Здания и
сооружения из монолитного железобетона
Курсовой проект
выполнил студент: ______ группы 5019/М
Санкт-Петербургский
Государственный технический университет
Инженерно-строительный
факультет
Кафедра
Энергетических и промышленно-гражданских сооружений
Санкт-Петербург
2000
Введение,
исходные данные
Цель выполнения проекта –
ознакомление с основными вопросами конструирования и освоение методики
проектирования зданий и сооружений из монолитного железобетона.
Схема сооружения представляет
собой подземный гараж прямоугольной формы, имеющий размеры в плане 18х60 м,
который является жёсткой конструкцией, состоящей из двух продольных рядов
колонн и перекрытия – монолитной железобетонной ребристой плитой (рис. 1.1).
Высота сооружения Н составляет 4,2 м, отметка пола находится на глубине ¯-3,9 м от проектной отметки.
В результате оценки инженерно-геологических
условий основания составлен геологический разрез (рис. 1.2), уровень грунтовых
вод находится на отметке ¯-2,6 м.
Климатические условия
принимаются для района возведения сооружения – Костромской области.
Выбор
строительных материалов для заданного объекта
Монолитное ребристое перекрытие
состоит из железобетонной плиты, которая опирается на балочную клетку,
состоящую из системы главных и второстепенных взаимно перпендикулярных балок.
Плита перекрытия и балки монолитно связаны между собой, что достигается путём
одновременного бетонирования всех элементов перекрытия в специально изготовленной
для этого опалубке.
В данном проекте рассматривается
унифицированное перекрытие трех пролетного промышленного здания с внутренним
каркасом и несущими наружными стенами (рис. 1.1, 3.1).
Для монолитных перекрытий обычно
используется тяжелый бетон марки М200 – МЗ00, а для армирования – сварные
каркасы из стали класса A-II
или A-III и сварные сетки из обыкновенной
проволоки. В данном проекте принят бетон марки М250 (В20). Расчетные сопротивления
такого бетона для предельных состояний первой группы будут: на сжатие осевое Rb=11 МПа, на растяжение осевое Rbt=0,88 МПа. Коэффициент условий работы бетона mб1=0,85.
Рабочую арматуру для балок
примем в виде сварных каркасов из горячекатаной стали периодического профиля
класса A-II, Rs=270 МПа, Rsw=215
МПа. Для поперечной арматуры класса А-I Rsw=170 МПа. Арматуру для плиты примем в виде сварных сеток из
обыкновенной проволоки класса B-I, Rs=315 МПа, и (возможен
вариант) из стали класса A-III,
Rs=340 МПа.
Разработка
эскиза объёмно-планировочного решения заданного сооружения
При плановых размерах
перекрываемого помещения 18х60 м балки располагаются в двух направлениях и
опираются на промежуточные опоры – колонны.
Главные балки располагаются
поперёк помещения и опираются на наружные стены и колонны.
Пролёты главных балок lг. б принимаются
равными расстояниям между осями колонн и наружных стен и равны 6 м.
Второстепенные балки
располагаются вдоль помещения и опираются на наружные стены и главные балки.
Пролёты второстепенных балок lв. б принимаются равными 6 м.
Эскиз плана сооружения с учётом
установленных выше параметров представлен на рисунке 3.1, разрез 2-2
представлен на рис. 1.1.
Назначение
предварительных размеров конструкций
Для получения расчетного пролета
определяются размеры поперечного сечения второстепенной балки: hв. б=(1/12...1/20)lв. б; принимаем hв. б=600/13 = 45 см, b=(1/2...1/3)hв.б³10 см; принимаем ширину второстепенной балки b=20 см.
Расчетный пролет плиты между
второстепенными балками l2=l0, где l0 – пролет в свету, равный 200-20=180 см. Пролет плиты при
опирании с одной стороны на несущую стену l1= l01+(hпл/2), где hпл – толщина плиты,
значением которой также задаемся. Принимаем толщину плиты равной 8 см, что
больше hmin=60 мм. Расчетный пролет плиты
Расчёт
заданного элемента
Нагрузки на ребристое монолитное
железобетонное перекрытие промышленного здания
Все нагрузки определяются в
соответствии с [1.1]. Согласно [1.1, стр. 4, п. 1.11] расчёт ведётся на основное
сочетание нагрузок, состоящее из постоянных, длительных и кратковременных
нагрузок. Согласно [1.1, стр. 3, п. 1.6] к постоянным нагрузкам относится собственная
масса плиты и балок. Временные длительные нагрузки рдл определяются
согласно [1.1, стр. 6, п. 3.5, табл. 3].
Снеговая нагрузка согласно [1.1,
стр. 4, п. 1.8] относится к кратковременным нагрузкам, определяемым в
соответствии с [1.1, стр. 4, п. 5].
Нормативная снеговая нагрузка на
1 м2 площади горизонтальной проекции покрытия должна определятся по
формуле
Рн=р0с, (5.1)
где
р0 – вес снегового
покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности земли, принимаемый по
[1.1, стр. 9, п. 5.2], для IV района, к которому
относится г. Кострома, р0=1,5 кН/м2;
с – коэффициент перехода от веса
снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемый в
соответствии с указаниями [1.1, стр. 9, 10, пп. 5.3-5.6], для горизонтальной
поверхности, с=1.
Рн=1,5*1=1,5 кН/м2.
Согласно [1.1, стр. 4, п. 1.7]
вес снегового покрова IV района, уменьшенный на 0,7 кН/м2 относится к
длительным нагрузкам
рсн, дл=1,5-0,7=0,8
кН/м2.
Значения постоянных и временных
нагрузок приведены в табл. 5.1.
Т а б л и ц а 5.1
Вид нагрузки
Нормативная нагрузка, кН/м2
Коэффициент перегрузки, n
Расчётная нагрузка, кН/м2
1. Постоянная
кровля
цементный раствор
шлакобетонный слой
0,3
0,4
0,45
1,1
1,3
1,3
0,33
0,52
0,59
å
gн=1,15
–
g=1,44
2. Временная
длительная, рдл+pсн, дл
кратковременная, Рн
6,5
1,5
1,2
1,2
7,8
1,8
å
рн=8
–
p=9,6
Плита
Расчетная схема плиты
представляет собой многопролетную неразрезную балку, загруженную равномерно
распределенной нагрузкой.
Собственная масса плиты gн=0,08*25=2 кН/м2.
Погонная нагрузка принимается на
ширину плиты, равную 1 м.
Для данного случая погонные
расчетные нагрузки по табл. 5.1 будут равны (с учетом массы плиты h=8 см):
g=1,44+1,1*2 =3,64 кН/м;
р=9,6 кН/м;
q=g+р=3,64
+ 9,6=13,24 кН/м.
В расчете неразрезных плит с
учетом пластических деформаций значения изгибающих моментов при равных или
отличающихся не более чем на 20% пролетах принимаются по равно моментной схеме
(независимо от вида загружения временной нагрузкой) равными (рис. 5,1):
в крайних пролетах
в среднем пролете и над средними
опорами
над вторыми от края опорами
Второстепенная балка
Расчетная схема второстепенной балки представляет собой, так же
как и расчетная схема плиты, неразрезную многопролетную балку, загруженную
равномерно распределенной нагрузкой. Предварительные размеры сечения
второстепенной балки были приняты 45х20 см. Для определения расчетных пролетов
задаемся размерами главной балки:
bг. б=0,5h=30 см.
Расчетные пролеты второстепенной
балки будут: средние пролеты (равны расстоянию в свету между главными балками) l02=l2-bг. б=6-0,3=5,7 м;
крайние – равны расстоянию от оси опоры на стене до грани сечения главной балки
где
l1 и l2 – пролеты балки;
а – привязка разбивочной оси к
внутренней грани стены;
В – длина опорного конца балки
на стене.
Сбор нагрузок
Погонную нагрузку на балку
принимают на ширину грузовой площади, равную 2 м (расстоянию между осями второстепенных
балок). Для данного случая (см. табл. 5.1) расчетные погонные нагрузки будут
иметь значения с учетом массы балки по принятым размерам
g=2*(1,44
+2,2)+0,37*0,2*25*1,1=7,28+2,04=9,32 кН/м,
где
0,37*0,2 м – размеры сечения
балки за вычетом толщины плиты h = 8 см;
1,1 – коэффициент перегрузки для
собственной массы конструкций;
25 – плотность бетона, кН/м3;
рдл
(длительная)=2*7,8=15,6 кН/м;
ркр
(кратковременная)=2*1,8=3,6 кН/м;
р (полная)=2*9,6=19,2 кН/м;
полная
q=g+р=9,32+19,2=28,52
кН/м.
Расчетные моменты:
а) в крайних пролетах
б) в средних пролетах и над
средними опорами
в) над вторыми от края опорами
Построение огибающей эпюры
моментов второстепенной балки (рис. 5.2)
Эпюра моментов строится для двух
схем загружения:
на полную нагрузку q=g+р в нечетных пролетах и условную постоянную нагрузку
q'=g+1/4P в четных пролетах (рис. 5.2, Схема I);
на полную нагрузку q =g+p в четных пролетах и условную постоянную нагрузку q'=g+1/4р
в нечетных пролетах (рис. 5.2, Схема II).
При этом максимальные пролетные
и опорные моменты принимаются ql2/11 или ql2/16, а минимальные значения пролетных моментов строятся по
параболам, характеризующим момент от нагрузки q’
(М1’=q’l12/11; М2’=q’l22/16) и проходящим через вершины ординат опорных моментов:
q=g+p=28,52 кН/м;
q'=9,32+1/4*19,2=14,12 кН/м;
М1’=14,12*5,82/11=43
кНм;
M2’=14,12*5,72/16=28,5 кНм.
Вид огибающей эпюры представлен
на рис. 5.2.
Расчетные минимальные моменты в
пролетах будут равны:
в первом пролете М1min=-87/2+43=-0,5 кНм;
во втором пролете
в третьем от края (т. е. во всех
средних) пролете M3min=-57,7+28,5=-29,2 кНм.
При расчете арматуры на
указанные моменты необходимо учитывать поперечную арматуру сеток плиты и
верхние (конструктивные) стержни сварных каркасов балок.
Главная балка
Расчетная схема главной балки представляет собой трех пролетную
неразрезную балку (рис. 5.3), находящуюся под воздействием сосредоточенных сил
в виде опорных реакций от второстепенных балок, загруженных различными
комбинациями равномерно распределенной нагрузки g
и p с грузовой площади 6x2=12
м2.
Размеры поперечного сечения
главной балки: h=(1/8...1/15)l, принято h=1/10l=600/10=60 см; b=(0,4...0,5)h,
принято b=0,5h=0,5*600=30 см.
Сбор нагрузок
Для данной главной балки
нагрузка передается в виде сосредоточенных (узловых) сил, которые с учетом
собственного веса балки равны (см. табл. 5.1):
постоянная нагрузка
G=Gпл+Gв. б+Gг. б;
G=1,44+2,2*6*2+2,04*6+0,52*0,3*25*1,1=60,4
кН,
где
Gг. б – собственный вес главной балки на участке длиной 2 м
(расстояние между второстепенными балками), приведенный к сосредоточенной
узловой нагрузке в точке действия опоры второстепенной балки;
Gв. б – опорная реакция от собственного веса второстепенной балки
(в предположении ее разрезности);
Gпл – собственный вес железобетонной плиты h = 8 см и
конструкции пола, приходящихся на узловую точку опоры второстепенной балки;
временная узловая нагрузка
(полная)
Р=9,6*6*2=115,2 кН.
Определение усилий в сечениях
балки
Изгибающие моменты и поперечные силы, действующие в сечениях балки
при сосредоточенной нагрузке, определяются по формулам [2, стр. 40, прил. V]:
M=(aG±bP)l; (5.2)
Q=(gG±dP), (5.3)
где
G и Р – соответственно постоянная и
временная сосредоточенные нагрузки;
l – расчетный пролет главной балки,
равный расстоянию между осями колонн; в первом пролете при опирании балки на
стену расчетный пролет принимают от оси опоры на стене до оси колонны;
a,
b, g, d
– табличные коэффициенты, принимаемые в зависимости от расстояния от крайней левой опоры до рассматриваемого
сечения неразрезной балки.
Изгибающие моменты:
а) в первом пролете на
расстоянии х=0,333l (загружение по схеме I, рис. 5.3):
M1max=(0,244*60,4+0,289*115,2)*6=288 кНм;
то же, при загружении по схеме
II
M1min=(0,244*60,4-0,044*115,2)*6=60 кНм;
б) во втором пролете на
расстоянии х=1,33l (загружение по схеме II, рис. 5.3)
M2max=(0,067*60,4+0,2*115,2)*6=165 кНм;
то же, при загружении по схеме I
M2min=(0,067*60,4-0,133*115,2)*6=-67,2 кНм;
в) над второй опорой при х =l
(загружение по схеме III, рис. 5.3)
MBmax=(-0,267*60,4-0,311*115,2)*6=-312
кНм;
то же, при загружении по схемам
I или II
MB=(-0,267*60,4-0,133*115,2)*6=-188
кНм;
то же, при загружении по схеме
IV
MBmin=(-0,267*60,4+0,044*115,2)*6=-66
кНм.
Поперечные силы:
а) при загружении по схеме I
рис. 5.3:
QAmax=0,733*60,4+0,866*115,2=144,3
кН;
QBЛ=-1,267*60,4-1,133*115,2 =-206,5 кН;
QBП=60,4 кН;
б) при загружении по схеме II
рис. 5.3:
QА=0,733*60,4-0,133*115,2=29 кН;
QBЛ=-1,267*60,4-0,133*115,2=-91,8 кН;
QBП=60,4+115,2=175,6 кН;
в) при загружении по схеме III
рис. 5.3;
QА=0,733*60,4+0,689*115,2=123,8 кН;
QBЛ=-1,267*60,4-1,311*115,2=-227,5 кН;
QBП=1*60,4+1,222*115,2=201 кН.
Расчёт главной балки ведётся с
учетом перераспределения моментов вследствие развития пластических деформаций.
В качестве выровненной эпюры моментов принимаются эпюры моментов по схемам загружении
I и II, рис. 5.4, при которых в пролетах 1
и 2 возникают максимальные моменты M1max и M2max. За расчетный момент на опоре принимается момент по грани
колонны М', равный (при ширине сечения колонны bк=40 см):
(3.3)
При загружении балки по схеме III расчетный момент на опоре В по грани колонны равен:
Уменьшение момента по грани
опоры при выравнивании моментов составляет:
это больше рекомендуемых 30%,
что недопустимо. Поэтому за расчетный момент по грани колонны принимается М'B=-272 кНм, уменьшенный только на 30%, т. е. М'B=0,7*-(272)=-186 кНм, а в пролете расчетными являются M1max=288 кНм
и M2max=165 кНм,
вычисленные по упругой схеме, так как при выравнивании опорного момента их
значения не увеличиваются.
Подбор арматуры
Подбор арматуры в плите
Арматура в плите подбирается как
для изгибаемого железобетонного элемента прямоугольного сечения размером bxh=100х8 см с помощью параметров, приведенных в [2, стр. 38,
прил. III, табл. 3]. Рабочая высота сечения h0=h-а=8-1,5=6,5 см.
При армировании плоскими
сварными сетками из обыкновенной проволоки (Rs=315 МПа):
а) в крайних пролетах М1=3,66
кНм: по формуле (6.1) вычисляется
(6.1)
где коэффициент условий работы
бетона mб1=0,85. По [2, стр.
38, прил. III, табл. 3] находим коэффициент h=0,948 и определяем площадь сечения арматуры Аs,p по формуле
(6.2) (множитель 100 введен для приведения размерности сопротивления,
выраженного в МПа, к размерности в Н/см2 исходя из следующих соотношений
величин: 1 МПа=106 Па (Н/м2)=100 Н/см2):
(6.2)
б) в средних пролетах и над
средними опорами:
М2=2,7 кНм;
h=0,962;
в) над вторыми опорами:
МВ=3,94 кНм;
h=0,948;
Плита армируется плоскими
сварными сетками. Учитывая, что плита по всему контуру окаймляется монолитно
связанными с нею балками, в средних пролетах и на средних опорах уменьшаются
изгибающие моменты на 20%, следовательно, расход арматуры будет тоже на 20%
меньше
Аs,p=1,46*0,8=1,17 см2,
где
0,8 – коэффициент, учитывающий
при частичном защемлении плиты по контуру уменьшение изгибающего момента.
С учетом уменьшения моментов для
армирования средних пролётов и средних опор принимаются сварные сетки I и II с рабочей продольной арматурой
диаметром 4 мм и поперечной арматурой диаметром 5 мм с шагом 150 мм (Аs=1,31 см2) (рис. 6.1). Тогда в крайних пролетах
при требуемом Аs,p=1,9 см2 и над второй опорой при Аs,p=1,98 см2
проектируются сетки III и IV с рабочей продольной арматурой диаметром 4 мм и поперечной
арматурой диаметром 5 мм с шагом 100 мм (Аs=1,96 см2 на 1 м длины). Сетки I, II, III
и IV (рис. 6.1) укладывают раздельно.
Подбор арматуры для
второстепенной балки
При расчете сечений балки на
положительный момент (в пролете) принимается железобетонное сечение таврового
профиля с полкой (плитой) в сжатой зоне.
Ширина полки в данном случае bп’=200 см, так как
соблюдено условие норм [1.5, п. 3.16], по которому
и bп’£l0+bв. б=180+20 см.
При расчете на отрицательный
момент принимают прямоугольное сечение, равное 45х20 см, поскольку плита
находится в растянутой зоне и в расчете не учитывается.
Для армирования применяются сварные
каркасы из стали класса А-П, Rs=270
МПа. Рабочая высота сечения h0=45-3,5=41,5 см. Арматуру рассчитываем с помощью параметров
А0, h
и x по [2, стр. 38, прил. III, табл. 3]. В крайних пролетах M1=87 кНм; определяем
расположение границы сжатой зоны сечения по условию (6.3) при x=hп’, b=bп' и Аs’=0:
M£mб1Rbbп'hп'(h0-0,5hп'); (6.3)
8700
кНсм