Фундаменты под оборудование. Отличия от зданий.
Исключения, классификация, материалы и расчеты.
Варианты для ударных механизмов.
5 декабря 2017
Чем фундаменты под оборудование отличаются от всех прочих? Есть ли какие-то особенности у их конструкции? Какие материалы могут применяться?
Тяжелое промышленное оборудование требовательно к основанию, на которое монтируется.
Отличия от фундаментов зданий
Действительно, почему промышленные фундаменты для станков должны чем-то отличаться от обычного основания для сарая?
Основных причины две.
· Фундамент под оборудование испытывает, как правило, не только статические, но и динамические нагрузки. Говоря проще, ему предстоит гасить вибрацию от вращения, колебаний или ударов подвижных частей станков.
Важный момент: при установке некоторых видов оборудования вблизи жилых строений или в прочих случаях, когда передача значительных вибраций почве нежелательна, монтируется так называемый виброизолированный фундамент.
Ударная нагрузка гасится составными пружинами с противонаправленными витками внешней и внутренней частей или резиновыми вставками.
· Промышленное оборудование - это, среди прочего, смазки и прочие технологические жидкости. Порой они достаточно агрессивны; при этом попадание их в почву крайне нежелательно.
Отсюда - особые требования к:
· Массе и, соответственно, размерам фундамента. Чем он массивнее - тем меньше амплитуда передающихся ему колебаний.
· Прочности. Ударная нагрузка быстро разрушит материалы со слабой устойчивостью к механическим воздействиям.
· Стойкости к агрессивным средам. Присутствие смазок, антифризов и т.д. уже упоминалось.
· Точности размеров. Понятно, что ставить кузнечный молот или гильотинные ножницы на основание с перепадами высоты - значит гарантированно снизить их ресурс и ускорить разрушение самого фундамента: динамическая нагрузка будет распределена крайне неравномерно.
На фото - кузнечный молот с пятитонной ударной частью. Неравномерно распределенная нагрузка от удара способна разрушить самый прочный железобетон.
Общие моменты
Исключения
Наряду с промышленным оборудованием, для которого характерны динамические нагрузки, существует огромное количество станков и машин, конструкция которых исключает ударные или эксцентрические воздействия на фундамент в процессе работы.
Типичный пример - паровой пресс для сушки дверных полотен под давлением после склейки фенолформальдегидной смолой. Несмотря на огромную массу подвижных частей, скорость их движения делает нагрузку на основание на протяжение всего производственного цикла статической.
Никаких особых требований к фундаменту, помимо устойчивости к статической массе оборудования и химической стойкости, у таких станков нет.
Оборудование для горячего прессования дверей обеспечивает, несмотря на большую мощность, статическую нагрузку на основание.
Классификация
Устройство фундаментов под технологическое оборудование зависит от массы станков или машин и от частоты вибраций, которые предстоит гасить основанию.
· Массивные фундаменты наиболее распространены. Конструктивно они представляют собой сплошные блоки или плиты с выемками, шахтами и полостями. Понятно, что чем больше объем пустот, тем меньше цена фундамента; однако для сравнительно маломощного оборудования массивный фундамент чаще всего представляет собой простой монолит. Этот тип оснований повсеместно применяется для агрегатов с невысокой частотой вибраций.
· Рамные конструкции, напротив, предназначены для того, чтобы эффективно гасить высокочастотные колебания. Рама, на которую опирается агрегат, соединяется с монолитным основанием стойками; именно они частично гасят вибрацию.
Массивные фундаменты, в свою очередь, могут классифицироваться еще по ряду критериев:
· Бесподвальные сооружаются на нижнем этаже и минимально возвышаются над уровнем пола. Эта конструкция типична для всех тяжелых агрегатов.
Прокатный стан на бесподвальном фундаменте.
· Подвальные, напротив, возвышаются над полом. Благодаря такой планировке они могут сооружаться не только на нижнем этаже, но и на перекрытии достаточной прочности. Функция фундамента в этом случае сводится лишь к распределению давления по большей площади.
Фундаменты подвального типа тоже могут делиться на две категории:
· Сплошные - представляют собой, что не трудно понять из названия, монолитный блок без полостей.
· Стенчатые - выше уровня пола, представляют собой набор продольных и поперечных перегородок. Они легче и дешевле; при этом механическая прочность конструкции зачастую почти не уступает сплошному основанию.
Массивные фундаменты по технологии сооружения делятся на фундаменты с подливкой и без нее.
· Подливка подразумевает, что оборудование выставляется по уровню на подставках (иногда регулируемых). Затем пространство между основанием агрегата и поверхностью фундамента заливается жидким бетоном.
Подливка основания несущей конструкции.
· В отсутствие подливки поверхность основания выравнивается и железнится сразу; установка оборудования на фундамент выполняется с его креплением болтами, предварительно установленными по шаблону.
Материалы
Для массивных фундаментов сейчас применяется только и исключительно железобетон. Вместе с тем около века назад для промышленного оборудования широко использовались кирпичные или каменные фундаменты. Марка применяемого бетона - не ниже М200; в отдельных случаях при особо сильных вибрационных нагрузках рекомендуется использовать бетон не хуже М300.
Однако: для легких машин, при работе которых не генерируются значительные вибрации
(к примеру, для токарно-винторезных или сверлильных станков) допустимо применение бетонного основания без армирования.
Рамные основания могут быть:
· Монолитно-железобетонными.
· Сборными, из отдельных железобетонных блоков (в том числе облегченных за счет полостей и отверстий).
· Металлическими. Рама и стойки полностью выполняются из стали; железобетон остается лишь в основании, на которое опираются стойки.
· Комбинированными. Типичное решение - стальная рама на железобетонных ригелях.
Расчеты
Полный расчет фундамента под оборудование выполняется профессионалами на основании большого количества данных:
· Несущей способности грунта под основанием машины или станка;
Несущая способность грунта на открытой местности определяется по результату геологических исследований.
· Насыщения грунта влагой;
· Планируемого долговременного износа;
· Максимума расчетных динамических нагрузок;
· Чувствительности к вибрациям расположенных в непосредственной близости объектов;
· Близости жилых домов;
· Времени, проводимого вблизи оборудования персоналом. Согласно санитарным нормам проектирования промышленных предприятий СН 245-71, при частоте колебаний свыше 5,6 Гц среднеквадратическое значение скорости колебаний не должно превышать 2 миллиметров в секунду. Очевидно, что чем больше частота вибрации, тем меньшая их амплитуда допустима.
Однако: если время, которое персонал проводит вблизи источника вибраций, не превышает 15% от общего рабочего времени, нормы могут быть превышены втрое.
При этом отечественные источники прямо указывают, что точный расчет с учетом всех воздействующих на поведение фундамента факторов невозможен: мы слишком мало знаем о поведении грунтов в условиях динамичных нагрузок.
Упрощенная инструкция по оценке необходимых параметров включает несколько пунктов:
· Оценку статического давления на грунт. Впрочем, этот пункт редко становится камнем преткновения: в отличие от фундаментов зданий, основания промышленного оборудования давят на почву с усилием не более 0,6 кгс/см2 для бесподвальных конструкций и не более 1,5 кгс/см2 для подвальных.
· Обеспечение равномерности осадки. Центр тяжести должен быть максимально близко к геометрическому центру конструкции; при этом, чем проще схема основания в плане - тем проще обеспечить равномерное давление на грунт.
Перекос фундамента этого станка стал бы катастрофой для предприятия.
Оценка динамического давления на грунт требует знания несложных формул и констант. На практике может применяться следующая формула:
Pср=m*m1*R.
В этой формуле:
· Pср - среднее статическое давление на основание. Оно получается делением статической массы агрегата на площадь основания фундамента.
Нюанс: в случае, если массивная плита покоится на гравийной или щебеночной подушке, эффективная площадь опоры будет больше площади бетонной конструкции.
· m - коэффициент условий работы. Он берется равным 0,8 - 1,0 для машин периодического действия (фрезерные и токарные станки, лесопилки) и 0,5 для агрегатов ударного действия (кузнечные молоты, гильотинные ножницы).
· m1 - коэффициент, позволяющий оценить поведение грунта при длительных деформирующих динамических нагрузках. Для слабых водонасыщенных грунтов (песков, пластичных глин) он берется равным 0,7; для прочих грунтов - 1,0.
· R - условное расчетное давление на основание. Этот параметр тоже зависит от типа грунта и берется в таблицах СНиП.
Для удобства читателя приведем несколько справочных значений несущей способности разных грунтов.
· Насыпной грунт без уплотнения - 1,0 кгс/см2.
· Насыпной грунт с уплотнением - 1,5 кгс/см2.
· Твердая глина - 6,0 кгс/см2.
· Суглинок, супесь - 3,5 кгс/см2.
· Крупный песок - 6,0 кгс/см2.
· Средний песок - 5,0 кгс/см2.
· Мелкий песок - 4,0 кгс/см2.
· Пыль - 2,0 кгс/см2.
· Гравий с глиной - 4,0 кгс/см2.
· Галька с глиной - 4,5 кгс/см2.
Пример: Давайте в качестве примера посчитаем необходимую площадь кузнечного пневматического молота М4127 (масса 2100 кг) на влажном песчаном грунте со средним размером зерна.
Кузнечный молот М4127.
· Расчетная несущая способность интересного нам типа грунта оценивается как 5,0 кгс/см2.
· Для кузнечного молота, представляющего собой типичный механизм ударного действия, среднее давление на основание должно рассчитываться по формуле Pст=0,5(коэффициент для ударных механизмов)*0,7(коэффициент для слабых влажных грунтов)*5,0кгс/см2=1,75 кгс/см2.
· Минимальная площадь основания фундамента должна быть равна 2100/1,75=1200 см2, или прямоугольник размером 40*30 сантиметров.
Для справки: габариты молота М4127 (длина и ширина) - 1575х710 миллиметров.
Очевидно, что любой фундамент, на котором физически поместится его основание, будет достаточным для описанного типа грунта.
Фундаменты для ударных механизмов
На практике для механизмов ударного действия основная проблема - это вовсе не осадка фундамента в грунт. Куда более опасно разрушение самого фундамента под действием ударных нагрузок.
Какие решения могут применяться?
· Виброизолированные конструкции на пружинах и резиновых демпферах уже упоминались.
· Под шабот - основание наковальни кузнечного молота - часто укладываются щит из дубового бруса. Минимальная толщина дубовой прокладки - 100 миллиметров; однако щиты могут укладываться и в несколько слоев. Впрочем, для молотов с массой ударной части до тонны применимы и более дешевые породы древесины - сосна или лиственница.
Дубовый щит (п.1 на схеме) выступает в роли демпфера ударной нагрузки.
Нюанс: на пылевых и водонасыщенных основаниях для молотов рекомендуется устройство свайно-плитного фундамента, передающего вибрации на нижние, более плотные слои грунта.
Технология
Предположим, что нам предстоит своими руками подготовить основание для компрессора небольшой мощности.
С чего начать?
· Размечаем расположение агрегата. Его основание не должно быть связано с фундаментами стен или опорных колонн; минимальное расстояние от выступающих частей оборудования до колонн или стен - 1 метр.
· Размечаем границы плиты основания. Важный момент: расстояние от ее краев до осей фундаментных болтов в общем случае должно быть в пределах 120 - 200 мм.
· Готовим котлован. Его глубина определяется глубиной промерзания; впрочем, в отапливаемом цеху проблема может и не быть актуальной.
· Засыпаем котлован слоем песка или щебня и уплотняем его. Толщина подсыпки - 100 - 150 мм.
· Собираем опалубку и укладываем в нее армирующую сетку. На опалубку укладывается шаблон, через отверстия в котором снизу заводятся и фиксируются гайками фундаментные болты.
· Опалубка заливается бетоном слоями в 100-150 мм с обязательной виброукладкой или штыкованием каждого слоя.
· Акт готовности фундамента к установке оборудования подписывается лишь после набора бетоном прочности в течение 28 дней, ревизии и прочностных испытаний.
Готовая платформа для компрессора.
Вывод
Если для тяжелого промышленного оборудования необходимы сложные расчеты и услуги специалистов, то фундаменты под оборудование малой мощности могут изготавливаться со сравнительно небольшими затратами времени и материалов. В представленном видео в этой статье вы найдете дополнительную информацию по данной теме. Успехов в строительстве!