Zespół E
Projekt stopy fundamentowej obciążonej mimośrodowo
VGk = 720; VQk = 170; VAk = 30;
MGkx = 20; MQkx = 65; MAkx = 30;
MGky = 150; MQky = 95; MAky = 40;
HGkx = −27; HQkx = −44; HAkx = −25;
HGky = 20; HQky = 95; HAky = 22;
bs = 0, 48; ls = 0, 68;
IL/ID = 0, 29; podłoże: SaSiCl
1. Właściwości gruntu:
$\gamma_{k} = 18,0\frac{\text{kN}}{m^{3}};$ φk′ = 15; ck′ = 20 kPa ∖ n
2. Przyjęcie geometrii fundamentu:
B = 3 m L = 4 m
Stopę fundamentową planujemy wykonać z betonu klasy C 25/30 i stali 18G2-b.
3. Obliczenie ciężaru fundamentu wraz z zasypem
VGk1 − ciezar wlasny fundamentu = 3*4*0,8*25=240 kN
VGk2 − ciezar gruntu nad fundamentem = (3*4-0,48*0,68)*0,2*18,5=43,19 kN
VGk3 − ciezar posadzki nad fundamentem = (3*4-0,48*0,68)*0,25*23=67,12 kN
VGkF = 350 kN
II SPRAWDZENIE STANU GRANICZNEGO NOŚNOŚCI “GEO”
γGn = 1, 35; γGk = 1, 0; γQn = 1, 5; γQk = 0;
γφ = 1, 0; γc = 1, 0; γγ = 1, 0
γR, v = 1, 4; γR, h = 1, 1;
- Wyznaczenie mimośrodów od obciążeń charakterystycznych stałych
$$e_{B} = \frac{M_{\text{Gkx}} + d_{f}*H_{\text{Gky}}}{V_{\text{Gk}} + V_{\text{GkF}}} = \frac{20 + 0,8*20}{720 + 350} = 0,03\ m$$
$$e_{L} = \frac{M_{\text{Gky}} + d_{f}*H_{\text{Gkx}}}{V_{\text{Gk}} + V_{\text{GkF}}} = \frac{150 - 0,8*4}{720 + 350} = 0,14\ m$$
$$q_{\max} = \frac{V_{\text{Gk}} + V_{\text{GkF}}}{B*L}*\left( 1 + 6*\frac{e_{B}}{B} + 6*\frac{e_{L}}{L} \right) = \frac{1070}{3*4}\left( 1 + 6*\frac{0,03}{3} + 6*\frac{0,14}{4} \right) = 113,54\ \text{kPa}$$
$$q_{\min} = \frac{V_{\text{Gk}} + V_{\text{GkF}}}{B*L}*\left( 1 - 6*\frac{e_{B}}{B} - 6*\frac{e_{L}}{L} \right) = \frac{1070}{3*4}\left( 1 - 6*\frac{0,03}{3} - 6*\frac{0,13}{4} \right) = 64,84\ \text{kPa}\ $$
$\frac{q_{\max}}{q_{\min}} \leq 2$ $\frac{113,54}{64,84} = 1,75$
Stosunek naprężeń powinien być mniejszy niż 2. Warunek spełniony
- Wyznaczenie mimośrodów od obciążeń charakterystycznych stałych i zmiennych
$$e_{B} = \frac{M_{\text{Gkx}} + M_{\text{Qkx}} + d_{f}*{(H}_{\text{Gky}} + H_{\text{Qky}})}{V_{\text{Gk}} + V_{\text{Qk}} + V_{\text{GkF}}} = \frac{20 + 65 + 0,8*(20 + 35)}{720 + 170 + 350} = 0,10\ m$$
$$e_{L} = \frac{M_{\text{Gky}} + M_{\text{Qky}} + d_{f}*{(H}_{\text{Gkx}} + H_{\text{Qkx}})}{V_{\text{Gk}} + V_{\text{Qk}} + V_{\text{GkF}}} = \frac{150 + 95 - 0,8*\left( - 20 - 68 \right)}{720 + 170 + 350} = 0,25\ m$$
$$q_{\max} = \frac{V_{k}}{B*L}*\left( 1 + 6*\frac{e_{L}}{L} + 6*\frac{e_{B}}{B} \right) = \frac{720 + 170 + 350}{3*4}*\left( 1 + 6*\frac{0,25}{4} + 6*\frac{0,10}{3} \right) = 164,28\ \text{kPa}$$
$$q_{\min} = \frac{V_{k}}{B*L}*\left( 1 - 6*\frac{e_{L}}{L} - 6*\frac{e_{B}}{B} \right) = \frac{720 + 170 + 350}{3*4}*\left( 1 - 6*\frac{0,25}{4} - 6*\frac{0,10}{3} \right) = 42,43\ \text{kPa}$$
$$\frac{q_{\max}}{q_{\min}} = \frac{164,28}{42,43} = 3,87$$
Stosunek naprężeń powinien być mniejszy niż 2,0. Mimośród na kierunku L nie spełnia tego wymogu.
Przyjęto przesunięcie fundamentu o exs= 0,10m.
Wyznaczenie mimośrodów od obciążeń charakterystycznych stałych i zmiennych i wyjątkowych.
$$e_{B} = \frac{M_{\text{Gkx}} + M_{\text{Qkx}} + M_{\text{Akx}} + d_{f}*{(H}_{\text{Gky}} + H_{\text{Qky}} + H_{\text{Aky}})}{V_{\text{Gk}} + V_{\text{Qk}} + V_{\text{Ak}} + V_{\text{GkF}}} = \frac{20 + 65 + 30 + 0,8*(20 + 35 + 22)}{720 + 170 + 30 + 350} = 0,14\ m$$
$$e_{L} = \frac{M_{\text{Gky}} + M_{\text{Qky}} + M_{\text{Aky}} + d_{f}*{(H}_{\text{Gkx}} + H_{\text{Qkx}} + H_{\text{Akx}}) - {\mathbf{(}\mathbf{V}}_{\mathbf{\text{Gk}}^{\mathbf{+}}}\mathbf{V}_{\mathbf{\text{Qk}}^{\mathbf{+}}}\mathbf{V}_{\mathbf{\text{Ak}}^{\mathbf{)\ }\mathbf{\bullet}\mathbf{\ }}}\mathbf{e}_{\mathbf{\text{xs}}}}{V_{\text{Gk}} + V_{\text{Qk}} + V_{\text{Ak}} + V_{\text{GkF}}} = \frac{150 + 95 + 40 - 0,8*\left( - 20 - 68 - 25 \right) - \left( 720 + 170 + 30 \right)*0,10}{720 + 170 + 30 + 350} = 0,22\ m$$
$q_{\max} = \frac{V_{k}}{B*L}*\left( 1 + 6*\frac{e_{L}}{L} + 6*\frac{e_{B}}{B} \right) = \frac{720 + 170 + 30 + 350}{3*4}*\left( 1 + 6*\frac{0,30}{4} + 6*\frac{0,14}{3} \right) = 170,72\ \text{kPa}$
$$q_{\min} = \frac{V_{k}}{B*L}*\left( 1 - 6*\frac{e_{L}}{L} - 6*\frac{e_{B}}{B} \right) = \frac{720 + 170 + 30 + 350}{3*4}*\left( 1 - 6*\frac{0,30}{4} - 6*\frac{0,14}{3} \right) = 41,00\ \text{kPa}$$
$$\frac{q_{\max}}{q_{\min}} = \frac{170,72}{41,00} = 4,16$$
Sprawdzamy czy siła wypadkowa przyłożona jest w rdzeniu przekroju
$$\frac{e_{B}}{B} + \frac{e_{L}}{L} < \frac{1}{6}$$
$$\frac{0,14}{3} + \frac{0,22}{4} < \frac{1}{6}$$
0, 102 < 0, 167
Warunek spełniony. Wypadkowa w rdzeniu przekroju, nie występuje odrywanie fundamentu od podłoża.
Wyznaczenie parametrów geotechnicznych
Zredukowane wymiary fundamentu:
B′ = B − 2 * eB B′ = 3 − 2 * 0, 14 = 2, 72 m
L′ = L − 2 * eL L′ = 3, 5 − 2 * 0, 30 = 3, 4 m
B′ * L′ = 2, 72 * 3, 4 = 9, 25 m2
$\frac{B^{'}}{L^{'}} = \frac{2,72}{3,4} = 0,8$ $\ \frac{L^{'}}{B^{'}} = \frac{3,4}{2,72} = 1,25$
Obliczenie współczynników uwzględniających nachylenie siły wypadkowej działającej w podstawie fundamentu:
$m_{B} = \frac{2 + \frac{B^{'}}{L^{'}}}{1 + \frac{B^{'}}{L^{'}}} = \ \frac{2 + 0,8}{1 + 0,8} = 1,56$ - siła działa na kierunku L′
$m_{L} = \frac{2 + \ \frac{L^{'}}{B^{'}}}{1 + \ \frac{L^{'}}{B^{'}}} = \ \frac{2 + 1,25}{1 + 1,25} = 1,44$ - przy obliczaniu nośności na kierunku B
m = mθ = mL * cos2θ + mB * sin2θ
Hkx = HGkx + HQkx + HAkx i Hky = HGky + HQky + HAky
tg θ = $\frac{\left( - 20 - 68 - 25 \right)}{20 + 35 + 22} = - 1,46$ θ = 55, 6
m = 1, 44•cos255, 6 + 1, 56 • sin255, 6 = 1, 52
- Wyznaczenie współczynników nośności granicznej
$$N_{q} = e^{\text{πtgφ}}*\text{tg}^{2}\left( 45^{} + \frac{\varphi^{'}}{2} \right) = e^{\text{πtg}15}*\text{tg}^{2}\left( 45^{} + \frac{15}{2} \right) = 3,92$$
Nc = (Nq−1) * ctg φ′ = (3,92−1) * ctg 15 = 2, 92 * 3, 73 = 10, 89
Nγ = 2 * (Nq−1) * tg φ′ = 2 * (3,92−1) * 0, 27 = 1, 58
- Wyznaczenie współczynników redukcyjnych
Działanie siły ukośnej zmniejsza nośność fundamentu.
$$H_{k} = \sqrt{{(H_{\text{Gkx}} + H_{\text{Qkx}} + H_{\text{Akx}})}^{2} + {(H_{\text{Gky}} + H_{\text{Qky}} + H_{\text{Aky}})}^{2}}$$
$$H_{k} = \sqrt{{( - 20 - 68 - 25)}^{2} + {(20 + 35 + 22)}^{2}} = 136,74\ \text{kN}$$
Vk = VGk + VQk + VAk + VGkF = 1175 kN
$$i_{q} = \left\lbrack 1 - \frac{H_{k}}{V_{k} + V_{\text{kF}} + A^{'}c^{'}\text{ctgφ}^{'}} \right\rbrack^{m} = \left\lbrack 1 - \frac{136,74}{1175 + 9,25*20*ctg15} \right\rbrack^{1,52} = 0,891$$
$$i_{\gamma} = \left\lbrack 1 - \frac{H_{k}}{V_{k} + V_{\text{kF}} + A^{'}c^{'}\text{ctgφ}^{'}} \right\rbrack^{m + 1} = \left\lbrack 1 - \frac{136,74}{1175 + 9,25*20*ctg15} \right\rbrack^{2,52} = 0,825$$
$$i_{c} = i_{q} - \frac{1 - i_{q}}{N_{c}*\text{tg}\varphi^{'}} = 0,891 - \frac{1 - 0,891}{10,89*tg15} = 0,854$$
- Wyznaczenie współczynników kształtu
$$s_{q} = 1 + \frac{B^{'}}{L^{'}}*\sin\varphi^{'} = 1 + 0,8*sin15 = 1,208$$
$$s_{\gamma} = 1 - 0,3*\frac{B^{'}}{L^{'}} = 1 - 0,3*0,8 = 0,76$$
$$s_{c} = \frac{s_{q}*N_{q} - 1}{N_{q} - 1} = \frac{1,208*10,89 - 1}{10,89 - 1} = 1,229$$
- wysokość stopy df = 0, 8 m
-grubość posadzki 0,25 m
- wysokość zasypki 1,0 m
Obciążenie obok fundamentu q′ = 0, 25 * 23 + 18, 5 * 1, 0 = 24, 25 kPa
- Nośność obliczeniowa dla warunków gruntowych z odpływem
Vd = VGk1 * γG1 + VQk * γG1 + VAk * γG1 + VGkF
Vd = 730 * 1, 35 + 170 * 1, 5 + 30 * 1, 0 + 255 * 1, 35 = 1614, 75 kN
$$\frac{R}{A^{'}} = \frac{V_{d}}{A^{'}} = c^{'}\ N_{c}\ b_{c}\ s_{c}\ i_{c} + q^{'}\ N_{q}\ b_{q}\ s_{q}\ i_{q} + 0,5\ \gamma^{'}\ B^{'}\ N_{\gamma}\ b_{\gamma}\ s_{\gamma}\ i_{\gamma}$$
$$q_{\text{Ed}} = \frac{1614,75}{9,72} = \mathbf{166}\mathbf{,}\mathbf{12}\mathbf{\ }\mathbf{\text{kPa}} < (20*10,89*1*1,229*0,854 + 24,25*3,92*1*1,208*0,891 + 0,5*18,5*2,72*1,58*0,76*0,825)\ :1,4 = \mathbf{254}\mathbf{,}\mathbf{17}\mathbf{\ }\mathbf{\text{kPa}}$$
Wskaźnik wykorzystania nośności (166,12/254,17)*100 % = 65 %
WARUNEK NOŚNOŚCI ZOSTAŁ SPEŁNIONY.
Wymiarowanie stopy fundamentowej na zginanie
VGk = 972; VQk = 255; VAk = 30;
MGkx = 27; MQkx = 97, 5; MAkx = 30;
MGky = 202, 5; MQky = 142,5; MAky = 40;
HGkx = −27; HQkx = −66; HAkx = −25;
HGky = 27; HQky = 142, 5; HAky = 22;
Vd = 1257
Mdx = 154, 5
Mdy = 385
Hdx = − 118
Hdy = 191, 5
$$q_{\text{Ed}} = \frac{V_{d}}{B*L} = \frac{1257}{9,72} = 129,32\ \text{kPa}$$
$$e_{B} = \frac{M_{\text{dx}} + d_{f}*H_{\text{dy}}}{V_{d}} = \frac{154,5 + 0,8*191,5}{1257} = 0,25\ m$$
$$e_{L} = \frac{M_{\text{dy}} + d_{f}*H_{\text{dx}} - V_{d}*e_{s}}{V_{d}} = \frac{385 - 0,8*\left( - 118 \right) - 1257*0,1}{1257} = 0,28\ m$$
$$q_{\max} = q_{\text{Ed}}*\left( 1 + 6*\frac{e_{B}}{B} + 6*\frac{e_{L}}{L} \right) = 129,32*\left( 1 + 6*\frac{0,25}{3} + 6*\frac{0,28}{4} \right) = 247,22\ \text{kPa}$$
$$q_{\min} = q_{\text{Ed}}*\left( 1 - 6*\frac{e_{B}}{B} - 6*\frac{e_{L}}{L} \right) = 129,32*\left( 1 - 6*\frac{0,25}{3} - 6*\frac{0,28}{4} \right) = 11,42\ \text{kPa}\ $$
$$q_{1} = q_{\text{Ed}}*\left( 1 - 6*\frac{e_{B}}{B} + 6*\frac{e_{L}}{L} \right) = 129,32*\left( 1 - 6*\frac{0,25}{3} + 6*\frac{0,28}{4} \right) = 120,59\ \text{kPa}$$
$$q_{2} = q_{\text{Ed}}*\left( 1 + 6*\frac{e_{B}}{B} - 6*\frac{e_{L}}{L} \right) = 129,32*\left( 1 - 6*\frac{0,25}{3} - 6*\frac{0,28}{4} \right) = 138,05\ \text{kPa}\ $$
$$\frac{q_{\max}}{q_{\min}} = \frac{247,22}{11,42} = 21,65$$
- Wyznaczenie momentów zginających dla maksymalnych naprężeń działających na wspornik
Jako obciążenie maksymalne przyjęto wartość 247,22 kPa
* wartość momentu zginającego na kierunku L:
bs = 0, 48 ls = 0, 68
* długość wsporników stopy
SLL=L/2 $+ e_{\text{xs}} - \frac{l_{s}}{2} + 0,15l_{s}$= 4/2 + 0,1- 0,68/2+ 0,15*0,68 = 1,862m
SLP=L/2 $- e_{\text{xs}} - \frac{l_{s}}{2} + 0,15l_{s}$= 4/2 - 0,1- 0,68/2+ 0,15*0,68 = 1,662m
MdLL= B * 0,5 * qmax * SLL2= 3* 0,5* 247,22*1, 8622 = 1285,68 kNm
* wartość momentu zginającego na kierunku B:
SBL= SBP = B/2 $- \frac{b_{s}}{2} + 0,15b_{s}$= 3/2 - 0,48/2+ 0,15•0,48 = 1,332m
MdBL= L* 0,5*qmax * SBL2= 4* 0,5* 247,22 *1, 3322 = 658,59 kNm
- Wyznaczenie momentów zginających dla średnich naprężeń działających na wspornik
* na kierunku L:
qa = (qmax + q1)/2 = (247,22+120,59)/2= 183,91 kPa
qb = (q2 + qmin)/2 = (138,05+11,42)/2= 74,74 kPa
qI = qa − (qa−qb) * SLL/L = 133,09 kPa
qP = qb + (qa−qb) * SLP/L = 120,10 kPa
Ponieważ naprężenia na obu wspornikach są bliskie co do wartości a lewy wspornik jest dwukrotnie dłuższy to większa wartość momentu będzie na lewym wsporniku.
MdL= B* 0,5* qI * SLL2= 3 * 0,5 * 133,09 *3, 467 = 692,14 kNm
* na kierunku B:
qa = (qmax + q2)/2 = (247,22+138,05)/2= 192,64 kPa
qb = (q1 + qmin)/2 = (120,59+11,42)/2= 66,01 kPa
qII = qa − (qa−qb)* SBL/B= 192,64 - (192,64-66,01) * 1,332/3= 136,42 kPa
MdB= L* 0,5 * qII * SLP2= 4 * 0,5* 136,42 *1, 6622 = 753,65 kNm
Pasmowe rozmieszczenie prętów (koncentracja ilości prętów w rejonie słupa) gwarantuje lokalizację zbrojenia tam gdzie ono jest najbardziej potrzebne. Ponieważ średnie naprężenie działa na przeważającej długości wspornika te wartości momentów przyjęto jako wyjściowe do obliczenia powierzchni zbrojenia.
- Wyznaczenie powierzchni zbrojenia dla średnich naprężeń działających na wspornik
Przyjęto otulinę prętów zbrojenia stopy 50 mm (minimalna grubość otuliny dla stopy posadowionej na 10 cm warstwie betonu podkładowego wynosi 40 mm) oraz zbrojenie prętami ⌀ 16 ze stali 18G2-b o fyd = 355 000 kPa
dL = 0,8 - 0,05 - 0,5• 0,016=0,74 m
As = M/(fyd* 0,9* dL)
* powierzchnia zbrojenia dla kierunku L:
As = 692,14 / (355000 * 0,9 * 0,74) = 29,3 cm2
AS min = 0,0013 * 300 * 80 = 31,2 cm2
Przyjęto 16 prętów zbrojeniowych ⌀ 16 o powierzchni 32,17 cm2.
* powierzchnia zbrojenia na kierunku B:
dB = 0,80 - 0,05 - 1,5 * 0,016 = 0,726 m
AS = 753,65 / (355000 * 0,9 * 0,726) = 32,49 cm2.
AS min = 0,0013 * 400 ∗ 80 = 41,6 cm2
Przyjęto 22 prętów zbrojeniowych ⌀ 16 o powierzchni 44,23 cm2.
- Rozmieszczenie zbrojenia zgodnie z zaleceniami EC2
* na długości stopy fundamentowej
ls/L = 0,68/4 = 0,17≅0, 2 | W pasmach poprzecznych fundamentów |
---|---|
Pasmo środkowe o szerokości 0,5*B = 1,5 m względem osi słupa | 0,626 * 32, 17 cm2 = 20,14 cm2 10 ⌀ 16 co 15 cm = 20,1cm2 |
Dwa pasma skrajne o szerokości 0,25*B = 0,75 m | 0,187*32, 17 = 6,02 cm2 3 ⌀ 16 co 12 cm = 6,03 cm2 |
* na szerokości stopy fundamentowej
bs/B = 0,48/3 = 0,16≅0, 2 | W pasmach podłużnych fundamentów |
---|---|
Pasmo środkowe o szerokości 0,5L = 2 m względem osi słupa | 0,626 * 44,23 = 27,69 cm2 14 ⌀16 co 14 cm = 28,14 cm2 |
Dwa pasma skrajne o szerokości 0,25L = 1 m | 0,187 * 44,23 = 8,27 cm2 4 ⌀16 co 12 cm = 16,08 cm2 |
- Wymiarowanie stopy fundamentowej na przebicie
dL = df - 0,5 * ⌀ - cl = 0,8 - 0,5 * 0,016 - 0,05 = 0,74m
Pole powierzchni obszaru kontrolnego:
Acont = (2dL + bs) * (2dL + ls) = (2 • 0,74 + 0,48) * (2 • 0,74 + 0,68) = 4,23 cm2
Średnie naprężenie pod podstawą fundamentu od obciążeń stałych, zmiennych i wyjątkowych oraz ciężaru własnego fundamentu wynosi:
$$q_{\text{Ed\ }} = \ \frac{V_{d} + V_{\text{GkF}}}{A} = \ \frac{1257 + 350}{12} = \ 133,92\ kPa\backslash n$$
Zredukowana wartość siły przebijającej jest równa :
VEd , red = Vd − (Acont*qEd ) = 690, 52 kN
Długość obwodu kontrolnego jest równa:
u = 2 * (2*dl+bs) + 2 * (2*dl+ls) = 8, 24 m
Mdx = 154, 5 kNm
Mdy = 385 kNm
Moment wypadkowy
$$M_{\text{Ed\ }} = \sqrt{{M_{\text{dx\ }}}^{2} + {M_{\text{dy\ }}}^{2}}$$
$$M_{\text{Ed\ }} = \sqrt{{154,5}^{2}\ + 385^{2}} = 414,84\ kNm\ $$
Współczynnik uwzględniający mimośród na którym działa siła
$$\beta = 1 + k*\frac{M_{\text{Ed}}}{V_{Ed,\ red}}*\frac{u}{W_{1}}$$
W1 = 0, 5 * bs2 + bs * ls + 4 * bs * dL + 16 * dL2 + 2 * π * dL * ls = 0, 5 * 0, 482 + 0, 48 * 0, 68 + 4 * 0, 48 * 0, 74 + 16 * 0, 742 + 2 * 3, 14 * 0, 74 * 0, 68 = 13, 78 m
$$\beta = 1 + 0,65*\frac{414,84}{690,52}*\frac{8,24}{13,78} = 1,23$$
$$V_{\text{Ed}} = \beta*\frac{V_{Ed,\ red}}{u \bullet d_{l}} = \ 1,23*\frac{690,52}{8,24 \bullet 0,74} = 0,139\ \lbrack MPa\rbrack$$
Porównanie obciążeń od obciążenia z maksymalnymi naprężeniami możliwymi do przeniesienia
Beton C 20/25, fck = 25 MPa
* obliczanie powierzchni zbrojenia
$$\rho_{b} = \frac{100*\rho_{B}}{B*d_{f}}$$
$$\rho_{b} = \frac{100*44,23}{300*80} = 0,18\%$$
$$\rho_{l} = \frac{100*\rho_{L}}{L*d_{f}}$$
$$\rho_{b} = \frac{100*32,17}{400*80} = 0,10\%$$
* średni procent zbrojenia
$$\rho = \sqrt{\rho_{b}*\rho_{b}}$$
ρ = 0, 13 %
VRdc = 0, 129 * k1 * (ρ * fck)1/3
$$k_{1} = 1 + \sqrt{\frac{200}{740}} = 1,52$$
$V_{\text{Rdc}} = 0,129*1,52*\left( 0,13*25 \right)^{\frac{1}{3}} = \ 0,290\ MPa$
VEd = 0, 139 < VRdc = 0, 290
Przebicie fundamentu nie nastąpi.