Несущая способность и глубина анкеровки противосдвиговых упоров в узле соединения металлических колонн и железобетонных фундаментов

Одной из особенностей работы рамной конструкции является возникновение усилия сдвига в узле соединения металлической колонны и железобетонного фундамента. Усилие распора передается со стоек рамы на фундаменты при помощи анкерных болтов, противосдвиговых шпор и упоров. В настоящее время нормативной документацией не предусмотрена методика подбора противосдвиговых элементов. Существует ряд серий, учебных пособий и указаний, содержащих данные об этих элементах, их глубине анкеровки и несущей способности, но эти данные разнятся. Необходимо определить, в чем именно источники имеют разногласия и выявить причину этого.

Ключевые слова: фундамент, усилие сдвига, противосдвиговые упоры, глубина анкеровки, методики подбора.

В рамной конструкции возникает усилия сдвига, действующее в плоскости рамы и передающееся со стойки рамы на фундамент. Следует отметить, что соотношение между данным усилием и относительной высотой однопролетной рамы следующее: при уменьшении высоты рамы величина сдвигающего усилия возрастает. Для восприятия таких горизонтальных нагрузок требуется значительное увеличение размеров фундамента, что не всегда технически возможно и целесообразно. Во избежание устройства массивных фундаментов между противоположными стойками рам устраивают специальные затяжки, воспринимающие горизонтальные усилия распора.

Усилия распора передаются со стоек рамы на фундаменты или затяжки при помощи анкерных болтов, противосдвиговых шпор и упоров.

Рамные конструкции, в большинстве случаев, имеют шарнирное опирание, анкерные болты устанавливаются либо конструктивно, либо для передачи только сдвигающих нагрузок. Такие анкерные болты имеют небольшую несущую способность на сдвиг, определяемую прочностью болта (работающего на изгиб, срез и продольную силу от предварительного натяжения) и прочностью бетона в зоне контакта с изгибаемых болтом. Поэтому, для восприятия значительных сдвигающих нагрузок вдоль рамы, а также в связевых блоках, обычно устанавливают противосдвиговые «шпоры» из швеллеров, труб, стержней и т. п. Несущая способность таких «шпор» на сдвиг определяется аналогично несущей способности анкерных болтов. [1]

Нагрузка, передающаяся со стойки рамы или колонны на анкера или «шпоры», определяется с учетом трения опорной базы по бетону фундамента

, (1)

Где Q — максимальное усилие распора в раме, определенное от вертикальных и горизонтальных нагрузок; N — вертикальное усилие, передающееся со стойки на фундамент; µ — коэффициент трения стали по бетону: µ = 0,3, — коэффициент условия работы, γ = 0,9. [1]

Противосдвиговые элементы не требуются, когда распор может быть воспринят только силами трения, т. е. при выполнении условия

Это условие обычно выполняется для однопролетных рам при отношении их высоты к пролету более 0,4. [1]

Если противосдвиговые элементы все же требуются, принять их можно по сериям, таблицам из пособий с указанными предельными сдвиговыми нагрузками, которые способен воспринять противосдвиговой элемент, или расчетам.

Для того, чтобы сравнить данные методики подбора и определения необходимых геометрических характеристик противосдигового упора произведен подбор элемента для конкретных заданных условий.

Исходными данными будут являться: горизонтальная сила, действующая на противосдвиговой упор, N = 10000 кг, бетон класса В12,5, сталь С235, расстояние от верхнего обреза фундамента до точки приложения горизонтальной силы с = 10 см в соответствии с рис. 1. В качестве противосдвигового элемента принято коробчатое сечение из двух швеллеров 22У с габаритными размерами 22х8,2см). Необходимо определить минимальную глубину заделки упора а.

Рис. 1. Схема установки противосдвигового упора

Даная задача может иметь следующие решения:

1. Подбор противосдвигового элемента по серии 2.020–1.08 «Узлы каркасов производственных и общественных зданий» [4]

Серия предусматривает указания по глубине заделки швеллеров 12..30 профиля, толщину пластины для приварки швеллеров к опорной плите и необходимый катет сварного шва, но при этом в ней нет данных о воспринимающихся сдвиговых усилиях элементами и минимальном расстоянии от грани упора до грани фундамента.

2. Подбор противосдвигового элемента по серии 1.411.1–7.0–2 «Фундаменты под стальные колонны» [3]

По данной серии осуществляется подбор одиночного швеллера. При высоте незаглубленной части элемента 10 см, применении профиля швеллера № 22, минимальное значение глубины заделки а = 68 см, предельная горизонтальная нагрузка 195000 кг. Также, серией предусмотрено минимальное расстояние от грани упора до грани фундамента равное 15 см.

3. Подбор противосдвигового элемента по таблице № 10 «Предельные расчетные нагрузки на закладные части фундамента» [2, с. 45]

При использовании коробчатого сечения из швеллеров 22У при высоте незаглубленной части 10 см, серия предусматривает глубину заделки 110 см и предельную горизонтальную нагрузку при этом равную 9600 кг.

4. Подбор противосдвигового элемента по таблице № 1 «Предельная сдвиговая нагрузка для анкерных болтов и противосдвиговых шпор» [1, с. 265]

Подбор производится для коробчатого сечения из швеллеров 22У при высоте незаглубленной части 10 см, при глубине заделки 110 см предельная сдвиговая нагрузка равна 96000 кг.

5. Расчет по «Указаниям технического отдела об определении величины заделки упоров, воспринимающих горизонтальные нагрузки» от 9 февраля 1982 г. [5]

При использовании коробчатого сечения из швеллеров 22У при высоте незаглубленной части 10 см по результатам расчета требуемая глубина заделки составила а = 110 см. Минимальное расстояние от грани упора до края фундамента при этом 28.87 см.

Расчет предусматривает следующее условие: если расстояние от грани упора до грани фундамента не выдерживается, то возможно использование анкерных стержней. Схема установки анкерных стержней показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема установки анкерных стержней

Количество стержней не должно превышать 3–4 шт, расстояние между ними 50–100 мм.

При произведении расчётов для коробчатых сечений из швеллеров различных профилей получены данные о глубине заделки противосдвиговых элементов. Сравнительный анализ данных приведен в табл. 1.

Глубина заделки противосдвигового упора по требованиям серий и технических указаний.

*Таблица содержит данные о глубине заделки коробчатого сечения из швеллеров при высоте незаглубленной части 10 см.

Рис. 4. Длины заделки противосдвиговых элементов

В таблице 2 указаны значения для одиночных швеллеров, указанные в Серии 1.411.1–7.0–2 [3], и коробчатых сечениях из швеллеров, указанных в учебном пособии В. В. Катюшина «Здание с каркасам из стальных рам» [1]. И в том, и в другом источнике приняты бетон В12,5 и сталь С235. Данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Глубина заделки и несущая способность противосдвиговых элементов, принятые по серии и по расчету

При сравнении данных из таблицы 2 выявлено следующее несоответствие: несущая способность одиночных элементов намного превышает несущую способность упоров из парных элементов, усредненно принятую по пособию В. В. Катюшина. [1]

При сравнении данных из таблицы 1 определено, что значения, принятые по серии [4] практически совпадают со значениями, принятыми по учебному пособию В. В. Катюшина [1], при этом в пособии П. Н. Троицкого [2] значения приняты на 10 % меньше. Глубина заделки при прочих равных показателях значительно различается при сравнении данных, предоставляемых сериями, и данных, полученных в результате расчета по техническим указаниям [5]. При расчете значения глубины заделки получаются в среднем на 20 % больше. Это может быть обусловлено тем, что в сериях не учитывается расстояние до края фундаментной плиты и не даны указания по соотношению данного расстояния и глубины заделки элемента.

1. Катюшин В. В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, строительство). — М.: ОАО «Стройиздат», 2005.
2. Троицкий П. Н. Промышленные этажерки. — М.: ОАО «Стройиздат», 1965.
3. Серия 1.411.1–7.0–2 Фундаменты под стальные колонны
4. Серия 2.020–1.08 Узлы каркасов производственных и общественных зданий
5. «Указания технического отдела об определении величины заделки упоров, воспринимающих горизонтальные нагрузки» от 9 февраля 1982 г.