Файл: Учебное пособие по дисциплине Железобетонные и каменные конструкции для специальности.pdf

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ И КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Учебное пособие Саратов, 2018

УДК 624
ББК 38.1 Рецензенты кафедра Строительства, строительных материалов и конструкций ФГБОУ ВО Тульский государственный университет, к.т.н., профессор кафедры Строительство, ТГС и ЭО» ФГБОУ ВО Саратовский
ГАУ» В.П. Гамаюнов Проектирование элементов железобетонных и каменных конструкций учебное пособие по дисциплине Железобетонные и каменные конструкции для специальности
08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений и направления 08.03.01 Строительство профиль Промышленное и гражданское строительство) /Т.В. Варламова // ФГБОУ ВО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. – Саратов, изд.центр Наука, 2018. 133 с, илл.
ISBN 978-5-9999- В пособии рассматриваются вопросы проектирования монолитных железобетонных и каменных конструкций многоэтажных зданий. Приведены основные положения расчета и конструирования элементов монолитных железобетонных перекрытий (ребристого и безбалочного), центрально нагруженной колонны и отдельного фундамента под колонну. Рассмотрены расчеты простенка наружной каменной стены. Пособие составлено в соответствии с действующими строительными правилами. В приложении приведены задание и справочные материалы для расчета конструкций.
ISBN 978-5-9999-
© ФГБОУ ВО Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.»
© Варламова Т.В., 2018 г.

3 ВВЕДЕНИЕ Настоящее пособие знакомит студентов с теоретическими основами и методикой проектирования монолитных железобетонных и каменных конструкций многоэтажных зданий. Пособие предназначено как для работы на практических занятиях, таки для самостоятельной работы студентов, позволяет студентам более детально ознакомиться с современной нормативной и технической литературой и приобрести навыки самостоятельной работы. В пособии приведены основные положения расчета и конструирования элементов ребристого и безбалочного перекрытий, центрально нагруженной колонны и фундамента под центрально нагруженную колонну, а также наружной каменной стены здания. Представленные примеры расчетов позволят студентам получить более наглядное представление о порядке проектирования железобетонных конструкций. В приложении имеются необходимые для проектирования справочные материалы и варианты заданий. На практических занятиях студентам предлагается выполнить проектирование основных несущих железобетонных конструкций промышленного или гражданского многоэтажного здания с неполным железобетонным каркасом и несущими наружными стенами. Конструктивная схема такого здания приведена на рис. 1. Габариты здания определяются в соответствии с заданием на проектирование прил. 1).
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОНОЛИТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
КОНСТРУКЦИЯХ В настоящее время объем строительства зданий и сооружений различного назначения из монолитного железобетона значительно возрос. Применение современной сборно-разборной опалубки многократного использования позволяет значительно снизить затраты на возведение монолитных конструкций и упрощает зимнее бетонирование. Несомненными достоинствами монолитного железобетона являются возможность понижения классов бетона и арматуры, отсутствие сложных работ по замоноличиванию стыков и узлов, повышение пространственной жесткости сооружения, а также снижение транспортных расходов при строительстве. Применение монолитного железобетона позволяет при применении

4 современных технологий повысить качественный уровень строительства, архитектурное разнообразие и выразительность застройки. Рациональная область применения монолитных железобетонных конструкций – каркасы и перекрытия промышленных зданий с большими нагрузками, каркасы многоэтажных гражданских зданий, фундаменты и подземные конструкции зданий и сооружений, отдельные нестандартные элементы общественных и производственных зданий, большепролетные конструкции, дорожные и гидротехнические сооружения. Проектирование монолитных железобетонных конструкций должно с необходимой надежностью предотвращать наступление всех видов предельных состояний. Это достигается выбором показателей качества бетона и арматуры, назначением размеров и конструированием в соответствии с действующими нормативами. При этом должны быть выполнены технологические требования при изготовлении конструкций, соблюдены требования по эксплуатации зданий, а также требования по экологии, энергосбережению, противопожарной безопасности и долговечности, устанавливаемые соответствующими нормативными документами, и учтены неравномерные осадки основания. Для обеспечения требуемой надежности железобетонных конструкций при проектировании выполняются расчеты по предельным состояниям первой и второй групп с использования расчетных значений нагрузок, характеристик материалов, определяемых с помощью соответствующих коэффициентов надежности по нагрузке и по материалу, и с учетом степени ответственности зданий [7]. Контроль качества бетонной смеси и контроль прочности бетона в процессе производства бетонных работ осуществляются на строительной площадке согласно действующим стандартам ГОСТ 7473 и ГОСТ 18105. Наряду с определением прочности бетона по контрольным образцам рекомендуется проводить контроль прочности бетона в готовой конструкции с использованием неразрушающих методов по ГОСТ 22690. Для армирования монолитных железобетонных конструкций можно применять арматуру малого диаметра расширенного сортамента
5,5; 6; 6,5; 7; 8; 9; 10; 11; 12 мм, нового периодического профиля с сердечником в форме квадрата со скругленными углами в соответствии с ТУ 14-1-5500, ТУ 14-1-5501.

5
2. КОНСТРУКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ ЗДАНИЯ
Конструктивная схема здания представляет собой сложную пространственную систему, состоящую из колонн, стен, плит, балок, соединенных между собой и работающих под нагрузкой совместно. Такая система является статически неопределимой. С целью упрощения расчетов сложная трехмерная система разделяется на отдельные более простые элементы – плоские (плиты, рамы) и линейные (балки, стойки. Для получения навыка проектирования элементов монолитных железобетонных конструкций на практических занятиях целесообразно рассмотреть многоэтажное промышленное или гражданское здание с неполным каркасом и наружными каменными несущими стенами (рис.
1). На наружные каменные стены и железобетонные колонны опираются монолитные железобетонные перекрытия. Здание имеет жесткую конструктивную схему, поэтому ветровая нагрузка не вызывает изгиба и смещения внутренних колонн, и они рассчитываются только на вертикальные нагрузки. Стены надземной части здания проектируются из керамического кирпича на цементном растворе. Привязка внутренних граней наружных стен принимается 250 мм внутрь помещения. Стены подвала выполнены из бетонных блоков на цементном растворе. Фундаменты под стены ленточные монолитные железобетонные. Фундаменты под колонны отдельные монолитные железобетонные. Геометрические размеры фундаментов под колонны определяются расчетом. Глубина заложения верхнего обреза фундаментов составляет
150 мм. Выбор типа междуэтажных перекрытий производится путем сравнения вариантов. Рассматриваются монолитные железобетонные ребристые и безбалочные перекрытия. Ребристое железобетонное перекрытие состоит из монолитно связанных между собой плиты и ребер в продольном и поперечном направлениях. Перекрытие опирается на стены и колонны. Глубина опирания элементов перекрытия на стены составляет для плиты – 120 мм, для второстепенных балок – 250 мм, для главных балок – 380 мм. Пролеты элементов перекрытий определяются на основании технико- экономического сравнения нескольких вариантов покрытия.
Безбалочное перекрытие представляет собой монолитную железобетонную плиту, опирающуюся непосредственно на колонны и несущие стены здания. Глубина опирания плиты на стены принимается равной 250 мм.

6 В здании предусмотрено совмещенное покрытие. Состав покрытия приведен в задании (прил. 1, табл. П. Для работы на практических занятиях основные конструктивные размеры здания определяются по вариантам в соответствии с табл. П. приложения 1. По уровню ответственности здание относится к классу КС-2 нормальный уровень. В соответствии с ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения, коэффициент надежности по ответственности γ
n
= 1. Рисунок 1. Конструктивная схема здания.
2.1. Компоновка перекрытия с балочными плитами Ребристое монолитное железобетонное перекрытие состоит из монолитно связанных между собой плиты, второстепенных и главных балок. Второстепенные балки опираются на монолитно связанные сними главные балки, колонны (часть балок) и стены главные балки - на колонны и стены. Считается, что нагрузка от плиты передается в виде равномерно распределенной на второстепенные балки, от них в виде сосредоточенных сил
– на главные, затем от главных балок на колонны, фундаменты и грунты основания.

7 Компоновка перекрытия заключается в выборе схемы расположения главных балок (вдоль или поперек здания, назначении величины пролетов главных и второстепенных балок, количества второстепенных балок в пролетах между опорами главных балок. Для заданных размеров перекрываемого помещения в плане окончательный выбор схемы балочной клетки, как правило, является результатом сравнения нескольких вариантов по расходу материалов. Конструктивная схема здания с продольным расположением главных балок показана на риса, ас поперечным - на рис. б. Рисунок 2. Конструктивная схема здания ас продольным расположением главной балки б) с поперечным расположением главных балок. На занятиях следует рассмотреть два-три варианта монолитного

8 перекрытия с различным расположением или шагом главных и второстепенных балок. Затем, учитывая конструктивные требования, назначить размеры сечения элементов перекрытия, определить расход бетона для каждого варианта и наиболее экономичный вариант принять для детальной разработки. Величина пролетов балок назначается с учетом экономических требований. Рекомендуемый пролет главных балок l
гб
= 6…8 м, второстепенных l
вб
= 5…7 м, пролет плит в коротком направлении между осями второстепенных балок) п
= 1,7…2,7 м. Толщина плиты по экономическим соображениям назначается возможно меньшей, ориентировочно (1/30…1/40) от расстояния между второстепенными балками. Минимальные значения толщины плиты рекомендуется принимать [1, 3] не менее п 50 мм для междуэтажных перекрытий жилых и общественных зданий п = 60 мм – для междуэтажных перекрытий производственных зданий. При значительных нагрузках может требоваться увеличение толщины плиты до 80…100 мм. Высота поперечного сечения (с учетом толщины плиты) для главных балок составляет обычно (1/8…1/15) пролета для второстепенных – (1/12…1/20) пролета
h
гб
= (1/8…1/15)∙ l
гб
;
h
вб
= (1/12…1/20)∙ l
вб
. Для унификации опалубочных форм и армирования высоту сечения балок принимают кратной 50 мм при h < 600 мм и кратной 100 мм - при h > 600 мм. Предпочтительнее размеры кратные 100 мм до высоты 800 мм, затем 1000, 1200 и далее, кратные 300 мм. Ширину сечения балок принимают равной (0,3…0,5) высоты, а именно 100, 120, 150, 200, 220, 250 и далее, кратной 50 мм. Предпочтительнее размеры 150, 200 и далее, кратные 100 мм. Таким образом
b
гб
= (0,3…0,5) ∙h
гб
;
b
вб
= (0,3…0,5) ∙h
вб
. Для определения нагрузок на перекрытие размеры плит и балок предварительно назначают в рекомендуемых пределах. Окончательные размеры уточняют на основании расчетов. Более точно предварительные размеры сечения главных и второстепенных балок можно определить, приняв опорные моменты
????
????????????
≈ М , где М = q·l
0
2
/8 ,

9 здесь q – нагрузка на погонный метр балки, l
0
– расчетная длина балки, которую предварительно можно принять равной расстоянию между опорами. Поскольку расчет ведется по выровненным моментам в пролетах и над опорами, то относительную высоту сжатой зоны бетона назначают не более
ξ ≤ x/h
0
= 0,35. Тогда из расчета балки в сечении на опоре (сжатая зона бетона находится в ребре) рабочую высоту можно определить по формуле
h
0
≥ 1,86
√
????
????????????
????
????
∙ ????
????1
∙ ????
вб
, где R
b
– расчетное сопротивление бетона осевому сжатию (прил. 1, табл. П b
вб
– ширина сечения второстепенной балки,
????
????1
- коэффициент условий работы бетона (прил. 2). Размеры сечения балок принимают кратными 50 или 100 мм. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЛОЧНЫХ ПЛИТ
Расчет элементов железобетонных конструкций ведется в два этапа.
1) Статический расчет. Выбирают расчетную схему элемента,
определяют расчетные пролеты, собирают все нагрузки, действующие на элемент. В результате статического расчета определяют расчетные усилия (изгибающий момент, продольная или поперечная силы, возникающие в элементе от внешних нагрузок и воздействий.
2) Конструктивный расчет. Назначают класс бетона и арматуры,
затем из условий прочности, устойчивости, деформативности, трещиностойкости определяют требуемые размеры поперечного сечения бетона и требуемую площадь сечения арматуры.
3.1. Статический расчет плит Плиты в составе перекрытия в зависимости от отношения сторон опорного контура могут быть балочными и опертыми по контуру. При отношении длинной стороны к короткой l
д
/l
к
> 2 плиты считаются балочными. В этом случае изгибающий момент в коротком направлении в
10 и более раз превышает момент в длинном направлении, что позволяет рассчитывать такие плиты водном (коротком) направлении. Изгибающие моменты в длинном направлении в расчете можно пренебречь.

10 Рабочая арматура в балочных плитах предусматривается в коротком направлении, а распределительная – в продольном. При отношении сторон l
д
/l
к
< 2 плиты считаются опертыми по контуру. Такие плиты работают на изгиб в двух направлениях и армируются перекрестной рабочей арматурой. Для расчета балочных плит в плане перекрытия перпендикулярно к осям второстепенных балок условно выделяют полосу шириной м рис. 3). Эту условную полосу рассчитывают как многопролетную статически неопределимую балку, опорами которой служат второстепенные балки и стены здания (рис. 1). Расчетная схема для перекрытия с балочными плитами
(многопролетная балка) показана на рисунке 3. Рисунок 3. Расчетная схема балочной плиты. На условную полосу шириной 1 м действует равномерно распределенная нагрузка q. Она складывается из постоянной нагрузки g от собственного веса плиты и пола) и временной v. Для определения нагрузки от собственного веса толщину плиты предварительно назначают в соответствии с рекомендациями раздела 1: п
≥ 0,06 м. Плотность железобетона принимают ρ
жб
= 2500 кг/м
3
Значения расчетных нагрузок получают путем умножения нормативных нагрузок на коэффициент надежности по нагрузке γ
f
, который определяется по СП 20.13330.2016 [5]. Сбор нагрузок на плиту перекрытия удобно вести в форме таблицы 1.

11 Таблица 1 Сбор нагрузок на плиту перекрытия
Наименование нагрузки Нормативная нагрузка,
кН/м
2
Коэффициент надежности по нагрузке Расчетная нагрузка,
кН/м
2
1. Постоянная- отвеса пола (по заданию)
- отвеса железобетонной плиты плит ого. Временная (по заданию.
Всего
q
пл
= g+ v Расчетные пролеты плиты определяются с учетом способа ее опирания (рис. 4). В крайних пролетах плита опирается на стену (свободная опора) и второстепенную балку (жесткая заделка. Крайние расчетные пролеты равны расстоянию от оси опоры на стене до грани второстепенной балки кр = l
1
– a
прив
– ½ b
вб
+ ½ оп,
(3.1) где a
прив
– величина смещения внутренней грани стены с разбивочной оси. В средних пролетах плита жестко соединена с второстепенными балками. Средние расчетные пролеты равны расстоянию в свету между второстепенными балками
l
0
ср
= l
1
– b
вб
.
(3.2) Рисунок 4. Схема к определению расчетных пролетов плиты.

12 Основным усилием, действующим в плите, является изгибающий момент. В неразрезных балочных плитах при равных или отличающихся не более чем на 20% пролетах учитывается перераспределение моментов за счет пластической работы арматуры. В этом случае моменты в пролетах и над опорами принимаются равными по величине
M
l
= M
sup
. Для крайних пролетов и над первыми промежуточными опорами наибольший изгибающий момент равен кр = q
пл
∙(l
0
кр
)
2
/11.
(Для средних пролетов и над средними опорами
M
ср
= q
пл
∙(l
0
ср
)
2
/16,
(3.4) здесь пл – расчетная нагрузка на один погонный метр условной полосы, те. нам плиты (табл. 1).
3.2. Конструктивный расчет плит При проектировании новых конструкций, как правило, класс бетона, класс арматуры, толщину плиты принимают в соответствии с рекомендациями, а требуемую площадь рабочей арматуры определяют расчетом. Для плиты производят расчет на прочность по нормальным сечениям как для изгибаемого железобетонного элемента с одиночной арматурой. Расчет удобно вести с применением таблиц для коэффициентов α
m
;
ξ и η прил. 4). Сечение рабочей арматуры для условной полосы шириной 1 м (рис.
5) подбирают в следующем порядке. Рисунок 5. Схема армирования расчетной полосы плиты в пролете.
1. При принятой толщине плиты п определяют рабочую высоту сечения h
0
- расстояние от центра тяжести растянутой арматуры до сжатой грани бетона.
h
0
= п – a,
(3.5)