Расчет параметров железобетонных конструкций

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 : 18×24

Высота, м : 4,8

Класс бетона : В25

Класс арматуры : А-III

Расчетное сопротивление грунта ,кПа :250

Объемная масса грунта , кН/м³ : 17

Расчетный угол внутреннего трения , градус : 35

Временная нагрузка на призме разрушения V, кН/м² : 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 =30000 МПа.

Арматура:

Класс арматуры А-III. Расчетное сопротивление растяжению =365МПа. Модуль упругости арматуры =210000 МПа.

2. Проектирование ригелей

.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/м²×10 м/с²=1800 Н/м²=1,8 кН/м²;

тогда расчетная погонная нагрузка: =1,8 кН/м²×6 м=10,8 кН/м;

Грунт: нормативная нагрузка находится по формуле × b=17 кН/м³×0,4 м=6,8 кН/м², где b - толщина слоя грунта; коэффициент надежности равен 1,3; расчетная нагрузка =5,1 кН/м²×1,3=6,63 кН/м²; тогда расчетная погонная нагрузка =6,63кН/м²×6 м=39,78 кН/м ;

Утеплитель: =× b=4 кг/м³×0,01 м=0,044 кН/м³×0,1 м=0,044 кН/м², где  - плотность утеплителя, а b - толщина слоя утеплителя; коэффициент

надежности равен 1,2; расчетная нагрузка =0,044 кН/м²×1,2=0,04 кН/м²; расчетная погонная нагрузка =0,04 кН/м²×6 м=0,264 кН/м ;

Гидроизоляция: =× b=1000 кг/м³×0,01 м=10 кН/м³×0,01 м=0,1 кН/м², где  - плотность рубероида (по СП «Тепловая защита зданий»), а b - толщина слоя рубероида; коэффициент надежности 1,2; расчетная нагрузка =0,1 кН/м²×1,2=0,12 кН/м²; расчетная погонная нагрузка =0,12 кН/м²×6 м=0,72 кН/м ;

Плита: по ГОСТ 27215-87 масса плиты 2,4 т; коэффициент надежности 1,1; 2,4 т×1,1=2,64×10 кН=26,4 кН; =26,4кН/9 м²=2,9 кН/м²; расчетная погонная нагрузка =2,9 кН/м²×6 м=17,6 кН/м ;

Ригель: по ГОСТ масса ригеля равна 4,4 т; коэффициент надежности 1,1; 4,4 т×1,1=4,84×10 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 - Q×/2)=312,87 - 309,2×(0,4/2)=251,03 кН×м.

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

 𝜉=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-=1-0,01×14,5=0,885;

для тяжелого бетона =0,01.

Проверим значение величины коэффициента

М/=21599000/14,5×100×30×49,61²×0,9=0,290,44,

где М - максимальный момент в пролете.

Окончательно принимаем сечение ригеля: =30×80 см.

2.4 Подбор сечений продольной арматуры по изгибающим моментам

В пролетах (=215,99 кНм)

= /21599000/14,5×100×30×43,61²×0,9=0,29.

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

Определим площадь сечения продольной арматуры:

=/𝜁=21599000/365×100×0,824×43,61=16,47 см².

По сортаменту арматуры принимаем 2 Ø 28 А III (=12,32 см²), 2 Ø 18 А III (=5,09 см²), Σ  =17,41 см².

Количество верхней арматуры вычислим по величине опорного изгибающего момента.

На опоре =251,03 кНм)

= /=25103000/14,5×100×30×43,61²×0,9=0,34.

По значению  найдем 𝜁=0,78.

Определим площадь сечения продольной арматуры:

=/𝜁=25103000/365×100×0,947×43,61=20,22 см².

Принимаем по сортаменту 2 Ø 28, А III (=12,32 см²) и 2 Ø 25, А III (=9,82 см²); общая площадь =22,14 см².

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 см²) класса А-I, =225 МПа, число каркасов два =1,01 см².

Шаг поперечных стержней =150 мм, поскольку h=496450 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= 32см.

.6 Построение эпюры арматуры

Пролеты. Рабочая арматура принята 2 Ø 28, А III + 2 Ø 18, А III;  =17,41 см². по конструктивным требованиям не менее 50 % от сечения продольной рабочей арматуры в пролете должно быть доведено до опор.

Обрываем 2 Ø 28, А III.

Определим изгибающий момент, воспринимаемый всем сечением арматуры в пролете:

;

;

𝜉=;

 ;

 кНм.

Изгибающий момент, воспринимаемый арматурой 2 Ø 18, А III; =5,09 см²:

ригель арматура нагрузка сечение

;

𝜉=;  ;

 кНм.

Арматура 2 Ø 18, А III + 2 Ø 28, А III , =17,41 см².

𝜉=;  ;

 кНм.

Арматуру 2 Ø 28, А III; =12,32 см² .

;

𝜉=;  ;

 кНм.

Арматура 2 Ø 25, А III + 2 Ø 28, А III , =22,14см².

;

𝜉=;  ;

 кНм.

Арматура 2 Ø 25, А III, =9,82см².

;

𝜉=;  ;

 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 Ø8 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 кН× 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 4Ø28 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 Ø 6, В1 (шаг 250 мм); .

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

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 40×40 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 Ø 12, А-III; . Поперечные стержни в колоннах резервуара Ø8, 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 - 40×40 см;

продольная рабочая арматура колонны 4 Ø 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 Ø 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.

Армирование горизонтальными хомутами выполняем из арматуры Ø 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, м²;  - 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/м³;

- 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 Ø10 мм с шагом 200×200 мм.

Верхнюю арматурную сетку между колоннами в данном курсовом не проектируем.

Подколонник армируем двумя сетками С-2, принимая продольную арматуру конструктивно Ø10 АIII с шагом 100 мм.

Стенки стакана армируем сетками С-3, диаметр принимаем Ø8 АI с шагом 150 мм.

Библиографический список

1. Расчет неразрезного ригеля и колонны многоэтажного здания: методические указания к курсовому проекту для специальностей 270102, 270106, 270112 / КрасГАСА. Красноярск, 2005. 44с.

2.      Проектирование фундаментов неглубокого заложения: методические указания к курсовому проекту для студентов специальностей 270102, 270105, 270114, 270115. Красноярск: СФУ, 2008. 62 с.

.        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.

.        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.

.        ГОСТ 27215-87. Плиты перекрытий железобетонные ребристые высотой 400 мм для производственных зданий промышленных предприятий. Технические условия.

.        ГОСТ 28984. Модульная координация размеров в строительстве. Основные положения.

.        СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия.

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