Проектирование железобетонных колонн одноэтажных промышленных зданий

1. Компоновка конструктивной схемы поперечной рамы

2. Сбор нагрузок

2.1 Постоянные нагрузки

2.2 Снеговая нагрузка

2.3 Ветровая нагрузка

2.4 Нагрузка от мостовых кранов

3. Статический расчет рамы

4. Расчет и конструирование колонны в ряду «Б»

4.1 Расчет надкрановой части колонны

4.2 Расчет подкрановой части

5. Расчет фундамента в ряду «Б»

5.1 Исходные данные

5.2 Определение требуемой площади фундамента

5.3 Определение размеров ступеней фундамента

5.4 Расчет на продавливание

5.5 Расчет арматуры по подошве фундамента

6. Проектирование сегментно-раскосной фермы

6.1 Исходные данные

6.2 Усилия в элементах фермы

6.3 Расчет верхнего пояса фермы на прочность

6.4 Расчет нижнего пояса фермы

6.5 Расчет растянутого раскоса

6.6 Расчет сжатого раскоса

6.7 Расчет сжатых стоек Библиографический список

1. Компоновка конструктивной схемы поперечной рамы Здание является отапливаемым, с двумя пролетами по 18 м. Шаг колонн по внешним рядам составляет 6 м, по внутренним рядам — 6 м. Отметка низа подкрановых конструкций — 9,6 м; отметка верха стакана фундамента — 0,15 м. Мостовые краны грузоподъемностью 20 т расположены во всех пролетах. Подкрановые балки — железобетонные высотой (1/8. 1/10)l, примем h_балки = 1,4 м. Район строительства — г. Елец. Снеговая нагрузка для III района, ветровая — для 5 района, местность открытая.

В качестве основной несущей конструкции покрытия принимаем ж/б фермы с предварительно-напряженным нижним поясом. Плиты покрытия — предварительно-напряженные ж/б ребристые плиты размером 3×6 м. Наружные стены — железобетонные стеновые панели.

Отметка кранового рельса:

Длину надкрановой H₁ и подкрановой H₂ частей колонн определяем, исходя из:

— отметки низа стропильной конструкции, равной 9,6 м;

— габаритных размеров крана по высоте H_кран = 2100 мм;

— зазора между нижним поясом фермы и краном a₁ = 150 мм;

— высота подкранового рельса КР-70 с прокладками h_r = 130 мм;

— высоты подкрановой балки h_балки = 1,4 м;

— отметки обреза фундамента a₂ = 0,15 м.

Тогда длина надкрановой части составит:

В соответствии с типоразмерами колонн принимаем H₁ = 3800 (мм).

Длина подкрановой части:

Общая длина колонны равна:

Отметка кранового рельса: H_r = 7 330 (мм).

Принимаем колонны прямоугольного сечения 800×400 мм.

Привязка колонн относительно продольных разбивочных осей принимаем равными 250 мм, оси торцовых колонн смещаем с поперечных разбивочных осей на 500 мм внутрь здания, а оси остальных колонн оставляем совмещенными с разбивочными осями.

Компоновка конструктивной схемы поперечной рамы здания представлена на рис. 1:

Рис. 1. Компоновка поперечной рамы.

2. Сбор нагрузок

2.1 Постоянные нагрузки Нагрузки от собственного веса конструкций покрытия и кровли сведены в табл. 1:

Табл. 1. Нагрузки от собственного веса конструкций покрытия и кровли.

Нагрузки от покрытия приводятся к следующей системе сил:

где В — шаг стропильных ферм.

Нагрузки от подкрановых конструкций представлены в виде сосредоточенных нагрузок от подкрановых конструкций, включающих нагрузку от подкрановой балки с тормозными конструкциями и собственный вес рельса:

где G — нормативный вес подкрановой балки;

г_f — коэффициент надежности по нагрузке;

k_f — коэффициент, учитывающий вес тормозных конструкций;

q — нормативный вес кранового рельса;

В — шаг колонн.

Нагрузки от веса стенового ограждения сведены в таблице 2:

Табл. 2. Нагрузки от веса стенового ограждения.

Нагрузки от стенового ограждения учитываются в виде:

Для стеновых панелей:

— распределенной силы, приложенной к колоннам:

— распределенных моментов относительно оси колонны в подкрановой части:

— распределенных моментов относительно оси колонны в надкрановой части:

Для оконных переплетов:

— распределенной силы, приложенной к колоннам:

— распределенных моментов относительно оси колонны в подкрановой части:

— распределенных моментов относительно оси колонны в надкрановой части:

2.2 Снеговая нагрузка Снеговая нагрузка вычисляется по формуле:

где — расчетное значение веса снегового покрова;

— коэффициент перехода от веса снегового покрова к снеговой нагрузке на покрытие.

г. Елец расположен в III снеговом районе. Расчетная снеговая нагрузка — .

Для различных конфигураций покрытий существуют несколько вариантов коэффициентов, что определяет наличие нескольких вариантов снеговой нагрузки.

При

При

Перейдем к сосредоточенным нагрузкам:

2.3 Ветровая нагрузка Расчетное ветровое воздействие на раму в виде распределенных по высоте колонн нагрузок определяется:

w₀ — нормативное значение ветрового давления;

k — коэффициент изменения ветрового давления по высоте;

с — аэродинамический коэффициент;

г_f — коэффициент надежности по нагрузке;

S_k — шаг колонн.

Елецк расположен в III ветровом районе и w₀ = 0,38 кН/м².

При z < 5 м k = 0,75. Тогда получим:

Ветровое давление:

Ветровой отсос:

При z = 10 м k = 1. Тогда получим:

Ветровое давление:

Ветровой отсос:

При z = 15 м k = 1,125. Тогда получим:

Ветровое давление:

Ветровой отсос:

2.4 Нагрузка от мостовых кранов Параметры крана:

Грузоподъемность: Q = 200 кН.

Расстояние между упорами крана: B = 5,6 м.

Расстояние между колесами крана вдоль подкрановой балки: A_кр = 4,4 м.

Максимальная нагрузка от одного колеса: F_max = 170 кН.

Собственный вес тележки: m₁ = 63 кН.

Собственный вес крана с тележкой: m_k = 220 кН.

Число колес на одной стороне крана: n₀ = 2.

Тип кранового рельса: КР-70.

Минимальное давление от колес крана:

Поперечные крановые нагрузки:

Нормативная величина силы от торможения тележки с грузом находится по формуле:

Тормозная нагрузка:

3. Статический расчет рамы Статический расчет выполняется при помощи программно-вычислительного комплекса SCAD.

Табл. 3. Обозначение номеров загружений в программно-вычислительном комплексе SCAD.

Таблица 4

4. Расчет и конструирование колонны в ряду «Б»

4.1 Расчет надкрановой части колонны Бетон класса В40 с расчетными характеристиками при коэффициенте условий работы бетона г_b2 = 0,9:

Арматура класса Ат-VI, защитный слой бетона a = 4 (см),

Размеры: 380×400 (мм); l₀ = 2H_B = 23,8 = 7,6 (м).

Усилия в надкрановой части колонны:

— от полной расчетной нагрузки: М = 119,4 (кНм); N = - 693,2 (кН).

— от постоянных и длительных нагрузок: M_L = 88 (кНм); N_L = - 343 (кН).

С учетом длительности действия нагрузок принимаем коэффициент условия работы бетона г_b2 = 1,1.

Выполним предварительные вычисления, приняв симметричное армирование сечения:

Рабочая высота сечения:

Коэффициент приведения:

Момент инерции сечения:

Тогда действительный эксцентриситет равен:

Случайный эксцентриситет будет равен:

Расчетный эксцентриситет будет равен:

Определим гибкость колонны:

следовательно, необходимо учитывать влияние прогиба на несущую способность элемента. Определим критическую силу и коэффициент увеличения начального эксцентриситета:

1. Условная критическая сила:

размеры сечения достаточны.

2. Коэффициент увеличения начального эксцентриситета:

3.

Характеристика сжатой зоны бетона:

Вычислим граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона:

Определим высоту сжатой зоны бетона:

Относительная высота сжатой зоны бетона:

При имеем первый случай внецентренного сжатия:

Принимаем арматуру 4 Ш 12 мм, Ат-VI (A_s = 4,52 см²).

4.2 Расчет подкрановой части Размеры сечения 800×400 мм.

Расчетная длина подкрановой части колонны:

Усилия в подкрановой части колонны:

— от полной расчетной нагрузки: М = 119 (кНм); N = - 1411 (кН); Q = 31,4 (кН).

— от постоянных и длительных нагрузок: M_L = 88 (кНм); N_L = - 868 (кН).

Выполним предварительные вычисления, приняв симметричное армирование сечения:

Рабочая высота сечения:

Коэффициент приведения:

Момент инерции сечения:

Тогда действительный эксцентриситет равен:

Случайный эксцентриситет будет равен:

Расчетный эксцентриситет будет равен:

Определим гибкость колонны:

следовательно, влияние прогиба на несущую способность элемента можно не учитывать. Определим критическую силу и коэффициент увеличения начального эксцентриситета:

1. Условная критическая сила:

размеры сечения достаточны.

2. Коэффициент увеличения начального эксцентриситета:

3.

Характеристика сжатой зоны бетона:

Вычислим граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона:

Определим высоту сжатой зоны бетона:

Относительная высота сжатой зоны бетона:

При имеем первый случай внецентренного сжатия:

Принимаем арматуру 6 Ш 20 мм, Ат-VI (A_s = 1 885 мм²).

5. Расчет фундамента в ряду «Б»

5.1 Исходные данные Бетон класса В20 с расчетными характеристиками при коэффициенте условий работы бетона г_b2 = 0,9:

Арматура класса Ат-VI, защитный слой бетона a = 4 (см),

Расчетное сопротивление грунта:

Средний объемный вес фундамента и грунта на его обрезах:

Усилия в фундаменте:

— от полной расчетной нагрузки: M = 119 (кНм); N = 1411 (кН); Q = 31,4 (кН).

Нормативные усилия на обрезе фундамента:

5.2 Определение требуемой площади фундамента Глубина заведения колонны в стакан:

Расстояние от дня стакана до подошвы фундамента принимаем 150 мм.

Высоту фундамента принимаем из 3-х условий:

Принимаем H = 1200 мм.

Глубина заложения фундамента:

Требуемая площадь подошвы фундамента:

Пусть b/a = 0,8, тогда:

Принимаем размеры фундамента: a = 2,4 (м); b = 2,0 (м); А = 4,8 (м²).

Эксцентриситет равен:

Уточним расчетное давление на грунт основания при H₁ = 1,35 (м):

Пересчитаем требуемую площадь:

Следовательно, принятые размеры фундамента достаточны.

5.3 Определение размеров ступеней фундамента Разбиваем высоту фундамента H = 1200 мм на 3 уступа: первые 2 по 450 мм, третий — 300 мм. Рабочая высота фундамента:

Рабочая высота нижнего уступа: h₀ = 410 (мм).

Принимаем размеры в плане:

2-ого уступа: а₁ = 2,1 (м); b₁ = 1,8 (м).

3-его уступа: а₂ = 1,5 (м); b₂ = 1,2 (м).

Найдем усилия на уровне подошвы фундамента:

Определим максимальное и минимальное напряжения по подошве фундамента:

Определим среднее давление на грунт:

5.4 Расчет на продавливание Расчет ведем по формуле:

Средний размер грани пирамиды продавливания:

Продавливающая сила:

Следовательно, прочность на продавливание обеспечена.

5.5 Расчет арматуры по подошве фундамента Проверим необходимость постановки поперечной арматуры в нижнем уступе фундамента:

Поперечная арматура в нижнем уступе не требуется.

Рассчитаем арматуру по подошве фундамента.

Момент сопротивления:

Определим напряжения под подошвой фундамента в направлении длинной стороны, а без учета веса фундамента и грунта на его уступах от расчетных усилий:

Определим расчетные изгибающие моменты:

Сечение I — I:

Подбираем арматуру по моменту M_I-I:

Сечение II — II:

Подбираем арматуру по моменту M_I-I:

Сечение III — III:

Подбираем арматуру по моменту M_I-I:

Примем армирование равным 9 Ш 10 мм, Ат-VI, A_s = 7,07 (см²):

Определим арматуру, укладываемую параллельно меньшей стороне фундамента:

Подбираем арматуру по моменту M_I-I:

Принимаем арматуру параллельно меньшей стороны фундамента 20Ш7 мм, Ат-VI, A_s = 7,7 (см²).

6. Проектирование сегментно-раскосной фермы Результаты вычисления усилий в стержнях фермы от расчетных комбинаций загружений выполняются на расчетно-вычислительном программном комплексе SCAD.

6.1 Исходные данные Ферма проектируется предварительно напряженной на пролет 24 м, цельной, при шаге ферм равным 12 м:

— бетон В30:

г_b2 = 1,0:

— Напрягаемая арматура для нижнего пояса — К-7:

— ненапрягаемая арматура — Ат-VI:

6.2 Усилия в элементах фермы Из расчета, произведенного в программно-вычислительном комплексе SCAD, выберем расчетные нагрузки для различных элементов фермы и внесем данные в табл. 5:

Табл. 5. Расчетные усилия в элементах фермы.

6.3 Расчет верхнего пояса фермы на прочность Ширину верхнего пояса из условия опирания плит покрытия пролетом 12 м принимаем равной 280 мм. Определяем ориентировочно требуемую площадь сечения верхнего сжатого пояса:

Назначаем размеры сечения верхнего пояса:

Рабочая высота сечения:

Коэффициент приведения равен:

Момент инерции сечения:

Расчетная длина:

Наибольшая гибкость сечения равна:

Следовательно, необходимо учитывать влияние прогиба элемента на его прочность.

Случайный эксцентриситет будет равен:

Расчетный эксцентриситет будет равен:

Коэффициент д_e:

Коэффициент, учитывающий влияние длительного действия нагрузки:

Расчет выполним в соответствии с алгоритмом подбора рабочей арматуры при симметричном армировании.

Принимаем в первом приближении значение коэффициента армирования м = 0,025, тогда момент инерции арматуры составит:

Значение условной критической силы:

Определим значение коэффициента з:

Определим величину расчетного эксцентриситета с учетом прогиба элемента:

Характеристика сжатой зоны бетона:

Вычислим граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона:

Следовательно, имеем второй случай внецентренного сжатия:

Относительная высота сжатой зоны:

Необходимая площадь рабочей арматуры равна:

Коэффициент армирования равен:

Допускается повторный расчет не производить.

Принимаем 4Ш20 Ат-VI с A_s'=A_s = 12,56 (см²).

6.4 Расчет нижнего пояса фермы Расчетные усилия: N = 626 (кН).

Определяют площадь сечения напрягаемой арматуры как для внецентренно растянутого элемента.

Принимаем сечение 20×20 см.

Эксцентриситет приложения внешней нагрузки:

Так как h₀ — a = 20 — 5 = 15 (см) > e'=6 (см), то площадь сечения арматуры определим по формуле:

Принимаем 4 К-7 Ш 15 мм с A_s = 7,065 (см²) из условия трещиностойкости. Напрягаемая арматура окаймлена хомутами. Нерабочая арматура каркасов — из стали Ат-VI (4 Ш 10 мм с A_s = 3,14 см²).

Суммарный процент армирования:

Приведенная площадь сечения:

Расстояние от центра тяжести сечения до нижней грани y₀ = 14 (см).

Момент инерции приведенного сечения равен:

Момент сопротивления приведенного сечения:

Расчет нижнего пояса на трещиностойкость.

Элемент относится к 3-ей категории по трещиностойкости. Принимаем механический способ натяжения арматуры. Значение предварительного натяжения в арматуре у_sp при p = 0,05у_sp назначают из условия

Величину начального максимально допустимого предварительного напряжения считаем, т. е. у_sp = 0,951 295 = 1230 (МПа).

Принимаем у_sp = 1200 (МПа).

Определим предварительные напряжения в арматуре при г_sp = 1.

Первые потери:

— от релаксации напряжения:

— от температурного перепада:

— от деформации анкеров при инвертарных зажимах:

— от трения арматуры: у₄ = 0 (напрягаемая арматура не имеет перегибов).

— от деформации стальных форм: у₅ = 0 (натяжение производится на упоры стенда)

— от быстронатекающей ползучести бетона:

Первые потери равны:

Вторые потери:

— от усадки тяжелого бетона класса В30: у₈ = 35 (МПа)

— от ползучести:

Итого вторые потери:

Полные потери:

Напряжение в арматуре с учетом всех потерь:

Усилие обжатия с учетом всех потерь при г_sp = 1:

Упругопластический момент сопротивления равен:

г = 1,75 — коэффициент, учитывающий влияние неупругих деформаций бетона в зависимости от формы сечения.

Величина усилия при значении коэффициента надежности по нагрузке г_f = 1,2 составляет:

Так как P₂ = 619,1 (кН) < N_n,max = 881,2 (кН) значение r определяем по формуле:

Момент усилия обжатия относительно оси, проходящей через ядровую точку, определим по формуле:

Момент внешней продольной силы относительной оси, проходящей через ядровую точку, определим по формуле:

Проверим условие трещинообразования:

Следовательно, трещины в нижнем поясе не образуются.

6.5 Расчет растянутого раскоса Растягивающее усилие в раскосе: нормативное значение усилия от постоянной и полной снеговой нагрузок N_n = 42,5 (кН). Расчетное значение N = 62,5 (кН).

Натяжение выполняется на упоры, способ натяжения — механический. Необходимая площадь сечения арматуры из условия прочности сечения:

Принимаем 2 Ш 10 мм Aт-VI с A_s = 1,57 (см²).

Принимаем сечение равным 14×20 см.

Расчет на трещиностойкость.

Где г = 0,85 — коэффициент, учитывающий снижение трещиностойкости вследствие жесткости узлов фермы.

Условие трещиностойкости соблюдается, т. е. трещины не образуются.

6.6 Расчет сжатого раскоса Определяем ориентировочно требуемую площадь сечения сжатого раскоса:

Назначаем размеры сечения верхнего пояса:

Рабочая высота сечения:

Коэффициент приведения равен:

Момент инерции сечения:

Расчетная длина:

Наибольшая гибкость сечения равна:

Следовательно, необходимо учитывать влияние прогиба элемента на его прочность.

Случайный эксцентриситет будет равен:

Расчетный эксцентриситет будет равен:

Коэффициент д_e:

Коэффициент, учитывающий влияние длительного действия нагрузки:

Расчет выполним в соответствии с алгоритмом подбора рабочей арматуры при симметричном армировании.

Принимаем в первом приближении значение коэффициента армирования м = 0,01, тогда момент инерции арматуры составит:

Значение условной критической силы:

Определим значение коэффициента з:

Определим величину расчетного эксцентриситета с учетом прогиба элемента:

Характеристика сжатой зоны бетона:

Вычислим граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона:

Определим коэффициенты:

Следовательно, имеем 1-ый случай внецентренного сжатия.

Принимаем симметричное армирование. Необходимая площадь рабочей арматуры:

Принимаем 2 Ш 10 Ат-VI с A_s = A_s'=1,57 (см²).

6.7 Расчет сжатых стоек Арматура Aт-VI: R_s = 365 (МПа); N = 21,4 (кН); R_btn = 1,8 (МПа).

Принимаем 4 Ш 10 Ат-VI с A_s = 3,14 (см²).

Расчет по образованию трещин производим по формуле:

фундамент ферма арматура Следовательно, трещины не образуются.

Библиографический список

1. СП 20.13 330.2011. Нагрузки и воздействия. [Электр. ист.] / Свод правил 20.13 330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07−85*. — М. 2011. — 81 с.

2. СНиП 2.03.01−84. Бетонные и железобетонные конструкции. [Текст] / Госстрой СССР. — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. — 79 с.

3. СНиП 2.01.07−85*. Нагрузки и воздействия. [Текст] / Госстрой СССР. — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. — 79 с.

4. Байков, В.Н., Сигалов, Э. Е. Железобетонные конструкции. [Текст] / В. Н. Байков, Э. Е. Сигалов. Железобетонные конструкции: Общий курс. 5-е изд., перераб и доп. — М.: Стройиздат, 1991. — 767 с.

5. Бондаренко, В. М. Расчет железобетонных и каменных конструкций. [Текст] / Бондаренко В. М., Судницын А. И., Назаренко В. Г. Учеб. пособие для строит. вузов. — М.: Высшая школа, 1988. — 304 с.

6. Шерешевский, И. А. Конструирование промышленных зданий и сооружений. [Текст] / Учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. — Л.: Стройиздат (Ленинградское отделение), 1975. — 152 с.

7. Спиридонов, В.М. и др. Типовые железобетонные конструкции зданий и сооружений для промышленного строительства. [Текст] / Спиридонов В. М., Ильин В. Т., Приходько И. С. и др. Справочник проектировщика — 2-е изд., перераб. и доп. / Под общ. ред. Бердичевского Г. И. — М.: Стройиздат, 1981. — 488 с.

8. Горюнов, М.В. МУ 1482. [Текст] / Раздаточный материал для выполнения 1-ого и 2-ого курсовых проектов по дисциплине «Железобетонные и Каменные конструкции» — Липецк: Типография ЛГТУ, 2007. — 40 с.

9. Пантелькин И. И. МУ 1841. [Текст] / Пантелькин И. И., Левченко А. М., Калмыкова Е. Л., Мандрик О. П. Проектирование железобетонных ферм покрытия с применением ЭВМ к выполнению 2-ого курсового проекта по курсу «Железобетонные и каменные конструкции» — Липецк: Типография ЛГТУ, 1995. — 32 с.

10. Пантелькин, И.И. МУ 275. [Текст] / Пантелькин И. И., Горюнов М. В., Курьянова Т. М. К примеру расчета и конструированию железобетонной предварительно напряженной подкрановой балки. — Липецк: Типография ЛипПИ, 1984. — 36 с.

11. Пантелькин, И.И. МУ 2701. [Текст] / Пантелькин И. И., Горюнов М. В., Черников В. М., Курьянова Т. М. По расчету с использованием ЭВМ и конструированию железобетонной подкрановой балки. — Липецк: Типография ЛГТУ, 2001. — 32 с.

12. Пантелькин, И.И. МУ 748. [Текст] / Пантелькин И. И., Горюнов М. В., Курьянова Т. М. Проектирование железобетонных ферм одноэтажных промышленных зданий. — Липецк: Типография ЛГТУ, 2005. — 32 с.

13. Пантелькин, И.И. МУ 2686. [Текст] / Пантелькин И. И., Горюнов М. В., Капырин Н. В., Курьянова Т. М. Проектирование железобетонных колонн одноэтажных промышленных зданий. — Липецк: Типография ЛГТУ, 2000. — 32 с.