1.Статический расчет ж/б поперечной рамы одноэтажного здания. Нагрузки. Обеспечение жесткости и устойчивости каркаса. Расчетная схема и нагрузки. Поперечная рама одноэтажного каркасного здания испытывает действие постоянных нагрузок от массы покрытия и различных временных нагрузок от снега, вертикального и горизонтального давления мостовых кранов, положительного и отрицательного давления ветра и др. (рис.XIII.19,а). В расчетной схеме рамы соединение ригеля с колонной считается шарнирным, а соединение колонны с фундаментами - жестким. Длину колонн принимают равной расстоянию от верха фундамента до низа ригеля. Цель расчета поперечной рамы - определить усилия в колоннах и подобрать их сечения. Ригель рамы рассчитывают независимо как однопролетную балку, ферму или арку. Постоянная нагрузка от массы покрытия передается на колонну как вертикальное опорное давление ригеля F. Эту нагрузку подсчитывают по соответствующей грузовой площади. Вертикальная нагрузка приложена по оси опоры ригеля и передается на колонну при привязке наружной грани колонны к разбивочной оси 250 мм с эксцентриситетом: в верхней надкрановой части е=0,25/2=0,125 м (при нулевой привязке е=0); в нижней подкрановой части е=(h1-h2)/2-0,125 (при нулевой привязке e=(h1—h2/2); при этом возникают моменты, равные M=Fe. Временная нагрузка от снега устанавливается в соответствии с географическим районом строительства и профилем покрытия. Она также передается на колонну как вертикальное опорное давление ригеля F и подсчитывается по той же грузовой площади, что и нагрузка от массы покрытия. Временная нагрузка от мостовых кранов определяется от двух мостовых кранов, работающих в сближенном положении. Коэффициент надежности для определения расчетных значений вертикальной и горизонтальной нагрузок от мостовых кранов γf = 1,1. Вертикальная нагрузка на колонну вычисляется по линиям влияния опорной реакции подкрановой балки, наибольшая ордината которой на опоре равна единице. Одна сосредоточенная сила от колеса моста устанавливается на опоре, остальные силы располагаются в зависимости от стандартного расстояния между колесами крана (рис. XIII.19,б). Максимальное давление на колонну Dmax = Fmax y, (ХШ.8) при этом давление на колонну на противоположной стороне Dmin=Fmin∑ y· (XII1.9) Вертикальное давление от кранов передается через подкрановые балки на подкрановую часть колонны с эксцентриситетом, равным для крайней колонны e = 0,25-f-+λ—0,5hн (при нулевой привязке е=λ-0,5hн), для средней колонны е=λ (рис. XIII.19,в). Соответствующие моменты от крановой нагрузки Mmax = Dmaxe; Mmin = Dmlne. Горизонтальная нагрузка на колонну от торможения двух мостовых кранов, находящихся в сближенном положении, передается через подкрановую балку по тем же линиям влияния, что и вертикальное давление: H = Hmax y. (XIII. 10) Временная ветровая нагрузка. В зависимости от географического района и высоты здания устанавливают значение ветрового давления на 1 м2 поверхности стен и фонаря. С наветренной стороны действует положительное давление, с подветренной — отрицательное. Стеновые панели передают ветровое давление на колонны в виде распределенной нагрузки ρ = wa, где a — шаг колонн.
Неравномерную по высоте здания ветровую нагрузку приводят к равномерно распределенной, эквивалентной по моменту в заделке консоли. Ветровое давление, действующее на фонарь и часть стены, расположенную выше колонн, передается в расчетной схеме в виде сосредоточенной силы W. Пространственная работа каркаса здания при крановых нагрузках. Покрытие здания из железобетонных плит, соединенных сваркой закладных деталей и замоноличиванием швов, представляет собой жесткую в своей плоскости горизонтальную связевую диафрагму. Колонны здания, объединенные горизонтальной связевой диафрагмой в поперечные и продольные рамы, работают как единый пространственный блок. Размеры такого блока в плане определяются расстояниями между температурными швами (рис. XIII.20,a). Определение усилий в колоннах от нагрузок. Для расчета поперечной рамы на различные нагрузки и воздействия наиболее удобен метод перемещений с одним неизвестным Δ - горизонтальным перемещением плоской загружаемой рамы. Вводя по направлению неизвестного перемещения стерженек-связь, получим основную систему (рис. XIII.22, а). Основную систему подвергают единичному воздействию неизвестного, при этом в колоннах возникают реакции RΔ и изгибающие моменты (рис. XIII.22,б). Затем основную систему последовательно загружают постоянными и временными нагрузками F, Μ, Н, р, которые вызывают в стойках соответствующие реакции и изгибающие моменты (рис. XIII.22, б— д). Значение реакций R в ступенчатых колоннах переменного сечения при неподвижной верхней опоре могут быть определены по формулам, приведенным в приложении XII. В уравнении Cdim r11 Δ + R1Р = О (XIII. 22) Коэффициент сdim характеризует пространственную работу каркаса, состоящего из поперечных и продольных рам. Коэффициент cdim для различных загружений поперечной рамы, кроме загружения крановой нагрузкой равен единице. Из уравнения находят неизвестное Δ, а затем упругую реакцию Re = R + ΔRΔ. (XIII.23) При числе пролетов рамы, равном трем и более, верхнюю опору колонн при действии крановых нагрузок рассматривают как неподвижную и принимают Δ=0 Изгибающие моменты и поперечные силы в сечениях колонны определяют как в консольной балке, загруженной внешней нагрузкой и реакцией Re. Обычно расчетными являются три основных сечения по длине колонны: 1—0 — над крановой консолью; 1—2 — под крановой консолью; 2—1 — в основании. Эпюры моментов строят для каждого вида нагрузки, действующей на раму. Затем составляют таблицу усилий Μ, Ν, Q, и в расчетных сечениях колонны устанавливают расчетные сочетания усилий или нагрузок. Постоянная нагрузка на колонны участвует во всех сочетаниях, временные нагрузки — в невыгоднейших. Сечения колонн поперечной рамы рассчитывают с учетом влияния прогиба на значение эксцентриситета продольной силы. Колонны из плоскости поперечной рамы проверяют на устойчивость как сжатые элементы. Кроме того, колонны проверяют на усилия, возникающие при транспортировании и монтаже. Система связей Система вертикальных и горизонтальных связей имеет назначение: 1) обеспечить жесткость покрытия в целом; 2) придать устойчивость сжатым поясам ригелей поперечных рам; 3) воспринять ветровые нагрузки, действующие на торец здания; 4) воспринять тормозные усилия от мостовых кранов. Система связей работает совместно с основными элементами каркаса и повышает пространственную жесткость здания. Вертикальные связи. При действии горизонтальных нагрузок в продольном направлении здания (ветер на торец, торможение кранов и т.д.) усилия воспринимаются продольной рамой, ригелем которой является покрытие. Сопряжение между плитами покрытия и колоннами осуществляется через балки или фермы, обладающие малой жесткостью из своей плоскости. Поэтому при отсутствии связей горизонтальная сила, приложенная к покрытию, может привести к значительным деформациям ригелей из их плоскости (рис. XIII.13, а), а горизонтальная сила, приложенная к одной из колонн, может вызвать существенную деформацию данной колонны без передачи нагрузки на остальные колонны (рис. XIII. 13,б). Система вертикальных связей по линии колонн здания предусматривается для того, чтобы создать жесткое, геометрически изменяемое в продольном направлении покрытие. Вертикальные связевые фермы из стальных уголков устанавливают в крайних пролетах блока между колоннами и связывают железобетонными распорками или распорками из стальных уголков по верху колонн (рис. XIII.14,а). Решетка вертикальных связевых ферм для восприятия горизонтальных сил, действующих слева или справа, проектируется крестовой системы. Вертикальные связи между колоннами из стальных уголков устанавливают в каждом продольном ряду в середине температурного блока. Эти связи приваривают к стальным закладным деталям колонн. Горизонтальные связи по нижнему поясу ригелей. Ветровая нагрузка, действующая на торец здания, вызывает изгиб колонн торцевой стены. Для уменьшения расчетного пролета этих колонн покрытие используют как горизонтальную опору (рис. XIII.13,г). В зданиях большой высоты и со значительными пролетами рационально создать горизонтальную опору для торцевой стены и в уровне нижнего пояса ригеля устройством горизонтальной связевой фермы (рис. XIII.14,б). Дополнительная опора для торцевой стены возможна также в виде горизонтальной фермы в уровне верха подкрановых балок. Горизонтальные связи по нижнему поясу выполняют из стальных уголков, образующих вместе с нижним поясом крайнего ригеля связевую ферму с крестовой решеткой. поясом крайнего ригеля связевую ферму с крестовой решеткой. Горизонтальные связи по верхнему поясу ригелей. Устойчивость сжатого пояса ригеля поперечной рамы из своей плоскости обеспечивается плитами покрытия, прикрепленными сваркой закладных деталей к ригелям. При наличии фонарей расчетная длина сжатого пояса ригеля из плоскости равна ширине фонаря. Чтобы уменьшить расчетный пролет сжатого пояса ригеля, по оси фонаря устанавливают распорки, которые в крайних пролетах температурного блока прикрепляют к горизонтальным фермам из стальных уголков (рис. XIII.14, в). Если же фонарь не доходит до торца температурного блока, то горизонтальную связевую ферму по верхнему поясу ригелей не делают, так как железобетонные панели покрытия за пределами фонаря сами образуют жесткую диафрагму. В этом случае распорки прикрепляют к элементам покрытия крайнего пролета. Связи по фонарям. Фонарные фермы объединяют в жесткий пространственный блок устройством системы стальных связей: вертикальных - в плоскости остекления и горизонтальных - в плоскости покрытия фонаря (рис. ХIII.14,г). 2. Конструкция и расчет ж/б колонн сплошного сечения одноэтажных зданий. Особенности конструкций и расчета двухветвенных колонн. Колонны каркасного здания могут быть сплошными прямоугольного сечения или сквозными двухветвенными (рис. XIII.9). При выборе конструкции колонны следует учитывать грузоподъемность мостового крана и высоту здания. Сплошные колонны применяют при кранах грузоподъемностью до 30 т и относительно небольшой высоте здания; сквозные колонны - при кранах грузоподъемностью 30 т и больше и высоте здания более 12 м. Размеры сечения колонны в надкрановой части назначают с учетом опирания ригелей непосредственно на торец колонны без устройства специальных консолей. Высота сечения принимается: для средних колонн h2 = 500 или 600 мм, для крайних колонн h2 - 380 или 600 мм; ширина сечения средних и крайних колонн b = 400...600 мм (большие размеры сечения колонны принимают при шаге 12 м). Размеры сечения сплошных колонн в нижней подкрановой части устанавливают преимущественно по несущей способности и из условий достаточной жесткости с тем, чтобы при горизонтальных перемещениях колонн в плоскости поперечной рамы не происходило заклинивания моста крана. По опыту эксплуатации производственных зданий с мостовыми крапами принято считать жесткость колонн достаточной, если высота сечения h1=(1/10...1/14)H1 Сквозные колонны имеют в нижней подкрановой части две ветви, соединенные короткими распорками - ригелями. Для средних колонн в нижней подкрановой части допускают смещение оси ветви с оси подкрановой балки и принимают высоту всего сечения h1 = 1200...1600 мм, для крайних колонн принимают h1 = 1000...1300 мм. При этом принимают размеры высоты сечения ветви h=250 или 300 мм и ширины сечения ветви b=500или 600 мм. Кроме того, b=(1/25....1/30)Н. Расстояние между осями распорок принимают (8-10)h. Распорки размещают так, чтобы размер от уровня пола до низа первой надземной распорки составлял не менее 1,8 м и между ветвями обеспечивался удобный проход. Нижняя распорка располагается ниже уровня пола. Высоту сечения распорки принимают (1,5 - 2)h, а ширину сечения распорки равной ширине сечения ветви. Соединение двухветвенной колонны с фундаментом осуществляют в одном общем стакане или же в двух отдельных стаканах; во втором соединении объем укладываемого на монтаже бетона уменьшается (рис. XIII.10). Глубину заделки колонны в стакане фундамента принимают равной большему из двух размеров. Кроме того, глубина заделки колонны должна быть проверена из условия достаточной анкеровки продольной рабочей арматуры. Для колонн применяют бетоны классов В15 - B30. Наименьший вылет консоли обычно принимают l1=200...300 мм. У коротких консолей (l1<0,9h0) угол γ сжатой грани с горизонталью не должен превышать 45°. Площадь сечения продольной арматуры консоли подбирают по изгибающему моменту у грани колонны, увеличенному на 25 %: Аs =1,25M/Rsvh0 ; (XI .21) M =Qa. (XI.22) Короткие консоли (рис. XIII.24) колонн, поддерживающие подкрановые балки, рассчитывают на действия поперечной силы из условия Q < 1,2φRbtbh02/а, (XIII.24) в котором правая часть неравенства принимается не более 2,5 Rbtbh0; φ=0,75 — при кранах тяжелого режима работы; φ = 1 - при кранах среднего и легкого режимов работы. Армируют консоли наклонными хомутами при h<2,5, горизонтальными хомутами и отгибами - при h>2,5а. Отогнутые стержни допускается не ставить, если h> >3,5а и Q800 мм. При армировании ребер вязаными каркасами число вертикальных ветвей хомутов в поперечном сечении должно быть не менее четырех при b=400...800 мм и не менее шести при b>800 мм. Хомуты должны быть замкнутыми диаметром не менее 8 мм с шагом не более 15d. Расстояния между стержнями продольной рабочей арматуры можно назначать по общим правилам; в тяжелых фундаментах для увеличения крупности заполнителя в бетоне эти расстояния следует принимать не менее 100 мм. На рис. XII.11 показано армирование полок сварными и вязаными сетками (отдельными стержнями). Целесообразно применять широкие сварные сетки с рабочей арматурой в двух направлениях, используя продольные стержни как арматуру лент, а поперечные - как арматуру полки. Узкие сетки при армировании укладывают в два ряда (рис. XII.11,а), размещая в нижнем ряду сетки с рабочей арматурой полки. При больших вылетах полок (более 750 мм) половина рабочей арматуры может не доводиться до наружного края на расстояние l3=0,5Xl1— 20d (рис. XII.11,б,в). Общие сведения. В задачу расчета ленточного железобетонного фундамента входит: определение давления грунта по подошве фундамента из расчета его совместного деформирования е основанием, вычисление внутренних усилий, действующих в фундаменте, установление размеров поперечного сечения ленты и ее необходимого армирования. Ленточный фундамент и его основание работают под нагрузкой совместно, образуя единую систему. Результатом их взаимодействия является давление грунта, развивающееся по подошве. При расчете различают фундаменты: абсолютно жесткие, перемещения которых вследствие деформирования конструкции малы по сравнению с перемещениями основания, и гибкие, деформируемые, перемещения которых соизмеримы с перемещениями основания. К абсолютно жестким могут быть отнесены ленты большого поперечного сечения и сравнительно малой длины, нагруженные колоннами при небольших расстояниях между ними. Ленты большой длины, загруженные колоннами, расположенными на значительных расстояниях, относятся к деформируемым фундаментам. Расчет ленточного фундамента как балки на упругом полупространстве. Непрерывную связь между балкой и основанием в расчетной системе заменяют сосредоточенными абсолютно жесткими стержнями (рис. XII. 12, а). Усилия в стержнях принимают равновеликими равнодействующей давления, равномерно распределенного по площади подошвы, с ветствующей каждому стержню. Обычно расстояния между стержнями назначают одинаковыми, а число участков — равным 9—11. Основную систему можно получить (по смешанному методу расчета статически неопределимых систем), отделив балку от основания, заменив при этом действие стержней действием усилий Х0, ..., Х4 и вводя заделку в середине балки (рис. XII.12,б). Неизвестными при этом оказываются усилия Х0, ···, Х4 и осадка заделки y0· Значения неизвестных находят из решения системы уравнений Коэффициенты при неизвестных усилиях представляют собой перемещения в системе вдоль действующих усилий. Прогиб балки vki (рис. XII.12,в) вычисляют по правилам строительной механики vki=c3wki/6EI, (XII,14) где wki = (ak/c)2 (3ai/c — ak/c). Осадку основания уki (рис. ΧΙΙ.12,г) определяют по формуле уki = (1-μ02)Fki/3,14E0c, (XII. 15) где E и μ0—соответственно модуль деформации и коэффициент Пуассона грунта; Fhi—функция осадки поверхности основания в точке k при воздействии единичных сил Χi=1. Прогибы балки ω учитывают с одной стороны, так как вследствие заделки одна сторона балки на другую не влияет. Жесткость балки до образования нормальных трещин в бетоне вычисляют по сплошному сечению балки. Эпюра реакций получается ступенчатой, разрывы в ней должны быть сглажены (рис. XII.12,д). Изгибающие моменты (рис. XII. 12, е) находят как в консольной балке. Вычисляют также поперечные силы Q, действующие на ленту. По найденным М и Q конструируют ленточный фундамент, соблюдая общие указания для проектирования железобетонных конструкций. Расчет ленточного фундамента как балки на упругом основании с коэффициентом постели. Предпосылкой такого расчета является гипотеза о том, что осадка в данной точке основания не зависит от осадки других точек и прямо пропорциональна давлению в этой точке. Согласно этой предпосылке, основание проседает только в пределах подошвы сооружения. В действительности основание вовлекается в работу и за пределами фундамента. Для балки на упругом основании с коэффициентом постели су (рис. XII.13) погонное давление со стороны грунта в месте, фиксированном расстоянием х, равно: q(x) = bp = bcyy, (XII. 20) где cv — коэффициент постели, ориентировочно равный: при весьма слабых грунтах 0,3—1, при слабых грунтах 1—3, при грунтах средней плотности 3—8 (кг/см3); b—ширина подошвы; p—отпор грунта (давление на грунт); у—осадка грунта и балки на расстоянии x от ее конца (начало координат). 6. Ж/б фермы покрытия, их виды, конструктивные решения. Конструирование элементов и узлов. Расчет ферм. Фонари. Железобетонные фермы применяют при пролетах 18, 24 и 30, при шаге 6 или 12 м. В железобетонных фермах в сравнении со стальными расход металла почти вдвое меньше, но трудоемкость и стоимость изготовления немного выше. При пролетах 36 м и больше, как правило, применяют стальные фермы. Однако технически возможны железобетонные фермы и при пролетах порядка 60 м и более. При скатных, малоуклонных и плоских покрытиях применяют железобетонные фермы, отличающиеся очертанием поясов и решетки. Различают следующие основные типы ферм: сегментные с верхним поясом ломаного очертания и прямолинейными участками между узлами (рис. XIII.37,а); арочные раскосные с редкой решеткой и верхним поясом плавного криволинейного очертания (рис. XIII.37,б); арочные безраскосные с жесткими узлами в примыкании стоек к поясам и верхним поясам криволинейного очертания (XIII.37, в); полигональные с параллельными поясами или с. малым уклоном верхнего пояса трапециевидного очертания (XIII.37,г); полигональные с ломаным нижним поясом (XIII.37, д). Высоту ферм всех типов в середине пролета обычно принимают равной 1/7-1/9 пролета. Панели верхнего пояса ферм, за исключением арочных раскосных, проектируют размером 3 м с тем, чтобы нагрузка от плиты покрытия передавалась в узлы ферм и не возникал местный изгиб. Нижний растянутый пояс ферм всех типов и растянутые раскосы ферм некоторых типов проектируют предварительно напряженными с натяжением арматуры, как правило, на упоры. Наиболее благоприятное очертание по статической работе имеют сегментные и арочные фермы, так как очертание их верхнего пояса приближается к кривой давления. Решетка этих ферм слабоработающая (испытывающая незначительные усилия), а высота на опорах сравнительно небольшая, что приводит к снижению массы фермы и уменьшению высоты наружных стен. В арочных раскосных фермах изгибающие моменты от внеузлового загружения верхнего пояса уменьшаются благодаря эксцентриситету продольной силы, вызывающему момент обратного знака, что позволяет увеличить длину панели верхнего пояса и сделать решетку более редкой (рис. XIII.38). В арочных безраскосных фермах возникают довольно большие изгибающие моменты в стойках, поясах и для обеспечения прочности и трещиностойкости появляется необходимость в дополнительном армировании, однако эти фермы несколько проще в изготовлении. Полигональные фермы с ломаным очертанием нижнего пояса более устойчивы на монтаже и не требуют специальных креплений, так как их центр тяжести расположен ниже уровня опор. Полигональные фермы с параллельными поясами или с малым уклоном верхнего пояса имеют некоторое экономическое преимущество в том отношении, что при плоской кровле создается возможность широко применять средства механизации кровельных работ. Для ферм всех типов уменьшение размеров сечений и снижение общей массы достигается применением бетонов высоких классов (В30 - В50) и установлением высоких процентов армирования сечений поясов. Фермы рационально изготовлять цельными. Членение их на полуфермы с последующей укрупнительной сборкой на монтаже повышает стоимость. Фермы пролетом 18 м изготовляют цельными; пролетом 24 м — цельными или из двух полуферм; пролетом 30 м - из двух полуферм. Решетку полуфермы следует разбивать так, чтобы стык нижнего пояса для удобства монтажного соединения был выносным, т. е. расположенным между узлами (см. рис. XIII.37, а). Решетка ферм может быть закладной из заранее изготовленных железобетонных элементов с выпусками арматуры, которые устанавливают перед бетонированием поясов и втапливают в узлы на 30 - 50 мм, или изготовляемой одновременно с бетонированием поясов. Последний вариант получил большее распространение. Ширина сечения закладной решетки должна быть менее ширины сечения поясов, а ширина сечения решетки, бетонируемой одновременно с поясами, должна быть равна ширине сечения последних. Ширину сечения верхнего и нижнего поясов ферм из условий удобства изготовления принимают одинаковой. Ширину сечения поясов при шаге ферм 6 м принимают 200 - 250 мм, а при шаге ферм 12 м - 300 - 350 мм. Армирование нижнего растянутого пояса должно вы-полняться с соблюдением расстояний в свету между напрягаемыми стержнями, канатами, спаренной проволокой, что обеспечивает удобство укладки и уплотнения бетонной смеси. Вся растянутая арматура должна охватываться замкнутыми конструктивными хомутами, устанавливаемыми с шагом 500 мм. Верхний сжатый пояс и решетки армируют ненапря-гаемой арматурой в виде сварных каркасов. Растянутые элементы решетки при значительных усилиях выполняют предварительно напряженными. В узлах железобетонных ферм для надежной передачи усилии от одного элемента к другому создают специальные уширения - вуты, позволяющие лучше разместить и заанкер