Введение. По результатам экспертного заключения из наиболее подходящих фундаментных систем для малоэтажного многоквартирного домостроительства были выявлены три типа фундаментов, которые оказались лидирующими. Среди них ортотропная плита (комбинированный тип фундамента), фундамент в виде монолитной железобетонной плиты и свайный фундамент. В данной работе будет произведено сравнение первых двух типов фундаментов.
Ортотропная плита или плита с ребрами жесткости, представляет собой монолитную железобетонную конструкцию, с продольными и поперечными ребрами (балками) [1]. Название ортотропная присвоено из-за того, что жесткость такой плиты не однородна, она отличается в продольных и поперечных направлениях из-за вводимых в конструкцию балок. Положение ребер жесткости обуславливается особенностями проекта. Балки целесообразно располагать под несущими конструкциями (стенами, колоннами, пилонами). Таким образом, получается комбинированный тип фундамента (ленточный + база в виде плиты) [2]. Как плита, так и балки имеют общее армирование, чтобы обеспечить монолитность и жесткость конструкции [3].
Касательно фундамента в виде монолитной железобетонной плиты, это один из распространенных типов основания, который используется как в многоэтажном, так и малоэтажном строительстве, разница лишь в размерах сечений.
Методы анализа. Чтобы прийти к заключению по поводу выбора той или иной фундаментной системы, был выбран объект в виде 4-х этажного жилого многоквартирного дома из монолитного железобетона, с несущими конструкциями в виде железобетонных стен и колонн, с размерами плана в осях 36×14.7 м. Сравнение происходит в равных условиях: средства механизации, способ организации строительного производства, вспомогательные средства и инструменты остаются неизменными при возведении обоих типов фундамента [4]. Геологические условия также остаются неизменными – фундамент возводится на глинах и суглинках с модулями упругости от 4–15 МПа. В конструкциях фундамента используется бетон класса B25, в надфундаментных конструкциях – B20.
Рассматриваемый проект уже осуществлялся с фундаментной системой в виде железобетонной плиты, толщина которой составила 400 мм. Чтобы подобрать необходимые сечения балок и базовой плиты, рассчитаем нагрузки, которые будут действовать на основание [5].
Основная часть. После сбора нагрузок производится расчет расчетной схемы в программном комплексе ЛИРА – САПР по предельным состояниям 1 и 2 группы [6]. Также рассчитаны максимальные перемещения (рис. 1, 2). Получен результат по армированию.
Рис. 1. Изополя вертикальных перемещений от РСН2 ортотропной фундаментной плиты
с ребрами жесткости (200×200мм) и толщиной плитной части 250мм
Рис. 2. Изополя вертикальных перемещений от РСН2 монолитной фундаментной плиты
толщиной 400 мм без ребер жесткости
РСУ жестко привязаны к принципу суперпозиции, а это значит, что расчет может быть проведен только в линейно-упругой постановке. Поэтому для физически нелинейных задач возможно использование технологии на основе реализации нескольких (историй) последовательностей загружений. Аналогом составления историй загружения для расчета в линейно-упругой постановке, можно назвать составление расчетных сочетаний нагрузок (РСН), что и ипользуется в данной работе. В состав истории загружений может входить одно и более загружение, которые при расчете будут последовательно приложены к расчетной схеме [7].
Максимально допустимая относительная разность осадок для фундаментной плиты расчитывается по формуле (1).
(1)
≤
, 0,00021 ≤ 0,002, условие выполняется (согласно СП 22.13330.2011), где
– предельно допустимая относительная разность осадок; L – расстояние между точками осадок.
В случае с плитным фундаментом, относительная разность осадок составит: , что тоже меньше допустимого предела.
По изополям наблюдается снижение величин напряжений в случае использования ортотропной фундаментной плиты (рис 3, 4). Это объясняется эффективной работой балок в конструкции фундамента [8, 9].
В случае с ортотропным фундаментом напряжения имеют максимальные по модулю значения в 12,3 кН/м (согласно рис. 3), а напряжения в монолитной железобетонной плите составляют 53,5 кН/м, что более чем в два раза больше по сравнению с предыдущим вариантом.
Рис. 3. Изополя напряжений Mxy от РСН1 ортотропной монолитной фундаментной плиты
с ребрами жесткости (200×200мм) и толщиной плитной части 250 мм
Рис. 4. Изополя напряжений Mxy от РСН1 монолитной фундаментной плиты толщиной
400 мм без ребер жесткости
Технология производства ортотропной фундаментной плиты состоит из следующих пунктов:
- Разработка грунта котлована до отметки – 2,3 м, доработка грунта бульдозером, разработка траншей.
- Установка несъемной опалубки в траншеях, ставятся распорки между щитами, чтобы грунт не осыпался внутрь траншей. При этом опалубка устанавливается таким образом, чтобы листы фанеры были одинаковой высоты и выступали над уровнем грунта на 400мм, с учетом дальнейшего устройства щебеночной и бетонной подготовки и финальных слоев в виде стяжки по гидроизоляции.
- После монтажа опалубочных листов и их надежной фиксации производят работы по устройству щебеночной подготовки (используется ручная вибротрамбовка). Толщина щебеночной подготовки – 200 мм [10, 11].
- Затем устраивается бетонная подготовка, армируемая сетками, толщиной 100мм.
- Следующим этапом после набора бетоном необходимой прочности, проводятся работы по наплавлению гидроизоляционного ковра на подготовленное основание. Гидроизоляция должна быть частично заведена на фанерные опалубочные листы.
- Далее подготавливают арматурный каркас для ребер жесткости. Балки армируются арматурой класса А500, Ø 18 мм, монтажная арматура Ø 10 мм (рис. 5).
- После армирования балок, ведутся работы по армированию базовой плиты (А500, Ø 18 и 20 мм). Арматура балок и плиты перевязывается, выводятся арматурные выпуски.
- На финальном этапе осуществляют бетонирование всего фундамента полосами на всю высоту, с помощью автобетононасоса [12, 13].
Рис. 5. Конструкция ортотропной фундаментной плиты в разрезе
Для получения конкретных цифр по продолжительности и трудоемкости были разработаны технологические карты на производство строительно монтажных работ по возведению фундаментных систем двух типов. Основные технико-экономические показатели приведены в табл. 1. Сравнение трудоемкостей ведущих работ привелено на гистограмме 1.
Основные преимущества ортотропной фундаментной плиты перед обычным плитным фундаментом заключаются в следующем:
- Сокращении объемов земляных работ, которое происходит благодаря уменьшению толщины базовой плиты, остальной массив грунта разрабатывается лишь под балки. Объем земляных работ сократился на 11 %
- Объем бетонных работ сокращается более чем на 30 %
- Конструкция имеет повышенную устойчивость к деформациям
- Растет экономический эффект, соответственно.
Таблица 1
Технико-экономические показатели
|
№ п/п |
Наименование |
Ортотропный фундамент |
Плитный фундамент |
|
Значение |
|||
|
1 |
Время производства работ по возведению фундамента |
16 дней |
16 дней |
|
2 |
Затраты труда (факт.) с учетом производства |
133,55 ч.дн |
137,8 ч.дн |
|
3 |
Объем продукции |
143,02 м3 |
211,7 м3 |
|
4 |
Затраты труда на единицу продукции |
0,933 ч.дн |
0,65 ч.дн |
|
5 |
Выработка |
1,072 м3 |
1,53 м3 |
|
6 |
Стоимость м2 |
4328,72 руб. |
4532,4 руб. |
|
7 |
Затраты машинного времени |
7,76 маш.см |
9,2 маш.см |
|
8 |
Затраты машинного времени на ед. продукции |
0,056 маш.см |
0,044 маш.см |
|
9 |
Максимальное число исполнителей в смену |
9 чел. |
9 чел. |
Гистограмма 1
Выводы. Ортотропный фундамент будет идеальным в тех случаях, когда применение обычной плиты не представляется возможным из-за геотехнических условий, а возводить свайный фундамент еще нет необходимости (слишком большой запас прочности для данных условий). Поэтому требуется что-то среднее между плитным и свайным фундаментами.
При выборе между плитным и ортотропным фундаментом, рекомендуется отдавать предпочтение ортотропному, так как мы точно ничего не потеряем, а наоборот только выиграем в экономическом плане, при этом получим ряд преимуществ, которые недоступны обычной плитной конструкции. С точки зрения технологии и организации строительного производства в случае с ортотропной плитой, дела обстоят чуть сложнее – добавляются некоторые необходимые процессы, но это ничуть не означает, что для этого потребуется более квалифицированная рабочая сила.
Трудоемкость работ ниже, и при этом существенно сокращается объем требуемого бетона, как было отмечено выше, более чем на 30%. Конструкция обладает повышенной жесткостью и устойчивостью к деформационным воздействиям. Сокращается срок использования строительной техники, что удешевляет производство. Стоит отметить, что весь комплекс работ по возведению фундамента выполняется за 16 дней в обоих случаях. Максимальное количество рабочих так же не превышает 9 человек в смену. Из всего этого можно сделать вывод, что экономический эффект значительно возрастет, учитывая что в общих затратах доля фундаментов на возведение здания составляет по стоимости 8–10 %, по трудоемкости 10–15 % и по материалоемкости фундамента в объеме малоэтажного жилого дома составляет 10–30 % [14, 15].
