Proiectarea unei fundatii izolate directe sub un stalp de beton armat

CAPITOLUL I

ARGUMENTUL

Orice constructie indiferent de natura ei de preda sarcinile terenului de fundat pe care se rezema prin intermediul fundatiei.

Terenul de fundat este format din roci. Pentru cercetarea calitatii fizico-mecanice ale rocilor si a comportarii lor sub sarcini este necesar sa se cunosca in primul rand geneza acestor roci, compozitia chimico-minereologica si procesele lor de transformare.

a)      Fundatie este elementul de constructie care se afla in contact direct cu terenul bun de fundare si pin intermediul caruia se transmit acestuia toate incarcarile care care actioneaza asupra constructiei, astfel incat presiunile pe talpa fundatiei sa nu depaseasca capacitatea portanta a terenului, iar tasarile care rezulta sa fie mai uniforme.

b)      Fundatie este partea cladirii ce se gaseste sub nivelul terenului natural peste care se executa zidaria parterului sau a subsolului.

Corpul cladirii, elevatie reprezinta partea cladirii situata deasupra terenului, ea cuprinzand elemente de rezistenta precum si lucrarile de finisaj si protectie. Elementele de rezistenta cuprind partile constructiei ce au rolul de a asigura rezistenta si stabilitatea cladirii fiind alcatuite din fundatie si structura de rezistenta a cladirii.

Elementele de rezistenta ale elevatiei sunt:

-zidurile(pereti), delimiteaza spatiul interioral cladirii de mediul inconjurator smpartind constructia in incaperi si au rolul de a prelua incarcarile transmise de acoperis, grinzi, plansee, asupra fundatiei.

-stalpii, sunt elemente verticale de rezistenta cu rol de a prelua incarcarile provenite de la alte elemente de constructie si ale transmite fundatiei.

-planseele, separa intre ele incaperile cladirii pe inaltimea acesteia sau inchid cladirea la partea ei superioara formand astefl acoperisul sau terasa. Acestea suporta incarcarile utile ca: oameni, mobila, pereti despartitori pe care le transmit zidurilor sau stalpilor.

-sarpanta este elementul de rezistenta al acoperisului cu rol de sustinere a invelitorii cladirii.

-scarile asigura circulatia intre nivelurile cladirii.

c) Pentru a putea proiecta si executa fundatia unei constructii este necesar sa cunostem urmatoarele aspecte:

-dimensiunea constructiei;

-incarcarile permanente, utile si accidentele care actioneaza asupra constructiei;

-solicitarile pe suprafata de contact dintre tapla fundatiei si terenul de fundare;

-stratificarea terenului de fundare cercetandu-se natura straturilor componente, caracteristicile fizico-mecanice, nivelul si natura apelor subterane in perioada de seceta sau timp ploios;

-caracteristicile mecanice ale materialelor din care se executa fundatia;

-factori externi.

Dimensionarea fundatiilor se face pe baza unui studiu geotehnic care indica natura terenului si adancimea de fundare; este necesar ca terenul sa nu aiba tasari semnificative si sa fie neimbibatcu apa. Talpa fundatiei trebuie asezata pe un strat rezistent la o adancime de cel putin 20 cm sub limita de inghet care la noi in tara este de 0,80-1,20 m.

Repartitia reala a presiunii pe terenul de fundare, la nivelul de separatie dintre talpa de fundatie si pamant, depinde de o serios de factori: natura terenului, marimea incarcarii, forma si marimea talpii fundatiei, rigiditatea fundatiei, etc.

Se stie ca din punct de vedere al adancimii de fundare, fundatiile constructiilor se impart in fundatii suprafata si adancime

Fundatiile de suprafata se utilizeaza constructiei si de limita minima de inghet.

Fundatia de suprafata transmite direct sarcina de la constructie, terenului pe care se sprijina. Fundatiile de adancime se utilizeaza atunci cand stratul bun de fundare se gasesc la adancimi mari fata de nivelul constructiei.

CAPITOLUL 2

PROIECTAREA UNEI FUNDATII IZOLATE DIRECTE SUB UN STALP DE BETON ARMAT

Fundatia ce se proiecteaza sustine stalpul unei constructii incadrata in clasa a II-a de importanta. Incarcarile transmise de stalp la nivelul terenului sunt o forta verticala excentrica si o forta orizontala. Stratificatia terenului de fundare si caracteristicile geotehnice ale stratelor geologice sunte prezentate in fisa de foraj.

Etapele realizarii proiectului:

Proiectarea fundatiei izolate sub un stalp de beton armat cuprinde urmatoarele etape:

• Determinarea caracteristicilor geotehnice de calcul ale terenului de fundare;
• Predimensionarea fundatiei pe baza presiunilor conventionale de calcul;
• Verificarea terenului de fundare la starea limita de deformatie;
• Verificarea terenului de fundare la starea limita de capacitate portanta;
• Armarea fundatiei.

2.1 DETERMINAREA CARACTERISTICILOR GEOTEHNICE DE CALCUL ALE TERENULUI DE FUNDARE

Prelucrarea rezultatelor incercarilor de laborator, in vederea determinarii caracteristicilor geotehnice de calcul ale terenului pe amplasament, comporta doua etape principaleS

a - recunoasterea pe verticala si plan a alcatuirii geologice (straturi, orizonturi, lentile, zone) in functie de valorile caracteristicilor geotehnice;

b - stabilirea valorilor si de calcul ale caracteristicilor geotehnice.

In fisa de foraj anexata datelor de tema este detailata stratificatiei terenului cu cotele si grosimile fiecarui strat, precum si cu o serie de valori ale caracteristicilor geotehnice necesare proiectarii fundatiei. Pentru fiecare caracteristica sunt mai multe valori in functie de numarul de incercari efectuate pe diferite probe din acel strat. In vederea utilizarii acestor valori in calcul trebuie realizata o prelucrare statistica a acestora pentru determinarea valorii normate, respectiv a valorii de calcul pentru fiecare caracteristica si respectiv pentru fiecare strat.

In cele ce urmeaza se considera o prelucrare a caracteristicilor pentru un singur strat geologic. Parametrii geotehnici pentru proiectarea fundatiei izolate de suprafata sunt: indicele de consistenta, Ic, indicile porilor, e, greutatea volumica a pamantului in stare naturala, γ, modulul de deformatie edometrica, M , unghiul de frecare interioara, Ф si coeziunea, c.

Determinarea valorilor normate:

Valorile normale ale carcateristicilor geotehnice Ф si c se detremina prin prelucrarea corelata a rezultatelor determinarii de teren sau laborator. Pentru acesta se traseaza dreapta medie dupa cum rumeaza:

Pentru incercari in aparatul de forfecare directa-prin metoda celor mai mici patrate

Pentru incercari in aparatul de compresiune triaxiala-prin metoda celor mai mici patrate

Determinarea valorilor de calcul, valorile de calcul ale caracteristicilor geotehnice se obtin cu relatia:

n

A 1±p)A

A =valoarea de calcul a carcateristicilor geotehnice respective;

n

A =valoarea normata a aceleiasi caracteristici;

P =indicele de precizie al determinarii valorii medii; semnul indicelui de precizie se alege astfel incat sa se realizeze o crestere a sigurantei.

2.2 PREDIMENSIONAREA FUNDATIEI PE BAZA PRESIUNILOR CONVENTIONALE DE CALCUL

Stabilirea adancimii minima de fundare, Df, se stabileste in functie de terenul de fundatie, adancimea de inghet si adancimea apei subterane.

Pentru cazul practic propus de tema de proiect(fundatie izolata sub stalp din beton armat) se iau in considerare doua criterii in ceea ce priveste stabilirea adancimii minime de fundare:

a-      adancimea de inghet, Hi:

Df=Hi+0,100,30 m 0

Hi-nivelul cel mai coborat al izotermei de 0

b-      conditiile geologice si hidrogeologice:

-ori de cate ori este posibil, se evita fundarea sub nivelul apei subterane, legata de dificultati la executie si in exploatare;

-talpa fundatiei trebuie coborata pana la stratul capabil sa preia solicitarile, numite strat bun de fundare. Fie adancimea acestui strat notata cu HTF.

Df=HTF +0,300,50 M

Adancimea minima de fundare va fi data de valoarea maxima rezultata in cele doua criterii a si b:

min (a) (b)

Df = max( Df , Df )

Stabilirea adancimii minime de fundare

2.3 STABILIREA DIMENSIUNILOR BAZEI FUNDATIEI IZOLATE

Dimensiunile in plan (lungimea, L si latimea, B) ale talpii fundatiei se predimensioneaza pe baza conditiei ca presiunea efectiva dezvoltata sub talpa fundatiei sa nu depaseasca presiunea conventionala corespunzatoare stratului de fundare. Se considera urmatoarele incarcaturi de calcul transmise la nivelul terenului de catre structura (stalp):

-forta verticala: -Pf-in grupul fundamentala;

-ps-in gruparea speciala;

-forta orizontala -Hf-in grupare fundamentala;

-Hs-in grupare speciala.

-moment( produs de excentricitatea fortei verticale):

-Mf-in grupare fundamentala;

-Ms-in gruparea speciala.

Conditii de determinare a dimensiunilor L si B sunt:

P ef med ≤P conv

(1) (2)

P ef max≤1,2 Pconv;P ef max≤1,4 Pconv

P ef min

Pef-presiunea efectiva dezvoltata sub talpa fundatiei(in valoare medie, maxima si minima):

-Pef med=presiunea efectiva medie;

-P ef min=presiunea efectiva minima;

-P ef max=presiunea efectiva maxima)cand forta exterioara Pf este excentrica dupa doua directii)

(2)

-P ef max=presiunea efectiva maxima(cand forta exterioara Pf este excentrica dupa doua directii)

med-greutatea volumica nedie a betonului din fundatie si a pamantului care sprijina pe fundatie; la acest stadiu de predimensionare se poate considera o valoare

aproximativa a lui γmed =20 KN/m

2

BL

W= -modulul de rezistenta al talpii fundatiei;

6

Pconv-presiunea conventionala a terenului in valoare corectata cu adancimea de fundare si cu latimea fundatiei.

Intre laturile L si B ale fundatiei se va considera un raport

L =1,11,5 -in functie de marimea excentricitatii fortei verticale;valorile mai

B  mari sunt necesare in cazul transmiterii unor momente importante.

2.4 STABILIREA PRESIUNII CONVENTIONALE DE CALCUL

Presiunea conventionala de calcul este stabilita in functie de granulozitatea, umiditatea si gradul de indesare in cazul pamanturilor necoezive si in functie de plasticitate, porozitate si consistenta in cazul pamanturilor coezive, prezinta valori de baza ale presiunii conventionale.

a-      pamanturi necoezive

b-pamanturi coezive

P conv=Pconv + CD +CB unde:

CD-corectia cu adancirea de fundare

CB-corectia cu latimea fundatiei

a-      Corectia lui P conv cu adancimea de fundare Df

Pentru Df<2.0 m

Cd=Pconv Df Df-2 KPa

4

K coeficienti

γ-greutatea volumica de calcul a straturilor situate desupra nivelului talpii

fundatiei)calculata la medie ponderata cu grosimea straturilor), KN/m

b-      Coretia lui P conv cu latimea fundatiei B

B≤5,0 m

CB = P conv(B-1) KPa

K -coeficient =0,10-pentru pamanturi necoezive(cu exceptia nisipurilor prafoase)

=0,05-pentru nisipuri prafoase si pamanturi coezive

B>5,0 m

CB-0,4 P conv pentru pamanturi necoezive(cu exceptia nisipurilor prafoase)

CB-0,2 P conv pentru nisipuri prafoase si pamanturi coezive.

In ceea ce priveste stabilirea corectiei cu latimea fundatiei pentru presiunea conventionala, se va porni de la o valoare B rezultata dintr-un calcul preliminar. Daca in final valoarea definita a lui B nu difera cu mai mult de 0,5 m fata de valoarea considerata initial, atunci corectia si implicit valoarea lui Pconv nu se schimba.

2.5 STABILIREA DIMENSIUNILOR PE VERTICALA A FUNDATIEI IZOLATE

Dupa stabilirea dimensiunilor bazei(talpii) fundatiei este necesar sa se determine celelalte geometrice ale fundatiei.

-fundatie elastica din beton armat

In cazul alegerii variantei fundatiei elastice de beton armat, daca suarafata in plan

a acesteia este superioara a 1 m, forma fundatiei va fi de tip ,,obelisc", cu fetele laterale tesite.

In jurul bazei stalpul se asigura o portiune orizontasa de 5-10 cm, pentru a permite corectarea unor eventuale erori de trasaj si a asigura o buna rezemare pentru cofraje stalpului.

La baza fundatiei se dispune un strat de beton de egalizare cu grosimea de 5 cm, care poate fi marit la 10 cm in cazul in care terenul este umed sau suprafata lui prezinta neregularitati.

Pentru asigurarea rigiditatii necesare fundatiei in vederea repartizarii presiunilor pe teren, raportul H/L, intre inaltimea fundatiei si latura mare a bazei fundatiei, trebuie sa respecte valorile minime.pe considerente economice, in special pentru reducerea consumului de armatura, se recomanda ca raportul H/L sa fie cuprins intre 0,25 si 0,35.

Inaltimea H la marginea fundatiei se va considera de regula in intervalul H=H H

3 2

dar numai mica de 20 cm

pentru fundatia elastica se va utiliza un beton de marca Bc 10 sau Bc15

CAPITOLUL 3

FUNDATIE DIN BETON CU CUZINET DIN BETON ARMAT

Fundatiile de acest tip sunt alcatuite dintr-n bloc de beton simplu, pe care stalpul reazema prin intermediul unui cuzinet de beton armat.

Blocul din beton simplu alcatuit din 13 trepte, astfel incat sa se asigure o repartitie corespunzatoare a presiunilor de talpa fundatiei.

Cuzinetul are o forma prismatica, cu dimensiunile in plan, Ic, si respectiv, bc si cu inaltimea , h.

Latura mare, Ic, a cuzinetului trebuie sa satisfaca urmatoarele valori ale raportului Ic/L

Ic/L=0,550,65 daca blocul din beton simplu are 2 sau 3 trepte

Pentru determinarea celeilalte dimensiuni in plan a cuzinetului, bc, se va considera un raport intre laturile cuzinetului aproximativ egal cu raportul L/B:

Ic/bc=L/Binalatimeah, a cuzinetului trebuie sa satisfaca simultan urmatoarele conditii:

h≥30 cm tg β= h/I >2/3 h/Ic≥0.25

inaltimea totala, H, a blocului de beton se determina din conditia:

tg α ef ≥ tg α min

unde: tg α ef= H tg α min

L-Ic/2

Din conditii constructive, inaltimea totala, H , a blocului de beton simplu este de cel putin 40 cm daca blocul are o singura treapta. Daca blocul este format din 2 sau 3 trepte, putin 50 cm daca blocul are o singura treapta. Daca blocul este format din 2 sau 3 trepte, inaltimile H H ale fiecarei trepte sunt cel putin 30 cm. Inaltimea foecarei trepte rezulta din respectarea conditiei tgαef ≥tgαmin scrisa in functie de inaltimile H , H si lungimile in consola l , l corespunzatoare.

CAPITOLUL 4

VERIFICAREA TERENULUI DE FUNDARE LA STAREA LIMITA DE DEFORMATIE

Calculul terenului la starea limita de deformatie consta in respectarea conditiei:

ef adm in care:

ef-deplasarea sau deformatie constructiei datorata tasarii terenului de fundare;

adm-deplasarea sau deformatia admisa pentru structura, stabilita de proiectant. In mod orientativ, pentru constructii cu structuri in cadre se prevad valori admise ale tasarilor absolute de 8 cm.

In cadrul proiectului se va stabili tasarea absoluta, respectiv deplasarea probabila pe verticala a fundatiei izolate, ca urmare a deformarii terenului. In acest scop se utilizeaza metoda insumarii pe strate elementare.

Actiunile care se iau in considerare sunt cele din gruparea fundamentala.

Carcateristicile geotehnice de calcul ale terenului de fundare trebuie indeplinite conditiile:

• pentru fundatii incarcate centric:

P ef med ≤ P pl

• pentru fundatii incarcate excentric:

Pef med ≤Ppl ; Pef max ≤1,2 < Pef max ≤1.4 Ppl

Pef-presiunea efectiva medie pe talpa fundatiei, provenita din incarcarile de calcul din gruparea fundamentala;

(1)

Pef max -presiunea efectiva maxima de talpa fundatiei, provenita din incarcarile de calcul din gruparea fundamentala, in cazul excentricitatii dupa o singura directie;

(2)

Pef max -presiunea efectiva maxima pe talpa fundatiei provenita din incarcarile de calcul din gruparea frundamentala, in cazul excentricitatii dupa ambele directii;

Ppl presiunea corespunzatoare unei extinderi limitate a zonelor plastice in terenul de fundare.

Pentru fundatiile dreptunghiulare, presiunea, plastica, Ppl se calculeaza:

• pentru constructii fara subsol
• pentru constructii cu subsol

Pentru calculul tasarii fundatiei este necesara cunoasterea modului de deformatie liniara E( in kPa) al fiecarei strat de pamant cuprins in zona activa, delimitata asa cum se va prezenta mai departe. Intrucat aceste valori nu au fost stabilite direct pe teren, ele pot fi obtinute pe baza valorilor modulului de deformatie edometric, M, inscrise in fisa de foraj, dupa cum urmeaza:

E=M M

M -coeficient de corectie pentru trecerea de la modulul de deformatie edometrica la modulu de deformatie liniara. Valoarea lui M se pot adopta, orientativ. Pentru pamanturi prafoase si argiloase avand Ic<0,5 sau e>1,10, daca nu se dispune de date experimentale, se poate accepta M

M -valoarea de calcul a modulului de deformatie edometric pentru stratul respectiv, determina in intervalul de presiuni curpinse intre presiunea geologica existenta la nivelul probei si presiunea medie ce apare in stratul comprimat in urma incarcarii fundatiei, kPa.

Valorile coeficientului de corectie M

Starea de eforturi din teren se determina pornind de la valoarea presiunii nete , Pnet , pe talpa fundatiei calculata cu relatia:

Pnet=Pefmed-γDf

Pefmed-presiunea efectiva medie pe talpa fundatiei, rpovenita din incarcarile de calcul din gruparea fundamentala 3

Γ-greutatea volumica medie a pamantului situat deasupra nivelului talpii fundatiei, kN/m

Pentru aplicarea metodei insumarii pe strate elementare, terenul situat sub nivelul talpii fundatiei se imparte in strate de calcul, pana la limita inferioara a zonei active. Un strat elementar va avea grosimea maxima egala cu 0,4B si va fi constituit dintr-un singur strat geologic(adica planele de separatie intre stratele geologice reprezinta plane de separatie intre stratele elementare de calcul).

Pe verticala centrului fundatiei, la limitele de separatie ale stratelor elementare, eforturile unitare verticale datorate presiunii nete transmise de talpa fundatiei se vor determina cu relatia:

σz = Pnet

-coeficientul de distributie al eforturilor verticale, in centrul fundatiei, pentru presiuni uniform distribuite pe talpa, in functie de rapoartele L/B si z/B( unde z este adancimea planului de separatie al stratului melementar, in metri, masurata de la talpa fundatiei.

Zona activa in cuprinsul careia se calculeaza deformatiile stratelor este delimitata inferior de adancimea ,, Z sub talpa fundatiei, pentru care este indeplinita conditia:

σZ0 < 0.2 σ g(Z0+Df)

Se determina valorile presiunii geologice la separatiile intre stratele elementare.

Valoarea medie pe strat va fi media aritmetica a valorilor la limita superioara, respectiv inferioara a stratului.

CAPITOLUL 5

VERIFICAREA TERENULUI DE FUNDARE LA STAREA LIMITA DE CAPACITATE PORTANTA

In cazul fundatiei directe cu talpa orizontata se recomanda verificarea capacitatii portante cu relatie:

P`efmed<mcPcr

P`efmed-presiunea efectiva medie dezvoltata pe talpa fundatiei, raportata la dimensiunile reduse ale talpii fundatiei, kPa

mc-coefiientul al conditiilor de lucru, egal cu 0.9

Pcr-presiunea critica, kPa

P`efmed=Ps + γmedDf

L B`

Ps-incarcatura verticala de calcul transmisa de structura, in gruparea speciala, in kN

med-greutatea volumica medie de calcul a fundatiei si a pamantului care sprijina pe

fundatie; calculata ca media poderata cu volumele respective, in KN/m

L`si B` -dimensiunile reduse ale talpii fundatiei, in metrii, determinate cu relatiile

L`=L-2e1

B`=b-2e2

Unde e1, e2 sunt excentricitatile incarcarii verticale de calcul fata de axa transversala, respectiv longitudinala a fundatiei, in metrii.

Presiunea critica, pcr, va fi determinata cu relatia

Pcr=γBNγλγ+qNqλq+cNcλc

γ=greutatea volumica de calcul a stratului de pamant de sub talpa fundatiei(pentru un

nivel de asigurare α=0,95), in kN/m

B`=latimea redusa a talpii fundatiei, in metrii

Nγ, Nq, Nc=coeficientii de capacitate portanta care depinde de valoarea de calcul a unghiuluin de frecare interioara, Ф*, al stratului de pamant de sub talpa fundatiei .

q= suprasarcina de calcul care actioneaza la nivelul talpii fundatiei, lateral fata de fundatie, in kPa;

c*=valoarea de calcul a coeziunii stratului de pamant de sub talpa fundatiei(pentru un nivel de asigurare α=0,95), in kPa

λγλqλc=coeficientii de forma ai talpii fundatiei.

CAPITOLUL 6

ARMAREA FUNDATIEI

6.1 ARMAREA FUNDATIEI ELSATICE

Fundatia se armeaza la partea inferioara cu o retea din bare dispuse paralel cu laturile.

Diametrul minim al barelor este 8 mm, iar distanta dintre ele este cuprinsa intre 10-25 cm. Pe fiecare directie procentul minim de armare, raportul la sectiile utile H L si respectiv H B este de 0,05 %(H -inaltimea utila a sectiunii)

Sectiunea de armatura este determinata pe baza momentelor incovoietoare produse in sectiunile din dreptul fetelor laterale ale stalpului de catre presiunile reactive, p, pe talpa. Pe calculul acestor momente se iau in considerare presiunile pe suprafetele aferente fiecarei laturi a stalpului, stabilite prin ducerea cate unei drepte inclinate la 45 grade fata de axele de simetrie, din fiecare colt al stalpului.

Momentele Mx si My fiind astel cunoscute sectiuniole de armatura Aax si Aay se determina cu relatiile de calcul corespunzatoare sectiunilor dreptunghiulare simplu armate supuse la incovoiere.

Armatura se distribuie uniform(cu barele asezate la distante egale), paralel cu fiecare din laturile fundatiei, cele paralele cu latura mare plasandu-se dedesubt.

CAPITOLUL 7

ARMAREA CUZINETULUI IN CAZUL FUNDATIEI RIGIDE

Armarea cuzinetului la partea inferioara se realizeaza cu o retea de bare dispuse paralel cu laturile, diametrul minim al barelor fiind 8 mm, iar distanta intre ele fiind curpinsa intre 10 si 25 cm.

Dimensionarea armaturilors se va face pe baza momentelor in covoietoare calculate a.

Presiunile externe pe talpa cuzinetului se determina cu relatiile:

Pmax,min Ps ± Ms+Hs[Df-(Hf+H

lcbc Wc

Procentul minim de armare, raportat la sectiunile utilse h0lc si respectiv h0bc este de 0,05%(h0-inaltimea utila a sectiunii)

Daca valoarea momentului exterior Ms este mare in raport cu incarcarea verticala, Ps, este posibil ca intre cuzinet si blocul de beton se poate recurge la ancorarea cuzinetului in blocul de sub el, prin armaturi capabile sa preia intreaga forta de tractiune T(inkN).

Aria necesara de armatura se determina in functie de forta totala e intindere T.

ANEXE

BIBLIOGRAFIE