Основы проектирования и контроля состояния фундаментов и опор

При изготовлении и приемке новых фундаментов под оборудование, а также при анализе возможности использования фундаментов, на которых ранее (например, до реконструкции цеха) уже было установлено оборудование, которое подлежит замене или модернизации, может возникнуть необходимость в проверке их соответствия определенным требованиям: допустимым геометрическим, высотным отклонениям их элементов; устойчивости к опрокидыванию и скольжению; устойчивости против резонанса и вибрации (рис. 1.1.).

При проектировании фундаментов определяют их размеры в плане (опорную площадь основания), координаты расположения колодцев под анкерные болты, уступов, каналов и т.п. под конструктивные элементы оборудования, трубопроводы и др., общую высоту и высоту заглубления фундамента в грунте.

Опорную площадь основания фундамента определяют предварительно с учетом размеров оборудования в плане и окончательно - с учетом нагрузки на грунт и категории грунта.

Соответствие опорной площади основания нового или существующего фундамента F общей нагрузке на грунт, равной [ 3 ]

G=G_ф +Gо+G_M=G_O(1+K)+G_M (1.1)

проверяется по зависимости:

F ³ G/р, (1.2)

где G, G_Ф, G_O, G_M - соответственно, общая нагрузка на грунт, вес фундамента, оборудования, материалов и сырья; К - коэффициент соотношения весов фундамента и оборудования, принимаемый равным 0,6-1,5 для оборудования со статической и 2,0-3,0 - с динамической нагрузкой; р - допускаемое удельное давление на грунт, определяемое по таблице 1.2. [ 4 ].

Рис. 1.1. Расчетная схема монолитного фундамента

Таблица 1.2. Допускаемое давление на грунт

Соответствие действительной высоты фундамента (h_д) требуемой (h_Т) проверяют путем их сравнения, причем последнюю определяют по формуле:

h_Т = G_Ф/Fg ³ h_д , (1.3.)

где g - удельный вес материала фундамента; G_Ф=G_O × К - согласно формуле (1.1).

Проверка фундаментов на устойчивость выполняется путем сравнения расчетного К_УР и допустимого К_УД коэффициентов устойчивости, т.е.

К_УР ³ К_УД. (1.4.)

При этом значение К_УД ³ 1,8 -2,0.

Расчетный коэффициент устойчивости определяется по выражению [3]

К_{ур =} , (1.5)

где М_ук, М_ok - соответственно моменты устойчивости и опрокидывания фундамента относительно его k-го ребра (рис. 1.1), равные

М_ук = 0,5 (SP_z + G_ф) ; (1.6)

М_ok = М_j + SP_j × h , (1.7)

где - длина ребра m, перпендикулярного k-му ребру; SP_z, SP_i соответственно, суммарные усилия, воспринимаемые фундаментом со стороны оборудования в направлении вертикальной оси Z и оси, перпендикулярной k-му ребру фундамента; М_J - крутящий момент, действующий на фундамент со стороны оборудования относительно оси, параллельной k-му ребру.

Проверку фундамента против скольжения определяют путем сопоставления силы Р_УД, удерживающей его от скольжения по грунту, и силы Р_СД, стремящейся сдвинуть его, по условию:

Р_уд ³Р_сд × К_сд, (1.8.)

где К_сд - коэффициент запаса на сдвиг фундамента, принимаемый в пределах 2,0-2,5; Р_уд - сила, удерживающая фундамент от скольжения, равная:

Р_уд = ( SP_z + G_ф) צ , (1.9.)

где P_z - сила, сдвигающая фундамент, равная равнодействующей всех усилий, действующих в плоскостях, параллельных плоскости сдвига; ¦- коэффициент трения подошвы фундамента по грунту, принимаемый для сухого грунта равным 0,5, для мокрого - 0,3, а при наличии вибрации фундамента - 0,2.

Устойчивость фундаментов против резонанса проверяется путем расчета и сопоставления частот колебаний, возбуждаемых оборудованием (вынужденных колебаний) ¦_в и частот собственных колебаний ¦_с станины, фундамента и грунта, на котором он установлен. Частоты вынужденных и собственных колебаний должны отличаться более, чем в 2,5 раза [ 5 ].

С целью снижения величины и частоты динамических сил, передаваемых виброактивной системой (машиной) на другую, защищаемую от вибрации систему, оборудование подлежит виброизоляции посредством виброизоляторов. На практике получили распространение следующие виброизоляторы:

а) в виде отдельных опор: пружинные виброизоляторы, основным рабочим элементом которых являются одна или несколько стальных винтовых цилиндрических или конических пружин (параллельно с пружинами иногда устанавливают демпферы колебаний); резиновые или резинометаллические виброизоляторы, основным рабочим элементом которых является резиновое тело, нередко имеющее сложную форму; пневматические виброизоляторы, обычно регулируемые; виброизоляторы из тонкой прессованной стальной проволоки (“металлическая резина”);

б) в виде слоя упругого материала, укладываемого между машиной и фундаментом;

в) в виде пола на упругом основании - обычно применяется при установке оборудования на перекрытиях зданий.

Для оценки эффективности виброизоляции используются различные критерии, наиболее важный из которых называют виброизоляцией (ВИ). Для гармонического процесса колебаний этот критерий определяется соотношением [5]:

ВИ = 10 lg, (1.10)

В выражении (1.10) V_фж и V_фв представляют собой: при установке машины на виброизоляторах - амплитуды колебательной скорости фундамента машины в характерных точках (или усредненные по нему) соответственно при жестком креплении машины и через виброизоляторы; при применении пола на упругом основании - средние значения колебательной скорости несущей плиты перекрытия при жестком креплении машины к ней и при жесткой установке машины на полу на упругом основании; при одновременном применении пола на упругом основании и виброизоляторов - средние значения колебательной скорости несущей плиты перекрытия при жестком креплении машины к ней и после установки машины на виброизоляторах и полу на упругом основании.

При “абсолютно жестком” фундаменте, когда V_фв=V_фж=0, виброизоляцию определяют также соотношением:

ВИ = 10 lg , (1.11)

где F_фж и F_фв - амплитуды динамических сил, передаваемых на фундамент при жесткой и виброизолированной установке машины на него.

Используют также методы расчета, а затем сравнения, критерия виброизоляции через импедансы машины, фундамента, виброизоляции и характеристические коэффициенты четырехполюсника (машины, виброизоляторы, элементы, представимые массами рассматриваются как механические четырехполюсники) [ 5 ].

Размеры колодцев (отверстий) под фундаментные (анкерные) болты должны соответствовать типу болтов и условию их прочного закрепления в фундаменте. При определении глубины колодца можно руководствоваться следующими данными [ 2 ]: нижняя точка болта должна находится от подошвы фундамента на расстоянии не менее 100-150 мм; глубина заделки в бетон болта прямого примерно должна быть равной 20-30 его диаметрам, болта изогнутого (с крюком на конце) равной 15-20 диаметрам, съемного болта с анкерными плитами - (400-500) мм.

Перед началом монтажа фундаменты должны отвечать определенным требованиям, нормам точности.

Сдачу (приемку) стройготовности фундаментов, эстакад и т.п. под монтаж осуществляют в соответствии с правилами СНиП 3.05.05-84 “Технологическое оборудование и технологические трубопроводы”, а также в соответствии с требованиями СНиП 3.01.03-84 “Геодезические работы в строительстве”.

Так, фундаменты под оборудование, устанавливаемое без последующей подливки раствором, должны сооружаться на полную проектную отметку и сдаваться под монтаж с выверенной поверхностью, а с подливкой раствором - на 50-80 мм ниже проектной отметки опорной поверхности или выступающей части монтируемых изделий.

Допустимые отклонения элементов фундаментов от проектных значений представлены в табл. 1.3 -1.5.

Таблица 1.3.

Допустимые отклонения элементов монтажных бетонных и железобетонных фундаментов, мм

Таблица 1.4.

Допустимые отклонения элементов сборных железобетонных фундаментов и оснований, мм

Таблица 1.5.

Допустимые отклонения элементов фундаментов под технологические металлоконструкции и положения анкерных болтов, мм

При проектировании трассы трубопроводов рассчитывают расстояния между опорами под трубопроводы. При этом трубопровод, лежащий на свободных опорах, рассматривается как неразрезанная балка, максимальный изгибающий момент (М) которой определяется по выражению

М= , (1.12)

где q - удельная нагрузка на единицу длины трубопровода, учитывающая вес самого трубопровода, транспортируемой среды и термоизоляции, Н/мм; - расстояние между опорами, мм.

Подставляя в уравнение прочности при изгибе трубы значение изгибающего момента (1.12), определяют максимальное расстояние между опорами:

= , мм, (1.13)

где W - момент сопротивления поперечного сечения трубы, мм³; [s]_изг - допускаемое напряжение на изгиб от собственного веса ([s]_изг £ 50 Н/мм² для стальных труб).