Одноэтажное промышленное здание. 5

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

"Южно-Уральский государственный  университет"

Факультет "Заочный инженерно-экономический"

Кафедра "Строительные конструкции и инженерные сооружения"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОДНОЭТАЖНОЕ ПРОМЫШЛЕННОЕ ЗДАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА  К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине "Железобетонные конструкции"

ЮУрГУ 270102.2011.296.ПЗ.КП

 

 

 

 

Проверил: Ивашенко Ю.А. _________________2012 г.     Автор проекта, Студент группы ЗФ-533 М.А. Ефремов

 

 

 

 

Челябинск 2012

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Масштабность применения бетона и железобетона обусловлена  их высокими физико-механическими показателями, долговечностью, хорошей сопротивляемостью  температурным и влажностным  воздействиям, возможностью изучения конструкций сравнительно простыми технологическими методами, использованием местных материалов (кроме стали), сравнительно невысокой стоимостью.

Железобетонные и каменные конструкции являются основной базой  современного индустриального наземного  и подземного строительства. Они применяются при возведении промышленных, жилых и общественных зданий, инженерных сооружений, а так же других объектов народного хозяйства.

При проектировании железобетонных конструкций зданий основным нормативным  документом является СНиП 2.03.01-84 Бетонные и железобетонные конструкции (эти нормы не распространяются на бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений, мостов, автомобильных дорог, и аэродромов и т.п.).

Согласно этому нормативному документу:

Бетонные и железобетонные конструкции, должны быть обеспечены с требуемой надежностью от возникновения всех видов предельных состояний расчетом, выбором материалов, назначением размеров и конструированием.

При проектировании должны приниматься расчетные схемы, обеспечивающие необходимую прочность, устойчивость, и пространственную неизменяемость здания в целом, а также отдельных конструкций.

Расчет по предельным состояниям конструкции в целом  и отдельных ее частей должен, как  правило, производится для всех стадий – изготовления, возведения, эксплуатации, а так же и транспортировки.

Элементы сборных конструкций  должны отвечать требованиям механизированного  изготовления на специализированных предприятиях. При выборе элементов сборных  конструкций предусматривается  преимущественно предварительно напряженные конструкции из высокопрочных бетонов и арматуры. Конструкции узлов соединений элементов должны обеспечивать с помощью различных технологических и конструктивных мероприятий надежную передачу усилий, прочность самих элементов в зоне стыка.

Расчетные параметры  окружающей среды принимаются в  соответствии с СНиП 2.01.01-82 "Строительная климатология и геофизика".

Значения нагрузок и  воздействий, коэффициентов надежности по нагрузке принимаются с учетом и в соответствии со СНиП  2.01.07.- 85 "Нагрузки и воздействия"

Вообще весь расчет делится  на :

Расчет по предельным состояниям первой группы , который  должен обеспечит конструкции от:

хрупкого или вязкого  разрушения

потери устойчивости формы конструкции

усталого разрушения

разрушения от совместного действия внешних силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды.

Расчет по предельным состояниям второй группы, которой  должен обеспечить:

образования трещин, а  также их чрезмерного и продолжительного раскрытия.

чрезмерных перемещений.

Расчет монолитной плиты  выполняется в соответствии со СНиП, особого внимания заслуживает расчет главной балки.

Статический расчет балки  монолитного перекрытия, выполняется  с учетом перераспределения усилий в стадии предельного равновесия. Это позволяет рассчитать главную балку перекрытия с более высокими технико-экономическими показателями.

Расчет балок с учетом перераспределения  усилий может выполнятся по-разному  в зависимости от поставленных задач  перераспределения. Выбор той или  иной задачи перераспределения выполняется проектировщиком самостоятельно. Вообще, выбор той или иной задачи перераспределения – процесс творческий, и он определяется условиями работы конструкции, ограничениями на ее армирование и условия изготовления, а также получением необходимых технико-экономических показателей.

Как известно, причиной разрушения нормальных сечений изгибаемых железобетонных конструкций является либо достижение в растянутой арматуру предела текучести, либо достижение в бетоне сжатой зоны сечения предела прочности на сжатие. Нормами проектирования железобетонных конструкций запрещено проектировать элементы, разрушающиеся по второму из указанных видов разрушения, а первый вид обеспечивается соблюдением условия:

,

где X - высота сжатой зоны сечения в стадии разрушения; ХR -предельно допустимая высота сжатой зоны сечения для первого вида разрушения.

Переход нормального  сечения изгибаемого элемента в  предельное состояние происходит не внезапно, а постепенно, до тех пор, пока деформации текучести арматуры не приведут к чрезмерному развитию нормальных трещин по ширине и высоте, как следствие этого, к сокращению высоты сжатой зоны сечения, концентрации в ней сжимающих усилий и разрушению бетона сжатой зоны от раздавливания.

Если при этом деформации изгибаемого элемента ничем не ограниченны (например, в статически определимой конструкции), то произойдет разрушение элемента по этому сечению. Если же эти деформации сдерживаются за счет работы конструкции в других сечениях, как это имеет место в статически неопределимых конструкциях, то разрушения элемента в сечении, в котором начались деформации текучести арматуры, может и не произойти за счет перераспределения энергии внешней нагрузки на другие менее нагруженные, части конструкции. Эта стадия работы нормального сечения изгибаемого элемента, при которой в арматуре развиваются пластические деформации, а бетон сжатой боны еще не разрушен, называется пластическим шарниром. Свое название она получила потому, что изгибающий момент в этом сечении остается постоянным от начала развития деформаций текучести арматуры до момента разрушения бетона сжатой зоны.

Деформирование конструкций  в пластическом шарнире приводит к появлению дополнительных внутренних усилий в других сечениях конструкции. Поэтому этот процесс называется перераспределением усилий, происходящим в стадии предельного равновесия конструкции.

При расчете и конструировании  статически неопределимых железо бетонных конструкций процесс перераспределения  усилий может быть направлен проектировщиком  в нужное русло в зависимости от поставленной задачи перераспределения. Для этого ему нужно правильно выбрать места конструкции, в которых должны образовываться пластические шарниры. Для того, чтобы в заданном сечении вызвать образование пластического шарнира, проектировщик назначает армирование в этом сечении недостаточное для восприятия момента, действующего в этом сечении в упругой стадии расчета конструкции. Величина изгибающего момента, действующего в пластическом шарнире, определяется количеством арматуры, поставленной в этом сечении. Поэтому количественным процессом перераспределения проектировщик может управлять по своей воле.

Сборное железобетонное балочное перекрытие состоит из панелей  и поддерживающих их балок (приложение 2). В учебной литературе панели иногда называют плитами или настилами, а балки - ригелями или прогонами. Балки вместе с колоннами, на которые они опираются, образуют плоский каркас здания. Плоский каркас и панели создают несущую систему здания, воспринимают вертикальную нагрузку. Горизонтальная нагрузка (например, ветер), действующая в двух направлениях , воспринимается в одном направлении каркасом, а в другом - специальными связями. Возможно опирание балок на наружные стены. Тогда каркас называется неполным.

Разработаны типовые конструкции перекрытий: серии альбомов чертежей - ИИ 20-24 и 1/020. В качестве панелей перекрытия в этих сериях используются плоские панели с цилиндрическими пустотами и плоские панели с продольными ребрами, выступающими на нижней поверхности . Сечение балок проектируется в виде прямоугольника, или с полками в нижней зоне.

От способа соединения балок с колоннами зависят  условия их работы. При шарнирном  соединения балки работают как отдельно лежащие статически определимые  стержни. При соединении балок различных пролетов с передачей изгибающего момента и шарнирным опиранием на колонну балки работают как неразрезные статически неопределимые стержни. Если баки и колонны соединяются с передачей изгибающего момента на колонны, то образуется рамный каркас с жесткими узлами, в котором балки работают как ригели каркаса. Иногда в этой схеме соединение балок с колоннами осуществляется с частичной, небольшой по величине передачей изгибающего момента на колонны.

В зависимости от способа  соединения назначается расчетная  схема каркаса и соответственно балок. Панели, как правило, опираются на балки без передачи изгибающего момента, т.е. шарнирно, а поэтому работают как статически определимые стержни (в одном направлении, перпендикулярном линии опирания их на балки). При прямоугольном сечении балок панели опираются на  верхнюю грань, а при наличии полок - на верхние грани полок. На период монтажа каркаса балки опираются на консоли колонн. Они же воспринимают, как правило, поперечную силу, возникающую как в процессе монтажа, так и при эксплуатации здания.

 

1 Объёмно-планировачное  и конструктивное решения

Проектируемое промышленное здание одноэтажное и имеет размер в осях 66,75х49 м.

Здание состоит из 2 пролётов, размерами:

- ширина пролётов, м:  В₁ =18, В₂ =12;

- высота пролётов, м: Н₁ =15; Н₂ =15;

- длинна пролётов, м: L₁ =60; L₂ =60;

По планировочному решению:

Конструктивная схема  здания - несущий каркас. Уровень  чистого пола принят на отметке 0,000.

Типы конструкций:

1. Каркас – железобетонный (колонны, фундаментные балки, подкрановые балки)
2. Стены – облегчённые металлические панели по серии 1.432.2-32.93
3. Стропильные конструкции – железобетонные малоуклонные фермы
4. Конструкция покрытия – железобетонные ребристые плиты 1.465.1-17
5. Фундаменты - столбчатые монолитные из железобетона по серии 1.412
6. Двери и ворота – металлические
7. Окна - из алюминиевых сплавов по серии 1.436.4-20
8. Полы – бетонные, асфальтобетонные и на основе полимеров

 

2 Строительная часть

2.1 Фундаменты и фундаментные  балки

 

Фундаменты - столбчатые монолитные из железобетона по серии 1.412. Под спаренные колоны индивидуального изготовления с учётом характеристик фундаментов по серии 1.412.

Железобетонные конструкции  запроектированы по СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции». Опалубка инвентарная стальная из стали класса Ст3 по ГОСТ 25781.

Бетон, используемый для  монолита по ГОСТ 26633-91:

- по классу прочности  В30

- по классу морозостойкости  F200

- марка щебня –  800, для бетона по классу прочности  В30

Каркасы из арматуры, соединения арматурных стержней, закладные детали и сварные соединения запроектированы по ГОСТ 10922-90 «Арматурные и закладные изделия сварные, соединения сварные арматуры и закладных изделий железобетонных конструкций»

 
Класс стали применяемый для арматуры и закладных деталей А-IV.

Гидроизоляция фундамента - отмостка из асфальтобетона (класса прочности В15).

h = 30 мм на на уплотнённом щебне h = 100 мм. Горизонтальная гидроизоляция предусмотрена на отметке 0.000 h = 30 мм из цементно-песчаного раствора 1:2.

Фундаментные балки  железобетонные типа ФБ6 по серии 1.415-1.

Внутренние и наружные самонесущие стены опираются  на фундаментные балки, посредством  которых передают нагрузку на фундаменты колонн каркаса. Фундаментные балки  укладывают на специально заготовленные  бетонные столбики, устанавливаемые на обрезы фундаментов.

В данном проекте запроектированы  тавровые фундаментные балки, т.к. они  более экономичны по расходу бетона и стали. Во избежание деформаций при замерзании грунтов, балку с  боков и снизу засыпают шлаком. Верхняя грань фундаментной балки расположена на отметке -0.030. Поверх балки укладывается гидроизоляция из цементно-песчаного раствора.

 

Номенклатура и технико-экономические  данные фундаментных балок

Сечение изделия	Марка изделия	Длинна l, мм	Марка бетона	Расход материалов		Масса изделия, т
				бетон, м3	сталь, кг
	ФБ1	5050	200	0,60	51	1,5
	ФБ2	4750	200	0,47	44	1,4
	ФБ3	4300	300	0,51	33	1,3

 

2.2 Колонны

 

По положению в здании колонны подразделяются на крайние и средние. К крайним колонам с наружной стороны примыкают стеновые ограждения. Крайние колонны, в свою очередь, подразделяются на основные, воспринимающие нагрузки от стен, кранов и конструкций покрытия, и фахверковые служащие только для крепления стен. Фахверковые колонны устанавливаются в торцах здания и между основных колонн при шаге 12м. Длину фахверковых колонн принимают на 100 мм меньше основных колонн, чтобы образовать необходимый зазор между их оголовком и нижним поясом стропильных конструкций.

Колонна для здания, оборудованного мостовыми кранами, состоит из двух частей: надкрановой и подкрановой. Надкрановая часть служит для опирания несущей конструкции покрытия и называется надколенником. Подкрановая часть воспринимает нагрузку от надколенника, а также от подкрановых балок, которые опирают на консоли колонн, и передает ее на фундамент.

В данном проекте запроектированы  железобетонные колонны по серии 1.424.1-5 и двухветвевые колонны по серии  КЭ-01-52.

 

Двухветвевая колонна по серии  КЭ-01-52 ↓

 
2.3 Стропильные конструкции

 

Стропильные конструкции перекрывают пролёт, и подобно стропилам, непосредственно поддерживают настил кровли. По схеме восприятия внешних и внутренних усилий эти конструкции делятся на балки и фермы. Балка – одноэлементная конструкция, загружаемая по всему пролёту. Ферма – составная стержневая конструкция, загружаемая только в соединяющих стержни узлах.

В данном проекте использованы железобетонные малоуклонные безраскосные фермы пролётом 18м по серии 1.463.1-1-87 и стропильные  балки пролётом 12м по серии 1.462-3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ферма изготовлена из тяжелого бетона класса В40:

– расчетное сопротивление  осевому сжатию                   R_b = 22 МПа

– расчетное сопротивление  осевому растяжению          R_bt = 1,4 МПа

– нормативное сопротивление  осевому растяжению      R_bt,n = 2,1 МПа

– начальный модуль упругости                                        E_b = 36,0×10³ МПа

Напрягаемая арматура нижнего  пояса из канатов К-1400 Æ15 мм с натяжением на упоры:

– расчетное сопротивление  растяжению II группы п.с.    R_s,ser = 1400 МПа

– расчетное сопротивление растяжению I группы п.с.     R_s = 1170 МПа

– начальный модуль упругости                                          E_s = 1,8×10⁵ МПа

Сжатый пояс и элементы решетки фермы армируются стержнями  класса А400:

– расчетное сопротивление растяжению/сжатию I г.п.с. R_s = R_sс = 355 МПа

– начальный модуль упругости E_s = 2×10³ МПа

–хомуты класса А240

 

2.3.1 Определение нагрузок  на ферму

 

Равномерно распределенную нагрузку от покрытия, согласно,прикладываем в виде сосредоточенных сил к  узлам верхнего пояса. Вес фермы  также учитывается в виде сосредоточенных сил, приложенных к узлам верхнего пояса. Снеговую нагрузку рассматриваем приложенной в 2-х вариантах: 1) вся снеговая нагрузка по всему пролету и по половине пролета является кратковременно действующей; 2) доля длительно действующей снеговой нагрузки, принимаемая равной 0,5 от полной также прикладывается по всему и по половине пролета фермы.

Нагрузки на покрытие

Вид нагрузки	Нормативная, Па	К-т надежности по нагрузке	Расчетная, Па
Постоянная:
Нагрузки от веса покрытия	790	1,27	1003
ферма 149 / (24×12)	517	1,1	569
Ребристые крупноразмрные плиты 3х12	2050	1,1	2255
Итого: g	3357		3827
Временная снеговая:
кратковременная (полная)	2400*0,7=1680	-	2400
длительная с к-том 0,5	840	-	1200

 

 

Условные расчетные нагрузки по верхнему поясу фермы:

– постоянная:

кН;

– длительная снеговая:

кН;

– кратковременная (полная) снеговая:

кН.

Узловые нормативные  нагрузки соответственно:

кН;

кН;

кН.

2.3.2 Определение  усилий в элементах фермы

 

Для вычисления продольных усилий в элементах фермы определяем сначала усилия от единичных нагрузок.

Нумерация элементов  и схема загружения фермы приведены на рис.

 

 

Проектирование  сечений элементов фермы

 

Нижний растянутый пояс.

Расчет прочности выполняем  на суммарное опасное кратковременное  усилие.

Определяем площадь  сечения растянутой продольной напрягаемой  арматуры класса К-1400 при g_sр = 1,10:

см².

Предварительно принимаем  арматуру в виде 10 канатов Æ15 мм класса К-1400 с площадью

А_sp = 14,16 см². Принимаем сечение нижнего пояса b´h = 30´28 см.

Расчет нижнего  пояса на трещиностойкость.

Отношение модулей упругости арматуры и бетона:

– для канатов класса К-1400:

;

Величину предварительного напряжения арматуры примнимаем из условия 

,

где R_s,ser = 1400 МПа. МПа

принимаем

 МПа.

Первые потери.

1)  От релаксации напряженной  арматуры:

 МПа.

2)  От разности температур  напрягаемой арматуры и нижних  натяжных устройств при Dt = 65^о С:

 МПа.

3)Потери от деформаций стальной  формы  т.к. всю арматуру натягиваем одновременно.

4) От деформации анкеров Dl = 2 мм:

 МПа,

где l – длина натягиваемого каната в мм.

Первые потери составят:

 МПа.

Вторые потери.

1) От усадки бетона класса В40

 МПа.

2) От ползучести бетона при:

 

=1,9-коэф.ползучести.Для бетона класса  В40 и относительной влажности  воздуха окружающей среды 40-75

=P₍₁₎/A_red

кН

A_red=A+ A_sp= кН

МПа

Коэф.армирования 

При симметричном обжатии  элемента напрягаемой арматурой 

МПа

Полные потери:

 МПа>100МПа

Значение предварительного напряжения в арматуре вводится в расчет с  коэффициентом точности натяжения  арматуры g_sp =0,9

Тогда

Усилие, воспринимаемое сечением при  образовании трещин:

Поскольку N_crc = 1017,4 кН < N_n = 1394,4 кН, условие трещиностойкости сечения не выполняется и необходим расчет по раскрытию трещин.

Определим ширину раскрытия  трещин от суммарного действия постоянной и полной снеговой нагрузки и сравним ее с допустимым значением:

.

Приращение напряжения в растянутой арматуре от полной нагрузки:

 Н/см² = 111,85 МПа.

Принимаем мм

Для центрально-растянутых преднапряжерных элементов

 Н/см² = 135,0 МПа>

Где

  т.к 

мм мм

мм

При вычислении : мм

мм

Полная ширина раскрытия  трещин в элементе Н2 нижнего пояса  фермы составит:

Поскольку условия по допустимой ширине раскрытия трещин выполнены, принятое количество напрягаемой  арметуры-10канатов диаметра 15класса К-1400 с  см²

оставляем без изменения

Верхний сжатый пояс.

Усилия в элементах верхнего пояса В1 и В4 близки по величине, поэтому все элементы верхнего пояса будем армировать одинаково из расчета на усилие в наиболее напряженном элементе В1, для которого N = 1691,9кН, в том числе от расчетных значений длительных нагрузок N_l = 1365,0кН.

Ориентировочное значение требуемой площади верхнего пояса:

 см².

Несколько в запас  принимаем размеры сечения верхнего пояса b´h = 30´28 см с площадью

А = 840 см² > 694,5 см².

Случайный эксцентриситет:

 см,

где l = 320 см – наибольшее фактическое расстояние между узлами верхнего пояса (в осях);

 см.

Принимаем е₀ = е_а = 1,0 см.

Расчетная длина в  обеих плоскостях l₀ = 0,9×320 = 288 см. Наибольшая гибкость элемента верхнего пояса

,

то есть необходимо учесть влияние прогиба элемента на его  прочность.

Условная критическая  сила:

кН,

см⁴; ;

для тяжелого бетона

кНм

кНм

<

Принимаем

Поскольку количество арматуры не известно, принимеам в первом приближении 

см⁴

Коэффициент

Расстояние 

Граничное значение относительной  высоты сжатой зоны бетона:

Далее вычисляем: -второй случай внецентренного сжатия, случай ”малых” эксцентриситетов.

Для дальнейших расчетов принимаем

Т.к.  α_s>0 необходимо вычислить относительную высоту сжатой зоны ξ , требуемую площадь арматуры A_s=A_s^'  и процент армирования μ:

 см²

, что не значительно отличается  от принятого при определении  критической силы N_cr (μ=0,008).

Окончательно принимаем  армирование верхнего пояса в  виде 4Ø14А400 с A_s+A_s^'=6,16см²;

, что превышает 2 μ_min=0,004. Хомуты из условия свариваемости с продольной арматурой Ø14 принимаем Ø5В500 и устанавливаем их с шагом 200мм, что не превышает  мм и не более 500мм.

Растянутый  раскос Р1. В данном раскосе возникают усилия

кН, кН, кН,

Для обеспечения прочности  раскоса необходимая площадь  продольной арматуры класса А400 составляет: см²

Предварительно принимаем 4Æ12 А400 с см².Поскольку рассматриваемая ферма бетонируется целиком, ширина всех элементов решетки принята b=30см.

Для растянутого раскоса  фермы пролетом 24м bxh=30x16 см. Коэффициент армирования (для центрально растянутых элементов).

Ко всем элементам  решетки предъявляются требования 3–й категории по трещиностойкости.

Усилие, воспринимаемое сечением, при образовании трещин:

где

Условие трещиностойкости не выполняется, следовательно необходим  расчет по раскрытию трещин.

В случае N_crc>N_n, расчет по раскрытию трещин не требуется.

Суммарная ширина раскрытия  трещин:

   (мм Прил. 2 ).

Ширина раскрытия трещин от продолжительного действия постоянной и длительной снеговой нагрузок:

φ₁=1,4 (см. расчет нижнего пояса фермы);

φ₂ =0,5; φ₃ =1,2; < R_s,ser   =400МПа;

мм, что превышает 400мм и более 

40d_s=40 ^.1,2=48см=480мм. Принимаем l_s=400мм.