Раздел III

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЗДАНИЙ

Глава 7. Расчет и конструирование железобетонный

КОНСТРУКЦИЙ

§ 40. Определение нагрузок и установление расчетной схемы

Расчетно-конструктивная часть проекта предусматривает раз работку основных несущих конструкций здания. Для этого выя бирается расчетная схема, определяются нагрузки, производятся статический и конструктивный расчеты основных элементов каркаса.

Определение нагрузок. При проектировании должны учитья ваться нагрузки, возникающие на стадиях возведения и эксплуа тации зданий и сооружений, а также изготовления, хранения я перевозки строительных конструкций.

Нормативные нагрузки — наибольшие, которые могут дей ствовать на конструкцию при ее нормальной эксплуатации.

Расчетные нагрузки — это произведение их нормативных зна чений на соответствующие коэффициенты надежности по нагруз ке, учитывающие возможные отклонения нагрузок в неблагопри ятную сторону от их нормативных значений и принимаемые я зависимости от учитываемого предельного состояния. По про должительности действия нагрузки подразделяются на постоян ные и временные. Последние, в свою очередь, делятся на длил тельные, кратковременные и особые.

К постоянным нагрузкам относятся:

масса частей зданий и сооружений;

масса и давление грунтов;

воздействие предварительного напряжения конструкций.

К длительным нагрузкам относятся:

масса стационарного оборудования на перекрытиях — стан-, ков, аппаратов, двигателей, емкостей;

давление газов, жидкостей и сыпучих тел;

нагрузки в складских помещениях, холодильниках, библио-теках и тому подобных помещениях;

установленная нормами часть временной нагрузки в жилых] домах, служебных и бытовых помещениях;

температурные технологические воздействия от стационарно-го оборудования;

нагрузки от одного подвесного или мостового крана, умно-женные на коэффициенты: 0,5 — для кранов среднего режима работы, 0,7 — для кранов тяжелого и весьма тяжелого режимов

Нагрузки	Нормативная нагрузка q п Н/м2	Коэффициент надежности по нагрузке Мf	Расчетная нагрузка q, Н/м2
Гравийная защита	400 160	1.3 1.3	520 2С8
Гидроизоляционный ковер из трех
слоев рубероида и одного слоя пер-
гамина Асфальтовая стяжка толщиной	360	1.2	430
20 мм, плотностью р = 1800 кг/м*	50	1.3	65
Пароизоляция из одного слоя рубе-
роида Плитный утеплитель толщиной t.	tр	1.2	1,2 tр
мм. р, кг/м3
Сборные железобетонные ребристые
плиты покрытия (с заливкой швов)
размерами:	1600 2050 100—Л 155	1.1	1760
3X6 м 3X12» Стальной профилированный настил		1,1 1.05	2255 105—163
Стальные прогоны пролетами: 6v	50—80	1,05	53-84
6 М 1 о "	80—480	1,05	84—189
12 » Стальные стропильные фермы про-	200—400	1.05	210—420
летом 18—36 м
Сегментные раскосные железобе-
тонные фермы пролетом 18 м: при шаге 6 м » » 12»	550 435	1.1 1.1	605 479
То же. пролетом 24 м: при шаге 6 м	640	1.1 1,1	704 715
» » 12 »	650
Сегментные безраскосные железо-
бетонные фермы пролетом 18 м: при шаге 6 м » » 12 »	600 485	1.1 1,1	660 534

Таблица 21. Нагрузки от конструкций междуэтажных перекрытий и по

крытий зданий

Нагрузки	Нормативная нагрузка qп Н/м2	Коэффициент надежности по нагрузке Yf	Расчетная нагрузка а Н/м2
Пол паркетный толщиной 20 мм, р=800 кг/м3 Шлакобетонная подготовка t = = 65 мм, р= 1600 кг/м3 Звукоизоляция из пенобетонных плит 1 = 60 мм, р = 500 кг/м3 Железобетонная панель с круглы­ми пустотами	160 1040 300 2750	1.1 1,3 1.2 1,1	176 1352 360 3025
Пол из метлахской плитки Цементный выравнивающий слой t=20 мм, р = 2000 кг/м3 Шлакобетонные плиты t = 60 мм, р= 1600 кг/м3 Железобетонная ребристая панель перекрытия Сборные железобетонные ригели (по предварительному расчету)	qn = 4250 300 400 960 2500 625	1.1 1,3 1.2 1,1 1,1	qn = 4913 330 520 1152 2750 690
Паркетный пол t = 20 мм, р = 600 кг/м3 Цементная стяжка t=20 мм, р = = 2000 кг/м3 Шлакобетон t = 50 мм, р= 1600 кг/м3 Шлак котельный t = 30 мм. р= 1000 кг/м3 Монолитная железобетонная плита t=120 мм, р = 2500 кг/м3	qn = 4785 120 400 800 300 3000	1,1 1,3 1,3 1,3 1,1	qn = 5442; 130 520 1040 390 3300 :
Гидроизоляционный рулонный ко­вер— из трех слоев рубероида Цементная стяжка t = 20 мм, р=2000 кг/м3 Утеплитель -— пенобетон t=120 мм. p = 400 кr/м3 Паронзоляция — один слой руберо­ида Сборные ребристые панели Сборные ригели (по предваритель­ному расчету)	qп = 4620 120 400 480 40 2500 625	1.3 1,2 1.2 1,2 1,1 1,1	qn =538» 156 480 576 50 2750 688
1	qп = 4165	- 1	qn = 4700

нагрузки, вызываемые резким нарушением технологического процесса, временной неисправностью или поломкой оборудова­ния;

воздействия неравномерных деформации грунта, сопровожда­ющиеся коренным изменением его структуры.

Нормативные постоянные нагрузки определяются по проект­ным значениям геометрических и конструктивных размеров и средним значениям плотностей. Наиболее часто встречающиеся значения постоянных нагрузок приведены в табл. 20 и 21.

Временные (полезные) нормативные нагруз­ки на перекрытия многоэтажных зданий производственного на­значения устанавливаются технологическим заданием. В жилых, общественных и гражданских зданиях нормативные значения временных нагрузок принимаются по [4, раздел 3].

Снеговая нагрузка устанавливается в соответствии с геогра­фическим районом строительства и профилем покрытия [4]. Нормативная снеговая нагрузка на горизонтальной проекции покрытия, Н/м2,

Sn = So с,

где s0 — масса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности зем­ли по табл. 22; с — коэффициент перехода от массы снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, определяемый по указаниям [4} в зависимости от очертания покрытия.

Таблица 22. Справочные данные о массе снегового покрова земли и ско­ростном напоре ветра

Место строительства	s0 Н/м2	Wo, Н/М2
Днепропетровск, Донецк, Жданов, Кривой Рог, Запорожье, Ростов, Херсон, Ялта, Одесса Ставрополь, Баку, Махачкала, Сумгаит Минск, Вильнюс Омск, Харьков, Белгород, Сумы, Киев, Полтава, Рига, Черкассы, Винница Волгоград, Хабаровск, Кустанай Владивосток Москва, Тула, Брянск, Витебск, Иваново, Нов­город, Псков, Смоленск Братск, Ленинград, Свердловск, Челябинск, Во-Ронеж, Курск Магнитогорск, Орск, Саратов, Калинин, Орен- Караганда, Темиртау горький, Череповец, Вологда Нижний тагил, Новокузнецк, Архангельск, Нижневаторск Кемерово, Комсомольск-на-Амуре, Красноярск, куйбышев, Новосибирск пермь, Березники	500 500 700 700 700 700 1000 1000 1000 1000 1500 1500 1500 2000	450 700 270 350 450 550 270 350 450 550 270 350 450 350

Расчетная нагрузка

s = sn Y/,

где Yf — коэффициент надежности для снеговой нагрузки, принимаемый по табл. 23 в зависимости от отношения нормативной массы покрытия нормативной массе снегового покрова.

Таблица 23. Коэффициенты надежности снеговой нагрузки

q„ /So	1 и более	0,8	0,6	0,4 и менее
У/	1,4	1,5	1,55	1,6

Ветровая нагрузка определяется в зависимости от географи ческого района строительства и высоты здания. Нормативно значение ветровой нагрузки, Н/м2,

wn = w0 k с,

где w0 — нормативный скоростной напор ветра, принимаемый по табл. 22 к — коэффициент, учитывающий возрастание скоростного напора в завися мости от высоты и типа местности (принимается по табл. 24); с — аэроди намический коэффициент, зависящий от конфигурации здания и принимае мый в соответствии с указаниями [4] равным 0,8 для наветренной сто роны (активное давление) и 0,6 для заветренной стороны (пассивное дав­ление).

Таблица 24. Значения коэффициентов k

	Высота над поверхностью земли, м
Тип
местности	10	20	30	40	50
						60	100
А	1,00	1,25	1,40	1,55	1,65	1,75	2,1
Б	0,65	0,90	1,05	1,20	1,33	1,45	1,8
В	0,30	0,50	0,63	0,75	0,87	1,00	1,4

К типу А относятся открытые местности (степи, лесостепи пустыни, открытые побережья морей, озер, водохранилищ); к типу Б — территории городов, застроенные зданиями высотой до 20 м, леса; к типу В — территории крупных городов, застроенные зданиями высотой более 20 м.

Расчетные погонные нагрузки, Н/м, на раму от активного пассивного давления будут равны:

va = w0kcayнf ; vp = w0kcayf .

где yf = 1,2 — коэффициент надежности для ветровой нагрузки; a —mat поперечных рам, м.

Для упрощения расчетов в зданиях высотой более 10 м вет ровую нагрузку заменяют эквивалентной, равномерно распреде ленной по высоте колонны:

Рис. 13. К определению нагрузки от ветра

pнэ = 2M/h^2

где h — высота колонны, м; М — изгибающий момент в консольной стой­ке высотой h от фактической эпюры ветрового давления.

Ветровую нагрузку, приходящуюся на шатер (от низа ферм до верха конструкций покрытия или фонаря), принимают прило­женной к раме на уровне нижнего пояса в виде сосредоточенной силы (рис. 13):

Wa= (vla+v2a) h'l2\ Wp= (v1P+v2p) h'/2.

Крановая нагрузка (вертикальное и горизонтальное давление колес кранов) передается на раму подкрановыми и тормозными балками в виде вертикальных опорных давлений Дмакс, Дмин и горизонтальной силы Н. Вертикальное давление на раму опре­деляют при невыгоднейшем для нее положении кранов на под­крановой балке (рис, 14). Расчетное вертикальное давление на колонну, к которой приближена тележка крана с грузом,

Дмакс ='Yf Yi EFмакс Yi +Gпк

на противоположную колонну рамы

Дмин=/ Yi 2 FMvm Yi -f - GnK;

здесь Yi = 0,85 — коэффициент сочетания для двух кранов легкого и сред­него режимов работы; Yf =1,1—коэффициент надежности по нагрузке; E Fмакс Yi и E Fмин Yi — суммы произведений максимального и минимально­го нормативных давлений крановых колес на соответствующие ординаты ли­нии влияния; Fмакс принимается по каталогу на краны или по ГОСТам; СПК— масса подкрановых конструкций, принимаемая (0,03-^0,035) Дмакс Для стальных подкрановых балок, а для железобетонных — по предваритель­ному расчету.

Минимальное давление колеса

Fмин— (Qkp+Gkp)/n0 -Fмакс,

где Qkp — грузоподъемность крана, G,кф— масса крана с тележкой; n0 — число колес на одной стороне крана.

Расчетное горизонтальное давление колес крана на колонну определяется по формуле

Принятое допущение о шарнирном сопряжении всех стержней узлах противоречит конструкции фермы, но достаточно точно отражает действительную работу ее элементов.

Выбор расчетной схемы тесно связан также с воздействую­щей на сооружение (конструкцию) нагрузкой. Так, при расчете на вертикальные нагрузки расчетная модель может отличаться от той, которая принимается при расчете на воздействие ветра.

Наряду со схематизацией геометрических форм сооружения и действующих нагрузок для упрощения расчетов, в запас проч­ности, приходится схематизировать и свойства материала, из которого предполагается изготавливать элементы конструкции.

Таким образом, под расчетной моделью следует понимать гео­метрическую схему сооружения с действующими нагрузками и данными, характеризующими физико-механические свойства ма­териала. При этом необходимо правильно схематизировать гео­метрические формы, нагрузки и свойства материала.

Расчетная схема каркаса одноэтажного промышленного зда­ния из сборных железобетонных элементов в поперечном на­правлении представляет собой раму с шарнирным соединением ригелей с колоннами. Заделка колонн в фундаменты стаканного типа считается жесткой. Ригель рамы, обладающий очень боль­шой изгибной жесткостью, считается абсолютно жестким.

На раму передаются следующие нагрузки:

постоянная — от массы покрытия, колонн, подкрановых ба­лок, ограждающих конструкций и т.д.;

временная — снеговая, ветровая и крановая.

В обоих случаях могут действовать также особые явления— сейсмические и т. д.

Все вертикальные нагрузки вводят в расчет с их фактически­ми эксцентриситетами относительно центров тяжести сечений колонн. Ветровую нагрузку, действующую на конструкции, рас­положенные выше верха колонн, при расчете рамы заменяют равнодействующими Wa и Wp (активное и пассивное давление ветра). В пределах высоты колонн ветровая нагрузка, переда­ваемая на колонну от стен, прикладывается в виде эквивалент­ной равномерно распределенной нагрузки.

Вертикальные нагрузки от кранов, слагающиеся из массы моста крана, массы тележки и груза, передаются на подкрано­вую балку через колеса крана. Максимальное давление от колес крана (Fмакс) возникает при наиболее близком к колонне поло­жении тележки крана с грузом. При этом на противоположной стороне крана давление на колесо будет минимальным (Fмин).

При установлении расчетной схемы рамы исходят из предпо­ложения, что в пролете работают одновременно два крана мак­симальной грузоподъемности. Максимальную и минимальную вертикальные крановые нагрузки прикладывают на расчетной схеме с соответствующими эксцентриситетами.

Горизонтальная инерционная сила, возникающая при попе-

Рис. 14. Линия влияния опорного давления на колонну от крановой нагрузк

где EHk Yi— сумма произведений горизонтальных сил поперечного тормо жения на соответствующие ординаты линии влияния (рис. 19).

Нормативная горизонтальная сила поперечного торможения тележки, передающаяся на одно колесо крана и направленна; вдоль кранового моста

HK = f(Qлк+GT)n0/n0 n'= 0,05 (Qkp+Gт)/n0 где f = 0,1—коэффициент трения при торможении тележки с гибким под весом груза; QKр — грузоподъемность крана; GT — масса тележки; п'0 -количество колес крана с одной стороны; п0 '/n — отношение тормозных колес тележки к общему количеству колес тележки.

Установление расчетной схемы. Инженерные сооружения (здания) представляют собой совокупность различных конструк тивных элементов (стержней, балок, пластин, оболочек, массив ных тел), соединенных между собой связями в единое целое

Расчет сооружения с учетом всех его свойств, точных гео метрических размеров, строгого взаимодействия элементов меж­ду собой является или теоретически невозможным, или практи чески неприемлемым из-за чрезмерной сложности. Поэтому ме тодом научной абстракции схематизируют сооружение, исключая второстепенные факторы, не сказывающиеся в значительно степени на достоверности и точности расчета.

Расчетная схема сооружения (конструкции) — это упрощен­ное идеализированное изображение, отражающее наиболее су щественные особенности реального сооружения (конструкции) определяющее его поведение под нагрузкой. В расчетной схем] стержни заменяются их центральными осями; пластины — сре динными поверхностями; поперечные сечения стержней и нор­мальные к срединной поверхности сечения пластин характери зуются в общем виде численными значениями площадей и мо ментов инерции. Реальные опорные устройства и связи между элементами сооружения (конструкции) заменяются идеальными связями; нагрузки на поверхности элементов переносятся на оси или срединные поверхности.

Например, ферму покрытия, загруженную узловой нагрузкой, рассчитывают как шарнирно-стержневую систему, все элементы которой работают на осевые усилия — растяжение или сжатие

речном торможении тележки, передается целиком на один peль совый путь и может действовать как в одну, так и в другую сто рону.