Под проектированием понимается разработка комплексной технико-экономической документации (проекта), содержащей технико-экономические обоснования, расчеты, чертежи, сметы, пояснительные записки и другие материалы, необходимые для строительства и реконструкции зданий и сооружений.
Проектирование инженерных конструкций включает в себя их расчет и конструирование. Конечный продукт проектирования - чертежи, по которым изготавливают и монтируют несущие конструкции зданий и сооружений.
При разработке проектов зданий и сооружений выбор конструктивных решений производят исходя из технико-экономической целесообразности их применения в конкретных условиях строительства с учетом максимального снижения материалоемкости, трудоемкости и стоимости строительства, достигаемых за счет снижения массы конструкций, наиболее полного использования физико-механических свойств материалов и соблюдения требований по их наиболее экономичному расходованию.
Некоторые производства размещаются в многоэтажных промзданиях, что вызвано желанием сократить территорию застройки и протяженность коммуникаций и проездов.
В качестве основных материалов для несущих конструкций применяют железобетон. Высота промышленных зданий колеблется в пределах 3–7 этажей (при общей высоте до 40 м), а для некоторых производств достигает до 12–14 этажей. Указанные высоты многоэтажных зданий ограничиваются не конструктивными возможностями железобетона, а экономической целесообразностью их возведения.
Размеры зданий зависят от условий технологического процесса при естественном освещении рабочих мест. Сетку колонн и высоты этажей назначают в соответствии с требованиями типизации элементов конструкций и унификации габаритных размеров [2, с. 266-269].
Конструкции зданий принято делить на несущие и ненесущие. Такое деление весьма условно, так как в большей или меньшей степени все конструкции выполняют несущие функции.
Несущие элементы обеспечивают пространственную жесткость и ус-тойчивость здания, воспринимают и передают главные силовые воздействия: вертикальные и горизонтальные (ветровые, сейсмические и т. п.) нагрузки. Расположение несущих элементов определяется конструктивно-планировочной схемой здания (рис.1).
Принятые конструктивные схемы должны обеспечивать необходимую прочность, устойчивость и пространственную неизменяемость зданий и сооружений в целом, а также отдельных конструкций на всех стадиях возведения и эксплуатации.
Конструкции зданий состоят из отдельных элементов, связанных в единую пространственную систему. Учет пространственной работы здания приводит к более экономичным конструктивным решениям.
Анализ различных конструктивных систем многоэтажных зданий показал, что можно выделить четыре основные системы по типу вертикальных несущих конструкций: I – каркасные; II – плоскостенные; III – ствольные; IV – оболочковые. Из основных систем образуются производные путем различных комбинаций несущих конструкций (рис. 2).
Вертикальными несущими конструкциями являются в системе:
I – пространственный рамный каркас;
II – поперечные или продольные несущие стены;
III – расположенные внутри здания пространственные опоры (стволы), на которые опираются все остальные конструкции;
IV – несущие конструкции, расположенные в плоскости наружных стен.
Взаимная увязка размеров элементов производится на основе ЕМС (единой модульной системы), которая предусматривает градацию на базе модуля 100 мм или укрупненного модуля, кратного 100 мм.
Рис. 1 Конструктивно-планировочная схема здания
Рис. 2. Классификация конструктивных систем многоэтажных зданий
Основные системы: I – каркасная; II – плоскостенная; III – ствольная; IV – оболочковая; производственные системы: I+II – каркасно-связевая; I+III – каркасно-ствольная; I+IV – каркасно-оболочковая; II+III – ствольно-стеновая; II+IV – ячеистая; III+IV – ствольно-оболочковая.
ЕМС предусматривает 3 категории размеров (рис.3):
номинальные – расстояния между разбивочными осями здания в плане;
конструктивные – отличаются от номинальных на размер швов и зазоров;
натурные – фактические размеры, которые в зависимости от точности изготовления могут отличаться от конструктивных на так называемую допустимую величину (3мм).
|
Рис. 3. Номинальные и конструктивные размеры элементов
При проектировании монолитных конструкций следует предусматривать унифицированные размеры, позволяющие применять инвентарную опалубку и укрупненные пространственные арматурные каркасы.
Перекрытия, основные несущие элементы которых (плиты, балки) расположены в горизонтальной плоскости, называют плоскими. Их широко применяют в зданиях самого разнообразного назначения (жилых, общественных и производственных).
Проектирование железобетонных перекрытий выполняют в определенной логической последовательности поэтапно:
1-й – компоновка здания или сооружения. Выбор конструктивной системы здания, разработка конструктивной схемы (выбирают основные несущие элементы, назначают их размеры и очертания, решают вопросы сопряжения их между собой);
2-й – статический расчет. На основании принятой конструктивной схемы выбирают расчетную схему, выявляют все нагрузки и воздействия, определяют усилия в элементах системы;
3-й – расчет сечений. По действующим усилиям подбирают размеры сечений элементов или проверяют достаточность ранее назначенных, чтобы удовлетворить требования расчета по предельным состояниям;
4-й – конструирование. Взаимоувязывают все элементы системы, разрабатывают схемы их армирования, составляют чертеж арматурных изделий.
По конструктивной схеме железобетонные перекрытия могут быть балочными (в которых балки работают с опертыми на них плитами перекрытий) и безбалочными (в которых плиты опираются непосредственно на колонны с уширениями, называемыми капителями). Обе группы перекрытий по способу возведения могут быть сборными, монолитными и сборно-монолитными.
По конструктивным признакам железобетонные перекрытия могут быть:
1) балочные сборные (панельные);
2) ребристые монолитные с балочными плитами;
3) ребристые монолитные с плитами опертыми по контуру;
4) балочные сборно-монолитные;
5) безбалочные сборные;
6) безбалочные монолитные;
7) безбалочные сборно-монолитные.
Плиты в составе перекрытия в зависимости от отношения сторон опорного контура могут быть:
при l2 / l1 > 2 балочными, работающими на изгиб в коротком направлении меньшей стороны, при этом изгибающим моментом в направлении большей стороны ввиду его малости пренебрегают;
при l2 / l1 £ 2 опертыми по контуру, работающими на изгиб в двух направлениях, где l1 – размер плиты в коротком направлении; l2 – размер плиты в длинном направлении.
Выбор объемно-планировочного и конструктивного решений должен обеспечивать максимальную унификацию и сокращение числа типоразмеров и марок конструкций.
Компоновка конструктивной схемы перекрытия заключается в выборе направления главных балок, установлении их шага, размеров пролета, шага второстепенных балок. При этом следует обеспечить выполнение многих требований:
а) технологического процесса или функционального назначения здания;
б) пространственной жесткости здания;
в) наименьшего расхода материалов (бетон, арматура);
г) минимального количества типоразмеров элементов перекрытия.
Расчет монолитного ребристого перекрытия состоит из последовательных расчетов его элементов: плиты, второстепенных балок, главных балок и колонн.
В большинстве случаев достаточно ограничиться расчетом по несущей способности при соблюдении следующих рекомендаций по определению размеров поперечных сечений элементов:
величина толщины плиты назначается минимальной, но варьируется в зависимости от величины нагрузки (по условиям экономичного армирования);
высота сечения второстепенных балок обычно составляет 1/12...1/20l, главных балок – 1/8...1/15l (по условию жесткости). Ширина сечения балок
b = 0,4...0,5 h.
Плита
Сущность конструкции монолитного ребристого перекрытия в том, что бетон в целях экономии удален из растянутой зоны сечений, где сохранены лишь ребра, в которых сконцентрирована растянутая арматура. Полка ребер – плита с пролетом, равным расстоянию между второстепенными балками, работает на местный изгиб.
Высота плиты hS назначается из условия прочности, жесткости (деформативности) и принимается как можно меньшей, так как ее собственный вес составляет значительную часть постоянной нагрузки и влияет на нижележащие конструкции. Высота плиты hS принимается кратной 10 мм.
Плита армируется обычно сварными сетками по ГОСТ 8478-81 из арматуры класса Вр-1 Æ 3,4,5 мм, А-II А-III Æ 6,8 мм, редко – 10 мм. Сетки подразделяются на рулонные (из арматуры класса Вр-1) и плоские (из арматуры классов А-II, А-III). Они бывают с продольной рабочей арматурой, с поперечной рабочей арматурой и рабочей арматурой в двух направлениях. В сетках различают рабочую и распределительную арматуру. Шаг стержней рабочей арматуры не должен 200 мм.
Основные параметры сетки в условных обозначениях имеют вид:
,
где D – диаметр продольных стержней; v – шаг продольных стержней; d – диаметр поперечных стержней; u – шаг поперечных стержней; B – ширина сетки; L – длина сетки; C1 и С2 – длина свободных концов продольных стержней; если С1=С2, приводится значение только С1, при С1=С2=k=25 значения С1 и k опускаются; к – длина свободного конца поперечных стержней.
Определив размеры плиты по конструктивной схеме здания и выбравформу ее сечения, производят расчет плиты по следующей схеме:
1)статический расчет:
а) устанавливают расчетную схему и размер расчетного пролета;
б) производят подсчет нагрузок;
в) определяют расчетные усилия M и Q;
2) конструктивный расчет по I группе предельных состояний:
а) принимают классы бетона и арматуры с учетом эксплуатационных требований;
б) уточняют принятую толщину плиты;
в) рассчитывают плиту на изгиб по нормальным сечениям.
Балки
В целях унификации опалубки высоту балок назначают кратной 50 мм, если она не более 600 мм, и 100 мм – при больших размерах. Ширину прямоугольных поперечных сечений b принимают в пределах (0,4...0,5)h (кратные 50 мм до b = 200, 220, 250 мм, и кратные 100 мм при b > 250 мм).
Для снижения расхода бетона ширину балок назначают наименьшей. В поперечном сечении балки арматуру размещают в растянутой зоне сечения согласно эпюрам изгибающих моментов в один или два ряда с такими зазорами, которые допускали бы плотную укладку бетона без пустот и каверн [1, гл.5].
Для экономии стали часть продольных арматурных стержней можно не доводить до опоры и обрывать в пролете там, где они по расчету на восприятие изгибающего момента не требуются. Обрываемые стержни заводятся за место теоретического обрыва на длину заделки W. Площадь сечения продольной рабочей арматуры As в изгибаемых элементах должна определяться расчетом, но составлять не менее m = 0,05% [1, гл.5] площади сечения элемента с размерами b и h0. Для продольного армирования балок обычно применяют стержни периодического профиля (реже гладкие) диаметром 12...32 мм.
По расчетно-конструктивным условиям расстояние в продольном направлении между поперечными стержнями (хомутами) должно быть согласно [1, гл. 5]:
в балках высотой до 400 мм – не более h/2, но не более 150 мм;
в балках высотой свыше 400 м – не более h/3, но не более 500 мм.
Это требование относится к приопорным участкам балок длиной 1/4 пролета элемента при равномерно распределенной нагрузке и на протяжении от опоры до ближайшего груза, но не менее 1/4 пролета при сосредоточенной нагрузке.
В остальной части пролета элемента расстояние между поперечными стержнями – не более чем 3/4 h и не более 500 мм.
В балках высотой более 700 мм у боковых граней ставят дополнительные продольные стержни на расстояния (по высоте) не более чем через 400 мм; площадь каждого из этих стержней должна составлять не менее 0,1% той части площади поперечного сечения балки, которую они непосредственно армируют (высотой, равной полусумме расстояний до ближайших стержней, и шириной, равной половине ширины элемента, но не более 200 мм). Эти стержни вместе с поперечной арматурой сдерживают раскрытие наклонных трещин на боковых гранях балок и увеличивают жесткость поперечных стержней каркаса при усадке бетона.
Для объединения всех арматурных элементов в единый каркас, устойчивый при бетонировании, и для анкеровки концов поперечной арматуры у верхних граней балок ставят монтажные, продольные стержни диаметром 10...12 мм.
Расчет балок производят по следующей схеме:
1) статический расчет:
а) устанавливают расчетную схему и размеры расчетных пролетов и предварительные размеры сечений;
б) подсчитывают нагрузку на балку;
в) определяют расчетные усилия M и Q;
2) конструктивный расчет по I группе предельных состояний:
а) принимают классы бетона и арматуры с учетом эксплуатационных требований;
б) принятая высота сечения балки уточняется расчетом;
в) производят подбор сечений продольных стержней по изгибающим моментам (расчет прочности по нормальным сечениям);
г) выполняют расчет по наклонному сечению (устанавливают диаметр и шаг поперечных стержней);
д) вычисляют длину анкеровки рабочих стержней, обрываемых в пролете по эпюре изгибающих моментов М.
3. ПОРЯДОК И ПРИЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
3.1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ЗДАНИЯ
Принимаем каркасно-оболочковую систему здания с шарнирным опиранием элементов перекрытия на наружные стены. При этом решении ветровая (горизонтальная) нагрузка воспринимается наружными стенами (оболочкой), а перекрытие воспринимает только вертикальные нагрузки.
Направление главных балок принимаем поперечным ввиду преимуществ перед продольным расположением.
Ребристое перекрытие с балочными плитами состоит из плиты, работающей в коротком направлении, второстепенных балок, главных балок и колонн. Все элементы монолитно связаны между собой и выполняются обычно из бетона класса В15...В20.
Конструктивная схема здания определяется сеткой колонн (рис.4), размеры сетки колонн – пролетами главных и второстепенных балок.
Данные для компоновки:
Главная балка Второстепенная балка
= 6 – 9 м; 
= 5 – 7 м;
=(1/8 – 1/15) ; 
=(1/12 – 1/20) ;
=(0,3 – 0,5) ; 
=(0,3 – 0,5) ;
=250 – 350мм. 
=200 – 250мм;
=1,4 – 2,7 м.
Плита
= 60 мм для промзданий и зависит от нагрузки:
при vn £ 8 кН/
hs= 60-70 мм, 
= 120 мм в рабочем направлении;
vn = 8,5-12 кН/
hs= 80-90 мм, 
= 60 мм в нерабочем направлении;
vn > 12 кН/ hs= 90-100 мм, пролет плиты ls определяется шагом второстепенных балок Ssb.
Рис. 4. Компоновочная схема здания
Изгибающие моменты в неразрезных балочных плитах и второстепенных балках при равных или отличающихся не более, чем на 20 % длиной пролетов определяют с учетом перераспределения моментов:
= 0,8
.,
=0,8 ,
B=2 +(n-2) ,
B=1,6 +(n-2) ,
где n – число пролетов здания.
.
Проверка: 
.
Аналогично определяют и шаг колонн в продольном направлении:
L = 2 + (m-2) ,
где m - число пролетов в продольном направлении.
=0,8
, тогда L = 1,6 + (m-2) .
.
Проверка: 
.
Колонну принимаем 300 х 300 или 400 х 400 мм.
3.2. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ МОНОЛИТНОЙ ПЛИТЫ.
3.2.1. ВЫБОР РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТНОГО СЕЧЕНИЯ.
Плита перекрытия по заданию балочная, т. е. должно удовлетворяться условие 
, где 
=
; 
. Если это соотношение меньше или равно 2, то уменьшают шаг второстепенных балок Ssb .
Балочные плиты работают в коротком направлении. Плита рассчитывается как многопролетная неразрезная балка. Для расчета плиты вырезаем полоску шириной 
=1м в крайнем и среднем пролетах здания и определяем необходимые геометрические данные (рис. 5):
lp1 – расчетная длина крайнего пролета: 
.
lp2 – расчетная длина среднего пролета: 
.
hs – толщина плиты;
hsb – высота второстепенной балки;
bsb – ширина второстепенной балки;
lsup. s – длина площадки опирания плиты на стену; lsup s = 120 мм ( в рабочем направлении).
 |
Рис. 5. Определение расчетных длин
Плита загружена равномерно распределенной нагрузкой и рассчитывается на основное сочетание нагрузок (рис. 6).
Рис. 6. Расчетная схема плиты и расчетное сечение:
g - расчетная постоянная нагрузка; v - расчетная временная нагрузка; q = g + v - полная нагрузка
Определяем действующую нагрузку на плиту (табл. 3):
Ширина грузовой площади А = 1 м.
Таблица 3
Вид нагрузки 1 | Подсчет 2 | Нормативная нагрузка, кН/м 3 | Коэффициент надежности по нагрузке gf 4 | Расчетная нагрузка, кН/м 5 |
Постоянная нагрузка | ||||
Собственный вес пола (см. задание) | gп кН/м2 ·1 м |
| 1,3 |
|
Собственный вес плиты | hs·bs ·25 кН/ |
| 1,1 |
|
Итого | gп = |
| ||
Временная нагрузка | ||||
Полезная (по заданию) | v· 1 м |
| gf |
|
Если v < 2кПа | то gf =1,3 | |||
Если v ³ 2кПа | то gf =1,2 (см.[3]) | |||
Итого |
| v | ||
Полная нагрузка |
| q=g+v |
3.2.2. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПЛИТЫ (ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ).
Изгибающие моменты определяются с учетом перераспределения усилий за счет пластической работы материалов (пластический шарнир) (рис. 7):
крайний пролет плиты
;
средний пролет плиты
 |
.
Рис. 7. Эпюры моментов в крайнем и среднем пролетах здания
Для среднего пролета здания изгибающие моменты в средних пролетах плиты под влиянием распоров, возникающих за счет окаймления плиты по контуру монолитно связанными балками, уменьшаются на 20 %:
крайний пролет плиты
;
средний пролет плиты
.
Величину поперечных сил не определяют, ввиду того что тонкие плиты проектируют без постановки поперечной арматуры и, как правило, выполняются следующие условия:
3.2.3. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ПЛИТЫ.
1. Расчетные характеристики материалов принимаем по таблице [1]:
а) бетон
при 
< 8,5 кН/м2 обычно принимают В15;
при < 8,5 кН/м2 В 20;
б) gn = 0,95 [3] - коэффициент надежности по назначению здания;
в) арматура
Вр-I d = 3,4,5, 
;
A-II, A-III, d=6, 8, 
.
Плиты армируются обычно рулонными сетками с продольной рабочей арматурой кл. Вр-I (непрерывное армирование). При раздельном армировании применяются плоские сварные сетки с поперечной рабочей арматурой класса A-II, A-III.
2. Проверяем высоту сечения плиты. Задаемся x = 0,1 ... 0,15, определяем
и вычисляем рабочую высоту сечения по формуле
.
Полная высота сечения hs=h0s+a (рис. 8), где a=c+d; с – толщина защитного слоя бетона [1]; a - диаметр рабочей арматуры; высоту сечения hs принимаем кратной 10 мм.
Рис. 8. Сечение плиты
3. Подбираем сечение рабочей арматуры (см. приложение 4):
,
= a- 0,008 Rb, ssR =Rs, 0,85-для тяжелого бетона,
ssc,u = 500 МПа при gbr < 1,
ssc,u = 400 МПа при gbr ³ 1.
.
Определяем площадь арматуры в следующих сечениях (см. эпюру моментов):
1-1
если 
.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
