Проектирование конструкции промышленного здания

Введение

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 внедрения эффективных, современных строительных материалов и конструкций, снижения массы конструкций и т.п. Принятые конструктивные схемы должны обеспечивать необходимую прочность, устойчивость; элементы сборных конструкций должны отвечать условиям механизированного изготовления на специальных предприятиях.

При проектировании производственных 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.

В курсовом проекте рассчитана железобетонная ферма.

1.Проектирование конструкции поперечной рамы одноэтажного промышленного здания

1.1 Исходные данные

Здание однопролётное. Район строительства:

Снеговая нагрузка по Pсн=2,8 кПа;

Ветровая нагрузка qв=0,42 кПа;

Средняя скорость за три наиболее холодных месяца х=4м/с;

Кровля рулонная.

Здание не отапливаемое длиной 78 м.

Длина температурного блока 39 м.

Ширина пролёта стропильной конструкции - фермы L =30 м.

Шаг колонн B = 6 м.

Пролёт оборудован мостовым краном среднего режима работы грузоподъёмностью

Q=300/50 кН.

1.2 Компоновка поперечной рамы

В качестве основной несущей конструкции покрытия принята ферма пролётом 30 м. С предварительно напряженным нижним растянутым поясом. Цех оборудован лампами дневного света, устройство фонарей не предусмотрено. Плиты покрытия предварительно напряженные железобетонные ребристые размерам 3х6 м.

Подкрановые балки принимаем железобетонные предварительно напряжённые высотой 1,4 м. Наружные стены панельные навесные, опирающиеся на опорные столики колонн на отметке 7,2 м. Стеновые панели и остекление ниже отметки 7,8 м также навесные, опирающиеся на фундаментную балку. Колонны проектируем сквозные двухветвевые.

Отметка кранового рельса Н0 = 6 м. Высота кранового рельса 150 мм.

Колонны имеют длину от обреза фундамента до верха подкрановой консоли:

.

От верха подкрановой консоли до низа стропильной конструкции - в соответствии с габаритом мостового крана, высотой подкрановой балки, рельса, размером зазора:

;

Окончательно принимаем Н2 = 4,5 м, что отвечает модулю кратности 1,2 м для длины от нулевой отметки до низа стропильной конструкции.

При этом полная длина:.

Привязка колонн к разбивочным осям при шаге 6 м, кране Q=300/50 кН и высоте колонны Н = 9,1 м принимаем 250 мм.

Соединение колонн с фермами выполняется сваркой закладных деталей и в расчётной схеме поперечной рамы считается шарнирным.

Для колонны в подкрановой части , принимаем h1=1200мм; b1 = 500 мм (при шаге 6 метров) в надкрановой части из условия опирания фермы h2 = 600 мм, b2 = 500 мм.

1.3Определение нагрузок на раму

1.3.1Постоянная нагрузка

Нагрузка от веса покрытия приведена в таблице 1.

Расчётное опорное давление фермы:

от самой фермы:

где 1,1 - коэффициент надёжности по нагрузке гf от покрытия

Таблица 1. Нагрузка от веса покрытия

Наименование нагрузки	Нормативная Рн,	Коэф. надежности по нагрузке	Расчётная Р,
Ж/б ребристые плиты покрытия размером в плане 3х12м	1562,5	1,1	1718,75
Обмазочная пароизоляция	50	1,3	65
Утеплитель	0	1,2	0
Растворная стяжка	440	1,3	572
Рубероид (3 слоя)	150	1,3	195
ИТОГО от перекрытия	2202,5		2550,75
Сама ферма	1000	1,1	1100
Снеговая			2400
ИТОГО:	3202,50		6050,75

Расчётная нагрузка от веса покрытия с учётом коэффициента надёжности по назначению здания :

- на колонну ;

Расчётная нагрузка от веса стеновых панелей и остекления передаваемая на колонну выше отметки 7,2 м.

где- вес 1 м2 стеновых панелей

- вес 1 м2 остекления

Расчётная нагрузка от веса стеновых панелей и остекления передаваемая непосредственно на фундаментную балку:

Расчётная нагрузка от веса подкрановых балок

,

где- вес подкрановой балки

Расчётная нагрузка от веса колонн:

-надкрановая часть

-подкрановая часть

1.3.2Временные нагрузки

а) Снеговая нагрузка

вес снегового покрова на 1м2 площади горизонтальной проекции покрытия . Средняя скорость ветра за три наиболее холодных месяца х=4м/с>2 м/с, снижает коэффициент перехода умножением на коэффициент =1,2-0,1· х= 1,2-0,1· 4=0,8 , т.е. ·

Расчётная снеговая нагрузка при: на колонны:

б) Крановые нагрузки

Вес поднимаемого груза Q = 300 кН. Пролёт крана

,

вес тележки ,

Расчётное максимальное давление на колесо крана при

Расчётная поперечная тормозная сила на одно колесо

Вертикальная крановая нагрузка на колонны от двух сближённых кранов с коэффициентом сочетания 0,85

Горизонтальная крановая нагрузка на колонну от двух кранов при поперечном торможении

в) Ветровая нагрузка

Расчетное значение ветрового давления щ0 = местности типа С - при условии

аэродинамический коэффициент для наружных стен с наветренной стороны равен , с подветренной .Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки щm с наветренной стороны ровно:

для части здания высотой до 5 метров от поверхности земли при коэффициенте , учитывающим изменение ветрового давления по высоте k=0,75; щm1=щ0·k·cе=

то же высотой до 10 метров щm2=щ0·k·cе= где k=1;

то же высотой до 20 метров щm3=щ0·k·cе= где k=1,25;

на высоте 17, 0 метров в соответствие с линейной интерполяцией с наветренной стороны

то же при высоте 10,20 метров



переменную по высоте ветровую нагрузку с наветренной стороны заменяют равномерно распределённой, эквивалентной по моменту в заделке консольной балки длиной 10,2 метров,

С подветренной стороны: щms= кН/м. Расчетная равномерно распределенная ветровая нагрузка на колонну до отметки 10,2 метра при коэффициенте по нагрузке гf = 1,4, коэффициенте надёжности по назначению гn = 0,95

с наветренной стороны:

Р = щmB гf гn = 202,5.6.1,4.0,95= 1,62кН/м;

с подветренной стороны:

Р = щmsB гf гn = 126,56.6.1,4.0,95= 1,01кН/м;

Расчетная сосредоточенная ветровая нагрузка выше отметки 12,6 метра:

1.4 Определение усилий в колоннах рамы

Расчет рамы выполняют методом перемещений.

Постоянная, снеговая, ветровая нагрузки действуют одновременно на всю раму температурного блока, при этом пространственный характер работы каркаса не проявляются, сdim =1. Крановая же нагрузка приложена только к нескольким рамам блока, однако благодаря жесткому диску покрытия в работу вовлекаются все рамы блока, проявляется пространственная работа, сdim >1.

Подвергают основную систему единичному перемещению Д1=1, и вычисляют реакции верхнего конца сквозной колонны RД

Для сквозной колонны:

Моменты инерции сечений:

надкрановая часть

подкрановая часть

Суммарная реакция



Усилия в колоннах рамы от постоянной нагрузки

Продольная сила действует с эксцентриситетом е0

Согласно принятому в расчете правилу знаков реакция, направленная вправо, положительна. Реакция правой колонны:

Суммарная реакция связей в основной системе:

Упругая реакция

Изгибающие моменты

Продольные силы в колонне

Усилия от снеговой нагрузки

Изгибающие моменты

Продольные усилия

Усилия в колоннах от крановой нагрузки

Суммарная реакция в основной системе равна:

с учетом пространственной работы:

;

где при шаге рам 12 м.

упругая реакция левой колонны:

Изгибающие моменты

Продольные силы

Расчёт на действие горизонтальной нагрузки

Изгибающие моменты

Поперечные силы

Расчёт рамы на действие ветровой нагрузки

При единичном смещения верха рамы

суммарная реакция

Реакции в дополнительной связи основной системы от действия ветровой нагрузки

реакция в верхней опоре левой колонны



реакция в левой колонне

реакция дополнительной связи

суммарная реакция

Смещение верха рамы

Упругие реакции

реакция левой колонны

реакция правой колонны

5.Изгибающие моменты

левая колонна



правая колонна

Поперечные силы

левая колонна

правая колонна

На основании выполненного расчёта строим эпюры моментов для всех загружений рамы и составляем таблицу расчётных усилий М, Q, N в сечении колонны. В каждом сечении колонны определяем комбинации усилий.

В соответствии с главой СНиПа «Нагрузки и воздействия» и нормами проектирования железобетонных конструкций рассматриваем две группы основных сочетаний нагрузок с различными коэффициентами условий работы бетона и коэффициентами сочетаний .Колонну рассчитываем сплошную.

2.Расчёт железобетонной фермы

2.1 Исходные данные

Проектируем ферму с параллельными поясами длиной 30 м. и шагом 6 м. предварительно напряжённую.

Напрягаемая арматура нижнего растянутого пояса из арматуры класса К-7 натягивается на упоры.

Сжатый пояс и остальные элементы решётки фермы армируются арматурой класса А-III

Бетон класса В30

2.2 Определение нагрузок на ферму

Таблица - Нагрузки

Наименование нагрузки	Нормативная Рн,	Коэф. надехности по нагрузке	Расчётная Р,
Ж/б ребристые плиты покрытия размером в плане 3х12 м с учётом заливки швов Собственный вес кровли Вес фермы	1563 440 1000	1,1 1,3 1,1	1719 572 1100
Итого Временная снеговая	3003		3391 2400

Узловые расчётные нагрузки по верхнему поясу фермы:

Постоянная Временная

Снеговая

Узловые нормативные нагрузки

Постоянная

Временная

2.3 Определение усилий в элементах фермы

Геометрическая схема фермы

Диаграммы усилий в элементах фермы:

а) На весь пролет; б) на половину пролета

Данные сводим в таблицу



Таблица - Усилия в элементах фермы

Элементы фермы	Номера стержней	Усилия от нормативной нагрузки, кН	Усилия от расчётной нагрузки, кН
		Постоянная нагрузка	1 Вар. Снеговой нагрузки	2 Вар. Снеговой нагрузки	Максимальные усилия	Постоянная нагрузка	1 Вар. Снеговой нагрузки	2 Вар. Снеговой нагрузки	Максимальные усилия
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Верхний пояс	B-1	0	0	0	0	0	0	0	0
	C-3	-315,2				-355,9	-293,9	-202,5	-649,8
	D-4	-315,2				-355,9	-293,9	-202,5	-649,8
	E-6	-477,4				-539,1	-445,1	-259,9	-984,2
	F-7	-477,4				-539,1	-445,1	-259,9	-984,2
	G-10	-477,4				-539,1	-445,1	-185,8	-984,2
	H-11	-477,4				-539,1	-445,1	-185,8	-984,2
	K-13	-315,2				-355,9	-293,9	-92,1	-649,8
	L-14	-315,2				-355,9	-293,9	-92,1	-649,8
	M-16	0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
Нижний пояс	2-0	173,3				195,7	161,6	117,1	357,3
	5-0	416,6				470,4	388,4	250,1	858,9
	8-0	497,6				561,9	464,0	232,0	1025,9
	9-0	497,6				561,9	464,0	232,0	1025,9
	12-0	416,6				470,4	388,4	138,9	858,9
	15-0	173,3				195,7	161,6	45,2	357,3
Раскосы	1 2	-298,7				-337,3	-278,5	-201,7	-615,8
	2 3	236,5				267,1	220,5	142,4	487,6
	4 5	-168,9				-190,7	-157,5	-79,4	-348,2
	5 6	101,4				114,5	94,5	16,4	209,0
	7 8	-33,8				-38,2	-31,5	46,6	-69,7
	9-10	-33,8				-38,2	-31,5	-78,1	-69,7
	11-12	101,4				114,5	94,5	78,1	209,0
	12-13	-168,9				-190,7	-157,5	-78,1	-348,2
	14-15	236,5				267,1	220,5	78,1	487,6
	15-16	-298,7				-337,3	-278,5	-76,7	-615,8
Стойки	A-1	-27				-30,5	-25,2	-25,2	-55,7
	3 4	-54,1				-61,1	-50,4	-50,4	-111,5
	6 7	-54,1				-61,1	-50,4	-50,4	-111,5
	8-9	0				0,0	0,0	0,0	0,0
	10-11	-54,1				-61,1	-50,4	0,0	-111,5
	13-14	-54,1				-61,1	-50,4	0,0	-111,5
	16-n	-27				-30,5	-25,2	0,0	-55,7

2.4 Расчёт элементов фермы

2.4.1 Расчёт верхнего сжатого пояса

Ширину верхнего пояса принимаем из условия опирания плит пролётом 6м.

Определяем требуемую площадь

Принимаем

Случайный начальный эксцентриситет

Принимаем

При

Наибольшая гибкость сечения равна: необходимо учесть влияние прогиба элемента на его прочность.

Условная критическая сила



Граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона при



Армирование принимаем симметричное

коэффициент армирования для расчёта принимали 0,024

поэтому пересчёт делать не нужно

Принимаем 6Ш16 А IV с

2.4.2 Расчёт нижнего растянутого пояса

Определяем площадь сечения напрягаемой арматуры



Принимаем 10канатов К7Ш15 с

Напрягаемая арматура окаймлена хомутами.

Продольная арматура каркасов из стали класса

А I (4Ш10 A I c ).

Сечение нижнего пояса 20х20 см

%

Приведённая площадь сечения

Расчёт нижнего пояса на трещиностойкость

Элемент относится к третьей категории. Принимаем механический способ натяжения арматуры

Принимаем

Определяем потери предварительного напряжения при

первые потери



от разности температур напрягаемой арматуры и натяжных устройств

от деформации анкеров

от быстро натекающей ползучести

Первые потери составляют

вторые потери

от усадки бетона В35 подвергнутого тепловой обработке

от ползучести бетона



- для бетона подвергнутого тепловой обработке при атмосферном давлении

вторые потери составляют

Полные потери

Расчётный разброс напряжений при механическом способе натяжения принимаем равным:

т. к. принимаем большее значение

Сила обжатия

усилие воспринимаемое сечением при образовании трещин

- коэффициент, учитывающий снижение трещиностойкости вследствие жёсткости узлов фермы

необходимости расчёта по раскрытию трещин нет.

2.4.3 Расчёт раскосов.

Расчёт 1-го раскоса.

Расчётное сжимающее усилие в раскосе

Принимаем сечение раскоса А=25х20=500 см2

Поскольку расчёт производим согласно п. 3.65[4]

Усилие от длительной снеговой нагрузки

Усилие от кратковременной нагрузки

Усилие от постоянной и длительной нагрузок

Из табл. 26 и 27 [4] по отношениям

Предварительно задаёмся и определяем

Суммарная площадь сечения арматуры принимаем равной

Принимаем 4Ш14 АIII .

Коэффициент армирования равен

, то примерно соответствует ранее заданному значению , следовательно, пересчёт сечения арматуры не производим.

Расчёт 2-го раскоса.

Расчетное сжимающее усилие N=190,7?0,95=181,16

Nn=157,5?0,95=149,62

Принимаем сечение раскоса 25 х 16

Расчетную длину для учета продольного изгиба в плоскости фермы согласно табл. 24 (33) [4] принимаем равной

L0=0,9?l=0,9?500=450 см

Поскольку l0 = 450 см > 20h = 20?16 = 320 см, расчет производим на внецентренное сжатие с учетом e0сл

Определяем величину случайного эксцентриситета согласно п. 3.50 (1.21) [4]

e0сл = 1 см >

Таким образом, расчетный эксцентриситет e0= e0сл= 2 см

Радиус инерции

450/4,62=97,4

S=0,5?25?162=3200

N=181,16+149,62=330,78

e=1?1+16/2-3=6

ho=16-3=13

As = <0

Назначаем из конструктивных соображений симметричную по контуру арматуру 4 Ш12АI As=4,52 см2

м=4,52/(25?16)=1,13 % > 0,25 %

2.4.4 Расчёт стоек

Принимаем сечение стоек А=25х14=350 см2



Поскольку расчёт производим согласно п. 3.65[4]

Случайный эксцентриситет

Усилие от длительной снеговой нагрузки

Усилие от кратковременной нагрузки

Усилие от постоянной и длительной нагрузок

Из табл. 26 и 27 [4] по отношениям

Принимаем конструктивно 4Ш10 АII .

Коэффициент армирования равен

, что незначительно отличается от ранее принятого, следовательно, пересчёт сечения арматуры не производим.

3. Расчёт двухветвевой железобетонной колонны

3.1Данные для расчёта

Арматура класса А-III

А-I

Бетон класса В25

3.2 Расчёт сечения 1-0 на уровне верха консоли

Сечение b x h=0,5 х 0,6=0,3м

Усилия	1-я комбинация	2-я комбинация	3-я комбинация
М, кНм N, кН	136,31 570,03	101,46 570,03	136,31 570,03

1-я комбинация усилий

Усилия от продолжительного действия нагрузки

- т.к. в комбинацию включена снеговая, крановая, ветровая нагрузки

В расчёте случайные эксцентриситеты не учитываем.

необходимо учитывать влияние прогиба элемента на его прочность.

Условная критическая сила равна:

Здесь:



При условии, что , высота сжатой зоны:

относительная высота сжатой зоны:

Граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона

, где

В случае

Площадь арматуры назначаем по конструктивным соображениям:

Принимаем 5Ш12 A III

Расчёт сечения колонны 1-0 в плоскости перпендикулярной к плоскости изгиба не делают, т.к.

2-я комбинация усилий

Усилия от продолжительного действия нагрузки

- т.к. в комбинацию включена снеговая, крановая, ветровая нагрузки

В расчёте случайные эксцентриситеты не учитываем.

необходимо учитывать влияние прогиба элемента на его прочность.

Условная критическая сила равна:

Здесь:

При условии, что , высота сжатой зоны:

относительная высота сжатой зоны:

Граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона



,

где

В случае

Площадь арматуры назначаем по конструктивным соображениям:

Принимаем 4Ш14 A III

3.3 Расчёт сечения 2-1 в заделке колонны

Высота сечения h=120 см;

Сечение ветви b x h=50 х 25 см; h0 = 21см;

С=1.05 м, расстояние между осями распорок при четырех панелях.

Усилия	1-я комбинация	2-я комбинация	3-я комбинация
М, кНм N, кН Q, кН	-38,14 737,40 23,73	-63,31 737,40 25,75	-38,14 737,40 23,73

1-я комбинация усилий

Усилия от продолжительного действия нагрузки

Расчет необходимо выполнять на все три комбинации усилий и расчетное сечение арматуры принимают наибольшее.

- т.к. в комбинацию включена снеговая, крановая, ветровая нагрузки

Приведённый радиус инерции сечения в плоскости изгиба

Приведённая гибкость сечения

необходимо учесть влияние прогиба элемента на его прочность.



Принимаем

Условная критическая сила равна:

Где



Определяем усилия в ветвях колонны

Вычисляем

армирование ветвей принимают симметричное.

,

следовательно, армирование по расчёту не требуется; армирование назначаем конструктивно, принимаем 5Ш12 A III

2-я комбинация усилий

Усилия от продолжительного действия нагрузки

Расчет необходимо выполнять на все три комбинации усилий и расчетное сечение арматуры принимают наибольшее.

- т.к. в комбинацию включена снеговая, крановая, ветровая нагрузки

Приведённый радиус инерции сечения в плоскости изгиба

Приведённая гибкость сечения

необходимо учесть влияние прогиба элемента на его прочность.

Принимаем

Условная критическая сила равна:

где

Определяем усилия в ветвях колонны

Вычисляем

армирование ветвей принимают симметричное. Арматуру подбираем конструктивно.

3.4 Расчёт сечения 1-2

Сечение b x h=50 х 120 см

Усилия	1-я комбинация	2-я комбинация	3-я комбинация
М, кНм N, кН Q, кН	-51,39 732,80 17,11	-86,24 732,80 18,61	-51,39 732,80 17,11

Необходимость в подборе сечения арматуры в сечении 1-2 отпадает, так как усилия в нем меньше, чем в сечении 2-1. В сечении 1-2 по конструктивным соображениям принимаем по 4Ш10 A III с каждой стороны сечения.

Рассчитаем распорку колонны.

Изгибающий момент в распорке:

Сечение распорки прямоугольное b x h=50 x 40см

h0= 36см;

т.к. эпюра изгибающих моментов двухзначная то:

Сечение армируем двойной симметричной арматурой.

Принимаем 3Ш10 A III

Поперечная сила в распорке

Определяем поперечную силу воспринимаемую сечением

т.к. поперечную арматуру принимаем конструктивно Вр-I c шагом

4. Расчёт фундамента под двухветвевую колонну

Данные для расчёта

Грунты основания - пески пылеватые средней плотности, маловлажные.

Расчетное сопротивление грунта

Арматура из горячекатаной стали класса А-II

Бетон тяжелый класса В12,5,

Вес единицы объёма материала фундамента и грунта на его обрезах . Расчёт выполняется на наиболее опасную комбинацию расчётных усилий в сечении 2-1.

Нормативные значения при

Определение геометрических размеров фундамента

Глубину стакана фундамента принимают 90см, что не менее

Где 1,2=d диаметр продольной арматуры в колонне

- для бетона В12,5

Расстояние от дна стакана до подошвы фундамента принято 250 мм. Полная высота фундамента , принимается 1200мм, что кратно 300мм.

Глубина заложения фундамента при расстоянии от планировочной отметки до верха фундамента 150мм

Фундамент 3-х ступенчатый, высота ступеней принята одинаковой по 40 см каждая.

Определяем предварительную площадь фундамента

1,05 - коэффициент, учитывающий наличие момента.

Назначаем соотношение сторон получаем размеры:

Принимаем

Определяем рабочую высоту фундамента из условия прочности на продавливание



Полная высота сечения принятой высоты сечения достаточно. Определяем краевое давление на основание. Изгибающий момент в уровне подошвы фундамента:

Нормативная нагрузка от веса фундамента и грунта на его обрезах:

При условии, что

условия не удовлетворяется, поэтому изменяем размер фундамента

Принимаем

Расчёт арматуры фундамента

Определяем напряжения в грунте под подошвой фундамента в направлении длинной стороны без учёта веса фундамента и грунта на его уступах

Расчётные изгибающие моменты:

Сечение I-I

Сечение II-II

Сечение III-III

Требуемое количество арматуры:



Принимаем 6Ш12 A II

Процент армирование

Арматуру, укладываемую параллельно меньшей стороне фундамента, определяем по изгибающему моменту в сечении IV-IV:

Принимаем 11Ш20 A II

Процент армирование

Литература

1.«Колонны одноэтажных промышленных зданий» - Методические указания по курсовому проекту №2 по курсу «Железобетонные конструкции» для студентов всех форм обучения специальности 2903 - Промышленное и гражданское строительство. - Краснодарский политехнический институт, 2005. - 41с.

2.Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции: Общий курс. Учебник для ВУЗов. - 5-е изд., перераб. и дополн. - М.: Стройиздат, 1991. - 768с.

3.Голышев А.Б. и др. Проектирование железобетонных конструкций. Справочное пособие. - Киев: Будивельник, 1994. - 496с.

4.СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 79с.