Расчет каркаса здания. Сбор нагрузок на каркас здания. Пространственный каркас здания

4. РАСЧЕТНО-КОНСТРУКТИВНАЯ ЧАСТЬ

4.1. Железобетонные конструкции

4.1.1. Конструктивное решение

Каркас здания индивидуальный сборно-монолитный со сборными ж/б колоннами, сборно-монолитными ригелями и сборными многопустотными плитами перекрытия. Сопряжение сборных элементов каркаса осуществляется путем омоноличивания узлов. Отличительной особенностью данного каркаса является отсутствие сварных стыков сопряжения элементов.

Колонны – сборные железобетонные из бетона класса В30 со стержневой арматурой класса А-III, квадратного сечения размерами 300х300, высотой на несколько этажей. Длина колонны определяется из условия ее возможной транспортировки.

Ригели – сборно-монолитные, состоящие из двух частей:

- нижняя часть – сборная железобетонная из бетона класса В30 с преднапряженным армированием канатами по ГОСТ 13840 – 68*, сечением 300х250(h);

- верхняя часть – монолитный слой над сборным элементом ригеля в пределах высоты сборной плиты – 220 мм.

Совместная работа верхней и нижней частей обеспечивается силами трения и анкеровкой  петлевых арматурных выпусков из верхней плоскости сборной части ригеля в монолитной верхней части.

Диафрагмы жесткости – сборные железобетонные панели толщиной 160 мм из бетона класса В15, устанавливаемые в вертикальные ячейки каркаса. Примыкание стенок – диафрагм к колоннам выполняется путем омоноличивания петлевых выпусков из колонн и диафрагм.
4.1.2. Расчет каркаса здания

Сбор нагрузок

Рисунок 4.1. Пространственный каркас здания

(перспектива)

Таблица 4.2. Сбор нагрузок на каркас здания

 

№ п/п	Наименование		Толщина, мм
Сбор нагрузок на покрытие
1	Кровельный ковер	-	-	47,5	1,3	61,75
2	Утеплитель «Пеноплэкс»	35	110	3,66	1,2	4,39
3	Легкий бетон	1200	100	114	1,3	148,2
4	Ж/б плита	2500	220	285	1,1	313,5
5	Снеговая нагрузка (снеговой мешок)	-	-	212,8 (212,8)	1,43 (-)	304 (494)
	Итого:	-	-	662,96 (662,96)	- (-)	831,84 (1021,84)
Сбор нагрузок на чердачное перекрытие
6	Цементно-песчаная стяжка М100	1800	40	68,4	1,3	88,92
7	Утеплитель «Пеноплэкс»	35	220	7,32	1,2	8,78
8	Цементно-песчаная стяжка М100	1800	20	34,2	1,3	44,46
9	Пароизоляция	-	-	4,75	1,3	6,18
10	Ж/б плита	2500	220	285	1,1	313,5
11	Полезная нагрузка	-	-	66,5	1,3	86,45
	Итого:	-	-	466,27	-	548,29
Сбор нагрузок на типовое перекрытие
12	Временная нагрузка	-	-	142,5	1,3	185,25
13	Конструкция пола	700	20	13,3	1,3	17,29
14	Ж/б плита	2500	220	285	1,1	313,5
15	Вес перегородок	-	-	204,25	1,1	224,68
	Итого:	-	-	645,05	-	740,72
Сбор нагрузок на перекрытие 1-го этажа
20	Временная нагрузка	-	-	380	1,2	456
21	Конструкция пола	-	-	40,85	1,3	53,11
22	Ж/б плита	2500	220	285	1,1	313,5
23	Вес перегородок	-	-	204,25	1,1	224,68
	Итого:	-	-	910,1	-	1047,29

Рисунок 4.2. Схема нагрузок на покрытие

Рисунок 4.3. Схема снеговых нагрузок и коэффициенты

Рисунок 4.4. Схема нагрузок на чердачное перекрытие

Рисунок 4.5. Схема нагрузок на типовое перекрытие

Рисунок 4.6. Схема нагрузок на перекрытие первого этажа

Ветровая нагрузка

Расчетное значение ветрового давления:

где:

W₀ = 23 кг/м² - нормативное ветровое давление в I-м ветровом районе, тип местности «С» (г. Киров) по приложение 4[19];

k – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте в зависимости от типа местности, таблица 6[19]:

5 м – k = 0,4;

10 м – k = 0,4;

20 м – k = 0,55;

35 м – k = 0,74.

с_наветр = 0,8 и с_{подветр} = -0,6 – аэродинамический коэффициент, зависящий от конфигурации здания п.п. 6.6 и приложение 4[19];

γ_f = 1,4 – коэффициент надежности по нагрузке.

Расчетные давления с наветренной стороны:

Расчетные давления с подветренной стороны:

Расчет приведенной (сосредоточенной) нагрузки с наветренной стороны:

Расчет приведенной (сосредоточенной) нагрузки с подветренной стороны:

Рисунок 4.7. Расчетная схема ветрового давления

4.1.3. Статический расчет каркаса

 

Статический расчет производим методом конечных элементов в программе – «SCAD» версии 7.31. Для расчета подготавливаем геометрическую модель каркаса (рисунок 4.1), разбиваем каждый элемент на плоские прямоугольные и треугольные конечные элементы, назначаем жесткости конечным элементам. В узлах по контуру колонн назначаем связи с фиксацией перемещений по оси Z и углов поворота по осям Х и У. В узлах по контуру стен (диафрагм) назначаем связи с фиксацией перемещений по оси Z. В соответствии с рисунком 4.1 и таблицей 4.1 прикладываем распределенную нагрузку к ригелям каркаса в направлении оси У.

Таблица 4.3. Комбинации усилий

Таблица 4.4. Усилия для расчета колонны

Усилия и напряжения элементов при комбинации нагружений
Номер элемента	Номер комбинации	Усилия и напряжения
		N, т	Mz, т*м
1	1	-115,126	-2,17732
	2	-116,837	-2,17398
	3	-117,962	-2,00988
2	1	-94,1868	-4,06032
	2	-95,9563	-4,05989
	3	-96,6968	-3,95757
3	1	-81,7135	-5,0378
	2	-83,5754	-5,04513
	3	-84,0696	-4,99601
4	1	-71,313	-5,15703
	2	-73,2867	-5,17095
	3	-73,6033	-5,10535
5	1	-61,7407	-5,43949
	2	-63,8465	-5,46158
	3	-64,0128	-5,38623
6	1	-52,8229	-5,64453
	2	-55,0875	-5,677
	3	-55,1187	-5,59359
7	1	-44,4068	-5,80725
	2	-46,865	-5,85311
	3	-46,7767	-5,76512
8	1	-36,3737	-5,93371
	2	-39,0711	-5,997
	3	-38,8818	-5,9078
9	1	-28,6284	-6,01927
	2	-31,6245	-6,10293
	3	-31,3579	-6,01724
10	1	-21,0927	-6,13066
	2	-24,4646	-6,24946
	3	-24,1541	-6,17542
11	1	-13,6014	-5,79582
	2	-17,4438	-5,88856
	3	-17,1469	-5,8467
12	1	-10,8114	-7,00775
	2	-15,4113	-7,66016
	3	-15,2427	-7,66612

Таблица 4.5. Усилия для расчета ригеля

 

Усилия и напряжения элементов при комбинации нагружений
Номер элемента	Номер комбинации	Усилия и напряжения
		MY, т*м	QZ, т
1	1	-14,38	14,85
	2	-14,38	14,85
	3	-14,29	14,82
2	1	-10,36	10,70
	2	-10,37	10,70
	3	-10,26	10,67
3	1	-10,41	10,71
	2	-10,42	10,71
	3	-10,30	10,67
4	1	-10,40	10,71
	2	-10,41	10,72
	3	-10,27	10,67
5	1	-10,39	10,72
	2	-10,40	10,72
	3	-10,24	10,67
6	1	-10,39	10,72
	2	-10,40	10,73
	3	-10,23	10,67
7	1	-10,39	10,73
	2	-10,40	10,73
	3	-10,22	10,68
8	1	-10,39	10,73
	2	-10,40	10,73
	3	-10,22	10,68
9	1	-10,39	10,73
	2	-10,39	10,73
	3	-10,22	10,68
10	1	-10,35	10,73
	2	-10,34	10,73
	3	-10,17	10,68
11	1	-7,99	8,16
	2	-8,01	8,16
	3	-7,87	8,12
12	1	-10,24	11,09
	2	-13,37	14,41
	3	-13,24	14,37

4.1.4. Расчет и конструирование сплошной колонны

Рисунок 4.8. Расчетная схема

Рисунок 4.9. Эпюры моментов MZ

Рисунок 4.10. Эпюры продольных усилий N

4.1.4.1. Исходные данные

 

Бетон тяжелый класса В30 с характеристиками:

·  R_b = 173 кг/см²;

·  Е_b = 3,31×10⁵ кг/см².

Арматура класса А-III, d>10 мм с характеристиками:

·  R_s = R_sc = 3750 кгс/см²;

·  Е_s = 2×10⁶ кгс/см².

Сечение колонны bxh = 300x300 мм при а = а^/ = 4 см.

Полезная высота сечения h_o = h - a = 25 см.

1) Выполняем проверку прочности на комбинацию усилий с максимальной нормальной силой и соответствующим моментом:

М = -2,01 т*м;

N = -117,96 т.

То же при усилиях от постоянных нагрузок:

М_l = -2,18 т*м;

N_l = -115,13 т.

2) Выполняем проверку прочности на комбинацию усилий с максимальным моментом и соответствующей нормальной силой:

М = -7,67 т*м;

N = -15,24 т.

То же при усилиях от постоянных нагрузок:

М_l = -7,01 т*м;

N_l = -10,81 т.

4.1.4.2. Проверка прочности колонны на максимальное значение нормальной силы

Выполняем проверку прочности на комбинацию усилий с максимальной нормальной силой и соответствующим моментом:

М = -2,01 т*м;

N = -117,96 т.

То же при усилиях от постоянных нагрузок:

М_l = -2,18 т*м;

N_l = -115,13 т.

Проектный эксцентриситет:

Радиус инерции сечения:

необходимо учесть влияние прогиба элемента на величину эксцентриситета продольной силы.

Определяем величину условной критической силы по формуле 58 [20]