Трехэтажное каркасное здание 'Физкультурно-оздоровительный комплекс'

Трехэтажное каркасное здание 'Физкультурно-оздоровительный комплекс'

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО « Кубанский государственный технологический университет »

Кафедра « Строительные конструкции и гидротехнические сооружения »

Факультет строительства и управления недвижимостью

Курсовая работа

По дисциплине «Конструкции сейсмостойких зданий и сооружений»

На тему «3-х этажное каркасное здание физкультурно-оздоровительный комплекс из монолитного железобетона каркас»

Краснодар, 2013

Нормативные ссылки

СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия М.: Стройиздат 2004.

СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах Госстрой России М.: 2000.

СНКК 22-301-2000 (ТСН 22-302-2000 Краснодарского края) Строительство в сейсмических районах Краснодарского края Краснодар 2001.

СНиП II-22-81* Каменные и армокаменные конструкции Госстрой России - М.: ФГУП ЦПП, 2004.

ГОСТ 24992-81 Конструкции каменные. Метод определения прочности и сцепления в каменной кладке.

ГОСТ 8.417-2002 ГСИ Единицы физических величин.

ГОСТ 2.105-79 Построение и оформление таблиц.

ГОСТ 2.106-96 ЕСКД Текстовые документы.

Термины и определения

Землетрясение - колебания земной поверхности в результате (тектоническое) прохождения сейсмических волн.

Тектоника - греческое слово - «строитель».

Сейсмостойкость - способность противостоять сейсмическим воздействиям при сохранении работоспособности.

Сейсмобезопасность - безопасность в случае землетрясения.

Сейсмос - по-гречески означает землетрясение.

Сейсмология - наука занимающаяся изучением землетрясений и внутреннего строения земли.

Сейсмические нагрузки-силы инерции, возбуждаемые массой сооружения вследствие ее колебаний. Сейсмические силы при заданном законе движения основания зависят от динамических характеристик сооружения (периодов и форм собственных колебаний сооружения, демпфирования и т.д.).

Сейсмическое воздействие - подземные толчки и колебания земной поверхности, вызванные внутриземными процессами (главным образом тектоническими).

Сейсмическое районирование - разделение территорий подверженной землетрясениям, на районы с одинаковой сейсмической опасностью.

Сейсмическое микрорайонирование - уточнение сейсмичности на некоторой территории сейсмического района в зависимости от ее геологических и гидрологических условий. Интенсивность землетрясений возрастает с уменьшением плотности грунта увеличением его обводнения.

Сейсмичность - вероятная интенсивность землетрясения в баллах по шкале МSК- 64.

Сейсмичность площадки строительства (уточненная сейсмичность) - сейсмичность в баллах сейсмической шкалы МSК-64, установленная по результатам сейсмического микрорайонирования или с учетом расположения в основании сооружения грунтов различной категории по сейсмическим свойствам.

Магнитуда землетрясения - характеризует мощность очага и количество энергии выделенной в очаге.

Балльность - характеризует интенсивность землетрясения на поверхности земли и измеряется в баллах по шкале МSК-64.

Очаг землетрясения - пространство (объем) в толще земной коры или верхней мантии внутри которого происходит разрыв или вспарывание трещин.

Гипоцентр землетрясения - точка в очаге землетрясения, определяющее начало вспарывания трещины

Эпицентр землетрясения - проекция гипоцентра на поверхность земли.

Динамическая расчетная схема - упрощенная схема сооружения, включающая жесткостные и инерционные элементы, которые позволяют описать условия деформаций конструкций и силовых воздействий в виде математических выражений для колебательных процессов.

Введение

В связи с изменением сейсморайонирования Северного Кавказа институт физики земли Российской Академии наук в апреле 1995 года, все районы Краснодарского края и республики Адыгея оказались в зоне повышенной сейсмичности. Возникла необходимость проектирования и строительства сейсмостойких зданий и сооружений.

В процессе самостоятельного выполнения контрольной работы студент оценивает сейсмичность строительной площадки, определяют архитектурно - конструктивные решения зданий и сооружений и сейсмические нагрузки на них с оценкой сейсмостойкости, изучает элементы инженерной сейсмологии и динамики сооружений, сейсмические воздействия и сейсмостойкость строительных материалов и конструкций, основные принципы проектирования сейсмостойкого строительства; При проектировании гражданских зданий необходимо стремиться к наиболее простой форме в плане и избегать перепадов высот. При проектировании часто выбирают объемно-планировочные и конструктивные решения, так как они обеспечивают максимальную унификацию и сокращение числа типоразмеров и марок конструкций.

Увеличение объема капитального строительства при одновременном расширении области применения бетона и железобетона требует всемерного облегчения конструкций и, следовательно, постоянного совершенствования методов их расчета и конструирования.

1. Компоновка конструктивного решения здания

Трехэтажное производственное здание с размерами в плане 12х36 м и сеткой колонн 6х6м, каркасное из монолитного железобетона.

Наружные стены самонесущие кирпичные опираются на железобетонные фундаментные балки.

Покрытие и междуэтажные перекрытия монолитные железобетонные по монолитным железобетонным ригелям расположенным взаимно перпендикулярно, толщиной 200мм.

Покрытие совмещенное содержит: пароизоляцию, утеплитель, цементно-песчаную стяжку и 3-х слойный рубероидный ковер по битумной мастике. Фундаменты отдельные железобетонные под колонны, фундаментные балки по периметру здания связывают фундаменты.

Фундаментные балки на опорах выполняют неразрезными.

В самонесущих кирпичных стенах предусмотрены все мероприятия присущие кирпичным стенам.

План и разрез здания представлены на рисунке 1и 2

Рисунок 1 - Разрез 1-1

Рисунок 2 - План здания

2. Определение сейсмичности строительной площадки и сбор нагрузок

Требуется рассчитать конструкции жилого здания, при его привязке к площадке строительства.

Согласно СНиП II-7-81* (Строительство в сейсмических районах) в разделе Общее сейсмическое районирование территории Российской Федерации ОСР-97” (Список населенных пунктов) по карте ОСР-97-В-5% сейсмичность района г. Туапсе составляет 8 баллов (Карта 9 - объекты повышенной ответственности и особо ответственные объекты. Решение о выборе карты при проектировании конкретного объекта принимается заказчиком по представлению генерального проектировщика, за исключением случаев, оговоренных в других нормативных документах).

Определение сейсмичности площадки строительства производим на основании сейсмического микрорайонирования для II категории групп по сейсмическим свойствам, грунты которых являются: пески гравелистые, крупные и средней крупности плотные и средней плотности маловлажные и влажные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности маловлажные; глинистые грунты с показателем консистенции IL  0,5 при коэффициенте пористости е < 0,9 для глин и суглинков и е < 0,7 - для супесей.

Сейсмичность площадки строительства при сейсмичности района 9 баллов, составляет 9 баллов.

Согласно выше перечисленному значения коэффициента динамичности bi в зависимости от расчетного периода собственных колебаний Тi здания или сооружения по i-му тону при определении сейсмических нагрузок следует принимать по формулам (1) <../../../../Program Files/StroyConsultant/Temp/777.htm>.

Для грунтов II категорий по сейсмическим свойствам

при Тi £ 0,1 с bi = 1 + 1,5Тi

при 0,1 с < Тi < 0,4 с bi = 2,5 (1)

при Тi ³ 0,4 с bi = 2,5 (0,4/ Тi)0,5

Во всех случаях значения bi должны приниматься не менее 0,4.

2.1 Сбор нагрузок

Сбор нагрузок производим на 1 м2 покрытия здания и перекрытия.

Конструктивное решение пола принимаем одинаковым для всех этажей.

Сбор нагрузок производим в табличной форме и представлен в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Нагрузка на 1м2 покрытия

Таблица 2.2 - Нагрузка на 1м2 перекрытия

2.2 Определение периода собственных колебаний и форм колебаний

Для определения периода собственных колебаний и форм колебаний необходимо вычислить динамические характеристики пятиэтажной рамы поперечника здания.

Принимаем колонны сечением 400х400мм, тогда:

Ригель принимаем с размерами:= 9000мм; h= 350мм

Расчетная длина ригеля- 6000 мм; колонн - 3500 мм.

Для конструкций зданий в данном районе применён бетон на пористых заполнителях класса В30 с использованием тепловой обработки при плотности бетона в сухом состоянии 1400кг/м3 и начальном модуле упругости Еb=15500Мпа.

Погонная жесткость элементов рамы будет:

для ригеля -

 (3.1)

для колонн -

Рисунок 2.3 - К расчету на сейсмические нагрузки

Сила, которая характеризует сдвиговую жесткость многоэтажной рамы:

, (3.2)

где Si - сумма погонных жесткостей стоек этажа;- сумма погонных жесткостей ригелей этажей;- высота этажа.

Суммарная погонная жесткость:

-х ригелей:

-ти колонн:

Расчетная высота здания, по формуле:

 (3.3), где

Н0=10,5 - расстояние от обреза фундамента до ригеля верхнего этажа;=3 - число этажей; подставив эти значения в формулу получим:

Определим ярусную нагрузку на уровне междуэтажного перекрытия типового этажа.

от веса перекрытия:

36м - ширина здания;

м - шаг колонн;

от веса колонн длиной, равной высоте этажа:

от веса участков стен:

Итого G1…G2 = 763,5кН;

Перегородки в расчете не учтены.

…m2 = 763,5/9,8= 77,83кН∙с2∙м;

Находим периоды трёх тонов свободных горизонтальных колебаний рамной системы и коэффициенты динамичности и вносим их в таблицу 3.1.

 (3.5)

где i -1,2,3 типа свободных колебаний;

К=89603,62 кН;=3,5 м;

Таблица 2.3 - К определению коэффициентов динамичности

2.3 Формы собственных колебаний здания

Величина  - смещение точек динамической системы отвечает уравнению собственных (свободных) колебаний. В практических расчетах уравнение  аппроксимируют в виде тригонометрических полиномов. Для определения коэффициента формы колебаний в формулу (2.3) подставляют не абсолютные смещения точек, а лишь их отношения. Например, формы трех тонов свободных колебаний многоэтажных зданий:

, (2.4)

где - безразмерная координата точки j.

Относительные координаты форм свободных колебаний даны в табл. 2.1 для трех ортонормированных функций

Таблица 2.4 - К определению форм трех топов

2.4 Оценка влияния продольных сил в сечении колонн на динамические характеристики каркаса

Во = EbAL2/2 =15500∙400 ∙400∙360002/2 = 97216∙105 кН∙м2, (3.8)

где L= 30 м - расстояние между осями крайних колонн.

Характеристика жесткости рамы при учете влияния продольных сил сечении колонн по формуле  (3.9)

Следовательно, учитывать влияние продольных сил в сечении колонн на динамические характеристики рамного каркаса не требуется.

2.5 Усилия в сечениях элементов рамы от сейсмической нагрузки

Так как расчетные сейсмические нагрузки по п. 2.3 [10] принимаются, действующими в горизонтальном направлении, вертикальная составляющая сейсмических сил не учитывается. Так же не учитывают по п. 2.4 [10] вертикальную сейсмическую нагрузку для рам пролетом менее 24 м. Расчетные значения поперечных сил и изгибающих моментов в сечениях элементов рамы по п. 2.10 [10] следует определить по формулам:

и ;

в которых Qi и Mi - усилия в рассматриваемом сечении, вызываемые сейсмическими нагрузками, соответствующими форме колебаний i.

В приближенном расчете многоэтажных рам на горизонтальные нагрузки учитывают уменьшение жесткости крайних колонн, так как они имеют меньшую степень защемления в узлах, чем средние колонны.

Погонные жесткости элементов рамы 1-го этажа:

ригеля

колонны 2-го этажа

где

колонны 1-го этажа

Табличный коэффициент

При отношении погонных жесткостей ригелей и колонн согласно табл. XV.1 [1], общая жесткость колонн рамы (принимая за единицу жесткость средней колонны):

на 1-ом этаже

∑i = 1+2∙0,9 = 2,52; на других этажах ∑i = 1+2∙(0,54+0,54)-2 = 1,24;

Поперечные силы в сечениях средних колонн рамы:

на 1-м этаже 2,52=469,14;

со 2-го по 3-й этаж 1,24=378,34;

Изгибающие моменты в сечениях средних колонн:

на 1-м этаже в сечении под ригелем рамы М1= 2∙Q1l/3;

в сечении по с 2-го по 3-й этаж Мk= Q1l/2; где l - расчетная длина колонн, равная высоте этажа. Поперечные силы (кН) и изгибающие моменты (кН∙м) в сечениях средних колонн рамы подсчитаны в таблице 3.4 для трёх форм колебаний.

3. Определение горизонтальных сейсмических нагрузок и усилий от них

Коэффициенты форм колебаний ηik для трех тонов подсчитаны в табл. 3.1 с использованием относительных координат форм свободных колебаний приведенных в табл. 3.2. по

Формуле:

где- смещение точек здания при собственных колебаниях по -му тону в рассматриваемой точке k и во всех точках j расположения ярусных нагрузок .

Таблица 3.1

Этажи                       

кНкН

Расчетную сейсмическую нагрузку  в выбранном направлении действия, приложенную к точке k и соответствующую -му тону свободных, т.е. собственных колебаний здания, определяют по формуле п. 2.5[10]:

где - коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения зданий и принимаемый по табл. 3 [10],  - для зданий и сооружений, в конструкциях которых могут быть допущены остаточные деформации и повреждения, затрудняющие нормальную эксплуатацию, при обеспечении безопасности людей и сохранности оборудования, возводимые с железобетонным каркасом с диафрагмами или связями; - коэффициент, учитывающий характеристики конструкций и принимаемый по табл. 6 [10],  для каркасных зданий, стеновое заполнение которых не оказывает влияния на их деформативность; - коэффициент, учитывающий расчетную сейсмичность площадки строительства и определяемый по п. 2.5 [10], при сейсмичности 9 баллов; - коэффициент динамичности, определяемый по п. 2.6* [10]; - коэффициент, зависящий от формы деформации здания при свободных колебаниях по -му тону и от места расположения нагрузки k и определяемый по п.2.7 [10]:

, (2.3)

где- смещение точек здания при собственных колебаниях по -му тону в рассматриваемой точке k и во всех точках j расположения ярусных нагрузок .

Таблица 3.2

Э т а ж и     ,

кНПервая форма колебаний с

Вторая форма колебаний с

Находим значение сейсмических сил по формуле:

 (4.3)

Ярусные поперечные силы:

-й этаж

2-й этаж

-й этаж

Изгибающие моменты в стойках:

-й этаж

-й этаж

-й этаж

Изгибающие моменты в ригелях:

4. Определение усилий в несущих конструкциях от эксплуатационных нагрузок

Эксплуатационная нагрузка:

Расчетная нагрузка на 1 м/п:

по приложению 8.2.17 [4], при n = 3

От нагрузки на всю раму

Рэкв=Рэкспл∙ℓпл Ма=Мс= 0,0357;

Мв1= Мв2 = 0,1071;

Множитель = -Рэкв∙ℓ2

Таблица 4.1 - К определению моментов и поперечных сил

5. Оценка сейсмостойкости конструкций здания

Проверка прочности колонны.

Для проверки принимаем среднюю колонну.

Так как изгибающие моменты в верхнем сечении средней колонны равны 0, то значение суммарного момента от сейсмической горизонтальной нагрузки и от вертикальной нагрузки будет равен только значению момента от сейсмической нагрузки:

141,14кНм

То же и с поперечными силами:

70,57кН

кН

Продольная сила в сечении колонны 1-го этажа (кН) при особом сочетании нагрузок:

от веса совмещенной кровли: 3,74∙6∙30∙0,9 = 329,88 кН;

от веса снегового покрова: 0,9∙0,95∙30∙6 = 83,80 кН;

от веса перекрытия: 3,44∙30∙6∙0,9∙3=910,22 кН;

от веса колонны: 0,9∙0,95∙0,4∙0,4∙1,1∙30∙3,2=7,37 кН;

от веса стен: 14∙7∙0,95∙0,51∙30∙3,2=4653,20 кН

Итого: N1=5983,87 кН.

Подбор площади сечения арматуры средней колонны 1-го этажа

Бетон: класса В30 с17 МПа; 1,2 МПа; 15500 МПа

Арматура: класса А-III с 365 МПа; Мпа;

Сечение колонны 400х400 мм с 3 м и мм4

Усилия М=141,14 кН; Q=70,57 кН; N1=800,36 кН;

Эксцентриситет продольной силы:

 мм

Относительный эксцентриситет:

мм.

должен быть не менее

 (6.1)

Также учитываем особые коэффициенты условий работы при расчете на прочность нормальных сечений элементов из тяжелого бетона с арматурой класса АIII

Коэффициент, учитывающий влияние длительности действия нагрузки:

 (6.2)

учитывая, что , получаем формулу

Выражение для критической силы имеет вид:

 (6.3)

где  (6.4)

 (6.5)

задаемся

К расчету примем

Коэффициент, учитывающий влияние прогиба на значение эксцентриситета продольной силы:

 (6.6)

Расстояние от направления действия или до тяжести сечения сжатой арматуры:

При условии, что Аs=As’, высота сжатой зоны

 (6.7)

Относительная высота сжатой зоны

.

Граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона

 (6.8)

где

 учитывая, коэффициент 0,85

.

В случае .

 (6.9)

Площадь арматуры  назначаем не конструктивно

Принимаем 3Ø18 АIII c As=7,63 см2.

Проверка прочности сечений, наклонных к продольной оси колонн. При поперечной силе и при продольной силе и при особом коэффициенте условия работы  для многоэтажных зданий.

Коэффициент, учитывающий благоприятное влияние продольной сжимающей силы на прочность наклонного сечения:

 (6.10)

, следовательно, в расчете учитывается только .

При для тяжелого бетона находим:

 (6.11)

При поперечная арматура не требуется по расчету. Принимаем из условий свариваемости Ø8 АIII с шагом 100мм и 200мм.

Находим  (6.12)

,

где

Принимаем для Ø18АIII поперечную арматуру из условий свариваемости Ø8AIII

Тогда

Было принято Ø8AIII, и так как в сечении четыре стержня Ø8AIII, то

Рисунок 5.1 - Сечение колонны

6. Антисейсмические мероприятия

здание сейсмичность нагрузка каркас

Лестничные клетки в торцах здания воспринимают горизонтальную сейсмическую нагрузку. Жесткие узлы железобетонного каркаса здания усилены применением сварных сеток и замкнутых хомутов. На стыке колонн, применяющиеся к жестким узлам рамы на расстоянии, равном полуторной высоты сечения колонн, армируются поперечной арматурой (хомутами) с шагом не более 100 мм, а для рамных систем с несущими диафрагмами - не реже чем через 200мм.

Жесткость здания в поперечном направлении обеспечивается рамами (колонны и монолитная плита), лестничными клетками в торцах здания и диафрагмой жесткости в середине здания. В продольном направлении жесткость обеспечивается продольными рамами (колонны и монолитная плита).

В соответствии с рекомендациями СНиП диафрагма жесткости и лестничные клетки расположены симметрично относительно центра здания.

В качестве ограждающих стеновых конструкций применяются легки стеновые панели из керамзитобетона δ = 350мм.

Наружные стеновые панели и внутренние перегородки не должны препятствовать деформации каркаса. Между поверхностями стен и колонн каркаса должен предусматриваться зазор не менее 20 мм. По всей длине стены в уровне плит покрытия должен устраиваться антисейсмические пояса, соединяющиеся с каркасом здания.

В местах пересечения торцовых и поперечных стен с продольными стенами должны устраиваться антисейсмические швы на всю высоту стен.

В колоннах хомуты ставятся с шагом не более 400мм, а при сварных каркасах - не более 15 d.

Расстояние между хомутами стеновых элементов (колонн) в местах стыкования рабочей арматуры внахлестку.

Кладка самонесущих стен в каркасных зданиях должна быть I или II категории, иметь гибкие связи с каркасом, не препятствующие горизонтальным смещениям каркаса вдоль стен.

Между поверхностями стен и колонн каркаса должен предусматриваться зазор не менее 20 мм. По всей длине стены в уровне плит покрытия и верха оконных проемов должны устраиваться антисейсмические пояса, соединенные с каркасом здания.

В местах пересечения торцовых и поперечных стен с продольными стенами должны устраиваться антисейсмические швы на всю высоту стен.

Лестничные и лифтовые шахты каркасных зданий следует устраивать как встроенные конструкции с поэтажной разрезкой, не влияющие на жесткость каркаса, или как жесткое ядро, воспринимающее сейсмическую нагрузку.

Для каркасных зданий высотой до 5 этажей при расчетной сейсмичности 7 и 8 баллов допускается устраивать лестничные клетки и лифтовые шахты в пределах плана здания в виде конструкций, отделенных от каркаса здания. Устройство лестничных клеток в виде отдельно стоящих сооружений не допускается

В уровне перекрытий и покрытий должны устраиваться антисейсмические пояса по всем продольным и поперечным стенам, выполняемые из монолитного железобетона или сборными с замоноличиванием стыков и непрерывным армированием. Антисейсмические пояса верхнего этажа должны быть связаны с кладкой вертикальными выпусками арматуры.

В зданиях с монолитными железобетонными перекрытиями, заделанными по контуру в стены, антисейсмические пояса в уровне этих перекрытий допускается не устраивать.

Антисейсмический пояс (с опорным участком перекрытия) должен устраиваться, как правило, на всю ширину стены; в наружных стенах толщиной 500 мм и более ширина пояса может быть меньше на 100-150 мм. Высота пояса должна быть не менее 150 мм, марка бетона1 - не ниже 150.

Антисейсмические пояса должны иметь продольную арматуру 4d 10 при расчетной сейсмичности 7-8 баллов и не менее 4 d 12 - при 9 баллах.

В сопряжениях стен в кладку должны укладываться арматурные сетки сечением продольной арматуры общей площадью не менее 1 см2, длиной 1,5 м через 700 мм по высоте при расчетной сейсмичности 7-8 баллов и через 500 мм - при 9 баллах.

Участки стен и столбы над чердачным перекрытием, имеющие высоту более 400 мм, должны быть армированы или усилены монолитными железобетонными включениями, заанкеренными в антисейсмический пояс.

Список литературы

1.     Бойков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. Общий курс, М., 1985.

2.      СНКК 22-301-2000. “Строительство в сейсмических районах Краснодарского края”.

.        СНКК 20-303-2002. “Нагрузки и воздействия. Ветровая и снеговая нагрузки. Краснодарский край”.

.        СНиП 31- 01-2003. “Здания жилые многоквартирные” Госстрой М.1985.

.        СНиП 2.01.07-85*. “Нагрузки и воздействия” Госстрой М., 1985.

.        СНКК 23-302-2000. Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий. Нормативы по теплозащите зданий. Краснодарский край.

.        СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. М., 1985.

.        СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. М., 1982.

.        СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника

.        СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах. М., 2000.

.        Бондаренко В.М., Судницын А.И. Расчет строительных конструкций. Железобетонные и каменные конструкции. М.,1984.

.        Бондаренко В.М., Суворкин Д.Г. Железобетонные и каменные конструкции.