Расчет одноэтажного пром здания

Введение 

    Одноэтажные здания широко применяются в промышленности. Выполняются они, как правило, каркасными из сборных железобетонных конструкций  и во многих случаях оборудуются  мостовыми и подвесными кранами  значительной грузоподъемности, создающими большие усилия в несущих элементах  здания.

    Курсовой  проект предусматривает расчет и конструирование  основных несущих  железобетонных конструкций одноэтажного промышленного задания.

    Пространственный  каркас здания условно разделяют  на поперечные и продольные рамы.

    Поперечная рама состоит из колонн, жестко соединенных с фундаментом, и ригелей. В качестве ригелей покрытия применяют балки, фермы или арки. Ригели соединяются с колоннами шарнирно. В этом случае достигается независимая типизация ригелей и колонн и пространства этажа. Поперечная рама воспринимает нагрузку от массы покрытия и других конструкций здания, а так же снеговые,  ветровые и крановые нагрузки. Конструкция поперечной рамы должна обеспечивать пространственную жесткость здания в поперечном направлении.

    В продольную раму входит ряд колонн, а так же горизонтальные конструкции  покрытия, подкрановые балки, связи.

    Продольные  рамы воспринимают нагрузку, действующую  в продольном направлении (ветровую, действующую на торец здания; крановую от продольного торможения крана). Продольная рама должна обеспечивать жесткость здания в продольном направлении.

    При разработке проекта необходимо решить следующие вопросы:

- выполнить компоновку конструктивной схемы здания;

- выполнить статистический расчет поперечной рамы здания;

- рассчитать и законструировать колонну здания;

- выполнить расчет и конструирование основной несущей конструкции покрытия (балка);

- рассчитать фундамент под одну из колонн здания. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Компоновка конструктивной  схемы здания 

    В курсовом проекте необходимо запроектировать конструкции одноэтажного трехпролетного промышленного здания. Сетка колонн одноэтажного промышленного здания принимается по заданию, .

    Привязка  крайних колонн к продольным координационным  осям составляет 250 мм, так как шаг колонн 12 м. Привязка колонн в торце здания и у температурного шва к поперечным координационным осям 500 мм.

    Высота  внутреннего помещения здания определяется технологическими условиями и назначается  исходя из заданной отметки верха  подкранового рельса . Высота колонны в нижней части от обреза фундамента до верха подкрановой консоли определяется по формуле:

    ;

- высота подкрановой  балки, ;

- высота рельса, ;

- толщина конструкции  пола,

    Высота  колонны от консоли до низа конструкции  покрытия определяется по формуле:

    ;

- зазор, необходимый  для нормальной  работы крана,  мм.

    Полная  расчетная высота колонны:

    .

    Высота  здания:

    .  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    В курсовом проекте принимаем безпрогонную схему покрытия с поперечным расположением ригелей. В качестве основной несущей конструкции принята двускатная стропильная балка пролетом 12 м. Балки устанавливают на колонны с шагом 12 м. Плиты покрытия - железобетонные ребристые с предварительно напряженной арматурой, размером 3×12 м.

    Здание  длиной 96 м разделено поперечным температурно-усадочным швом на 2 блока длиной 48 м каждый. Температурно-усадочный шов выполняется на спаренных колоннах с доведением шва да обреза фундамента.

    По  продольным рядам колонн в средних  пролетах температурных блоков устанавливают вертикальные портальные связи из стального проката. Они устраиваются на высоту от пола здания до низа подкрановых балок и привариваются к закладным деталям колонн. По верху колонны связывают распорками. Так как высота ригелей на опорах не превышает 800 мм и имеется жесткое опорное ребро, вертикальные связевые фермы покрытия не устанавливаются.

    Поперечное  сечение крайних колонн назначаем  сплошным прямоугольным.

    Высота  сечения в надкрановой части назначается из условия размещения кранового оборудования и зависит от привязки. При привязке крайних колонн к продольным координационным осям 250 мм имеем:

    ;

     - расстояние от  оси кранового  рельса до края  моста, зависит  от грузоподъемности  крана, принимается  по ГОСТам на  кран; для крана  с грузоподъемностью 15/3 т ;

    0,07 м - необходимый зазор между краем моста и колонной для нормальной эксплуатации крана.

    Принимаем .

    Высота  сечения подкрановой части сплошных колонн определяется условиями прочности и пространственной жесткости здания:

    .

    Принимаем .

    Ширина  сечения колонны по требованиям  жесткости:

    ;

    .

    Принимаем .

    Поперечное  сечение средних колонн назначаем  сплошным.

    Высота  сечения в надкрановой части средних колонн назначают с учетом опирания двух ригелей непосредственно на торец колонны. Принимаем .

    Высота  сечения подкрановой части сплошных колонн определяется условиями прочности  и пространственной жесткости здания:

    .

    Принимаем .

    Ширина  сечения колонны по требованиям  жесткости:

    ;

    .

    Принимаем . 

Рис. 3. Принятые размеры крайней колонны. 

Рис. 4. Принятые размеры средней колонны. 
 
 

2. Расчет поперечной  рамы здания 

2.1. Сбор нагрузки на поперечную раму

    1. Постоянная нагрузка.

    1.1 Постоянная нагрузка от покрытия.

    Нагрузка передается на колонну как опорное давление ригеля.

    Расчетное опорное давление балки на крайнюю колонну:

    ;

     - расчетная нагрузка от веса кровли и плит покрытия, ;

     - нормативная нагрузка  от балки (по справочным данным), ;

     - шаг колонн, ;

     - пролет здания, ;

     - коэффициент надежности  по нагрузке, ;

     - коэффициент надежности  по назначению  здания, .

    Расчетная нагрузка от веса покрытия на среднюю  колонну:

    ;

    1.2. Расчетная нагрузка от веса  стеновых панелей и остекления.

    Нагрузка  от верхнего участка стены выше уровня подкрановой консоли передается на уровне подкрановой консоли:

    ;

 и - нормативная нагрузка от веса 1 м² стеновых панелей и оконных блоков соответственно, , ;

  и  - суммарная высота стеновых панелей и оконных блоков соответственно, , .

    1.3. Расчетная нагрузка от веса  подкрановых балок и кранового  пути.

    ;

- нормативная нагрузка от веса подкрановой балки, ;

- нормативная нагрузка  от веса кранового  пути, .

    1.4. Расчетная нагрузка от веса  колонн.

    Надкрановая часть крайней колонны:

    ;

- средняя плотность тяжелого конструкционного бетона, .

    Подкрановая часть крайней колонны:

    ;

    Надкрановая часть средней колонны:

    ;

    Подкрановая часть крайней колонны:

    ;

    Нагрузки  действуют на крайние колонны  с эксцентриситетом.

Рис. 5. К определению изгибающих моментов действующих на колонну.

    Нагрузка  действует на крайние колонны с эксцентриситетом равным:

    .

    На  уровне сопряжения арки с колонной возникает изгибающий момент :

    .

    На  уровне подкрановой консоли возникает  изгибающий момент от сил и :

    .

    .

    .

     - величина, зависящая от грузоподъемности  и пролета крана.

    На  средние колонны нагрузка действует  симметрично, изгибающий момент равен  нулю.

    2. Временная нагрузка.

    2.1. Снеговая нагрузка.

    Временная нагрузка зависит от географического  района строительства и профиля  кровли. Она передается на колонну  как вертикальное опорное давление ригеля и подсчитывается по той же грузовой площади, что и нагрузка от массы покрытия. Расчетная снеговая нагрузка на покрытие определяется по формуле:

    .

     - расчетное значение  веса снегового  покрова на 1 м² горизонтальной поверхности, для II снегового района ;

     - коэффициент перехода от веса  снегового покрова горизонтальной  поверхности к снеговой нагрузке  на покрытие, в учебном курсовом  проекте принимаем .

    Расчетная снеговая нагрузка на крайнюю колонну:

    .

    Момент  от снеговой нагрузки:

    . 

    На  среднюю колонну действует сила:

    .

    Момент  от этой нагрузки: 

    2.2. Ветровая нагрузка.

    В зависимости от географического  района и высоты здания значение ветрового давления на 1 м² стены определяется по формуле:

    .

- нормативное значение  ветрового давления, для III района по ветровой нагрузке ;

- коэффициент,  учитывающий изменение ветрового  давления по высоте здания, принимается  в зависимости от типа местности,  для открытой местности типа А при высоте 10 м - , при высоте 20 м - ;

- аэродинамический  коэффициент, для вертикальной  поверхности при положительном давлении ; при отрицательном давлении , в зависимости от отношения высоты здания к его ширине.

- коэффициент надежности  оп нагрузке, .

    Значение  ветрового давления на уровне 10 м  от поверхности земли:

    .

    Значение  ветрового давления на уровне 20 м  от поверхности земли:

    .

Рис. 6. К расчету ветровой нагрузки.

    В соответствии с линейной интерполяцией  определяем ветровой давление на высоте 10,5 м (уровень верха колонн) и на высоте 12,0 м (уровень верха стены).

    .

    .

    Переменный  по высоте скоростной напор ветра  заменим равномерно распределенной эквивалентной по моменту в заделке консольной стойки длиной 10,65 м.

    При отношении высоты здания к его  ширине

 с  наветренной стороны ; с подветренной стороны . Расчетная равномерно распределенная ветровая нагрузка на колонну до отметки 10,5 м при :

    - с наветренной стороны при :

    ;

    - с подветренной стороны при :

    .

    Неравномерную нагрузку на часть стены выше колонны  в расчетной схеме приводим к  сосредоточенной силе, приложенной  на уровне верха колонн.

    Для наветренной стороны:

    .

    Для наветренной стороны:

    .

    2.3. Нагрузка от мостовых кранов.

    Мостовой  кран состоит из моста, тележки на четырех колесах, подъемного оборудования, включающего груз, и сообщает каркасу  здания вертикальные и горизонтальные нагрузки. Максимальное нормативное  давление на колесо крана возникает при крайнем положении тележки с полным грузом. При этом на колесо крана с противоположной стороны действуют минимальные нагрузки.

    По  ГОСТ 25546-82* «Краны грузоподъемные. Режимы работы» для крана грузоподъемностью 30 т принимаем:

    ;

    .

    Расчетную нагрузку на крайнюю колонну вычисляем  от двух максимально сближенных кранов по линиям влияния опорных реакций  подкрановых балок:

    ;

    .

- максимально возможная  сумма ординат  линий влияния опорного давления взятая под колесами крана, ;

- коэффициент надежности  по нагрузке, для  крановой нагрузки  ;

- коэффициент сочетаний,  .

Рис. 7. К определению суммы ординат линии влияния опорной реакции.

    ;

    .

    Нагрузка  на средние колонны определяется аналогично.

    При торможении крана могут возникать  поперечные и продольные тормозные  усилия, нормативная горизонтальная поперечная нагрузка, вызываемая торможением  тележки крана с грузом, принимается  по формуле:

    .

- вес  груза, ;

- вес тележки крана,  .

    Расчетная горизонтальная сила действующая на колонну определяется от действия двух кранов по линиям влияния:

    .

    Вертикальные  крановые нагрузки передаются на колонны  с эксцентриситетами. На крайние колонны:

    ;

- привязка  подкрановой балки к разбивочной  оси, ;

- привязка  колонн к разбивочной оси.

    На  средние колонны:

    Эксцентриситет  относительно оси сечения нижней части:

    ;

    В момент, когда тележки с грузом двух сближенных кранов в пролете находятся в крайнем левом положении, на крайней колонне создается давление и соответствующий изгибающий момент , а на средней колонне действует сила и соответствующий изгибающий момент .

    ;

    .

    Когда тележка с грузом находится в  крайнем правом положении, на крайние  колоны будут действовать  и , а на средние – и :

    ;

    .

    Горизонтальное  давление от торможения кранов передается на колонны на уровне кранового рельса, т.е. на расстоянии 1,55 м от подкрановой консоли, и имеет знак «+» или «-». 

2.2. Расчет поперечной  рамы в ПК ЛИРА 9.0.

    Поперечные  рамы промышленных зданий являются статически неопределимыми системами. Их рассчитывают различными методами, основанными на методе сил и методе перемещений. Цель статического расчета - определение усилий в сечениях элементов рамы. Для расчета устанавливают расчетную схему, величины нагрузок и место их приложения. В расчетной схеме рамы сопряжение ригеля с колонной принимают шарнирным, соединение колонны с фундаментом - жестким. Геометрические оси ригелей принимают горизонтальными, жесткость ригелей - бесконечной. В такой системе расчет ригелей можно выполнить независимо от расчета поперечной рамы. Длину колонн принимают равной расстоянию от обреза фундамента до низа ригеля. Размеры пролетов принимают равными расстоянию между геометрическими осями колонн. Для ступенчатых колонн учитывают сдвиг оси в месте ступени. Рамы температурного блока объединены по верху жестким в своей плоскости диском покрытия, обеспечивающим их совместную пространственную работу. При действии общих для всего здания нагрузок (собственного веса конструкций, снега, ветра) пространственный характер работы каркаса не проявляется, так как все поперечные рамы находятся в одинаковых условиях и испытывают одинаковое горизонтальное смещение верха колонн. Каждую раму можно рассматривать как отдельную плоскую систему.

    В проекте статический расчет поперечной рамы здания выполняется на компьютере с применением ПК ЛИРА 9.0. Многофункциональный ПК ЛИРА предназначен для автоматизированного расчета, исследования и проектирования различных строительных конструкций зданий и сооружений. Пакет программ функционирует на основе использования метода конечных элементов. Ядром пакета является формирование целостной математической модели объекта в виде системы линейных алгебраических уравнений. Расчетная схема представляет

собой идеализированную модель, которой заменяют реальное сооружение при расчете.

    При выборе расчетной схемы учитывают  следующие факторы:

    - геометрические характеристики  реальной конструкции;

    - способ соединения различных  частей элементов конструкции  в узлах;

    - тип опирания;

    - вид нагружения.

    Для составления расчетной схемы  идеализированную модель конструкции  разделяют на конечные элементы. Для  стержневых систем конечные элементы представляют собой стержни, соединенные  в узлах. При разбивке систем на конечные элементы учитывают предполагаемое очертание эпюр внутренних усилий изгибающих моментов, продольных и поперечных сил, а также изменение жесткости по длине элементов. Конечные элементы, имеющие одинаковые жесткостные характеристики, объединяются в жесткостные типы, геометрия всей системы описывается в правой декартовой системе координат, оси координат наносят на расчетную схему. Расчетная схема не должна быть геометрически или мгновенно изменяемой.

    Расчетная схема поперечной рамы, схемы загружений, результаты расчета в ПК ЛИРА 9.0. представлены в приложении 1 и включают в себя:

- расчетную  схему поперечной рамы;

- схемы  загружения;

- эпюры  усилий в раме от постоянных  нагрузок

- таблицу  РСУ для элементов колонны

- таблицу  усилий в нижних элементах  колонны

- исходные  данные для армирования элементов  колонны

- результаты  подбора арматуры в элементах  колонны;

- схемы  армирования элементов колонны. 

    2.3. Конструирование  элементов рамы.

    Во  внецентренно сжатых элементах с расчетными эксцентриситетами продольные стержни размещают вблизи коротких граней поперечного сечения элемента. Насыщение поперечного сечения внецентренно сжатых элементов оценивают коэффициентом армирования по площади сечения рабочих стержней продольной арматуры, расположенных у одной из коротких граней. Армирование внецентренно сжатых стержней составляет 0,5...1,2% площади сечения элемента.

    Если  площади сечения арматуры и одинаковы, армирование называют симметричным; оно предпочтительнее, чем несимметричное армирование.

    Минимальная площадь сечения продольной арматуры и во внецентренно сжатых элементах, согласно нормам, допускается равной, %:

Здесь - радиус инерции сечения элемента в плоскости эксцентриситета продольной силы; _{- расчетная длина сжатого элемента.}

    Соединять продольные стержни по длине элемента не рекомендуется.

    Рабочие стержни в поперечном сечении  колонны размещают как можно ближе к поверхности элемента с соблюдением минимальной толщины защитного слоя, которая по нормам должна быть не менее диаметра стержней арматуры и не менее 20 мм.

    Колонны сечением до 400´400 мм можно армировать четырьмя продольными стержнями, что соответствует наибольшему допустимому расстоянию между стержнями рабочей арматуры. Наименьшее расстояние между ними в свету допускается 50 мм, если стержни при бетонировании расположены вертикально; а при горизонтальном расположении - 25 мм для нижней и 30 мм для верхней арматуры, но при всех случаях не менее наибольшего диаметра стержня. При расстоянии между рабочими стержнями более 400 мм следует предусматривать промежуточные стержни по периметру сечения элемента с тем, чтобы расстояние между продельными стержнями не превышало 400 мм.