладает конечной жесткостью. Для них приходится регламентировать не только величины осадок, но и их неравномерность, потому что неравномерность осадок вызывает появление дополнительных усилий в конструкциях, которые могут нарушить их прочность. Абсолютно жесткие сооружения при деформациях здания не изгибаются, а дают осадку как единый массив, и плоская подошва сооружения после деформации основания остается плоской, но возможны лишь вертикальные оседания и наклон сооружений.

Ф.12.2. Каким образом можно учесть совместную работу сооружения и его основания?

Совместную работу основания и сооружения, обладающего конечной жесткостью, возможно учесть, используя схему с упругооседающими опорами. В "абсолютно" гибких сооружениях нагрузки, передающиеся основанию, считаются неизменными при деформировании основания, и совместная работа основания и сооружения оценивается лишь предельными значениями средних осадок и их неравномерности (относительной разности). Для абсолютно жестких сооружений регламентируются их осадка и крен.

При расчете сооружений конечной жесткости учитывается не только жесткость фундамента, но и всего сооружения в целом.

Ф.12.3. В чем отличие гибких фундаментов от жестких фундаментов?

К категории жестких относятся фундаменты, которые вследствие своих конструктивных особенностей практически не изгибаются под действием внешних нагрузок. Принимается, что реактивное давление по подошве жестких фундаментов определяется без учета их изгиба и изменяется по линейному закону (рис.Ф.12.3,а) как по длине, так и ширине фундамента.

Гибкие фундаменты обладают способностью изгибаться в одном или обоих направлениях подошвы. Реактивные давления по подошве определяются исходя из совместной работы фундамента и основания и зависят от прогиба фундамента (рис.Ф.12.3,б).

Читайте также: