Авторы:                                               к.т.н., доцент О.А. Ветрова,

О.А. Ветрова

ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
 МНОГОЭТАЖНОГО КАРКАСНОГО ЗДАНИЯ

 

 

Методические указания

по выполнению курсового проекта

 

Дисциплина – «Железобетонные и каменные конструкции»

Специальность –270100.62 «Строительство»

 

 

Допущено ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»
для использования в учебном процессе в качестве
методических указаний для высшего
профессионального образования

 

Орел 2013

Авторы:                                               к.т.н., доцент О.А. Ветрова,

 

Рецензент:                               к.т.н., ст. препод. А.С. Бухтиярова

 

Методические указания предназначены для студентов 5-го курса очной формы обучения по специальности 270114 "Проектирование зданий" выполняющим курсовой проект по дисциплине «Железобетонные и каменные конструкции», а также могут использоваться при подготовке расчетно-конструктивной части дипломного проекта. Методические указания содержат методику расчета основных несущих железобетонных конструкций многоэтажного гражданского здания и требования к оформлению курсового проекта.

 

Редактор

Технический редактор

 

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Государственный университет – учебно-научно-

производственный комплекс»

 

Подписано к печати   Формат 60´84 1/16.

Печать офсетная. Уч. изд. 1,5 усл. печ. л. Тираж 50 экз.
Заказ №

 

Отпечатано с готового оригинал-макета

на полиграфической базе «Госуниверситет-УНПК»,

г. Орел, ул. Московская, 65.

 

                     © ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», 2012

Содержание

 

1 Общие указания и задание                                                                   4

2 Расчеты и конструирование многопустотной плиты перекрытия 8

   2.1 Исходные данные                                                                                 8

   2.2 Расчет плиты по предельным состояниям первой группы 10

   2.3 Расчет плиты по предельным состояниям второй группы 24

   2.4 Конструирование плиты перекрытия                                27

3 Расчет и конструирование однопролетного ригеля                                 28

   3.1 Сбор нагрузок                                                                       28

   3.2 Определение усилий в ригеле                                                  30

   3.3 Расчет прочности ригеля по сечениям, нормальным к
 продольной оси                                                                               30

   3.4 Расчет прочности ригеля по сечениям, наклонным
к продольной оси                                                                              32

   3.5 Построение эпюры материалов                                               35

   3.6 Конструирование ригеля                                                          38

4 Расчет и конструирование средней колонны                             39

   4.1 Исходные данные                                                                  39

   4.2 Определение усилий в колонне                                          39

   4.3 Расчет прочности колонны                                                       42

   4.4 Конструирование колонны                                                 44

5 Расчёт центрально нагруженного фундамента под сборную колонну46

5.1 Исходные данные                                                                  46

5.2 Определение размеров подошвы фундамента                           49

5.3 Определение высоты фундамента                       47

5.4 Проверка прочности фундамента на продавливание     49

5.5 Расчет рабочей арматуры фундамента                              50

6 Литература                                                                                             51

Приложение А - Вспомогательные таблицы                                       53

1 Общие указания и задание

Целью выполнения курсового проекта является овладение основами расчета и проектирования железобетонных конструкций, изучение метода расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям (несущей способности, деформациям, образованию и раскрытию трещин).

Курсовой проект выполняется на основании задания на проектирование и состоит из расчетно-пояснительной записки объемом 50 листов и графической части объемом семь чертежных листов формата А3. Выполненные чертежи должны соответствовать требованиям стандарта [4]. Состав пояснительной записки развернут по разделам данных методических указаний.

Задание

Выполнить рабочий проект несущих конструкций многоэтажного гражданского здания (см. рисунки 1.1 и 1.2) с полным каркасом, включающий расчет и конструирование следующих конструкций:

 - сборной панели перекрытия с напрягаемой арматурой;

 - однопролетного ригеля;

 - сборной колонны первого этажа.

Исходные данные студент принимает строго по двум последним цифрам шифра (таблицы 1.1 – 1.3).

В таблице 1 приведен шаг колонн l ₁ x l ₂ , причем l ₁ - шаг в поперечном направлении, l ₂ – шаг колонн в продольном направлении.

Здание имеет четыре пролета в поперечном направлении и шесть пролетов в продольном.

Основными несущими конструкциями многоэтажного каркасного здания являются железобетонные рамы, вертикальные связевые диафрагмы и связующие их междуэтажные перекрытия. Ригели применяются однопролетными таврового сечения с шарнирным опиранием на консоли колонн. Плиты перекрытия применяются многопустотные с круглыми пустотами трех типов (рисунок 1.1): П1 – рядовые; П2 – доборные; П3 – связевые, укладываемые по рядам колонн.

Рисунок 1.1- Схема расположения конструктивных элементов здания

Рисунок 1.2 - Разрез здания

Таблица 1.1 – Сетка колонн (верхняя строка) и ширина плиты перекрытия (нижняя строка)

Пред-последняя цифра	Последняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
1	4,5 5,0 1,5	5,0 3,6 1,0	3,6 4,0 1,2	5,4 6,0 1,8	4,5 7,0 1,5	6,0 5,8 1,0	4,8 6,0 1,2	6,0 8,0 1,2	5,4 4,0 1,8	6,0 4,8 1,5
2	4,5 5,2 1,5	5,0 3,8 1,0	3,6 4,2 1,2	5,4 7,0 1,8	4,5 7,2 1,5	6,0 6,2 1,0	4,8 6,2 1,2	6,0 3,8 1,2	5,4 5,0 1,8	6,0 4,9 1,5
3	4,5 5,4 1,5	5,0 4,0 1,0	3,6 4,4 1,2	5,4 6,2 1,8	4,5 7,4 1,5	6,0 6,4 1,0	4,8 6,4 1,2	6,0 4,1 1,2	5,4 4,2 1,8	6,0  5,1 1,5
4	4,5 5,6 1,5	5,0 4,2 1,0	3,6 4,6 1,2	5,4 7,2 1,8	4,5 7,6 1,5	6,0 6,8 1,0	4,8 6,6 1,2	6,0 4,3 1,2	5,4  5,2 1,8	6,0 5,3 1,5
5	4,5 5,8 1,5	5,0 4,4 1,0	3,6 4,8 1,2	5,4 6,4 1,8	4,5 7,8 1,5	6,0 7,0 1,0	4,8 6,8 1,2	6,0 4,5 1,2	5,4 4,4 1,8	6,0 5,5 1,5
6	4,5 6,0 1,5	5,0 4,6 1,0	3,6 5,0 1,2	5,4 7,4 1,8	6,0 3,6 1,5	6,0 7,2 1,0	4,8 7,0 1,2	6,0 4,7 1,2	5,4 5,4 1,8	6,0 5,7 1,5
7	4,5 6,2 1,5	5,0 4,8 1,0	3,6 5,2 1,2	5,4 6,6 1,8	6,0 3,8 1,5	6,0 7,4 1,0	4,8 7,2 1,2	6,0 4,9 1,2	5,4 4,6 1,8	6,0 5,9 1,5
8	4,5 6,4 1,5	5,0 5,2 1,0	3,6 5,4 1,2	5,4 7,6 1,8	6,0 4,0 1,5	6,0 7,6 1,0	4,8 7,4 1,2	6,0 5,1 1,2	5,4 5,6 1,8	6,0 6,1 1,5
9	4,5 6,6 1,5	5,0 5,4 1,0	3,6 5,6 1,2	5,4 6,8 1,8	6,0 4,2 1,5	6,0 7,8 1,0	4,8 7,6 1,2	6,0 5,3 1,2	5,4 4,8 1,8	6,0 6,3 1,5
0	4,5 6,8 1,5	5,0 5,6 1,0	3,6 5,8 1,2	5,4 7,8 1,8	6,0 4,6 1,5	6,0 8,0 1,0	4,8 7,8 1,2	6,0 5,5 1,2	5,4 5,8 1,8	6,0 6,5 1,5

 

Таблица 1.2 – Основные характеристики здания

Показатели	Последняя цифра шифра документа
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Временная нагрузка на перекрытие Р, кН/м2	8,0	7,4	7,8	7,0	5,4	5,8	6,0	6,2	6,4	6,6
Число этажей	5	5	6	7	8	9	10	6	7	8
Высота этажа Н, м	3,9	3,6	3,6	3,3	3,0	3,0	2,8	3,6	3,9	3,3
Расчетное сопротивление грунта R, МПа	0,2	0,25	0,3	0,35	0,3	0,35	0,4	0,25	0,3	0,35

 

Таблица 1.3 – Основные характеристики материалов для железобетонных конструкций

Последняя цифра шифра	Место  строительства	Железобетонные конструкции
		Без предварительного напряжения		С предварительным напряжением
		Класс  бетона	Класс арм. стали	Класс  бетона	Класс арм. стали
1	Архангельск	В20	А-III (А400), Вр-I(В500)	В25	А-IV (А600)
2	Санкт-Петербург	В25	А500С, Вр-I(В500)	В30	А-VI (А1000)
3	Ставрополь	В20	А-III (А400), Вр-I(В500)	В35	К-7 (К1400)
4	Москва	В25	А-III (А400), Вр-I(В500)	В40	Вр-II (Вр1200)
5	Орел	В15	А-II(А300), Вр-I(В500)	В25	А-V (А800)
6	Воронеж	В20	А500С, Вр-I(В500)	В30	А-IV (А600)
7	Казань	В20	А500С, Вр-I(В500)	В35	А-VI (А1000)
8	Пермь	В15	А-II(А300), Вр-I(В500)	В40	А-V (А800)
9	Минск	В25	А-III (А400), Вр-I(В500)	В30	Вр-II (Вр1300)
0	Новосибирск	В20	А-III (А400), Вр-I(В500)	В30	К-7 (К1500)

Примечание - Для ненапрягаемой арматуры предварительно-напряженных сборных плит перекрытия принимать арматурную сталь того же класса, что для конструкции без предварительного напряжения.

В методических указаниях приведен пример выполнения курсового проекта.

Исходные данные для выполнения проекта:

1 Размер здания в плане L ₁ x L ₂ = 24,0 x 38,4 м.

2 Сетка колонн l ₁ x l ₂ = 6,0 x 6,4 м.

3 Ширина плиты перекрытия 1,0 м.

4 Временная нагрузка на междуэтажное перекрытие P = 5,8 кН/м².

5 Число этажей n = 9.

6  Высота этажа H = 3 м.

7 Расчетное сопротивление грунта R = 0,35МПа.

8  Район строительства - г. Воронеж.

9  Марки материалов для жб. элементов с напрягаемой арматурой (плита):

- бетон класса В30;

- напрягаемая арматура из стали класса A-V (А600);

-ненапрягаемая арматура из стали класса A-II (А300) и Bp-I (В500).

10  Марки материалов для ненапрягаемых железобетонных элементов (ригель, колонна, фундамент):

- бетон класса В20;

- ненапрягаемая арматура из стали класса A500С и Bp-I (В500).

2 Расчет и конструирование многопустотной
 плиты перекрытия

Исходные данные

В соответствии с заданием на проектирование необходимо рассчитать многопустотную плиту перекрытия шириной 1 м. Нагрузки на 1 м² перекрытия приведены в таблице 2.1. По заданию временная (полезная) нагрузка на перекрытие составляет 5,8 кН/м². Коэффициенты надежности по нагрузке определяются в соответствии с нормами [2].

 

Таблица 2.1 - Нагрузки на 1 м² перекрытия

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка, кН/м2
Вес конструкции пола: -линолеум на мастике -цементно-песчаная стяжка d = 20 мм, r = 1800 кг/м3 Вес железобетонной плиты перекрытия d = 220 мм	0,07   3,4	1,1 1,3     1,1	0,077 0,468     3,74
Итого постоянная нагрузка g	3,83	-	4,28
Временная нагрузка , в том числе: кратковременная длительная	5,8   5,8 1,74	1,2   1,2 1,2	6,96   6,96 2,1
Полная нагрузка	9,63	-	11,3

 

Нагрузка на 1 п.м. длины плиты при номинальной её ширине 1,2 м с учетом коэффициента надежности по назначению здания (II класс ответственности) :

- расчетная постоянная  кН/м;

- расчетная полная  кН/м;

- нормативная постоянная  кН/м;

- нормативная полная  кН/м;

- нормативная кратковременная  кН/м;

- нормативная постоянная и длительная
 кН/м.

Расчет прогиба плиты

Предельно допустимый прогиб для рассчитываемой плиты с учетом эстетических требований согласно нормам принимается равным:

 

мм.

 

Определение прогиба производится при коэффициенте надежности по нагрузке  по формуле:

 

,                                                                       (2.26)

 

где для свободно опертой балки коэффициент  равен:

-  при равномерно распределенной нагрузке;

-  при двух равных моментах по концам балки от силы обжатия.

Кривизна от кратковременной нагрузки:

 

,

 

Кривизна от постояной и длительной нагрузки:

 

,

 

где М - момент от соответствующей внешней нагрузки относительно оси, нормальной к плоскости действия изгибающего момента и проходящей через центр тяжести приведенного сечения;  – коэффициент, учитывающий влияние длительной ползучести тяжелого бетона при влажности более 40%; - коэффициент, учитывающий влияние кратковременной ползучести тяжелого бетона.

Кривизна от кратковременного выгиба при действии усилия предварительного обжатия с учетом :

 

.

 

Поскольку напряжение обжатия бетона верхнего волокна:

 

 

т.е. верхнее волокно растянуто, то в формуле при вычислении кривизны , обусловленной выгибом плиты вследствие усадки и ползучести бетона от усилия предварительного обжатия, принимаем относительные деформации крайнего сжатого волокна . Тогда кривизна  равна:

 

,

 

где МПа.

 

Прогиб от постоянной и длительной нагрузок составит:

 

мм.

 

Прогиб от полной нагрузки составит:

 

Примечание: Знак «-» означает наличие выгиба плиты, т.о. прогиб не превышает предельную величину: .

Конструирование плиты

Конструирование плит перекрытия необходимо выполнять в соответствии с требованиями норм [1,3]. Сведения по конструированию плит перекрытия приведены в учебной литературе [5 - 9]. Выполненные чертежи должны соответствовать требованиям стандартов, в частности [4].

Основной рабочей арматурой плиты является предварительно напрягаемая арматура 2 Æ 10 A - V (А800), определяемая расчетом по нормальным сечениям и укладываемая отдельными стержнями в растянутой от действия эксплуатационных нагрузок зоне плиты.

Рисунок 2.3 – Опалубочный чертеж (а) и схема армирования (б)
 плиты перекрытия П1

 

Верхняя полка плиты армируется сеткой С-1 из проволоки класса Вр-I (B500). Поперечные ребра армируются каркасами Кр-1 в приопорных участках на длине l /4; в состав каркаса Кр-1 входят продольные рабочие стержни ø4 Вр-I (B500) и поперечные стержни 4øBp-I (B500) с шагом 100мм (обеспечивающие прочность по наклонному сечению). Для усиления бетона опорной зоны плиты укладывают сетки С-2 из проволоки класса Вр-I (B500).

3 Расчет и конструирование однопролетного ригеля

 

Характеристики материалов ригеля:

Бетон – тяжелый класса по прочности на сжатие В20:  МПа,  МПа; коэффициент условий работы бетона . Начальный модуль упругости  МПа.

Арматура:

- продольная и поперечная класса A-II (А300): МПа,
 МПа,  МПа.

 

3.1 Сбор нагрузок

 

Для опирания пустотных панелей задаемся сечением ригеля высотой мм. Ригель выполняется без предварительного напряжения арматуры.

Высота сечения обычного ригеля .

Нормативные и расчетные нагрузки на 1 м² перекрытия принимаются те же, что и при расчете панели перекрытия. Ригель шарнирно оперт на консоли колонн, мм. Расчетный пролет:

 

,

 

где  мм – пролет ригеля в осях;  мм – размер сечения колонны; 20 мм - зазор между колонной и торцом ригеля; 140 мм – размер площадки опирания.

 

Рисунок 3.1 – Сечение ригеля

 

Расчетная нагрузка на 1 м длины ригеля определяется с грузовой полосы, равной шагу рам, в данном случае шаг рам 4,2 м.

Постоянная нагрузка :

-от перекрытия с учетом коэффициента надежности по назначению здания :

 

,

где 4,28 – нагрузка от перекрытия (см. таблицу 2.1);

-от веса ригеля (габаритные размеры см. рисунок 3.1):

 

,

 

где 2500 кг/м³ – плотность железобетона.

С учетом коэффициентов надежности по нагрузке  и по назначению здания :

 

 кН/м.

Итого:  кН/м.

Коэффициент снижения временной нагрузки в зависимости от грузовой площади:

 

,                                                                          (3.1)

 

где м²; м² – грузовая площадь.

При грузовой площади А более 36 м², вместо А ₁ принимают А ₂ = 36 м²,

где А ₁ и А ₂ – нормативные грузовые площади, определяемые нормами.

 

 

 

Временная нагрузка  с учетом коэффициента надежности по назначению здания и коэффициента снижения временной нагрузки :

.

 

Полная нагрузка:  кН/м.

 

Определение усилий в ригеле

 

Расчетная схема ригеля – однопролетная шарнирно опертая балка пролетом . Вычисляем значения максимального изгибающего момента М и максимальной поперечной силы Q от полной расчетной нагрузки:

 

 кН·м;

 

 кН.

 

3.3 Расчет прочности ригеля по сечению, нормальному
 к продольной оси

 

Определяем высоту сжатой зоны , где мм – рабочая высота сечения ригеля; - относительная высота сжатой зоны, определяемая в зависимости от коэффициента .

Расчетный коэффициент:

 

.

 

Согласно таблице А.5 приложения при определяем значения коэффициентов .

Высота сжатой зоны  мм, что не более высоты узкой части сечения ригеля. Следовательно, граница сжатой зоны проходит в узкой части сечения, и поэтому расчетным будет прямоугольное сечение.

Граничная относительная высота сжатой зоны определяется по формуле:

 

,                                                                       (3.2)

 

где ;  МПа.

 

 

Так как , то площадь сечения растянутой арматуры определяется по формуле:

 

 мм².

 

Из условий конструирования двух каркасов, содержащих по два стержня каждый, принимаем по сортаменту 4Æ20 A-II (А300) с  мм², что больше требуемой.

 

3.4 Расчет прочности ригеля по сечениям, наклонным к продольной оси

 

Расчет производится рядом с подрезкой в месте изменения сечения ригеля.

Поперечная сила на грани подрезки на расстоянии 10 см от торца площадки опирания определяется по формуле:

 

 кН.

 

Проверяем условие обеспечения прочности по наклонной полосе между наклонными трещинами по формуле:

 

,                                                             (3.3)

 

где , но не более 1,3; где  и .

 

.

Ориентировочно принимаем коэффициент поперечного армирования . Отсюда .

 

Коэффициент ,

где для тяжелого бетона.

Делаем проверку по формуле (3.3):

 

.

 

Следовательно, размеры поперечного сечения ригеля достаточны для восприятия нагрузки.

Проверяем необходимость постановки расчетной поперечной арматуры исходя из условия:

 

,                                                 (3.4)

 

где - коэффициент, принимаемый для тяжелого бетона; , т.к. рассматривается ригель прямоугольного сечения без предварительно напряженной арматуры.

 

.

 

Вывод: Условие не удовлетворяется, конструктивного армирования недостаточно. Поперечная арматура необходима по расчету.

Расчет для обеспечения прочности по наклонной трещине производится по наиболее опасному наклонному сечению из условия:

 

.                                                                                   (3.5)

 

Поперечное усилие, воспринимаемое бетоном, равно:

 

.                                                      (3.6)

 

Для тяжелого бетона .

Определяем максимальную длину проекции опасного наклонного сечения на продольную ось ригеля :

 

 мм.

 

Поперечное усилие, воспринимаемое хомутами, составляет:

 

 кН.

 

Приняв  усилия в хомутах на единицу длины ригеля равны:

 

 Н/мм.

 

При этом должно выполняться условие:

 Н/мм.

 

Так как , принимаем .

Определяем длину проекции опасной наклонной трещины на продольную ось ригеля:

 

 мм.

и принимаем в пределах , а так же с ₀ < с.

 

Поскольку  принимаем

Уточняем величину :

 

 кН.

 

При этом  Н/мм.

 

Так как , принимаем .

 

Из условия сварки с продольной арматурой максимального диаметра (d_max =20 мм) принимаем поперечную арматуру Æ 8 A - II (А300).

При двух каркасах  мм². Шаг поперечных стержней на приопорных участках:

 

 мм.

 

Из условия обеспечения прочности наклонного сечения в пределах участка между хомутами максимально возможный шаг поперечных стержней:

 

 мм.

 

Кроме того, по конструктивным требованиям поперечная арматура устанавливается:

- на приопорных участках, равных 1/4 пролета, при  мм:

 мм и мм;

- на остальной части пролета при мм с шагом:

 

мм и мм.

 

Окончательно принимаем шаг поперечных стержней:

- на приопорных участках длиной ¼ пролета 1,5 м s = 150 мм;

- на приопорных участках в подрезке s = 75 мм;

- на остальной части пролета s = 300 мм.

 

3.5 Построение эпюры материалов

 

Продольная рабочая арматура в пролете 4 Æ 20 A - II (А300) с мм². Площадь этой арматуры определена из расчета на действие максимального изгибающего момента в середине пролета. В целях экономии арматуры по мере уменьшения изгибающего момента к опорам два стержня обрываются в пролете, а два других доводятся до опор. Если продольная рабочая арматура разного диаметра, то до опор доводят два стержня большего диаметра.

Место теоретического обрыва верхних стержней определяется построением «эпюры материалов», которую можно считать эпюрой несущей способности ригеля при фактически применяемой арматуре.

Площадь рабочей арматуры A_{s (4Æ20)}=1256 мм².

Определяем изгибающий момент, воспринимаемый ригелем с полной запроектированной арматурой 4 Æ 20 A - II (А300) по формуле:

 

,                                                                              (3.7)

 

где мм.

Из условия равновесия  где :

 

.

 

По приложению А.5 находим .

Изгибающий момент по формуле (3.7) равен:

М_(4Æ20) = 270·1256·0,794·400 = 107704512 Н·мм = 107,704 кН·м.

Изгибающий момент, воспринимаемый сечением, больше изгибающего момента, действующего в сечении:

107,704 кН·м > 100,32 кН·м.

До опоры доводятся 2 Æ 20 A - II (А300) с мм².

Вычисляем изгибающий момент, воспринимаемый сечением ригеля с арматурой 2 Æ 20 A - II (А300):

,                                                                           (3.8)

 

где мм.

 

.

 

По приложению