144733 (Проектирование несущих железобетонных конструкций многоэтажного промышленного здания), страница 10

Основные этапы проектирования строительных конструкций.

Как правило, проектирование несущих конструктивных элементов зданий и сооружений (балок, колонн, плит и т.д.) включает ряд последовательных этапов:

Компоновка конструктивной схемы элемента

Назначается форма сечения элемента и его основные габаритные размеры, а также положение в системе других конструктивных элементов каркаса.

Формирование расчётной схемы

Для определения внутренних усилий в элементе временно переходят от его фактической (действительной) конструктивной схемы к упрощенной (условной, идеализированной, теоретической) расчётной схеме, отражающей с достаточной степенью точности работу элемента под воздействием нагрузок. Как правило, в расчётной схеме элемент представлен в виде стержня, закрепленного по концам (шарнирно-подвижно, шарнирно-неподвижно, жестко, свободно).

Определение нагрузок, действующих на элемент

Устанавливается состав нагрузок, схема их приложения и величина.

Определение внутренних усилий в сечениях элемента от действия нагрузок

Решением этой задачи занимается строительная механика (статика сооружений). Поэтому такой расчет называется статическим. Его результатом являются эпюры внутренних усилий M, Q, N.

Подбор сечений (конструктивный расчёт)

В железобетонных конструкциях на этом этапе определяется площадь сечения арматуры. Обычно проводят расчёт из условия обеспечения несущей способности и последующее конструирование (выбор сечения в соответствии с сортаментом, конструктивными требованиями СНиП или опытом проектирования). Однако возможно и начальное конструирование, затем последующий расчёт (проверка несущей способности).

Расчёт и конструирование узлов закрепления, которые должны соответствовать принятой расчетной схеме.

Выполнение рабочих чертежей, по которым производится изготовление конструкций и изделий.

Таким образом, проектирование включает два взаимосвязанных процесса: расчёт и конструирование.

Нормативная база проектирования

Нагрузки на здания и сооружения определяются в соответствии со СНиП 2.01.07 - 85*. Нагрузки и воздействия [1].

Проектирование железобетонных конструкций производится в соответствии с требованиями нового СНиП 52-01-2003 "Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения" [3]. Этот нормативный документ содержит общие (словесные) требования к бетонным и железобетонным конструкциям, включая требования к бетону, арматуре, расчётам, конструированию, изготовлению, возведению и эксплуатации конструкций. Детальные указания по расчётам и конструированию отдельных видов железобетонных конструкций (включая рекомендуемые методики расчёта) содержат соответствующие Своды Правил (СП). Разработка некоторых Сводов Правил ещё не закончена, поэтому в настоящее время для расчёта и конструирования широко используется и действовавший ранее СНиП 2.03.01 - 84*. Бетонные и железобетонные конструкции [2].

Концепция разработки современных отечественных и международных нормативных документов по строительному проектированию такова, что проектировщик сам выбирает применяемые расчётные модели и несёт полную ответственность за результаты расчётов и безопасность проектируемого сооружения.

Нагрузки и воздействия.

Ч ем нагрузки отличаются от воздействий. Понятие "воздействие" является более широким. Нагрузками принято называть силовые воздействия, а собственно воздействиями - несиловые, а именно воздействия среды (температурные, влажностные, химически агрессивные и т.д.), и кинематические воздействия (смещение опор).

Классификация нагрузок (схема 1).

Постоянные нагрузки в рассматриваемом здании возникают от собственного веса несущих и ограждающих конструкций: покрытия, перекрытий, колонн, стеновых ограждений.

Кратковременными нагрузками являются снеговая и ветровая, взятые с полным нормативным значением (п.1.8 СНиП [1]).

Длительными нагрузками могут быть снеговая и крановая, взятые с пониженным нормативным значением согласно п.1.7 СНиП [1].

В данной работе учитываются только вертикальные нагрузки: постоянная и длительные временные (технологическая, снеговая). Для железобетонных конструкций характерно снижение прочности при воздействии длительных нагрузок, поэтому их учёт имеет существенное значение.

Что такое полезная нагрузка. Нагрузки, связанные с эксплуатацией сооружения по его непосредственному назначению, принято называть полезными. В данном случае полезной является технологическая нагрузка.

Что означает "сбор нагрузок". При выполнении практических расчётов конструктивных элементов часто возникает необходимость преобразования поверхностно распределённой нагрузки в линейную или сосредоточенную. Для этого необходимо "собрать нагрузку" с определённой площади, которая называется грузовой площадью данного элемента. На рис. П-1 показано, как равномерно распределённая по площади покрытия нагрузка трансформируется в линейную нагрузку на ригель рамы и в сосредоточенную нагрузку на колонну.

N = p l L / 2, кН

p, кН/м²

N

Рис. П-1. Преобразование нагрузок:

а - поверхностная равномерно распределённая нагрузка на покрытие;

б - линейная равномерно распределённая нагрузка на ригель рамы;

в - сосредоточенная нагрузка на колонну.

Чем отличаются нормативные и расчётные нагрузки. Основными характеристиками нагрузок, указанными в Нормах проектирования [1], являются их нормативные значения. Они приняты на основании статистической обработки опытных данных с обеспеченностью, равной 0,95.

Под обеспеченностью какой-либо случайной величины понимают вероятность того, что она не выйдет за пределы установленных значений. Обеспеченность 0,95 означает, что в 95 случаях из 100 величина нагрузки не будет превышать своего нормативного значения.

В расчётах используют так называемые расчётные значения нагрузок. Расчётное значение нагрузки q можно получить умножением её нормативной величины q_n на коэффициент надежности по нагрузке _f.

Что учитывает коэффициент надёжности по нагрузке. Он учитывает характер статистической изменчивости нагрузки и устанавливается в зависимости от уровня ответственности выполняемого расчёта. Наибольшей изменчивостью обладают атмосферные нагрузки (снеговая и ветровая).

В каких расчётах участвуют расчётные значения нагрузок, а в каких нормативные

В расчётах, характеризующихся высоким уровнем ответственности (например, расчёты на прочность и устойчивость) участвуют расчётные нагрузки. Эти нагрузки иногда называют предельными, поскольку они связаны с разрушением конструкции. Использование предельных значений практически исключает возможность действия на сооружение нагрузок, величина которых превышает принятую в расчёте. Обеспеченность предельных нагрузок составляет 0,997…0,999 (точно её определить затруднительно).

В расчётах с более низкими уровнями ответственности (например, расчёты на жесткость и выносливость) используются нормативные нагрузки. Это так называемые эксплуатационные нагрузки, они соответствуют условиям нормальной эксплуатации сооружения.

С
хема 1. Классификация нагрузок.

Сущность железобетона.

Железобетон - конструктивный композиционный материал, в котором бетон и арматура рационально объединены для совместной работы.

Зачем в бетоне устанавливается арматура. Прочность бетона при сжатии примерно в 10 раз выше, чем при растяжении. Поэтому растянутые зоны бетонных конструкций усиливают стальной арматурой, которая замечательно сопротивляется растяжению. Арматура неплохо работает и на сжатие, поэтому сжатые элементы для уменьшения размеров поперечного сечения также армируют стальными стержнями. Чем более полно используются свойства материалов, тем эффективнее оказывается конструкция.

Основные факторы, определяющие совместную работу бетона и арматуры в конструкции

Наличие усилий сцепления в зоне контакта бетона и арматуры;

Близкие значения коэффициентов температурного расширения бетона и арматуры:

= (10…15) 10^-6 1/С;

Защитный слой бетона, предохраняющий арматуру от коррозии и высокотемпературного воздействия пожара.

Преимущества и недостатки железобетона

[+] Долговечность, высокая огнестойкость, экономичность при изготовлении и эксплуатации конструкций;

[-] Значительная собственная масса, слабая химическая стойкость, трудности при усилении конструкций или замене их.

Сущность предварительно напряжённого железобетона. При нагружении обычного железобетонного элемента уже при сравнительно небольших усилиях в его растянутых зонах образуются трещины. При дальнейшем увеличении нагрузки растягивающие усилия в сечении с трещиной воспринимает арматура, что приводит к увеличению ширины раскрытия трещин. Чрезмерное раскрытие трещин опасно из-за возможной коррозии арматуры. Для увеличения трещиностойкости железобетонных конструкций применяют предварительное обжатие тех зон бетона, в которых при эксплуатационных нагрузках должны возникнуть растягивающие напряжения. Такие конструкции называют предварительно напряжёнными (рис. П-2).

Преимущества предварительно напряжённых конструкций. Предварительное напряжение повышает трещиностойкость и жесткость конструкций (то есть уменьшает прогибы), способствует повышению их долговечности и коррозионной стойкости, создаёт условия для применения высокопрочной арматуры.

Способствует ли предварительное напряжение повышению прочности конструкций. Предварительное напряжение практически никак не влияет на прочность конструкций, так как к моменту разрушения оно утрачивается и предельные напряжения в арматуре и бетоне определяются только их расчётными сопротивлениями.

Рис. П-2. Сравнительный анализ работы железобетонных элементов с предварительным напряжением арматуры и без него.

а - диаграмма "нагрузка-прогиб" (F-f):

F_crc - усилие трещинообразования, F_ser - эксплуатационная нагрузка;

б - предварительно напряжённая балка (1);

в - балка без предварительного напряжения (2).

Назначение, классы и применение арматуры.

Как отличить рабочую и конструктивную арматуру. В зависимости от функционального назначения арматура бывает рабочей или конструктивной. Площадь сечения рабочей арматуры определяется расчётом на действие внешних нагрузок. Конструктивная (или, как её ещё называют, монтажная) арматура устанавливается без расчёта, по конструктивным или технологическим соображениям.

Конструктивная арматура предназначена для частичного восприятия неучитываемых расчетом усилий (усилий от усадки и ползучести бетона; температурных напряжений, местных напряжений от сосредоточенных сил, случайных напряжений). Арматура, предназначенная для более равномерного распределения сосредоточенного усилия между отдельными стержнями рабочей арматуры, называется распределительной.

Монтажная арматура предназначена для сохранения проектного положения продольной и поперечной арматуры в конструкциях при бетонировании.

Продольная и поперечная арматура. Продольная арматура располагается в направлении продольной оси элемента, поперечная - перпендикулярно ей. Продольная арматура обеспечивает прочность элемента по нормальному сечению, поперечная - по наклонному. Иногда поперечные арматурные стрежни называют хомутами.

Классы арматуры. В зависимости от механических (прочностных и деформативных) характеристик арматура делится на классы. Наиболее часто используемые классы представлены в табл.1. Перечень арматурных изделий с указанием класса, диаметра и массы единицы длины называется сортаментом арматуры.

Некоторые классы арматуры.

Таблица 1.

Почему прочностной характеристикой высокопрочной арматуры является условный предел текучести. Высокопрочная арматура, в отличие от обыкновенной, не имеет физического предела текучести (на диаграмме её деформирования отсутствует площадка текучести). Поэтому в качестве границы безопасной работы высокопрочной арматуры принят условный предел текучести - напряжение, при котором остаточные деформации составляют 0,2%. Напряжения в высокопрочной арматуре могут превышать условный предел текучести, что учитывается в расчётах коэффициентом _s6.

Почему для монтажных петель применяют только арматуру класса А-I. У этого класса арматуры самые высокие пластические свойства, которые позволяют загибать стержни с малыми радиусами кривизны. Если аналогичные петли выполнять из более прочной стали, в них могут появиться трещины, которые приведут к излому петель. Трещины в петлях наиболее опасны в процессе подъёма конструкции.