Здания и сооружения из несущего железобетона

В рамках курсовой работы данной работы рассматривается методология проектирования и разработки конструктивных решений зданий и сооружений из монолитного железобетона, с применением современных систем автоматического проектирования (далее просто САПР). Объект проектирования — резервуар мазута, относится к подсобно — производственным зданиям и сооружениям, расположен на предполагаемой площадке строительства АЭС с реактором РБМК — 1000 (согласно заданию на комплексное проектирование). В целях написания курсовой работы «Здания и сооружения из несущего железобетона», данный курсовой проект включает в себя такие этапы проектирования, как объемно — планировочное решение, прочностной расчет модели здания, и конструктивные решения соответствующих строительных конструкций и узлов сопряжений в данном сооружении. Используемые в проекте программные комплексы и специализированные САПР:

1) Autodesk Auto CAD 2009 (создание графического материала, чертеж);

2) SCAD Office 11.1 (осуществление прочностных расчетов);

3) Microsoft Word 2003(оформление пояснительной записки);

Adobe Photoshop CS 2 (обработка графического материала). Проектирование ведется на основе задания на проектирование (исходные данные), и в соответствии с действующими на территории РФ СНиП и ТСН.

1. Исходные данные.

1.1 Объект проектирования.

Объект проектирования — резервуар мазута, относится к подсобно — производственным зданиям и сооружениям, расположен на предполагаемой площадке строительства АЭС с реактором РБМК — 1000 (согласно заданию на комплексное проектирование). Сооружение проектируется в монолитном железобетоне, имеет прямоугольное в плане очертание, размеры. Полезная высота составляет. Резервуар находится под землей, высота засыпки составляет. Отметка подошвы. Уровень грунтовых вод .

1.2 Район строительства.

Предполагаемый район строительства сооружения — промышленная площадка АЭС с реактором РБМК — 1000, расположенная в Читинской области, вблизи озера Хилок.

Климатические и метеорологические условия и характеристики места строительства, учитываемые в данном проекте, представлены в сводной Таблице № 1.

Таблица № 1. Метеорологические условия места строительства.

* средняя скорость ветра за три наиболее холодных месяца [1].

1.3 Геологические данные.

Характеристики грунтов основания сооружения представлены в Таблице № 2. В рамках данного проекта упрощенно принимается, что данные геологических изысканий по различным скважинам, расположенным в створе сооружения одинаковы, т. е. расположение слоев грунта параллельное друг другу и подошве резервуара мазута.

Таблица № 2. Характеристики грунтов.

2. Объемно — планировочное и конструктивное решение.

2.1 Выбор шага колонн.

Шаг колонн сооружения в обоих направлениях должен быть оптимальным для нормальной эксплуатации здания. Поскольку целевое назначение резервуара — хранение мазута, что не накладывает дополнительных условий на выбор шага колонн, то основным требованием является обеспечение колонн относительно небольшой грузовой площадью.

Поскольку тип покрытия выбран безбалочным (согласно заданию на проектирование), исходя из опыта проектирования, желательно, чтобы шаг колонн был не более. Поскольку чрезмерное увеличение шага колонн ведет к нецелесообразному увеличению сечению колонн и, как следствие — перерасходу материала. Расстояния между колоннами крайних пролетов рекомендуется принимать на 10−20% меньше чем расстояния в средних пролетах.

Шаг колонн в поперечном направлении сооружения следует принимать на 15−20% больше шага колонн в продольном направлении.

Исходя из приведенных рекомендаций, принимаем (см. Приложение 1, Рисунок 1.1):

;;

;;

— условие выполняется;

— условие выполняется;

— условие выполняется.

Принимаем:

.

.

.

.

2.2 Назначение колонн.

Колонны выполняются в железобетоне, согласно рекомендациям к проектированию [3,2], принимаем колонны квадратного сечения:

.

2.3 Назначение толщины плиты покрытия.

Толщина железобетонной плиты покрытия задается исходя из условий ее достаточной жесткости (2.1):

(2.1).

где — толщина плиты покрытия, — размер большего пролета (в данном случае — расстояние в свету между колоннами);

Принимаем: .

2.4 Назначение толщины стен.

Железобетонные стены принимаются толщиной 200.400мм. Исходя из условий равнопрочности, толщину стен рекомендуется принимать соизмеримой с толщиной плиты покрытия, следовательно, принимаем .

2.5 Назначение толщины фундаментной плиты.

Толщина фундаментной плиты зависит от типа и физико — механических характеристик грунтов в пределах пятна застройки. Чем «жёстче» грунты тем меньше разница величин осадок по площади сооружения, соответственно, тем меньше толщина фундаментной плиты, кроме того, величина толщины зависит от шага колонн. Принимаем .

Таким образом, объемно планировочное решение (см. Приложение 1, Рисунок 1.1), принимаем:

;

;

;

;

;

;

;

.

Все конструктивные элементы сооружения решены в монолитном железобетоне, тип плиты покрытия — безбалочная схема. Предусмотрено усиление колонн капителями.

3. Выбор и обоснование расчетной схемы и метода расчета.

Все данные, необходимые для задания расчетной схемы (объемно — планировочные и конструктивные решения) и последующего расчета сооружения заданы (найдены) в п. 1−2.

3.1 Описание расчетного комплекса.

Система SCAD Office представляет собой набор программ, предназначенных для выполнения прочностных расчетов и проектирования различного вида и назначения строительных конструкций.

В ее состав входят программы четырех видов:

— вычислительный комплекс Structure CAD, который является универсальной расчетной системой конечно — элементного анализа конструкций и ориентирован на решение задач проектирования зданий и сооружений достаточно сложной структуры;

— вспомогательные программы, предназначенные для «обслуживания» ВК SCAD и обеспечивающие: формирование и расчет геометрических характеристик различного вида сечений стержневых элементов, определение нагрузок и воздействий на проектируемое сооружение, вычисление коэффициентов постели, необходимых при расчете конструкций на упругом основании (КРОСС), импорт данных из архитектурных систем и формирования укрупненных моделей (препроцессор ФОРУМ);

— проектно — аналитические программы КРИСТАЛЛ, КАМИН и АРБАТ, которые предназначены для решения частных задач проверки и расчета элементов стальных и железобетонных конструкций в соответствии с требованиями нормативных документов (СНиП);

— проектно — конструкторские программы КОМЕТА и МОНОЛИТ, предназначенные для разработки конструкторской документации на стадии детальной проработки проектного решения. Вычислительные комплекс Structure CAD (SCAD) реализован как интегрированная система прочностного анализа и проектирования конструкций на основе метода конечных элементов и позволяет определить напряженно — деформированное состояние конструкций от статических и динамических воздействий, а также выполнить ряд функций проектирования элементов конструкций.

3.2 Описание расчетной схемы.

Под расчетной схемой понимается реальная конструкция, освобожденная от всех несуществующих особенностей и представленная в связи с эти в некоторой идеализированной форме. В рамках данного курсового проекта, при задании расчетной схемы делаем следующие допущения:

1) Предположение об однородности железобетона;

2) Замена геометрической формы колонн стержнями конечной длины (тело стандартного типа для SCAD);

3) Замена геометрических форм фундаментной плиты, плиты покрытия, а также стен плоскими пластинами (тело стандартного типа для SCAD).

Задание геометрии происходит в препрцессоре SСAD Форум. В данной программе задаются такие параметры, как шаги колонн в обоих направлениях, отметки подошвы фундаментной плиты, расчетная высота сооружения (2), геометрия фундаментной плиты, плиты покрытия, ограждающих конструкций (стены) и колонн.

(3.1).

4) Основание сооружение в расчетной схеме задается как упругое винклеровское основание, на основе моделирования работы многослойного грунтового массива (характеристики грунтов см. в таблице № 2). Для чего, с помощью программы КРОСС (входит в комплект поставки SCAD Office) определяются коэффициенты постели грунтового основания, результаты расчета автоматически передаются в SCAD. Для расчета коэффициентов постели в программе КРОСС, необходимо собрать нагрузку, приходящуюся на грунт под подошвой сооружения. Для этого в расчетной схеме 3-м различным узлам основания задаются жесткие связи по всем направлениям действия нагрузок, после чего производится расчет сооружения на заданные нагрузки. Из таблицы сбора нагрузок, выписываются значения постоянных расчетных нагрузок, действующих по направлению оси, расчетные значения нагрузок делятся на коэффициенты надежности по нагрузке и получаются значения нормативных нагрузок, которые суммируем и делим на площадь нижней плиты (см. Таблицу № 3).

Таблица № 3. Сбор вертикальных нормативных нагрузок на фундаментную плиту.

(3.2).

Результаты расчета см. Приложение № 3.

5) Капители, предусмотренные в проекте, исходя из необходимости обеспечения жесткости сопряжения покрытия с колоннами, а также в целях ликвидации продавливания плиты основания в местах сопряжения с колоннами, в расчетной схеме моделируются как жесткие тела, по своим геометрическим характеристикам максимально приближенные к реальным размерам капителей.

Таким образом, все данные, необходимые для задания расчетной схемы приведены (вычислены), можно переходить к заданию загружений на расчетную схему, и непосредственно, к самому расчету.

4. Нагрузки и их сочетания.

Для расчета сооружения, необходимо произвести сбор нагрузок, действующих на сооружение.

4.1 Собственный вес сооружения.

На сооружение и все его конструктивные составляющие действует собственный вес. Значение которого вычисляется, согласно (4.1).

(4.1).

В расчетном комплексе SCAD нагрузки от собственного веса задаются автоматически, исходя из назначаемых характеристик материалов элементов расчетной схемы, для всех рассчитываемых элементов в качестве материала задается бетон класса B25 (,).

4.2 Нагрузки от грунта засыпки.

Поскольку рассчитываемое сооружение находится в заглублении под землей, на плиту покрытия, распределенной нагрузкой, действует вес грунта засыпки (Приложение 4, Рис. 4.2), значение нагрузки находится, согласно (4.2). Рисунок 4.2.1. Нагрузки от грунта засыпки.

(4.2).

где, ,, тогда получаем: .

4.3 Снеговая нагрузка.

Полное расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия (Приложение 4, Рис. 4.3) следует определять по формуле (4.3).

(4.3).

где — расчетное значение веса снегового покрова на горизонтальной поверхности, исходя из данных, приведенных в Таблице № 1, принимаем:, , тогда .

4.4 Боковое давление грунта.

Со стороны грунта на стенки резервуара действуют силы давления грунта, значение силы давления меняется линейно (4.4), и зависит от глубины заглубления .

(4.4).

где — глубина заглубления, — дополнительное давление на грунт засыпки (в данном случае, это может быть вызвано весом грузовой машины, примем), — угол внутреннего трения грунта засыпки, , — коэффициент надежности по нагрузке,, ,, тогда:

;

.

4.5 Давление грунтовых вод.

Часть здания находится ниже уровня грунтовых вод, отметка УГВ -3,4 м. Следовательно на часть резервуара, находящегося ниже отметки УГВ, действует сила давления, максимальное значение которой вычисляется, согласно (4.5).

(4.5).

где, получаем: .

4.6 Полезная нагрузка на резервуар.

Целевое назначение резервуара — хранение мазута. При заполнении мазутом сооружения, он оказывает давление на фундаментную плиту и стены (Приложение 4, Рисунок 4.6). Рисунок 4.6.1. Заполнение резервуара мазутом.

(4.6).

где — удельный вес мазута, , — высота заполнения хранилища мазутом, , — коэффициент надежности по нагрузке,, тогда: .

4.7 Комбинации загружений.

Задание комбинации загружений позволяет порлучить показатели напряженно — деформируемого состояния системы, на которую одновременно действуют несколько загружений. При этом любое из загружений может быть включено в комбинацию с некоторым множителем. Коэффициенты включений в различные комбинации загружений приведены в Таблице № 4.

Таблица № 4. Комбинации загружений.

4.8 Расчетные сочетания усилий.

строительство нагрузка арматура схема Определение РСУ — задача нахождения сочетания отдельных загружений, которые могут быть решающими (наиболее опасными) для каждого проверяемого элемента, либо каждого сечения элемента. Основой выбора невыгодных расчетных расчетных сочетаний усилий служит принцип суперпозиции, что предполагает выполнение расчетов, как для линейно работающей системы. Вместе с тем, результаты выбора невыгодных расчетных сочетаний усилий используются для проверки прочности железобетонных конструкций, где работа сечения с трещинами и в состоянии текучести арматуры является заведомо нелинейной. Основываясь на этом, принцип суперпозиций используется для отыскания невыгоднейших сочетаний усилий, которые создают максимальные напряжения в характерных точках или на характерных площадках конечных элементов. Расчетные сочетания усилий задаются в виде.

5. Результаты расчета.

Результаты расчета представлены в Приложениях 5−6.

5.1 Деформации расчетной схемы.

Расчет дает информацию о деформациях расчетной схемы от заданных загружений, а также комбинаций загружений. (см. Приложение 5). Исходя из условий жесткости:

(5.1).

Таким образом, максимальные прогибы сооружения не превышают предельного вертикального прогиба (в данном случае расчет был произведен для максимальных прогибов плиты покрытия и фундаментной плиты).

5.2 НДС конструктивных элементов сооружения.

Расчет сооружения позволяет графически отобразить напряженно — деформируемое состояние таких элементов, как колонны (эпюры), стены (), фундаментная плита () и плита покрытия ().

Данные значения усилий найдены из различных комбинаций загружений для различных колонн. Но, поскольку при расчете были заданы не все комбинации загружений, следовательно существует вероятность возникновения такой комбинации, при которой все экстремальные значения усилий возникнут сразу в одной колонне.

Фундаментная плита Эпюры усилий, возникающих в фундаментной плите от действия комбинаций загружений, вызывающей максимальные значения изгибающих моментов, представлены в Приложении 6, Рисунки 6.1−6.2. Максимальные и минимальные значения изгибающих моментов и: ,; , .

Плита покрытия Эпюры усилий, возникающих в плите покрытия от действия комбинаций загружений, вызывающей максимальные значения изгибающих моментов, представлены в Приложении 6, Рисунки 6.3−6.4. Максимальные и минимальные значения изгибающих моментов и: ,; , .

Стены Эпюры усилий, возникающих в стенах от действия комбинаций загружений, вызывающей максимальные значения изгибающих моментов, представлены в Приложении 6, Рисунки 6.5−6.6. Максимальные и минимальные значения изгибающих моментов и: ,; , .

5.3 Результаты армирования.

Посредством модуля армирования, в ПК SCAD был выполнен подбор арматуры в элементах железобетонных конструкций в соответствии с требованиями СНиП 52.01.2003. Расчет был выполнен для железобетонных колонн, стен, фундаментной плиты и плиты покрытия, выполняемых из бетона марки В-25, с применением арматуры классов A-1, A-III. Подбор арматуры производился из условий трещиностойкости. Необходимо отметить, что расчет армирования проводился в несколько итераций. Первым расчетом были вычислены приблизительные значения диаметров арматуры, подходящей из условий прочности. Второй расчет проводился с учетом задания действительных защитных слоев бетона.

Колонны Расчет колонн производился как для 3D стержней (модуль 2), результаты армирования представлены в Приложении 6.13−6.14. В качестве исходных данных было задано условие прямоугольного профиля колонны, с симметричным расположением арматуры, т. е. As1=As2, As3=As4. Были получены следующие значения: ,; ,.

Фундаментная плита Расчет фундаментной плиты производился как для плиты, оболочки (модуль 11), результаты армирования представлены в Приложении 6.1−6.4. Шаг армирования в продольном и поперечном направлениях выбирался равным 200 мм. Значения армирования для нижней арматуры достигает своих максимальных значений в (,) элементах, близких к местам опирания колонн (максимальное растяжение). Согласно расчету, существуют участки, на которых нижняя арматура фундаментной плиты не участвует в работе (т.е. не воспринимает растягивающие усилия), или воспринимает минимальные усилия (,), это площадки расположенным колоннами. Для верхней арматуры плиты, подбор армирования дает максимальные значения (,) на площадках между колоннами (максимальные усилия растяжения), минимальные значения армирования (,) у элементов, близких к местам сопряжения колонны с фундаментной плитой. Ручной расчет фундаментной плиты и конструирование представлены в Приложении 7.

Плита покрытия Расчет плиты покрытия производился как для плиты, оболочки (модуль 11), результаты армирования представлены в Приложении 6.5−6.8. Шаг армирования в продольном и поперечном направлениях выбирался равным 200 мм. Значения армирования для нижней арматуры достигает своих максимальных значений в (,) элементах, принадлежащим площадкам расположенным колоннами. Согласно расчету, существуют участки, на которых нижняя арматура фундаментной плиты не участвует в работе (т.е. не воспринимает растягивающие усилия), или воспринимает минимальные усилия (,), это элементы, расположенные вблизи колонн и стен. Для верхней арматуры плиты, подбор армирования дает максимальные значения (,) в элементах близких к местам сопряжения колонн с плитой покрытия (максимальные усилия растяжения), минимальные значения армирования (,) у элементов, близких к местам сопряжения колонны с фундаментной плитой.

Стены Расчет стен производился как для плиты, оболочки (модуль 11), результаты армирования представлены в Приложении 6.9−6.12. По итогам армирования, для стен принимаем: Продольная внешняя арматура: A-III, с шагом 200 мм; Поперечная внешняя арматура: A-III, с шагом 200 мм; Продольная внутренняя арматура: A-III, с шагом 200 мм; Поперечная внутренняя арматура: A-III, 16 с шагом 200 мм.

6. Конструирование арматуры по результатам расчета.

По результатам п. 5.3. (Результаты армирования), Приложению 7, а также [2,3,4,5], принимаются следующие конструктивные решения. Стены Защитный слой бетона 30 мм, поперечная арматура представлена шпильками из арматуры A-I d 8 мм, с шагом 400×400 мм. Места сопряжения стен с фундаментной плитой и плитой покрытия усилены вутами, ширина вутов составляет 200 мм. — Продольная внешняя арматура: A-III, с шагом 200 мм; - Поперечная внешняя арматура: A-III, с шагом 200 мм; - Продольная внутренняя арматура: A-III, с шагом 200 мм; - Поперечная внутренняя арматура: A-III, с шагом 200 мм. Фундаменты Защитный слой бетона 30 мм, поперечная арматура представлена шпильками из арматуры A-I d 8 мм, с шагом 500×500 мм. Продольная и поперечные арматуры A-III, с шагом 250 мм. Плита покрытия Защитный слой бетона 30 мм, поперечная арматура представлена шпильками из арматуры A-I d 8 мм, с шагом 500×500 мм. Продольная и поперечные арматуры A-III, с шагом 250 мм, в местах сопряжения колонн с плитой будут установлены дополнительные сетки A-III, с шагом 200 мм. Колонны В качестве продольной арматуры в железобетонных колоннах принимаем А-III 8d20. Хомуты А-I d8, шаг расстановки 400 мм, в областях колонн, близких к сопряжению с плитой покрытия и фундаментной плитой, шаг расстановки хомутов учащается — 200 мм.

7. Расчете СК на действие экстремальных температур.

Температурные воздействия на строительные конструкции могут иметь самое разнообразное происхождение, но чаще всего рассматриваются климатические температурные воздействия и технологические температурные воздействия. Имеется еще один источник этих воздействий, а именно нагрев конструкций при пожарах, однако он в рамках данного курсового проекта рассмотрен не будет.

Нагрев или охлаждение конструктивного элемента создает в нем некоторое температурное поле, которое представляет собой функцию координат рассматриваемой точки. Это поле в поперечном сечении конструктивного элемента (например, стержневого) удобно представлять в виде суммы четырех составляющих (рис. П. 8.1): а) средней температуры t, равномерно распределенной по сечению, создающей общее удлинение/укорочение элемента, которому соответствует продольная сила N; б) температуры, меняющейся по линейному закону относительно оси z, имеющей в пределах сечения перепад и искривляющей стержень, причем роль соответствующей ей обобщенной силы играет момент Mz; в) то же, но относительно оси у с температурным перепадом и моментом Mv; г) нелинейного самоуравновешенного «остатка»,.

Перепады температур по сечению определяются через температурные градиенты (изменение температуры на единицу высоты или ширины сечения).

К температурным воздействиям, используемым в прочностных расчетах, относятся только первые три компоненты, поскольку самоуравновешенное поле температур, вызывает в стержне лишь бимоменты высоких порядков, которые обычно не учитываются.

Рисунок П. 8.1. Компоненты температурного поля Часто, например для проезжей части мостов, возникает необходимость использования двухкомпонентной модели распределения температур и соответствующих им деформаций (рис. П. 8.2). Для составных поперечных сечений необходимо рассмотреть свойства каждого материала и ввести эквивалентные распространения температуры. Это может быть выполнено следующим образом.

Рисунок П. 8.2. Составное поперечное сечение Вводятся два параметра, определяющие соотношения физических констант материалов для отдельных частей поперечного сечения:

; (8.1).

Здесь:

— модуль упругости материала 1;

— модуль упругости материала 2;

— коэффициент теплового линейного расширения материала 1 ;

— коэффициент теплового линейного расширения материала 2;

— площадь области поперечного сечения с материалом 1;

— площадь области поперечного сечения с материалом 2.

Эффективное значение равномерной температуры дается формулой:

(8.2).

Температурные перепады на единицу длины поперечного сечения и вдоль осей у-у и z-z (°С/м), дается формулами:

(8.3).

(8.4).

где — моменты инерции областей материала 1 и 2 относительно главной центральной оси у—у приведенного поперечного сечения, aмоменты инерции областей материала 1 и 2 относительно главной центральной оси z—z приведенного поперечного сечения.

При определении поля температур обычно используется сильно упрощающее предположение о том, что это поле не зависит от напряженно-деформированного состояния конструкции, хотя в отдельных случаях это предположение может и не выполняться, поскольку теплопроводность некоторых материалов зависит от их напряженного состояния. Однако указанные случаи все же являются исключением.

Конструкции, напряженное и деформированное состояние которых определяется главным образом осевыми температурными деформациями элементов (например, каркас здания), рассчитываются на — изменение во времени средней по сечению температуры конструкций по отношению к начальной температуре (рис. 8.3,а).

Рисунок П. 8.3. Виды температурных деформаций элементов: а — осевых удлинений (укорочений); б — сдвиговых; в — поперечных изгибных Примыкающие друг к другу элементы и их соединения при различных осевых температурных деформациях (например, наружные стены и примыкающие к ним элементы каркаса) рассчитываются на сдвиг (рис. 8.3, б).

Конструкции, в которых, кроме того, важна оценка напряжений и деформаций, возникающих вследствие неравномерного распределения температуры по сечению (например, стены здания), в ряде случаев рассчитываются на — перепад температуры по сечению (рис. 8.3, в).

Для определения и устанавливаются два неблагоприятных значения средних температур конструкций и и перепадов температуры по сечению и в наиболее теплый (июль) и наиболее холодный (январь) месяцы года, а также начальная температура t0.

1. Нагрузки и воздействия. М.: ЦИТП, 2006;

2. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. М.: ФГУП ЦПП, 2007;

3. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. М.: ФГУП ЦПП, 2008;

4. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. М.: ЦИТП, 2006;

5. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. М.: ФГУП ЦПП 2007;

6. SCAD Office Вычислительный комплекс. В. С. Карпиловский, Э. З. Криксунов, А. А. Маляренко, М. А. Микитаренко, А. В. Перельмутер, М. А. Перельмутер.М.: Издательство АСВ 2008;

7. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения. В. Н. Гордеев, А. И. Лантух — Лященко, В. А. Пашинский, А. В. Перельмутер, С. Ф. Пичугин. М.: Издательство АСВ 2008.