Расчет параметров железобетонных конструкций

Введение

Железобетонные конструкции являются базой современной строительной индустрии. Их применяют: в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве — для зданий различного назначения; в транспортном строительстве — для метрополитенов, мостов, туннелей; в энергетическом строительстве — для гидроэлектростанций, атомных реакторов; в гидромелиоративном строительстве — для плотин и ирригационных устройств; в горной промышленности — для надшахтных сооружений и крепления подземных выработок и т. д. Такое широкое распространение в строительстве железобетон получил вследствие многих его положительных свойств: долговечности, огнестойкости, стойкости против атмосферных воздействий, высокой сопротивляемости статистическим и динамическим нагрузкам, малых эксплуатационных расходов на содержание зданий и сооружений и др. Почти повсеместное наличие крупных и мелких заполнителей, в больших количествах идущих на приготовление бетона, делает железобетон доступным к применению практически на всей территории страны.

По способу возведения различают: железобетонные конструкции сборные, изготовляемые преимущественно на заводах стройиндустрии и затем монтируемые на строительных площадках; монолитные, полностью возводимые на месте строительства; сборно-монолитные, в которых рационально сочетается использование сборных железобетонных элементов заводского изготовления и монолитных частей конструкций.

В настоящее время сборные железобетонные конструкции в наибольшей степени отвечают требованиям индустриализации строительства, хотя следует отметить, что и монолитный бетон с каждым годом получает все большее признание.

1. Расчетные данные

Размеры в плане, м: 18Ч24

Высота, м: 4,8

Класс бетона: В25

Класс арматуры: А-III

Расчетное сопротивление грунта, кПа :250

Объемная масса грунта, кН/мі: 17

Расчетный угол внутреннего трения, градус: 35

Временная нагрузка на призме разрушения V, кН/мІ: 30

Резервуар проектируем в г. Красноярске.

Данные для проектирования.

Бетон тяжелый класса В25.

Расчетное сопротивление бетона сжатию =14,5 МПа. Нормативное сопротивление бетона сжатию =1,05 МПа. Начальный модуль упругости бетона =30 000 МПа.

Арматура:

Класс арматуры А-III. Расчетное сопротивление растяжению =365МПа. Модуль упругости арматуры =210 000 МПа.

2. Проектирование ригелей

2.1 Расчетные пролеты и нагрузки

Расчетные средние пролеты ригеля принимаем равными расстоянию между осями колонн, =6,0 м.

Расчетный пролет крайних ригелей =5,8 м.

Мы имеем ригель таврового сечения полками вниз. Передача нагрузки от перекрытия происходит через торцовые ребра ребристых панелей или нижнюю поверхность пустотных, поэтому нагрузка считается равномерно распределенной.

Определим величину нагрузок на 1 пог. м ригеля, т. е. В=6 м.

Снег: расчетная снеговая нагрузка равна =180 кг/мІЧ10 м/сІ=1800 Н/мІ=1,8 кН/мІ;

тогда расчетная погонная нагрузка: =1,8 кН/мІЧ6 м=10,8 кН/м;

Грунт: нормативная нагрузка находится по формуле Ч b=17 кН/міЧ0,4 м=6,8 кН/мІ, где b — толщина слоя грунта; коэффициент надежности равен 1,3; расчетная нагрузка =5,1 кН/мІЧ1,3=6,63 кН/мІ; тогда расчетная погонная нагрузка =6,63кН/мІЧ6 м=39,78 кН/м ;

Утеплитель: =Ч b=4 кг/міЧ0,01 м=0,044 кН/міЧ0,1 м=0,044 кН/мІ, где — плотность утеплителя, а b — толщина слоя утеплителя; коэффициент

надежности равен 1,2; расчетная нагрузка =0,044 кН/мІЧ1,2=0,04 кН/мІ; расчетная погонная нагрузка =0,04 кН/мІЧ6 м=0,264 кН/м ;

Гидроизоляция: =Ч b=1000 кг/міЧ0,01 м=10 кН/міЧ0,01 м=0,1 кН/мІ, где — плотность рубероида (по СП «Тепловая защита зданий»), а b — толщина слоя рубероида; коэффициент надежности 1,2; расчетная нагрузка =0,1 кН/мІЧ1,2=0,12 кН/мІ; расчетная погонная нагрузка =0,12 кН/мІЧ6 м=0,72 кН/м ;

Плита: по ГОСТ 27 215–87 масса плиты 2,4 т; коэффициент надежности 1,1; 2,4 тЧ1,1=2,64Ч10 кН=26,4 кН; =26,4кН/9 мІ=2,9 кН/мІ; расчетная погонная нагрузка =2,9 кН/мІЧ6 м=17,6 кН/м ;

Ригель: по ГОСТ масса ригеля равна 4,4 т; коэффициент надежности 1,1; 4,4 тЧ1,1=4,84Ч10 кН=48,4 кН; расчетная погонная нагрузка =48,4 кН/ 6 м=8,07 кН/м .

Все данные для удобства занесем в таблицу.

Таблица № 1

2.2 Определение усилий в сечениях ригеля от расчетных нагрузок в табличной форме

Исходные данные заносим в программный комплекс «SCAD». Полученные схема загружения, значения изгибающих моментов и поперечных сил заносим в виде таблицы 2.

Изгибающие моменты на гранях колонны:

=М — QЧ/2)=312,87 — 309,2Ч (0,4/2)=251,03 кНЧм.

2.3 Проверка принятой высоты сечения

Высоту сечения ригеля определим по опорному моменту при граничном значении относительной высоты сечения сжатой зоны:

??=0,35; =0,289; === 0,4361 м=43,61 см, где — расчетное сопротивление бетона сжатию, МПа, — запас по материалу, — ширина сечения ригеля.

Высота получилась меньше заданной (80 см), при дальнейших расчетах будем использовать данную высоту сечения ригеля, при этом будет запас прочности, который мы можем использовать и при производстве работ уменьшить марку бетона.

Тогда высота сечения сжатой зоны, где, а — расстояние от растянутой грани сечения до центра тяжести растянутой арматуры.

Проверим прочность наклонной полосы между наклонными трещинами по условию:

Q?0,3,

где =1+5;

=1-=1−0,01Ч14,5=0,885;

для тяжелого бетона =0,01.

Проверим значение величины коэффициента

М/=21 599 000/14,5Ч100Ч30Ч49,61ІЧ0,9=0,290,44,

где М — максимальный момент в пролете.

Окончательно принимаем сечение ригеля: =30Ч80 см.

2.4 Подбор сечений продольной арматуры по изгибающим моментам

В пролетах (=215,99 кНм)

= /21 599 000/14,5Ч100Ч30Ч43,61ІЧ0,9=0,29.

По значению найдем ??=0,824(определяем по приложению методички).

Определим площадь сечения продольной арматуры:

=/??=21 599 000/365Ч100Ч0,824Ч43,61=16,47 смІ.

По сортаменту арматуры принимаем 2 Ш 28 А III (=12,32 смІ), 2 Ш 18 А III (=5,09 смІ), У =17,41 смІ.

Количество верхней арматуры вычислим по величине опорного изгибающего момента.

На опоре =251,03 кНм)

= /=25 103 000/14,5Ч100Ч30Ч43,61ІЧ0,9=0,34.

По значению найдем ??=0,78.

Определим площадь сечения продольной арматуры:

=/??=25 103 000/365Ч100Ч0,947Ч43,61=20,22 смІ.

Принимаем по сортаменту 2 Ш 28, А III (=12,32 смІ) и 2 Ш 25, А III (=9,82 смІ); общая площадь =22,14 смІ.

2.5 Расчет прочности наклонных сечений по поперечной силе

На средней опоре: Q=309,2 кН.

Расчет ж/б элементов с поперечной арматурой на действие поперечной силы для обеспечения прочности по наклонной трещине должен производится по наиболее опасному наклонному сечению из условия:

Вычислим проекцию расчетного наклонного сечения на продольную ось С по формуле:

где ;

— коэффициент, учитывающий влияние вида бетона.

Нсм.

; .

Диаметр поперечных стержней устанавливаем из условия сварки с продольной арматурой диаметром 28 мм и принимаем равным =8 мм (=0,503 смІ) класса А-I, =225 МПа, число каркасов два =1,01 смІ.

Шаг поперечных стержней =150 мм, поскольку h=496 450 и =150= h/5=10 см.

кН — поперечная арматура требуется по расчету.

1,1783 МПам

0,0945МПам Следовательно, диаметр продольной арматуры подобран верно.

Поперечная сила, воспринимаемая арматурой:

кН.

Проекция наклонной трещины:

см Поперечная сила, воспринимаемая бетоном:

кН.

Проверка прочности:

кН, кН;

Следовательно, прочность обеспечена.

Принимаем шаг поперечных стержней на приопорных участках длиной l/4-S=150 мм, в средней части пролета S=3h/4= 32 см.

2.6 Построение эпюры арматуры

Пролеты. Рабочая арматура принята 2 Ш 28, А III + 2 Ш 18, А III; =17,41 смІ. по конструктивным требованиям не менее 50% от сечения продольной рабочей арматуры в пролете должно быть доведено до опор.

Обрываем 2 Ш 28, А III.

Определим изгибающий момент, воспринимаемый всем сечением арматуры в пролете:

;

;

??=;

;

кНм.

Изгибающий момент, воспринимаемый арматурой 2 Ш 18, А III; =5,09 смІ:

ригель арматура нагрузка сечение

;

??=; ;

кНм.

Арматура 2 Ш 18, А III + 2 Ш 28, А III, =17,41 смІ.

;

??=; ;

кНм.

Арматуру 2 Ш 28, А III; =12,32 смІ .

;

??=; ;

кНм.

Арматура 2 Ш 25, А III + 2 Ш 28, А III, =22,14смІ.

;

??=; ;

кНм.

Арматура 2 Ш 25, А III, =9,82смІ.

;

??=; ;

кНм.

2.7 Определение длины заделки стержней рабочей арматуры за места теоретического обрыва

В целях экономии арматурной стали часть продольных стержней обрываем согласно изменению огибающей эпюры моментов. Сечение ригеля, в котором отдельные растянутые стержни не нужны, называют местом теоретического обрыва. Обрываемые стержни заводят за место теоретического обрыва на длину заделки, определяемую по формуле:

где — диаметр обрываемого стержня.

Площадь поперечной арматуры 2 Ш8 А-I

Принимаем большее из полученных значений. Эпюру моментов считаем симметричной.

2.8 Проектирование опорного стыка

Расчет опорного стыка проводим на действие усилий от опорного изгибающего момента М=265,54 кНЧ м и поперечной силы Q=231,99 кН.

Растягивающее усилие N воспринимается стальными стыковыми стержнями, сжимающее — бетоном между торцом ригеля и колонной и сварными швами между закладными деталями консоли колонны и ригеля.

Бетон класса В25,; стыковые стержни из арматуры класса А-III,; сварной шов выполняется электродами Э-42,, толщина закладных пластин. Определим площадь сечения надопорных стыковых стержней при величине а=1,5 см;

;

соответствует ;

Принимаем арматуру 4Ш28 А-III; .

Суммарная длина сварных швов соединительных стержней при и При четырех стыковых стержнях и двусторонних швах длина шва с учетом непровара по конструктивным требованиям.

Длина шва крепления нижних закладных деталей ригеля к стальной пластине консоли:

по металлу шва по металлу границы оплавления

;

где; - сила трения; - коэффициент трения стали о сталь.

Принимаем большее значение. При этом

Длина шва с каждой стороны с учетом непровара

Вылет консоли с учетом зазора между ригелем и колонной принимаем 20 см, размер закладной детали 15 см.

2.9 Особенности расчета прочности ригеля таврового сечения с полкой в растянутой зоне

При проектировании ригеля таврового сечения необходимо дополнительно рассчитывать свесы полок на действие местных нагрузок от панелей перекрытия.

Расчет полки ригеля. Определим нагрузку на полку ригеля на 1 пог. м:

Эксцентриситет приложения нагрузки:

см.

Изгибающий момент в полке:

Вычислим коэффициент:

По определим коэффициент .

Площадь сечения арматуры:

Примем арматуру 4 Ш 6, В1 (шаг 250 мм); .

Полки ригеля армируем сварными каркасами К-2, гнутыми по профилю полок.

3. Проектирование сборных железобетонных колонн

Рассчитываемый железобетонный резервуар имеет жесткую конструктивную схему. Колонны каркаса работают только на восприятие вертикальных нагрузок от перекрытий.

Ввиду незначительного влияния и для сокращения объема вычислений не учитываем изгибающие моменты, возникающие в сечениях колонн при неравномерном загружении ригелей.

Сечения колонн назначаем квадратные с размерами 40Ч40 см.

3.1 Определение расчетных усилий

Грузовая площадь, с которой собирается нагрузка от каждого перекрытия и покрытия на колонну, .

Т.к. расчетную схему с прикладываемой к ней распределенной нагрузкой мы считали в программе SCAD, то возьмем оттуда значение максимальной силы, действующей на колонну: (см. рисунок выше).

3.2 Расчетные схемы и длины колонн

Колонну рассчитываем как стойку, жестко защемленную в фундаменте и шарнирно-неподвижно опертую на уровне перекрытия. Расчетная длина этой колонны .

Класс бетона колонн В25 (=14,5 МПа). Арматура в колоннах класса А-III; =365 МПа; .

3.3 Расчет колонн на прочность

По и отношению длительной нагрузки к общей нагрузке, принимаемому в данном курсовом проекте равным 1, находим и (по таблице методички).

Определим, предварительно задав :

где

Требуемая площадь продольной арматуры Т.к. площадь продольной арматуры получилась меньше 0, конструктивно принимаем минимальный диаметр 4 Ш 12, А-III;. Поперечные стержни в колоннах резервуара Ш8, А-I с шагом .

3.4 Расчет сборных элементов колонны резервуара на усилия в период транспортирования и монтажа

Рассмотрим сборный элемент колонны, длиной во весь резервуар.

Исходные данные:

— длина сборного элемента колонны — 535 см;

— размеры поперечного сечения — 40Ч40 см;

— продольная рабочая арматура колонны 4 Ш 12, А-III;; =365 МПа; a=a'=4 см. Класс бетона В25 (=14,5 МПа).

Подъем сборного элемента колонны при монтаже осуществляется стропом.

В период транспортирования колонны опираются на подкладки, установленные на расстоянии 1 м (1/5 от длины колонны) от торцов элемента. В момент подъема сборный элемент, захваченный за консоли на расстоянии 1 м от верхнего торца, нижним шарнирно-неподвижно опирается на горизонтальную площадку.

Расчетный собственный вес погонного метра колонны при коэффициенте динамичности :

где — удельный вес бетона.

Расчетный собственный вес погонного метра колонны при коэффициенте динамичности :

Нагрузка от собственного веса колонны в начальный момент подъема из-за незначительного угла к горизонту принимается равной .

Изгибающие моменты в характерных сечениях колонны равны:

при транспортировании:

при монтаже:

Вычислим изгибающий момент, воспринимаемый сечением колонны при симметричном армировании (

где

Прочность сечений обеспечена, т.к.

3.5. Расчет консоли колонн

Исходные данные:

— расчетная сила, передаваемая ригелем на консоль колонны:

— класс бетона колонны — В25 (=14,5 МПа;; =1,05 МПа) Сопряжение ригеля с колонной — обетонированное, зазор между ригелем и гранью колонны равен 5 см.

Обетонирование сопряжения производится до приложения нагрузки на смонтированный ригель.

Назначим продольную и поперечную арматуру консоли из стали класса

А-III (=365 МПа; =290 МПа); закладные детали из прокатной стали.

Определим вылет консоли из условия обеспечения ее прочности на смятие в месте опирания ригеля:

С учетом зазора требуемая длина вылета консоли принимаем вылет консоли кратным 5 —. По конструктивным соображениям принимаем вылет консоли 25 см.

Находим требуемую рабочую высоту консоли в сечении у грани колонны:

Полная расчетная высота консоли у грани колонны (при а=3,5 см):

Получили минимальную рабочую высоту консоли, равную которая может выдерживать воспринимаемую нагрузку. Далее, с учетом запаса, будем принимать расчетную высоту консоли, а рабочую высоту консоли

Определим необходимое количество рабочей арматуры по изгибающему моменту, увеличенному на 25% в сечении у грани консоли:

Принимаем 2 Ш 18, А-III; .

Поперечное армирование консолей выполняем в виде отгибов и горизонтальных стержней, поскольку

Поперечная сила, воспринимаемая бетоном консоли:

Отгибы по расчету не требуются — устанавливаем конструктивно.

Примем отгибы 2Ш16, А-III;, что отвечает конструктивным требованиям норм.

Армирование горизонтальными хомутами выполняем из арматуры Ш 10, А-III с шагом 10 см, что не более h/4=36,5/4=9 см и 15 см.

4. Проектирование фундамента

4.1 Расчет фундамента на продавливание

В данном курсовом проекте мы проектируем низкий фундамент, т. е. у которого стакан заглублен в плитную часть или у которого расстояние от дна стакана до плитной части меньше расстояния от грани колонны до грани подколонника.

Расчет плитной части низкого фундамента на продавливание колонной обязателен в каждом конкретном случае, т.к. этим расчетом проверяется принятая высота фундамента.

Проверка фундамента по прочности на продавливание колонной от дна стакана производится от действия только продольной силы из условия:

где — расчетная продольная сила в уровне торца колонны, определяемая по формуле:

где — коэффициент, учитывающий частичную передачу продольной силы на плитную часть фундамента через стенки стакана за счет сцепления бетона колонны с фундаментом.

но не должно быть меньше 0,85;

где — расчетное сопротивление бетона замоноличивания стакана, принимается по СНиП 2.03.01−84 с учетом соответствующих коэффициентов условий (обычно применяется бетон В12,5 с); - площадь боковой поверхности колонны в пределах ее заделки в стакан, мІ; - расчетная нагрузка в уровне обреза фундамента, кН;

где — рабочая высота пирамиды продавливания, равная расстоянию от дна стакана до плоскости расположения растянутой арматуры;

Приступаем к расчету.

;

;

Итак,. Это говорит о том, что на плитную часть фундамента продольная сила передает только 32,6% от всей своей нагрузки. Но, в условии сказано, что коэффициент должен быть не менее 0,85. Значит принимаем далее :

м;

Условие выполняется, следовательно, высота фундамента подобрана правильно.

4.2 Подбор арматуры

Фундаменты считаем с помощью программы «SCAD».

Данные, необходимые для расчета:

— класс бетона В25;

— объемная масса грунта — 17 кН/мі;

— расчетный угол внутреннего трения — 35 град.;

— нагрузка на фундамент — 608,81 кН (из которых вес колонны 20 кН)

— класс арматуры А-III.

Получаем: нижняя арматурная сетка С-1 выполнена стержнями Ш10 мм с шагом 200Ч200 мм.

Верхнюю арматурную сетку между колоннами в данном курсовом не проектируем.

Подколонник армируем двумя сетками С-2, принимая продольную арматуру конструктивно Ш10 АIII с шагом 100 мм.

Стенки стакана армируем сетками С-3, диаметр принимаем Ш8 АI с шагом 150 мм.

Библиографический список

1. Расчет неразрезного ригеля и колонны многоэтажного здания: методические указания к курсовому проекту для специальностей 270 102, 270 106, 270 112 / КрасГАСА. Красноярск, 2005. 44с.

2. Проектирование фундаментов неглубокого заложения: методические указания к курсовому проекту для студентов специальностей 270 102, 270 105, 270 114, 270 115. Красноярск: СФУ, 2008. 62 с.

3. Байков В. Н., Сигалов Э. Е. Железобетонные конструкции: Общий курс: Учеб. для вузов. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат. 1991. — 767 с.:ил.

4. Ухов С. Б., Семенов В. В., Знаменский В. В., Тер-Мартиросян З. Г., Чернышев С. Н. Механика грунтов, основания и фундаменты: Учеб. пособие для строит. спец. вузов — 4-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2007. — 566с.:ил.

5. ГОСТ 27 215–87. Плиты перекрытий железобетонные ребристые высотой 400 мм для производственных зданий промышленных предприятий. Технические условия.

6. ГОСТ 28 984. Модульная координация размеров в строительстве. Основные положения.

7. СНиП 2.01.07−85. Нагрузки и воздействия.

8. СТО 4.2−07 2008. Система менеджмента качества. Общие требования к построению, изложению и оформлению документов учебной и научной деятельности.