Геометрические характеристики 1 страница

b - ширина прямоугольного сечения; ширина ребра таврового и двутаврового сечений;

b_f, b¢_f - ширина полки таврового и двутаврового сечений соответственно в растянутой и сжатой зонах;

h - высота прямоугольного, таврового и двутаврового сечений;

h_f, h¢_f - высота полки таврового и двутаврового сечений соответственно а растянутой и сжатой зонах;

а, а¢ - расстояния от равнодействующей усилий в арматуре соответственно S и S¢ до ближайшей грани сечения;

h ₀, h¢ ₀ - рабочая высота сечения, равная соответственно h - а и h - a¢;

х - высота сжатой зоны бетона;

x - относительная высота сжатой зоны бетона, равная х/ h ₀;

s_w - расстояние между хомутами, измеренное по длине элемента;

е ₀ - эксцентриситет продольной силы N относительно центра тяжести приведенного сечения;

е _{0 р} - эксцентриситет усилия предварительного обжатия Р относительно центра тяжести приведенного сечения;

e _{0, tot} - эксцентриситет равнодействующей продольной силы N и усилия предварительного обжатия Р относительно центра тяжести приведенного сечения;

е, е¢ - расстояния от точки приложения продольной силы N до равнодействующей усилий в арматуре соответственно S и S¢;

e_s, e_sp - расстояния соответственно от точки приложения продольной силы N и усилия предварительного обжатия Р до центра тяжести площади сечения арматуры S;

l - пролет элемента;

l ₀ - расчетная длина элемента, подвергающегося действию сжимающей продольной силы;

i - радиус инерции поперечного сечения элемента;

d_s, d_sw - номинальный диаметр стержней соответственно продольной и поперечной арматруы;

А_s, A¢_s - площади сечения ненапрягаемой арматуры соответственно S и S¢; при определении усилия предварительного обжатия P - площади сечения ненапрягаемой части арматуры соответственно S и S¢;

A_sp, A¢_sp - площади сечения напрягаемой части арматуры соответственно S и S¢;

А_sw - площадь сечения хомутов, расположенных в одной наклонной к продольной оси элемента плоскости;

A_s,inc - площадь сечения отогнутых стержней, расположенных в одной наклонной к продольной оси элемента плоскости;

m_s - коэффициент армирования, определяемый как отношение площади сечения арматуры S к площади поперечного сечения элемента bh ₀ без учета свесов сжатых и растянутых полок;

А - площадь всего бетона в поперечном сечении;

А_b - площадь сечения сжатой зоны бетона;

A_bt - площадь сечения растянутой зоны бетона;

A_red - площадь приведенного сечения элемента;

А_loc - площадь смятия бетона;

S¢_{b o}, S_{b 0} - статические моменты площадей сечения соответственно сжатой и растянутой зон бетона относительно нулевой линии;

S¢_{s 0}, S_{s 0}, - статические моменты площадей сечения арматуры соответственно сжатой и растянутой арматуры относительно нулевой линии;

I - момент инерции площади поперечного сечения элемента относительно главной центральной горизонтальной оси инерции сечения;

I_red - момент инерции площади приведенного поперечного сечения элемента относительно главной центральной горизонтальной оси инерции сечения;

I_s - момент инерции площади поперечного сечения арматуры относительно главной центральной горизонтальной оси инерции сечения;

I_{b 0} - момент инерции площади поперечного сечения сжатой зоны бетона относительно нулевой линии;

I_{s 0}, I¢_{s 0} - моменты инерции площадей поперечных сечений арматуры соответственно S и S¢ относительно нулевой линии;

W_red - момент сопротивления приведенного сечения элемента для крайнего растянутого волокна, определяемый как для упругого материала.

1. Введение

1.1 Общие положения

Железобетонные конструкции - это здания и сооружения, изготовленные из элементов с использованием железобетона как основного строительного материала. Согласно нормативной документации (СНиП 52-01-2003) железобетонные конструкции должны удовлетворять следующим требованиям:

- надёжности;

- технологичности;

- экономичности.

Помимо сказанного, ЖБ и КК должны обеспечивать:

- требования единой модульной системы;

- унификацию объёмно-планировочных решений;

- технико-экономическую эффективность.

Приведенный перечень общих и специальных требований практически охватывает все стороны процессов проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатациижелезобетонных конструкций. На всех перечисленных стадиях строительного производства вышеуказанные требования практически связаны между собой, поскольку, например, унифицированные габаритные схемы зданий влияют на надёжность, технологичность и экономичность строительного производства, равно как последние накладывают определённые количественные ограничения на размеры зданий и сооружений.

1.2 Унификация и стандартизация габаритных схем одноэтажных промышленных железобетонных

зданий и схем привязки

1.2.1 Унификация габаритных схем зданий

В соответствии с нормативными документами (ГОСТ 23838-89), в настоящее время установлены унифицированные габаритные схемы зданий из железобетонных конструкций. Например, количественные характеристики для одноэтажных промышленных зданий, оборудованных мостовыми кранами, приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Унифицированные габаритные схемы одноэтажных промышленных зданий, оборудованных мостовыми кранами

Высота до низа конструкций покрытия, м	Отметка головки кранового рельса, м	Грузоподъемность крана, тс	Шаг средних колонн
Пролет 18м, шаг крайних колонн 6 или 12 м
8,4	6,15		6 или 12
9,6	6,95	10,20	6 или 12
10,8	8,15	10,20	6 или 12
12,6	9,85	10,20,30
14,4	11,45	10,20,30
Пролет 24м, шаг крайних колонн 6 или 12 м
8,4	6,15		6 или 12
9,6	6,95	10,20	6 или 12
10,8	8,15	10,20	6 или 12
12,6	9,85	10,20,30
14,4	11,45	10,20,30
16,2	12,65	30,50
18,0	14,45	30,50
Пролет 30м, шаг крайних колонн 6 или 12 м
12,6	9,85	10,20,30
14,4	11,45	20,30
16,2	12,65	30,50
18,0	14,45	30,50

Такие одноэтажные каркасные здания применяют в металлургической, машиностроительной и др. отраслях промышленности. Разрез в поперечном направлении такого здания приведён на рис.1.1.

1.2.2 Унификация схем привязки колонн

После габаритных схем следующим этапом унификации принято считать схемы привязок конструкции здания к его координационным осям.

В настоящее время принято различать две системы привязки колонн:

- к продольным координационным осям;

- к поперечным координационным осям;

Привязку колонн к продольным координационным осям выполняют по двум схемам;

- «нулевая» привязка;

- привязка со смещением.

Рис. 1.1. Разрез одноэтажного однопролетного здания, оборудованного мостовым краном

При нулевой привязке наружные грани колонн крайних рядов и внутренние поверхности наружных стен совмещены с продольными координационными осями (рис.1.2 а). Такую привязку применяют в зданиях без мостовых кранов, либо в зданиях, оборудованных мостовыми кранами грузоподъёмностью до 30 тс включительно при шаге колонн 6 м и высоте от отметки чистого пола до низа несущих конструкций покрытий менее 16,2 м.

Привязку со смещением (на 250 или 500 мм) применяют в зданиях, оборудованных мостовыми кранами грузоподъёмностью до 50 т включи- тельно, при шаге колонн 6 м и высоте от отметки чистого пола до низа несущих конструкций покрытий 16,2 и 18 м, а также при шаге колонн 12 м и высоте 16,2 м и 18 м. В этом случае наружные грани колонн и внутренние поверхности стен смещают на 250 мм наружу от координа- ционных продольных осей (рис.1.2 б). Иногда в зданиях с тяжёлыми кранами (грузоподъёмность 50 т и выше) смещение выполняют на 500 мм.

Вообще смещение осуществляют с целью сохранения однотипности элементов покрытий.

Рис. 1.2. Привязка наружной грани колонн крайних рядов и внутренней поверхности наружных стен к продольным разбивочным осям:

а, б – «нулевая привязка»; в – со смещением на 250 мм наружу

Колонны средних рядов многопролетных зданий привязывают так, чтобы оси надкрановых частей колонн совпадали с продольными координа ционными осями. Исключение составляют колонны, примыкающие к продольному температурному шву или в местах перепада высот пролетов одного направления.

Привязку колонн (за исключением примыкающих к температурному шву и к торцам зданий) к поперечным координационным осям выполняют так, чтобы геометрические оси сечений подкрановой части колонн совпадали с поперечными координационными осями. Оси торцовых колонн основного каркаса следует смещать относительно поперечных координационных осей внутрь здания на 500 мм, а внутренней поверхности торцовых стен совмещать с поперечными координационными осями (иметь нулевую привязку рис 1.3.)

Рис 1.3. Схема привязки колонн к поперечным координационным осям

а - у торца здания, б - у температурного шва.

1 - ригель; 2 - покрытие; 3 - стена торцовая; 4 - колонна основного каркаса, 5 - балка подкрановая; 6 - колонна фахверковая.

Поперечные температурные швы следует проектировать на парных колоннах, геометрические оси которых надо смещать с координационной оси, проходящей через середину шва, по 500 мм в каждую сторону (рис.1.3. б).

1.2.3 Унификация схем привязки подкрановых балок

Также унифицировано назначают расстояния от координационных осей до продольной оси подкрановой балки. Их принимают равными:

- в зданиях с мостовыми кранами общего назначения грузо- подъёмностью до 50 т включительно - 750 мм (рис. 1.4. а);

- в зданиях с мостовыми кранами специального назначения (разливка металла и т.д.) грузоподъемностью более 50 т, а также при устройстве проходов в надкрановой части колонн - 1000 мм (рис 1.4. б) и более (с кратностью-250 мм).

Рис.1.4. Схемы привязки надкрановых балок к продольным координационным осям

а – при «нулевой» привязке колонн;

б – при привязке колонн со смещением (250мм) наружу.

Унификация схем привязки позволяет использовать стандартное подъемно-транспортное оборудование.

1.2.4 Унификация схем привязки колонн в продольном

температурном шве

Продольные температурные швы в зданиях каркасного типа проектируют на 2-х колоннах со «вставкой» (промежуток между координационными осями). Размеры вставок принимают в зависимости от величины смещений колонн равными 500 (рис.1.5а), 1000 (рис. 1.56) или 1500мм.

Колонны, примыкающие к продольному температурному шву, привязывают к продольным координационным осям по следующим правилам:

- при шаге колонн средних рядов, равном шагу колонн крайних рядов (6 или 12м), т.е. когда покрытие запроектировано без подстропильных конструкций, то колонны следует привязывать к продольным координационным осям в соответствии с правилами привязки колонны крайних рядов (см. рис. 1.2 и рис. 1.5а, б).

- при шаге колонны средних рядов 12м и шаге колонн крайних рядов 6м (т.е. когда здание запроектировано с подстропильными конструкциями, то колонны проектируют так, чтобы расстояние между продольными координационными осями и гранями колонн, обращенными к температурному шву, были равны 250мм (рис. 1.5 в, г)).

Рис. 1.5 Схемы привязки колонн в продольном температурном шве

1 – ригель; 2 – покрытие; 3 – колонна; 4 – стена; 5 –ферма подстропильная; 6 – балка подстропильная; 7 – вставки

Как и в ранее рассмотренных случаях, рекомендуемые схемы привязки позволяют использовать типовые элементы строительных конструкций.

1.2.5 Унификация узлов сопряжения

Унификация сборных железобетонных конструкций должна быть увязана с унификацией узлов их сопряжения. Унификация узлов сопряжения приведена в альбомах чертежей силовых монтажных деталей.

С этой целью стропильные конструкции с шагом основных колонн 6м имеют привязку анкерных болтов к продольным координационным осям в размере 150мм, а к поперечным координационным осям – 180мм (рис.1.6а).

Рис. 1.6 Схемы сопряжений стропильных конструкций с колоннами по крайним и средним рядам при шаге основных колонн 6м

1 – колонна, 2 – ферма стропильная (балка), 3 – деталь закладная, 4 – болт анкерный, 5 – плита опорная

Аналогично для шага конструкций 12м привязка анкерных болтов к продольным координационным осям принята размером 150мм и к поперечным – 230мм (рис.1.6б).

Отметим, что конструкция узла опирания стропильных балок на подстропильные фермы также унифицирована.

1.3 Унификация конструктивных схем многоэтажных промышленных зданий

Многоэтажные промышленные железобетонные здания применяют для предприятий точного машиностроения, приборостроения, цехов химической, электротехнической, радиоэлектронной и др. отраслей промышленности. Эти здания как правило проектируют каркасными с навесными панелями стен.

Высоту многоэтажных промышленных зданий обычно принимают в пределах 3...7 этажей (в зависимости от технологических требований). Для некоторых видов производств – до 12-14 этажей. Ширину таких зданий проектируют в размерах 18...36м и более. Высоту этажей, согласно требованиям ЕМС принимают кратной модулю 1,2м (т.е. 3,6; 4,8; 6м), для первого этажа иногда 7,2 м. Сетку колонн каркаса назначают размером 6х6; 9х6; 12х6м. Такие незначительные размеры сеток обусловлены значительными временными (о классификации видов нагрузок будет сказано ниже) нагрузками на покрытия (от 15 до 25 кН/м²).

В многоэтажных каркасных зданиях, как правило, следует избегать специальных вертикальных диафрагм (как в гражданских зданиях), т.к. диафрагмы ограничивают свободное размещение технологического оборудования и коммуникаций. Основными несущими элементами многоэтажного каркасного здания являются железобетонной рамы и связывающие их междуэтажные перекрытия. Пространственную жесткость таких зданий обеспечивают по рамной системе в поперечном направлении (работой многоэтажных рам с жесткими узлами), а в продольном направлении – по системе связей (работой специально вводимыми вертикальными стальными связями или вертикальными железобетонными диафрагмами по рядами колонн или в плоскости наружных стен) (рис. 1.7.)

Рис. 1.7 Схема связей многоэтажного каркасного промышленного здания

1 – рама поперечная; 2 – связи вертикальные; 3 – панели перекрытий

Если продольные связи или диафрагмы не могут быть установлены по технологическим условиям производства, то их заменяют продольными ригелями (см. рис. 1.8)

Рис. 1.8 Конструктивные схемы перекрытий с ригелями и второстепенными балками

1 – ригель, 2 – балка второстепенная

Все элементы такого покрытия монолитно связаны. Второстепенные балки опирают на монолитно связанные с ними главные балки (ригели), которые опирают на колонны (или на наружные стены) (рис. 1.8а).

Главные балки (ригели) располагают в продольном (рис. 1.8б) или в поперечном (рис. 1.8в) направления здания. Второстепенные балки располагают так, чтобы ось одной из них совпала с осью колонны.

Различные констуркции многоэтажных промышленных зданий из железобетона с балочным перекрытием (l₁>l₂, где l₁ и l₂ – длина и ширина плиты) приведены на рис. 1.9. В зданиях, предназначенных для химической промышленности, верхние этажи часто проектируют с мостовыми кранами (для перемещения крупногабаритных ванн первого цикла производства).

В этом случае верхний этаж проектируют из колонн, ригелей и подкрановых балок, аналогично конструкции одноэтажных промышленных зданий.

Ригели соединяют с колоннами на консолях колонн с применением ванной сварки выпусков арматуры, после чего замоноличивают полость стыка.

Для междуэтажных перекрытий применяют ребристые панели шириной 1500мм и более.

Рис. 1.9 Конструктивная схема многоэтажного промышленного здания

1 – плиты покрытия, 2 – плиты перекрытия, 3 – колонны железобетонные

Панели перекрытий, укладываемые по линии колонн, служат одновременно ригелями-распорками, которые обеспечивают устойчивость здания на монтаже. В таких зданиях проектируют опирание панелей перекрытия по двум типам:

- на полки ригелей таврового сечения (для производств с металлорежущими станками);

- по верху ригелей прямоугольного сечения (для производств химической промышленности с оборудованием, занимающим несколько этажей).

Для обоих типов опирания панелей проектируют типовые ригели одинакового сечения высотой 800мм и шириной ребра 300мм.

Существуют и другие типы конструкций многоэтажных промышленных зданий (с безбалочными перекрытиями, бескаркасные и т.д.). Их конструкции проектируют также в соответствии с единой модульной системой.

2. Нагрузки и воздействия

2.1 Общие положения

При проектировании зданий и сооружений необходимо учитывать все нагрузки, возникающие на всех стадиях производственно-эксплуатационного цикла функционирования конструкции (производства, хранения, транспортирования, монтажа и эксплуатации).

Основной характеристикой любого вида нагрузки (согласно СНиП 2.01.07-85*) следует считать ее нормативное значение.

Для некоторых видов нагрузок вводят два нормативных значения – полное и пониженное. Пониженное значение нагрузки вводят в расчет при необходимости учета влияния длительности действия нагрузки, проверке конструкции на выносливость, а также в тех случаях, когда такой расчет предусмотрен в нормах проектирования конкретных конструкций и сооружений.

Расчетное значение любой нагрузки определяют как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке (γ_f), соответствующий рассматриваемому предельному состоянию. Значения (γ_f) приведены в нормативной литературе (СНиП 2.01.7-85*).

Для нагрузок с двумя нормативными значениями (полным и пониженным) при вычислении их расчетных значений следует принимать единый коэффициент надежности по нагрузке.

2.2 Классификация нагрузок

Нагрузки классифицируют по основному признаку продолжительности действия:

- постоянные (g)

- временные (υ)

Кроме того, временные нагрузки подразделяют на 3 вида:

- длительные (υ₁)

- кратковременные (υ₂)

- особые (υ₃)

Все обозначения, включая индексацию параметров, единицы размерности и прочности приведены в разделе «Основные буквенные обозначения».

Рассмотрим структуру и содержание этих нагрузок.

К постоянным нагрузкам относят:

- вес частей сооружений (в том числе вес несущих и ограждающих частей);

- вес и давление грунтов (при расчете фундаментов);

- усилия предварительного напряжения, сохраняющиеся в конструкции при эксплуатации.

К временным длительным (обычно их называют просто длительными) нагрузкам относят:

- вес временных перегородок, подливок и подбетонок под оборудование;

- вес стационарного оборудования (трубопроводы, конвейеры, подъемные машины и механизмы и.т.д.), а также вес жидкостей и сыпучих тел, заполняющих все емкости оборудования;

-давление газов, жидкостей и сыпучих тел (при расчете трубопроводов и емкостей);

-нагрузки от стеллажей и складируемых материалов в складских и подобных помещениях;

- температурные технологические воздействия от стационарного оборудования (печи, тепловые агрегаты);

- вес воды на водонаполненных плоских покрытиях;

- вес отложений производственной пыли;

- нагрузки от людей, животных, оборудования (с пониженными нормативными значениями согласно см. табл.3 СНиП 2.01.07-85);

- вертикальные нагрузки от подвесных и мостовых кранов с пониженными нормативными значениями, которые вычисляют умножением полного нормативного значения вертикальной нагрузки от одного крана в каждом пролете здания на коэффициенты:

0,5- для групп режимов работы кранов 4К-6К;

0,6- для групп режимов работы кранов 7К;

0,7- для групп режимов работы кранов 8К,

причем группы режимов работы кранов принимают согласно ГОСТ 25546-82;

- снеговые нагрузки с пониженными нормативными значениями, которые вычисляют умножением полного нормативного значения на коэффициенты:

0,3- для 3 снегового района;

0,5- для 4 снегового района;

0,6- для 5 и 6 снеговых районов;

- температурные климатические воздействия с пониженными нормативными значениями (вычисляют согласно п.1.7л СНиП 2.01.07-85^*);

- прочие воздействия (изменения влажности, усадка, ползучесть материалов и прочее).

К кратковременным нагрузкам относят:

- нагрузки от оборудования, возникающие при пуске и наладке, испытаниях, при перестановке и замене оборудования;

- вес людей, ремонтных материалов и оборудования в зоне обслуживания;

- нагрузки (от людей, животных, оборудования) на перекрытия жилых, общественных и с/х зданий с полными нормативными значениями, кроме учтенных в качестве длительных;

- нагрузки от подвижного подъемно-транспортного оборудования с полным нормативным значением;

- температурные климатические воздействия с полным нормативным значением;

- ветровые нагрузки;

- гололедные нагрузки.

Нагрузки, возникающие при изготовлении, хранении и транспорти- ровании конструкций, а также при их монтаже следует учитывать в расчетах как кратковременные.

К особым нагрузкам относят:

- сейсмические воздействия;

- взрывные воздействия;

- нагрузки при аварийных ситуациях;

- воздействия, вызванные деформациями основания.

Такова общепринятая классификация нагрузок, воздействующих на строительные конструкции и их элементы.

2.3 Сочетания нагрузок

Расчет конструкций и сооружений выполняют по предельным состояниям с учетом неблагоприятных сочетаний нагрузок.

Эти сочетания устанавливают путем анализа реальных вариантов одновременного действия различных нагрузок при рассмотрении той или иной стадии (производство, хранение, транспортирование, монтаж, эксплуатация).

В зависимости от состава учитываемых нагрузок различают:

- основные сочетания нагрузок, включающие постоянные, длительные и кратковременные нагрузки;

- особые сочетания нагрузок, включающие постоянные, длительные и кратковременные и хотя бы одну особую нагрузку.

Временные нагрузки, имеющие два нормативных значения (полное и пониженное) учитывают в расчетах или как длительные (с пониженным нормативным значением), или как кратковременные (с полными нормативными значениями). Но одновременному учету указанные нагрузки не подлежат.

Если в качестве расчетного принято сочетание нагрузок, включающее постоянные и не менее двух временных нагрузок, расчетные значения временных нагрузок (или соответствующих им усилий) следует умножать на коэффициенты сочетаний (y), принимаемые согласно п.1.12 СНиП 2.01.07-85^* в виде:

- в основных сочетаниях для длительных нагрузок y₁ = 0,95; для кратковременных нагрузок y₂ = 0,9;

- в особых сочетаниях для длительных нагрузок y₁ = 0,95; для кратковременных y₂ = 0,8 (кроме случаев, оговоренных в нормах проектирования сооружений для сейсмических районов и в нормах проектирования конкретных конструкций и оснований. При этом особую нагрузку следует принимать без снижения).

Для основных сочетаний при учете трех и более кратковременных нагрузок их расчетные значения необходимо умножить на величину y_2, принимаемую для первой (по степени влияния) кратковременной нагрузки равной y₂ = 1,0; для второй y₂ = 0,8 и для остальных – y₂ = 0,6.

Для основных сочетаний, включающих постоянные нагрузки и одну временную (длительную или кратковременную) коэффициенты y₁ и y₂ вводить не следует.

При этом за одну временную нагрузку следует принимать:

- нагрузку определенного рода от одного источника (давление или разрежение в емкости, снеговую, ветровую, гололедную нагрузки, температурные климатические воздействия, нагрузку от одного погрузчика, электрокара, мостового или подвесного крана);

- нагрузку от нескольких источников, если их совместное действие учтено в нормативном и расчетном значениях нагрузки (нагрузку от оборудования, людей и складируемых материалов и т.д.)

2.4 Определение нагрузок

2.4.1 Расчет постоянных нагрузок

Нормативные значения весов конструкций заводского изготовления следует определять на основании государственных и иных стандартов, строительных норм и правил, рабочих чертежей или паспортных данных заводов-изготовителей. Других строительных конструкций, а также грунтов - по проектным размерам и удельному весу материалов и грунтов с учетом их влажности в условиях возведения и эксплуатации сооружений.

Коэффициенты надежности по нагрузке g_f для веса строительных конструкций и грунтов приведены в табл. 1.2.

Таблица1.2.

Конструкции сооружений и вид грунтов	Коэффициент надежности по нагрузке gf
Конструкции:
металлические	1,05
бетонные (со средней плотностью свыше 1600 кг/м3), железобетонные, каменные, армокаменные, деревянные	1,1
бетонные (со средней плотностью 1600 кг/м3 и менее), изоляционные, выравнивающие и отделочные слои (плиты, материалы в рулонах, засыпки, стяжки и т.п.), выполняемые:
в заводских условиях	1,2
на строительной площадке	1,3
Грунты:
в природном залегании	1,1
насыпные	1,15

Для металлических конструкций, в которых усилия от собственного веса превышают 50 % общих усилий, следует принимать g_f = 1,1.

2.4.2 Расчет временных нагрузок

Варианты нагружения конструкций длительными нагрузками от оборудования, людей, животных, складируемых материалов и изделий следует принимать в соответствии с предусмотренными условиями возведения и эксплуатации зданий. Если на стадии проектирования данные об этих условиях недостаточны, то при расчете конструкций и оснований необходимо рассмотреть следующие варианты нагружения: