В течение всего периода эксплуатации любого здания фундаменты должны обеспечивать его надежное опирание, учитывая возможные допустимые осадки и крены. Поэтому именно фундамент является наиболее ответственной конструкцией при проектировании, строительстве и эксплуатации любого сооружения или здания. Фундаменты также должны обладать необходимой прочностью и трещиностойкостью при значительных нагрузках. Немаловажную роль играет и основание, на котором этот фундамент располагается.
В практике промышленного и гражданского строительства широко применяются столбчатые монолитные фундаменты. Существует большое количество разработанных типов сборных отдельно стоящих фундаментов. Но, к сожалению, не все они получили широкого распространения. Причиной тому есть большой вес сборных элементов, незначительное снижение расхода бетона, увеличение веса арматуры, сложность соединения отдельных сборных элементов (эта особенность особого внимания заслуживает именно в сейсмоопасных районах).
Но, стоит отметить, что данная статья посвящена не просто столбчатым фундамента, а отдельно стоящим тонкостенным фундаментам в виде оболочек. А именно истории возникновения и развития данного типа столбчатых фундаментов.
Это достаточно вычурный и мало встречающийся вид фундамента, но как показали исследования, очень эффективный. Именно в конструкциях типа тонкостенных оболочек наиболее полно используются прочностные свойства бетона и арматуры. Сравнение фундаментов облегченного типа с обычными столбчатыми монолитными и сборными фундаментами показали, что в результате их применения может быть получена экономия в материалах от 60 до 70% и в трудозатратах на стройплощадке до 70% [1].
Среди известных ученых, которые внесли немалую лепту в изучение данного вопроса, можно выделить Ф. Канделу, А.Н. Тетиора, С.В. Родина, А.П. Кудзиса, Б.В. Гончарова, В.И. Редькина, А.В. Рыбакова, В.З. Власова, Ю.М. Гончарова, Я.А. Пронозина и других.
Первый тонкостенный фундамент был сконструирован еще до изобретения железобетона и выполнялись, как правило, из кирпича или дерева. Данный тип фундаментов чаще всего применялся на слабых сильно сжимаемых грунтах, так как основанию можно было легко придать форму поверхности монтируемой оболочки без специальных механизмов. Поначалу применялись наиболее простые геометрические формы оболочек, например, цилиндрические. Благодаря изобретению железобетона произошел постепенный переход от оболочек одинарной к оболочкам двоякой кривизны. Это связано с тем, что конструкции двоякой кривизны имеют бо'льшую жесткость и, как результат, они получаются наиболее экономичными. Данную тенденцию развития можно проследить и для тонкостенных покрытий.
Родоначальником в данной области можно считать мексиканского инженера-архитектора Феликса Канделу (27.01.1910-07.12.1997). Такой тип фундаментов был им использован при строительстве некоторых промышленных и даже административных зданий[2]. Фундаменты-оболочки армировались одинарной арматурой, которая располагалась по центру сечения стенки конструкции. Свободный край оболочки дополнительно усиливался армированием (рис. 1). Большой восторг вызывают габариты и размеры сечений данного фундамента: ширина основания конструкции составляет 4 м, длина – также 4м, а толщина стенки при этом всего150 мм. Со временем, такой тип фундаментов начали применять и в других странах [3].
Вопрос о методах расчета и конструировании фундаментов - оболочек (в частности фундамента в виде конической оболочки и плиты) достаточно освещены в научных работах Александра Никаноровича Тетиора. По данному вопросу им было выпушен ряд книг и научных трудов.
Тетиор А.Н. в своих трудах рассматривал метод предельного равновесия для определения прочности фундамента - оболочки. Суть метода предельного равновесия заключается в следующем: рассматривается равновесие конструкции к моменту потери ею несущей способности и переход фундамента в геометрически изменяемую систему, т.е. конструкция состоит из отдельных жестких звеньев, к граням которых приложены предельные усилия. Важно, что Александр Никанорович был не только теоретиком, но и практиком, так как он был руководителем большого количества лабораторных и полевых испытаний данных фундаментов. В лаборатории оснований и фундаментов им проводились натурные испытания трех видов фундаментов оболочек. Исследования проводились на крупномасштабных и натурных образцах, которые доводились до разрушения (рис. 2). Таким образом, получали фактическую разрушающую нагрузку для каждого типа фундамента. Также определялись схемы разрушений, напряженно – деформированное состояние, формы эпюр контактных давлений, влияние формы фундамента на осадку и крен. В результате испытаний были получены фактические разрушающие нагрузки, которые были весьма близки к расчетному значению. Разница в величинах вычисленной и опытной, идущая в запас прочности фундамента, составила от 18% до 20% [1]. Эту погрешность можно пояснить перераспределением контактных давлений при доведении фундамента до разрушения, а также значительной жесткостью фундамента, которая не была учтена в расчетах. В результате проделанной работы, Александр Никанорович доказал, что наилучшим с точки зрения экономии является расчет методом предельного равновесия [4].
Кудзис А.П. в учебнике для строительных вузов «Железобетонные и каменные конструкции» приводит общий принцип расчета тонких оболочек. Классическая теория расчета оболочек базируется на двух основных гипотезах. Гипотеза №1: линейный элемент, нормальный к серединной поверхности оболочки, остается прямым и нормальным к данной поверхности после деформации. Гипотеза №2: напряжения на площадках, параллельных срединной поверхности, не учитываются. Исследования (теоретически и экспериментальные) показывают, что железобетонные фундаменты-оболочки могут работать под нагрузкой как в упругом, так и упругопластическом состоянии [5].
Также в [5] приводится краткое описание расчета оболочки (с приведением основных формул) по безмоментоной теории. Тонкостенные оболочки имеют малую жесткость на изгиб по сравнению с жесткостью против действия нормальных и сдвигающих усилий. Поэтому в большей степени мы имеем дело с безмоментным напряженным состоянием.
В настоящее время, благодаря научным разработкам пионеров в области тонкостенного фундаментостроения, существует ряд методов расчета столбчатых фундаментов – оболочек, которые широко применяются при их проектировании, но они требуют совершенствования и дополнения по не которым направлениям. В расчетах обязательно должна учитываться совместная работа основания, фундамента и надфундаментных конструкций.
В заключении можно сделать вывод, что механизм взаимодействия различных типов данных фундаментов-оболочек с основанием является сложным и еще малоизученным. Негативное влияние также оказывает отсутствие нормативных документов по проектированию и расчету таких фундаментов, что зачастую приводит к принятию неправильных инженерных решений. Наиболее перспективное направление изучения данного вопроса основано на исследовании взаимного влияния фундаментов и оснований.
Список литературы:
1. Тетиор А. Н. Прогрессивные конструкции фундаментов для условий Урала и Тюменской области: учеб. пособие для студ. учреждений высш. проф. образования. - М.: СУКИС, 1971.-179с.
2. Candela F., The Shell Builder. Reinhold – Publ. Co. N. Y., 1963.
3. Тетиор А.Н. Железобетонные оболочки в качестве фундаментов. Основания, фундаменты и механика грунтов, 1965, №6.
4. Тетиор А.Н. Фундаменты : учеб. пособие для студ. Учреждений высш.проф. образования / А.Н.Тетиор. — М. : Издательский центр «Академия», 2010. — 400 с.
5. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции: Учеб. для строит. спец. вузов. В 2-х частях. Ч.2. Материалы, конструирование, теория и расчет. М.: Высш. шк., 1989.- 264с.
