Проектирование основных несущих конструкций одноэтажного промышленного здания каркасного типа из сборного железобетона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В данном курсовом проекте в соответствии с заданием (шифр 886 ) запроектированы основные несущие конструкции одноэтажного промышленного здания каркасного типа из сборного железобетона. Представлены расчеты поперечной рамы, стоек, фундаментов, а так же рассмотрен расчет преднапряженной решетчатой балки постоянной высоты. Здание прямоугольное в плане с размерами в осях 36x84 м. Шаг колонн 6,0 м, пролет 18,0 м, число пролетов - 2. Высота до верха консоли - 8,4 м. В ходе расчетов было подобрано необходимое армирование колонн, плиты покрытия, фундамента. Для преднапряженного элемента так же выполнен расчет потерь предварительного напряжяния и расчет поперечной арматуры. Были определены размеры подошвы фундамента и размеры его ступеней, подобрано армирование фундамента.

1. Конструктивные схемы зданий

Современные одноэтажные промышленные здания проектируются, как правило, по каркасной схеме из сборного железобетона. Каркас состоит из колонн, заделанных в фундамент, конструкций покрытия и подкрановых балок.

Пространственный каркас здания (рисунок 1.1, а) условно разделяют на поперечные и продольные рамы, каждая из которых воспринимает вертикальные и горизонтальные нагрузки.

Основным элементом каркаса является поперечная рама (рисунок 1.1, б), состоящая из колонн, жестко защемленных в фундаменты и соединенных между собой ригелем. Ригели соединяются с колоннами шарнирно. Поперечная рама воспринимает постоянную нагрузку от собственного веса конструкций (покрытия, стеновых панелей, колонн, подкрановых балок), переменную нагрузку от снега, ветра, мостовых или подвесных кранов и обеспечивает жесткость здания в поперечном направлении.

В продольную раму включается один ряд колонн в пределах температурного блока. В продольном направлении колонны связаны шарнирно подкрановыми балками (при наличии мостовых кранов), распорками, вертикальными связями и плитами покрытия (рисунок 1.1, в). Продольная рама обеспечивает жесткость здания в продольном направлении и воспринимает горизонтальные нагрузки от торможения кранов и ветра, действующего в торец здания.

К элементам каркаса относятся также фахверковые колонны, несущие вертикальную нагрузку от веса стеновых панелей и горизонтальную нагрузку от действующего на панели ветра.

2. Компоновка конструктивной схемы здания

Рисунок 1.1 - Конструктивная схема одноэтажного промышленного здания и система связей: 1 - горизонтальные связевые фермы; 2 - стойки торцового фахверка; 3 - колонны; 4 - стеновые панели; 5 - стропильные конструкции; 6 - плиты покрытия; 7 - вертикальные связи на опорах стропильных конструкций; 8 - распорки по верху колонн; 9 - вертикальные связи по колоннам

При компоновке конструктивной схемы здания:

- выбираем сетку колонн и размеры здания по высоте;

- выполняем компоновку покрытия;

- разбиваем здания на температурные блоки;

- выбираем схему связей, обеспечивающих пространственную жесткость здания.

2.1 Выбор сетки колонн и размеров здания по высоте

Привязка к продольным осям колонн средних рядов осевая. Привязка колонн к поперечным осям тоже осевая, за исключением колонн в торцах здания и у температурного шва, оси которых смещены от разбивочных осей на 500 мм.

Рисунок 2.1 - Привязка колонн к координационным осям

2.2 Компоновка покрытия

Плоские покрытия выполним по беспрогонной схеме.

По беспрогонной схеме плиты покрытия укладывают по ригелям поперечных рам и крепят с помощью сварки закладных деталей. Приварку каждой плиты к ригелю производят в трех точках, швы между плитами замоноличивают бетоном.

В решении покрытия по беспрогонной схеме выбираем поперечное расположение ригелей. При поперечном расположении ригелей покрытие проектируем без подстропильных конструкций (рисунок 2.2). Ригели укладываем только по колоннам с шагом 6 м.

Рисунок 2.2 - Компоновка покрытия

2.3 Разбивка здания на температурные блоки

Одноэтажные промышленные здания имеют большие размеры в плане. Из-за непрерывности покрытия, представляющего собой единую жесткую плиту, изменения температуры наружного воздуха вызывают деформации (удлинения и укорочения) в ригелях. Эти деформации приводят к перемещениям верха колонн и возникновению значительных дополнительных усилий, которые могут вызвать образование трещин и разрушение колонн.

Для уменьшения этих усилий в зданиях предусматривают температурно-усадочные швы. В местах их устройства устанавливают спаренные колонны , а здание разрезают швами на всю высоту до обреза фундамента.

Допускается принимать без расчета расстояние между швами (длину температурного блока) в отапливаемых одноэтажных промышленных зданиях из сборного железобетона 72 м, в неотапливаемых зданиях - 48 м.

В тех случаях, когда здание возводится на площадке с разнородными грунтами, а также когда его части имеют различную высоту и возможно их неравномерное вертикальное смещение, устраивают осадочные швы. Ими разрезают здания, включая и фундаменты, чтобы обеспечить частям здания независимую осадку. Осадочные швы обычно совмещают с температурно-усадочными.

2.4 Обеспечение пространственной жесткости каркаса

Пространственной жесткостью здания называют его способность сопротивляться воздействию горизонтальных нагрузок.

Пространственная жесткость каркаса одноэтажного промышленного здания в поперечном направлении обеспечивается конструкцией поперечной рамы - защемлением колонн в фундаментах и достаточной изгибной жесткостью колонн.

Пространственная жесткость здания в продольном направлении обеспечивается вертикальными стальными связями. Связи устанавливаются по всем продольным рядам колонн (в одном и том же шаге) в середине температурных блоков. Они устраиваются на высоту от пола до низа подкрановых балок или до верха колонн, если отсутствуют мостовые краны, и привариваются к закладным деталям колонн. По конструкции вертикальные связи бывают крестовые (одноярусные и двухярусные) и портальные (рисунок 2.3), устраиваемые обычно по внутренним рядам колонн.

Рисунок 2.3 - Крестовая вертикальная связь между колоннами

Горизонтальная ветровая нагрузка, действующая на стеновые панели торца здания, передается через стойки фахверка на верх ригеля перпендикулярно его плоскости и далее на плиты покрытия. Учитывая, что жесткость ригелей из своей плоскости мала, эта горизонтальная сила может вызвать чрезмерные перемещения ригелей (рисунок 2.4, а). Для исключения таких перемещений ригелей в торцах температурных блоков между ригелями устраивают вертикальные связевые фермы (обычно из стальных уголков), обеспечивающие передачу усилия с по-крытия на колонны. Колонны поверху связывают распорками. При небольшой высоте ригелей на опорах (до 0,9 м) допускается связевые фермы не устанавливать. В этом случае сварные швы в сопряжении ригеля с колонной должны рассчитываться на момент М = Wh (рисунок 2.4, б).

а) б)

Рисунок 2.4 - Воздействие ветровой нагрузки на стропильные конструкции: а - возможное перемещение ригелей от ветровой нагрузки; б - к расчету сварных швов при отсутствии связевых ферм; 1 - фахверковая колонна; 2 - сварные швы; W - горизонтальная сила от ветровой нагрузки, действующей в торец здания



Рисунок 2.5 - Схема связей одноэтажного промышленного здания без фонарей при отсутствии мостовых кранов и высоте колонн до 10 м: 1 - диск покрытия; 2 - стропильные конструкции; 3 - колонны

балка арматура фундамент

3. Расчет поперечных рам. Определение усилий в сечениях стоек каркаса

Рассматривается многопролетная рама с подвесными кранами (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 - Расчетная схема поперечной рамы одноэтажного промышленного здания с подвесными кранами

В данной раме стойки постоянного поперечного сечения. Раму можно рассчитывать методом сил или методом перемещений. При расчете рамы методом перемещений основная система принимает вид, приведенный на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Основная система поперечной рамы одноэтажного промышленного здания при расчете методом перемещений

3.1 Многопролетная одноэтажная рама с подвесными кранами

3.1.1 Расчетная схема

Стойками рамы являются колонны постоянного поперечного сечения. Колонны жестко защемлены в фундаментах и соединяются между собой ригелем (стропильными конструкциями) по шарнирной схеме (см. рис. 3.1).

3.1.2 Постоянные нагрузки

В рассматриваемом курсовом поперечная рама двухпролетная, с пролетами

L = 18,0 м, шагом крайних и средних колонн В = 6,0 м, ширина плит покрытия 3,0 м. Нагрузки, действующие на покрытие, кН/м², приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Постоянные нагрузки g, действующие на покрытие

Вид нагрузки	Вычисления	Величина нагрузки
		нормативная		расчетная
1 Рулонный гидроизоляционный ковер		0,1	1,35	0,14
2 Цементно-песчаная стяжка		0,4	1,35	0,54
3 Утеплитель из газосиликата		0,8	1,35	1,08
4 Пароизоляция		0,03	1,35	0,04
5 Плита ребристая (2,4 т)		1,33	1,35	1,80
6 Стропильная балка (6,5 т)		0,6	1,35	0,81
Итого		3,26		g = 4,41

Нагрузка от покрытия, действующая на стойку:

Нагрузка от собственного веса колонны:

Собственный вес подкрановых балок и стеновых панелей берется из соответствующих серий с учетом коэффициента надежности по нагрузке. Нагрузка от стеновых панелей среднего и нижнего рядов, кроме собственного веса, учитывает вес ленточного остекления, опирающегося на них. Вес остекления и стальных переплетов можно принять равным 50 кг/м².

3.1.3 Переменные нагрузки

Снеговая нагрузка. Определим снеговую нагрузку для здания, расположенного в г. Томск, 4-ом районе (s₀ = 1,5 кН/м²):

Расчетная нагрузка на стойку:

Ветровая нагрузка. Длина здания , высота , высота парапета , ширина , шаг колонн . Здание расположено в третьем районе , тип местности В.

Аэродинамические коэффициенты: (из соотношения и ).

Коэффициенты увеличения ветрового давления определяем в соответствии с рисунком 3.3.



Рисунок 3.3 - Определение коэффициентов увеличения ветрового давления по высоте

Значение коэффициентов k для высот 5, 10 и 20 м берем из таблицы А.5, остальные значения определяем по интерполяции: k₅ = 0,5; k₁₀ = 0,65; k₂₀ = 0,85; k_8,4 = 0,602; k_10,2 = 0,654. Для сосредоточенной ветровой нагрузки в уровне верха стойки:

Для равномерно распределенной по высоте стойки ветровой нагрузки k_экв определяем по равенству моментов в заделке стойки:



Давление ветра с наветренной стороны:

Давление ветра с подветренной стороны будем учитывать через отношение аэродинамических коэффициентов:

Крановая нагрузка. Нагрузка на стойки поперечной рамы от подвесных кранов состоит из вертикальной и горизонтальной. Вертикальные нагрузки D_max и D_min передаются на верх колонн в местах опирания стропильной конструкции, горизонтальная нагрузка Т действует в уровне верха колонн.

Определим крановую нагрузку от подвесных кранов с группой режима работы 4К и грузоподъемностью 5 т. В каждом пролете один путь, на каждом пути работают два крана. Характеристики крана приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Основные характеристики подвесного крана

Грузоподъёмность, т	Полная длина крана L, м	Пролёт Lп, м	Основные размеры крана, мм	Количество тележек, шт.	Давление тележки на подкрановый путь, кН	Расчётная горизон- тальная нагрузка, кН	Масса крана, кг
			база Ак	ширина В				вдоль кранового пути от торможения крана	поперек кранового пути от торможения тали
5,0	16,8	15	2700	3295	4	38,80	5,30	9,3	5,9	3820

Ординаты линий влияния по рисунку 3.4:

; ; ; ;

Рисунок 3.4 - Ординаты линий влияния опорных реакций подвесных балок

Расчетные значения вертикальных давлений на колонны:

Расчетная горизонтальная сила от поперечного торможения крана:

Давление крановых путей на колонну:

.

3.1.4 Конструктивная схема стоек

Исходные данные для расчета

Рисунок 3.5 - Конструктивная схема стоек поперечной рамы

Таблица 3.3 - Исходные данные для расчёта рамы

№	Обозначение или формула	Число	№	Обозначение или формула	Число
1	Высота стоек Нк, м	8,55	10		33,5
2	Уровень положения средней панели	2,7	11		2,63
Сечение стоек, м	12		57,7
3		0,5	13		69,3
4		0,6	Крановые нагрузки, кН
5	b	0,4	14		105,2
Нагрузки, передаваемые ригелем, кН	15		14,4
6		238	16	T	16
7		121,5	Ветровые нагрузки
Нагрузки от стеновых панелей подкрановых балок, стоек, кН	17		1,36
8		37,8	18		2,89
9		33,2	19		0,625

Таблица 3.4 - Эксцентриситеты приложения сил, в метрах

№	Обозначение или формула	Число	№	Обозначение или формула	Число
1		0	3		0,375
2		0,10	4		0,2

По данным таблиц 3.3 и 3.4 выполняется статический расчет поперечной рамы на персональном компьютере по программе Excel, который определяет расчетные усилия в колоннах от каждого вида нагрузки.

По результатам расчета по формулам (3.1) или (3.2) составляются основные сочетания усилий для расчета сечений колонн по предельным состояниям первой группы.

- первое основное сочетание

- второе основное сочетание



Таблица 3.5 Исходные данные для расчета двухпролётной рамы с подвесными кранами

Высота стоек и её элементов, м		9. Gсп=	33,2
1. Н=	8,55		10. Gнп=	33,5
Уровень положения средней панели,м	11. Nкп=	2,63
2. Х=	2,7		12. Gк=	57,7
Сечение стоек, м		13. Gс=	69,3
3. hк=	0,5		Крановые нагрузки, кН
4. hс=	0,6		14.Dmax=	105,2
5. b=	0,4		15.Dmin=	14,4
Нагрузки, передаваемые ригелем, kN	16. T=	16
6. Nб=	238		Ветровые нагрузки
7. Ns=	121,5			17. wa(kН/м)=	1,36
Нагрузки от панелей, подкрановых балок, стоек, кН	18. Wa(kН)=	2,89
8. Gвп=	37,8		19.?=		0,625
Толщина стеновой панели, м	0,25	Эксцентриситет ев=	0,1
Привязка колонн, м		0	Кол-во пролетов n=	2

Расчетные усилия в колоннах и их сочетания, кНм, кН

				СЕЧЕНИЕ A
		Крайняя колонна	Средняя колонна
		M	N	Q	M	N	Q
Постоянная G 1	-0,58	402,8	0,23	0	550,6	0
То же при ?=0,85 1'	-0,49	342,41	0,20	0	467,98	0
Снеговая S 2	-6,08	121,5	-2,13	0	243,0	0
То же при ?=0,7 2'	-4,25	85,05	-1,49	0	170,10	0
Крановая D 3	-5,26	105,2	-1,85	-	-	-
То же при ?=0,8 3'	-4,21	84,16	-1,48	-	-	-
Крановая D' 4	-	-	-	-10,52	105,2	-3,69
То же при ?=0,8 4'	-	-	-	-8,42	84,16	-2,95
Крановая Т 5	68,40	-	8,00	118,20	-	13,82
То же при ?=0,8 5'	54,72	-	6,40	94,56	-	11,06
Ветровая (слева) 6	62,80	-	13,16	87,04	-	10,18
То же при ?=0,6 6'	37,68	-	7,90	52,22	-	6,11
Ветровая (справа) 7	-58,14	-	-10,43	-87,04	-	-10,18
То же при ?=0,6 7'	-34,88	-	-6,26	-52,22	-	-6,11
	Основные сочетания усилий
Наибольший +М и N
	101,38	426,57	14,62	162,00	522,14	16,98
Наибольший -М и N
	-112,24	511,62	-17,03	-178,83	552,14	-22,88
Наибольшая N и +M
	83,36	572,04	11,56	138,36	804,82	14,21
Наибольшая N и -M
	-98,64	572,04	-15,40	-155,19	804,82	-20,12

4. Подбор арматуры в колоннах и проверка их прочности

4.1 Подбор арматуры и проверка прочности сечений колонны

В крайних и средних колоннах зданий без мостовых кранов обычно устанавливается симметричная арматура, так как положительный и отрицательный моменты в основных сочетаниях примерно равны по абсолютной величине. Моменты действуют в плоскости поперечной рамы. Знаки моментов можно не учитывать, так как арматура в сечении будет симметричной.

Запишем в таблицу 4.1 некоторые постоянные величины, не меняющиеся в ходе расчета.

Таблица 4.1 - Постоянные расчетные величины

№	Обозначение или формула	Число	№	Обозначение или формула	Число
1	Класс бетона		8	, м	0,4
2	, МПа	13,3	9	, м	0,6
3	, МПа		10		10,26
4	Класс арматуры	S400	11	, м	0,03
5	, МПа	365	12	, м	0,03
6	, МПа		13		6,9
7		0,744

Подбор и проверка сечения средней колонны.

2-е основное сочетание:

по таблице 11.1 от рабочей площади сечения колонны,

Принимаем по 2 стержня мм с каждой грани сечения колонны:

.

Проверяем прочность сечения:

Определяем критическую силу:

.

Прочность сечения обеспечена.

3-е основное сочетание:



по таблице 11.1 от рабочей площади сечения колонны,

Принимаем по 2 стержня мм с каждой грани сечения колонны:

.

Проверяем прочность сечения:

Определяем критическую силу:

.

Прочность сечения обеспечена.

Окончательно принимаем у каждой грани колонны по 2 стержня мм.

Рисунок 4.1 - Армирование сечения средней колонны

Подбор и проверка сечения крайней колонны.

2-е основное сочетание:



по таблице 11.1 от рабочей площади сечения колонны,

Принимаем по 2 стержня мм с каждой грани сечения колонны:

.

Проверяем прочность сечения:



Определяем критическую силу:

.

Прочность сечения обеспечена.

4-е основное сочетание:

по таблице 11.1 от рабочей площади сечения колонны,

Принимаем по 2 стержня мм с каждой грани сечения колонны:

.

Проверяем прочность сечения:

Определяем критическую силу:

.

Прочность сечения обеспечена.

Окончательно принимаем у каждой грани колонны по 2 стержня мм.

Рисунок 4.2 - Армирование сечения крайней колонны

5. Расчет решетчатой двускатной балки

5.1 Исходные данные

Запроектируем стропильную решетчатую балку пролетом 18,0 м для здания с шагом колонн и стропильных балок 6,0 м и ребристыми плитами покрытия номинальным размером 3,06,0 м. Расчетный пролет балки l = 17,7 м при глубине опирания на обеих опорах по 150 мм.

Класс бетона балки , напрягаемая арматура класса S800, обычная продольная и поперечная арматура класса S400.

Обжатие бетона производится при передаточной прочности, составляющей 50 % от проектной, то есть при . Режим передачи предварительного напряжения на бетон принят плавный. Класс по условиям эксплуатации конструкции ХС1 (RН = 50 %).

Здание расположено в районе IV по снеговой нагрузке, где нормативное значение веса снегового покрова на 1 горизонтальной поверхности земли равно 1,5 кН.

Прочностные и упругие характеристики материалов балки приведены в таблицах 5.1 и 5.2, нагрузки - в таблицах 5.3 и 5.4.

Вид балки с геометрическими размерами приведен на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Геометрические размеры балки

Таблица 5.1 - Прочностные и упругие характеристики арматуры балки, в мегапаскалях

Материал	Сопротивление материала	Модуль упругости
	нормативное	расчетное	расчетное поперечной арматуры
Обычная арматура, S400	400	365	263
Напрягаемая арматура, S800	800	640	-

Таблица 5.2 - Прочностные и упругие характеристики бетона балки, в Мегапаскалях

Материал	Сопротивление материала	Модуль упругости
	нормативное	расчетное
Бетон класса
- на сжатие	40	26,7
- растяжение	2,5	1,67
Бетон класса (0,5 от )
- на сжатие	20	13,3
- растяжение	1,5	1

Таблица 5.3 - Нагрузки, действующие на покрытие, в

Вид нагрузки	Вычисления	Величина нагрузки
		нормативная		расчетная
Постоянные
1 Рулонный гидроизоляционный ковер		0,1	1,35	0,14
2 Цементно-песчаная стяжка		0,4	1,35	0,54
3 Утеплитель из газосиликата		0,8	1,35	1,08
4 Пароизоляция		0,03	1,35	0,04
5 Плита ребристая (2,4 т)		1,33	1,35	1,8
6 Стропильная балка (6,5 т)		0,6	1,35	0,81
Итого		3,26		4,41
Переменные
7 Снеговая		1,5	1,5	2,25
8 В том числе длительно действующая	0,51,5	0,75	1,5	1,13
Суммарные
9 Полные		4,76		6,66
10 В том числе длительно действующая		4,01		5,54

Таблица 5.4 - Нагрузки, действующие на балку, в

Вид нагрузки	Величина нагрузки
	нормативная		расчетная
Постоянные (g)
1 Элементы кровли и несущей конструкции при шаге балок 6м	19,56	1,35	26,41
2 В том числе от веса балки	3,6	1,35	4,86
Переменные (p)
3 Снеговая при шаге балок 6 м	9	1,5	13,5
4 В том числе длительные	4,5	1,5	6,75
Суммарные (q)
5 Полные	28,56		39,91
6 В том числе длительные	24,06		33,16

5.2 Расчет балки по нормальным сечениям

В изгибаемых элементах переменной высоты опасным по изгибающему моменту будет нормальное сечение, смещенное от середины пролета к опоре. При уклоне верхнего пояса i = 1/12 расстояние от опоры до опасного сечения составляет х = 0,37l. Если рабочая высота сечения на опоре , то в опасном сечении .

Изгибающий момент в опасном сечении от полной расчетной равномерно распределенной нагрузки q = 39,91 кН/м:

Ширина поперечного сечения балки b = 280 мм. Рабочая высота в расчетном сечении при предварительно принятом расстоянии от крайних растянутых волокон до центра тяжести напрягаемой арматуры с = 140 мм:

Определим площадь поперечного сечения напрягаемой арматуры , расположенной в растянутой зоне, методом предельных усилий.

Граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона:

где

- величина предварительного напряжения арматуры.

В решетчатых балках имеются вырезы, поэтому необходимо следить, чтобы нейтральная ось сечения не выходила из пределов верхнего пояса (не заходила в пределы отверстий).



принимаем .

Требуемая площадь напрягаемой арматуры:

Принимаем 620 мм S800, .

Рисунок 5.2 - Схема расположения напрягаемой арматуры

Рабочая высота расчетного сечения балки:

Проверим несущую способность сечения.

Относительная высота сжатой зоны сечения:

Высота сжатой зоны бетона:

что больше высоты верхнего пояса балки, равного 0,16 м. Нейтральная ось сечения проходит в пределах отверстия, поэтому сжатой принимаем только высоту верхнего пояса, т.е. м.

Несущую способность сечения определяем по условию равновесия внешнего и внутреннего моментов относительно точки, через которую проходит равнодействующая сжатого бетона верхнего пояса.

Плечо внутренней пары сил:

что больше

Проверим несущую способность расчетного сечения при действии дополнительной нагрузки от двух подвесных мостовых кранов грузоподъемностью 5 т.

Максимальное D_max и минимальное D_min значения расчетных нагрузок на подкрановый путь в местах крепления к стропильной балке и соответственно нагрузка на стропильную балку составит (пролет подкранового пути 6,0 м, пролет крана Lп = 15,0 м, база крана 2,7 м, ширина 3,295 м, давление тележки на подкрановый путь = 38,8 кН, = 5,30 кН):

Ординаты линий влияния по рисунку 5.3:

; ; ; ;

Рисунок 5.3 - Ординаты линий влияния опорных реакций подвесных балок

Изгибающий момент от действия подвесных кранов в расчетном сечении, при расстоянии от опор до мест подвески кранового пути к балке 1,35 м (рисунок 5.4):

- опорная реакция от подвесного мостового крана на конце балки со стороны действия :



- расчетный момент с коэффициентом сочетания :

Рисунок 5.4 - Эпюра изгибающих моментов в стропильной балке от действия подвесных мостовых кранов грузоподъемностью 5 т

Суммарный расчетный изгибающий момент от полной нагрузки, включающей подвесные краны:

Прочность расчетного сечения обеспечена.

5.3 Геометрические характеристики расчетных сечений

Определим геометрические характеристики двух сечений балки - расчетного (1-1) и в середине пролета (2-2):

- ширина сечения ;

- высота сечения ;

- высота отверстия

- площадь напрягаемой арматуры

- коэффициент ;

- площадь отверстия

- рабочая высота сечения

;

- площадь бетонного сечения

- момент инерции бетонного сечения

- приведенная площадь сечения

- статический момент приведенного сечения относительно нижней грани сечения

- расстояние от нижней грани до центра тяжести приведенного сечения

- расстояние от верхней грани до центра тяжести приведенного сечения

- расстояние от точки приложения силы обжатия до центра тяжести при-веденного сечения

- момент инерции приведенного сечения

- момент сопротивления приведенного сечения относительно нижней грани

- момент сопротивления приведенного сечения относительно верхней грани

5.4 Предварительные напряжения и потери напряжений в напрягаемой арматуре

Предварительное напряжение назначается с учетом допустимых отклонений значения предварительного напряжения р таким образом, чтобы выполнялись условия:

Принимаем , тогда при электротермическом способе натяжения , где - длина натягиваемого стержня (расстояние между наружными гранями упоров стенда).

.

Проверяем условия

условия выполняются.

Определяем потери предварительного напряжения в напрягаемой арматуре.

Технологические потери (первые потери в момент времени t =, т. е. непосредственно после передачи усилия предварительного обжатия на бетон):

1 Потери от релаксации напряжений арматуры

2 Потери от температурного перепада для бетона класса

где - разность между температурой нагреваемой арматуры и неподвижных упоров (вне зоны прогрева), воспринимающих усилие натяжения.

3 Потери, вызванные деформацией стальной формы. Так как натяжение арматуры выполняется на упоры стенда, то потери от деформации формы равны нулю: .

4 Потери, вызванные трением напрягаемой арматуры об огибающие приспо-собления, равны нулю, так как напрягаемая арматура прямолинейна:

5 Потери от деформации анкеров

где - обжатие опрессованных шайб, принимается равным 2 мм; - длина натягиваемого стержня.

6 Потери, вызванные упругой деформацией бетона,

где ;

- усилие предварительного напряжения с учетом потерь, реализованных к моменту обжатия бетона,

Тогда

Усилие предварительного обжатия , действующее после передачи предварительного обжатия на конструкцию, должно быть не более ,

, условие выполняется.

Максимальное напряжение в бетоне в момент обжатия:

- для сечения 1-1

, что меньше , условие выполняется.

Здесь - средняя прочность бетона в момент обжатия, когда класс бетона не выше .

- для сечения 2-2

условие выполняется.

Эксплуатационные потери (вторые потери в момент времени ):

7 Реологические потери предварительного напряжения, вызванные ползучестью и усадкой бетона, а также длительной релаксацией напряжений в арматуре

где - потери предварительного папряжения, вызванные ползучестью, усадкой и релаксацией; - ожидаемое значение относительных деформаций усадки бетона (класса ) к моменту времени t,

,

- физическая часть усадки при высыхании бетона, табл. 6.3 , - хими- ческая часть усадки, обусловленная процессами твердения вяжущего,

,

, для t = 100 сут;

- коэффициент ползучести бетона за период времени от до t = 100 сут, принимаем по рисунку 6.1 . При площади и периметре поперечного сечения балки ,

- напряжения в бетоне на уровне центра тяжести напрягаемой арматуры от практически постоянного сочетания нагрузок, включая собственный вес,



- начальное напряжение в бетоне на уровне центра тяжести напрягаемой арматуры от действия усилия предварительного обжатия (с учетом первых потерь)

- изменение напряжений в напрягаемой арматуре, вызванные релаксацией арматурной стали. Для вычисления сначала определяем - напряжения в арматуре, вызванные натяжением (с учетом первых потерь) и от действия практически постоянного сочетания нагрузок,

Принимая и при уровне напряжений , определяем по таблице 9.2 для стержневой арматуры максимальные потери начальных напряжений в арматуре от ее релаксации. Они составляют 1,5%. Тогда

МПа.

Вычислим произведение:

Тогда

.

Среднее значение усилия предварительного обжатия (с учетом всех потерь)

Величина не должна быть больше следующих величин:

.

Проверим эти условия:

;

условия выполняются.

5.5 Предварительные напряжения и потери напряжений в напрягаемой арматуре

Балка имеет уклон верхнего пояса, поэтому ее рекомендуется рассчитывать на прочность по поперечной силе при рабочей высоте в конце наклонного сечения (рисунок 5.5):

,

где - рабочая высота сечения в начале наклонного сечения; - горизонтальная проекция наклонного сечения.

Рисунок 5.5 - Схема усилий в элементе при его расчете по поперечной силе

Величина поперечной силы:

Рабочая высота в начале наклонного сечения:

Определим поперечную силу, которую может воспринять балка без поперечного армирования:

но не менее .

В этих формулах:

Тогда

, поперечная арматура ставится по расчету.

Подбираем поперечную арматуру:

- определяем коэффициент . Для тяжелого бетона , для прямоугольного сечения , а - коэффициент, учитывающий влияние продольного усилия предварительного напряжения,

На стадии эксплуатации :

- определяем величины

- определяем усилие в хомутах на единицу длины балки

- определяем длину проекции наклонной трещины, на которой учитывается работа хомутов,

то есть , поэтому определяем по формуле

- назначаем диаметр поперечной арматуры , тогда площадь с учетом постановки двух каркасов ;

- определяем требуемый шаг стержней

- рассчитываем максимально допустимый шаг хомутов



- определяем шаг стержней по конструктивным требованиям и не более 300 мм. Принимаем шаг мм.

Проверяем прочность наклонного сечения при принятом армировании:

, прочность обеспечена.

Проверим прочность балки по наклонной полосе между наклонными трещинами по условию

где - коэффициент, учитывающий работу хомутов,

, прочность обеспечена.

5.6 Расчет прочности балки в стадии изготовления и монтажа

Прочность балки при изготовлении и монтаже проверяется в сечении, где устанавливаются подъемные петли, обычно на расстоянии . Принимаем = 2,5 м, тогда изгибающий момент от собственного веса консоли (рисунок 5.6) с учетом коэффициентов безопасности по нагрузке и динамики , равен:

Этот момент суммируется с моментом от усилия обжатия бетона напрягаемой арматурой , который вычисляется относительно центра тяжести верхней арматуры

Высота сечения балки в месте установки подъемных петель

рабочая высота балки .

Усилие в напрягаемой арматуре после обжатия

Здесь - коэффициент безопасности для усилия предварительного обжатия;

330 МПа - падение напряжений в напрягаемой арматуре в связи с деформациями обжатия бетона.

Суммарный момент в расчетном сечении

Рисунок 5.6 - Схема подъема балки при монтаже и эпюра изгибающего момента от собственного веса

Рисунок 5.7 - Схема внутренних усилий в расчетном сечении

Подбираем арматуру:



Требуемая площадь верхней арматуры

Принимаем 212 S400, .

Проверяем прочность сечения

, прочность обеспечена.

5.7 Расчет по образованию нормальных трещин в стадии изготовления

В стадии изготовления трещины в верхней зоне сечений образуются от действия предварительного обжатия. Образованию трещин сопротивляется бетон этой зоны, поэтому условие обеспечения трещиностойкости удобнее записать в виде

где .

Определим геометрические характеристики сечения.

Площадь бетонного сечения .

Площадь приведенного сечения

.

Статические моменты и моменты инерции приведенного сечения относи-тельно крайних нижних и верхних волокон сечений:

Момент сопротивления верхних волокон сечения

, трещины образуются.

Проверим образование трещин в сечениях 1-1 и 2-2.

Определим коэффициент для сечения 1-1, так как оно имеет отверстие:

, трещины не образуются.

, трещины не образуются.

5.8 Расчет по образованию нормальных трещин в стадии эксплуатации

Расчет выполняем на действие практически постоянного сочетания нагрузок, при котором .



что меньше . Следовательно, трещины в стадии эксплуатации в сечении 1-1 при низшем пределе усилия предварительного обжатия образуются.

Проверим, образуются ли трещины по середине пролета балки в сечении 2-2:

трещины образуются.

5.9 Расчет по раскрытию нормальных трещин

В стадии изготовления и монтажа трещины образуются в верхней зоне сечения, где устанавливаются монтажные петли.

Расчетная ширина раскрытия трещин , нормальных к продольной оси, определяют по формуле

где , так как ширина сечения балки меньше 300 мм; - среднее расстояние между трещинами, мм, ; - стержни периодического профиля; - при изгибе; - диаметр стержней, 12 мм; - эффективный коэффициент армирования, ; ; ; ; .

Среднее значение относительной деформации растянутой арматуры определяется по формуле

где - относительная деформация растянутой арматуры в сечении с трещиной, ; - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения относительных деформаций растянутой арматуры на участке между трещинами.

Для вычисления определяем напряжения в растянутой арматуре :

где , - высота сжатой зоны сечения, определяется из условия равенства статических моментов сжатой и растянутой зон относительно нейтральной оси:

Здесь , - для кратковременной нагрузки.

Получаем .

Тогда .

Определяем величину :

Здесь - для стержней периодического профиля; - для кратковременной нагрузки.

После чего определяем:

Тогда расчетная ширина раскрытия трещин

.

Ширина раскрытия трещин не превышает допустимую.

В стадии эксплуатации трещины образуется в нижней зоне в расчетных сечениях 1-1 и 2-2.

Коэффициент = 1,3, так как ширина сечения меньше 300 мм.

Среднее расстояние между трещинами

Для длительно действующей нагрузки



Определяем высоту сжатой зоны сечения (рисунок 5.8):

Рисунок 5.8 - Определение высоты сжатой зоны сечения

Так как высота сжатой зоны больше высоты бетона над отверстием сечения балки, то ее принимаем равной высоте над отверстием . Равнодействующую сжатой зоны бетона считаем приложенной на половине высоты х/2.

Определяем приращение напряжений в напрягаемой арматуре:



- для длительно действующей нагрузки;

Ширина раскрытия трещин в сечениях 1-1 и 2-2 не превышает допустимую.

5.10 Расчет по деформациям

Прогиб балки определяем в середине пролета (сечение 2-2) упрощенным методом расчета и исходя из принципа суперпозиции, т. е. суммируя прогиб от внешней нагрузки и выгиб от усилия предварительного обжатия бетона (соответственно ):

Здесь - для однопролетной балки, загруженной равномерно распределенной нагрузкой; - для напрягаемых стержней с прямолинейной осью трассы; ; .

В расчетном сечении образуются трещины, поэтому изгибная жесткость балки определяется по формуле:

где ; - момент инерции приведенного сечения балки с нормальными трещинами в растянутой зоне относительно нейтральной оси. Положение нейтральной оси и высоту сжатой зоны находим из условия равенства статических моментов сжатой зоны сечения и растянутой арматуры относительно нейтральной оси: :

; - момент инерции приведенного сечения балки без трещин в растянутой зоне.

Для определения при вычисляем расстояние от нижней грани до центра тяжести приведенного сечения:

Предельно допустимый прогиб:

Максимальный прогиб в середине пролета балки не превышает допустимый.

6. Расчет внецентренно нагруженных фундаментов

6.1 Определение размеров подошвы

Подбор размеров подошвы фундамента под среднюю колонну

К расчету примем 1-е и 4-е сочетание усилий:

Бетон класса С^16/20, f_cd=10,67 МПа, f_ctd=0,87 МПа, арматура класса S400, f_yd=365 МПа.

Для определения размеров подошвы фундамента рассчитываем нагрузки с коэффициентом надежности по нагрузкам г_f =1 в сечении колонны:

- для 1-го сочетания нагрузок

Вычисляем вертикальную силу и момент в уровне подошвы фундамента:

- для 4-го сочетания нагрузок

Вычисляем вертикальную силу и момент в уровне подошвы фундамента:

Здесь высота фундамента , глубина заложения при отметке обреза, равной отметке поверхности земли -0,15 м.

Определяем размеры подошвы фундамента при R=200 кПа, в=1,15.

Для 1-го сочетания нагрузок эксцентриситет

тогда в первом приближении

Так как . Принимаем м. Принимаем м и по формуле

Для 4-го сочетания нагрузок эксцентриситет

тогда в первом приближении

Так как . Принимаем м и по формуле

м, принимаем м.

Размеры подошвы фундамента, полученные по 1-му сочетанию нагрузок

=2,12,1 м, меньше размеров подошвы фундамента, полученные по 4-му сочетанию =3,02,1 м. К дальнейшему расчету принимаем фундамент с большими размерами подошвы.

Проверка принятых размеров подошвы фундамента

Определяем максимальное и минимальное значения давления под подошвой фундамента в предположении линейного расположения давления в грунте:

где ;

;

;

Тогда максимальное значение давления под подошвой фундамента:

Минимальное значение давления под подошвой фундамента:

Условия выполняются, следовательно, полученные размеры подошвы фундамента могут быть использованы в дальнейших расчетах.

Подбор размеров подошвы фундамента под крайнюю колонну

К расчету примем 1-е и 4-е сочетание усилий:

Бетон класса С^16/20, f_cd=10,67 МПа, f_ctd=0,87 МПа, арматура класса S400, f_yd=365 МПа.

Для определения размеров подошвы фундамента рассчитываем нагрузки с коэффициентом надежности по нагрузкам г_f =1 в сечении колонны:

- для 1-го сочетания нагрузок

Вычисляем вертикальную силу и момент в уровне подошвы фундамента:

- для 4-го сочетания нагрузок

Вычисляем вертикальную силу и момент в уровне подошвы фундамента:

Здесь вес нижних панелей , эксцентриситет приложения нагрузки от нижних панелей (табл. 3.4), высота фундамента , глубина заложения при отметке обреза, равной отметке поверхности земли -0,15м.

Определяем размеры подошвы фундамента при R=200 кПа, в=1,15.

Для 1-го сочетания нагрузок эксцентриситет

тогда в первом приближении



Так как . Принимаем м. Принимаем м и по формуле

Для 4-го сочетания нагрузок эксцентриситет

тогда в первом приближении

Так как . Принимаем м. Принимаем м и по формуле

Размеры подошвы фундамента, полученные по 1-му сочетанию нагрузок

=2,11,5 м, меньше размеров подошвы фундамента, полученные по 4-му сочетанию =2,11,8 м.

Проверка принятых размеров подошвы фундамента

Определяем максимальное и минимальное значения давления под подошвой фундамента в предположении линейного расположения давления в грунте:

где ;

;

;

Тогда максимальное значение давления под подошвой фундамента:

Минимальное значение давления под подошвой фундамента:

Условия выполняются, следовательно, полученные размеры подошвы фундамента могут быть использованы в дальнейших расчетах.

6.2 Расчет тела фундамента

Расчет тела фундамента заключается в определении его высоты, количества и размеров ступеней, подбора рабочей арматуры подошвы фундамента.

6.2.1 Определение высоты

Для назначения высоты фундамента определим толщину дна стакана из условия прочности на продавливание:

Полная высота фундамента определяется суммой толщины дна стакана, защитного слоя бетона, глубины заделки колонны в фундамент и подливки: . Принимаем высоту фундамента .

Рисунок 6.1 - Принятое поперечное сечение фундамента

6.2.2 Расчет на раскалывание

Вычисляем площадь вертикальных сечений за вычетом площади стакана в направлении длинной «a» и короткой «b» сторон подошвы:

Так как больше, чем , то вертикальное усилие, которое может воспринять фундамент не раскалываясь, вычисляем по формуле:

Полученное вертикальное усилие больше максимального расчетного усилия , поэтому прочность на раскалывание обеспечена.

6.2.3 Проверка прочности нижней ступени

Проверяем прочность нижней ступени на поперечную силу в направлении длинной стороны подошвы фундамента «a»:

, прочность обеспечена.

Определим периметр вышележащей (второй) ступени:

.

Так как , то расчет нижней ступени на продавливание не производится. Принятые размеры фундамента удовлетворяют условиям прочности.

6.2.4 Расчет арматуры

Для расчета площади арматуры подошвы фундамента определим изгибающие моменты в сечениях I-I…III-III.

Рисунок 6.2 - Схема к расчету арматуры фундамента

- реактивное давление под подошвой фундамента :

- изгибающие моменты в сечениях:

Требуемая площадь арматуры:

- в направлении длинной стороны подошвы



- в направлении короткой стороны подошвы

В направлении длинной стороны подошвы фундамента принимаем мм, . Шаг стержней мм.

В направлении короткой стороны подошвы фундамента принимаем мм, .

Маркировка по ГОСТ 23279-85



Рисунок 6.3 - Сетка армирования нижней ступени фундамента

6.2.5 Проверка прочности дна стакана на продавливание

Рабочая высота дна стакана:

Длина критического периметра:

Площадь внутри расчетного критического периметра:

Поперечная сила:

Погонная поперечная сила:



Расчетный коэффициент армирования:

Допускаемая расчетная поперечная сила:

, что больше .

Прочность обеспечена.

Список литературы

1 СНБ 5.03.01-02. Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования. - Взамен СНиП 2.03.01-84* ; введ. 01.07.2003. - Мн. : Минстройархитектуры РБ, 2003. - 139 с.

2 СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. - Введ. 01.01.1987. - М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 36 с.

3 ТКП 45-5.01-67-2007 (02250). Фундаменты плитные. Правила проектирования. - Введ. 01.09.2007. - Мн. : Минстройархитектуры РБ, 2008.

4 СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования. - Взамен СНиП II-В.3-72; введ. 01.01.1982. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990.

5 Железобетонные конструкции. Основы теории, расчета и конструирования: учеб. пособие для студентов строительных специальностей ; под ред. Т.М. Пецольда и В.В. Тура. - Брест : БГТУ, 2003. - 380 с.

6 Байков, В. Н. Железобетонные конструкции : Общий курс / В.Н. Байков, Э.Е. Сигалов. - М. : Стройиздат, 1991. - 767 с.

7 Попов Н.Н. Проектирование и расчет железобетонных и каменных конструкций / Н.Н. Попов, А.В. Забегаев. - М. : Высшая школа, 1989. - 400 с.

8 Талецкий В.В. Проектирование конструкций каркаса и фундаментов одноэтажного промышленного здания из сборного железобетона. Ч.I. Проектирование стоек каркаса: учеб.-метод. пособие по курсовому и дипломному проектированию. - Гомель: БелГУТ,2010.-64с.

9 Талецкий, В.В. Проектирование конструкций каркаса и фундаментов одноэтажного промышленного здания из сборного железобетона. Ч.II. Расчет и проектирование преднапряженных конструкций покрытия и внецентренно нагруженного фундамента: учеб.-метод. пособие по курсовому и дипломному проектированию. - Гомель: БелГУТ, 2012. - 60с.

Размещено на Allbest.ru