Ж/б каркасное 3-этажное здание торгового центра в г. Лабинске
Федеральное агентство по образованию
ГОУВПО Кубанский государственный технологический университет
Кафедра строительных конструкций и гидротехнических сооружений
Курсовая работа
по дисциплине «Конструкции сейсмостойких зданий и сооружений»
на тему: «Ж/б каркасное 3-хэтажное здание торгового центра в г. Лабинске»
Краснодар 2008г.
Реферат
Данная курсовая работа дает представление об основах проектирования сейсмостойких сил железобетонных конструкций. В ходе выполнения курсовой работы, студент самостоятельно приобретает навыки определения сейсмических нагрузок на здания и сооружения с последующей оценкой сейсмостойкости, подбирать материал, компоновать сечения в целях его экономичности и рациональности.
Представленная пояснительная записка к курсовой работе на тему:
«Ж/б каркасное 3-хэтажное здание торгового центра в г. Лабинске» имеет в объеме 32 листов. В ней представлены расчеты сейсмостойкости конструктивного решения несущих конструкций проектируемого здания – железобетонного каркаса.
Пояснительная записка иллюстрирована необходимыми пояснениями и рисунками, а также схемами ко всем расчетам. В ней также отражены антисейсмические мероприятия.
Ил. 8. Табл.8. Библиогр. 12.
К пояснительной записке прилагается графическая часть – 1 лист
Содержание
Введение
1. Компоновка конструктивного решения здания
2. Определение сейсмичности строительной площадки и сбор нагрузок
2.1 Сбор нагрузок
3 Определение периода собственных колебаний и форм колебаний
3.1 Период собственных колебаний
3.2 Формы собственных колебаний здания
3.3 Оценка влияния продольных сил в сечении колонн на динамические характеристики каркаса
3.4 Усилия в сечениях элементов рамы от сейсмической нагрузки
4 Определение сейсмических нагрузок и усилий от них
5 Определение усилий в несущих конструкциях от эксплуатационных нагрузок
6 Проверка общей устойчивости здания и прочности отдельных конструкций с учетом сейсмических нагрузок
6.1 Подбор площади сечения арматуры средней колонны 1-го этажа
6.2 Проверка прочности сечений, наклонных к продольной оси колонн
7 Антисейсмические мероприятия
Список литературы
Введение
В связи с увеличением частоты природных катаклизмов, а именно землетрясений возникла проблема сейсмоустойчивости зданий и сооружений, построенных без учета сейсмических воздействий, что в случае данных природных катастроф наносит материальный ущерб. Принимая во внимание всё это в районах подверженных сейсмическим воздействиям силой 7 и более баллов, возникла необходимость возведения зданий и сооружений, способных выдерживать сейсмические воздействия.
При разработке проектов зданий и сооружений выбор конструктивных решений производят исходя из технико-экономической целесообразности их применения в конкретных условиях строительства с учетом максимального снижения материалоемкости, трудоемкости и стоимости строительства, достигаемых за счет внедрения эффективных строительных материалов и конструкций, снижения массы конструкций и т.п. Принятые конструктивные схемы должны обеспечивать необходимую прочность, устойчивость; элементы сборных конструкций должны отвечать условиям механизированного изготовления на специальных предприятиях.
При проектировании гражданских зданий необходимо стремиться к наиболее простой форме в плане и избегать перепадов высот. При проектировании часто выбирают объемно-планировочные и конструктивные решения, так как они обеспечивают максимальную унификацию и сокращение числа типоразмеров и марок конструкций.
Увеличение объема капитального строительства при одновременном расширении области применения бетона и железобетона требует всемерного облегчения конструкций и, следовательно, постоянного совершенствования методов их расчета и конструирования
1 Компоновка конструктивного решения здания
По рекомендациям п.1.2 [10] приняты: симметричная конструктивная схема (см. рис. 1.1) с равномерным распределением жесткостей конструкций и масс; конструкции из легкого бетона на пористых заполнителях, обеспечивающие наименьшие значения сейсмических сил; условия работы конструкций с целесообразным перераспределением усилий вследствие использования неупругих деформаций бетона и арматуры при сохранении общей устойчивости здания. Участки колонн, примыкающие к жестким узлам рамы, армируют замкнутой поперечной арматурой, устанавливаемой по расчету, но не реже, чем через 100 мм. Под колонны проектируем сплошную фундаментную плиту.
Здание проектируется каркасное.
Размеры здания:
- ширина – 36,0м;
- длина – 36,0м;
Несущим является железобетонный каркас.
Фундаменты – сплошная монолитная фундаментная плита;
Перекрытия – монолитные железобетонные плиты толщиной 100мм;
Колонны – сечение 400х400мм, высотой 3000мм;
Ригеля – главная балка: - высота 750мм;
- ширина 300 мм.
– второстепенная балка: - высота 300 мм;
- ширина 200мм.
Сетка колонн 9х9м;
Ограждающие конструкции - самонесущие кирпичные стены;
Перемычки – сборные железобетонные.
Перегородки – кирпичные.
Кровля - плоско-совмещенная с покрытием рубероидным ковром.
Лестницы – из сборных железобетонных маршей и площадок.
2 Определение сейсмичности строительной площадки и сбор нагрузок
Требуется рассчитать конструкции жилого здания, при его привязке к площадке строительства. Согласно СНиП II-7-81* (Строительство в сейсмических районах) в разделе Общее сейсмическое районирование территории Российской Федерации ОСР-97” (Список населенных пунктов) по карте ОСР-97-В-5% сейсмичность района г. Лабинск составляет 8 баллов (Карта В - объекты повышенной ответственности и особо ответственные объекты. Решение о выборе карты при проектировании конкретного объекта принимается заказчиком по представлению генерального проектировщика, за исключением случаев, оговоренных в других нормативных документах).
Определение сейсмичности площадки строительства производим на основании сейсмического микрорайонирования для III категории групп по сейсмическим свойствам, грунты которых являются: пески гравелистые, крупные и средней крупности плотные и средней плотности маловлажные и влажные; пески мелкие и пылеватые плотные и средней плотности маловлажные; глинистые грунты с показателем консистенции IL 0,5 при коэффициенте пористости е < 0,9 для глин и суглинков и е < 0,7 - для супесей. Сейсмичность площадки строительства при сейсмичности района 8 баллов, составляет 9 баллов. Согласно выше перечисленному значения коэффициента динамичности bi в зависимости от расчетного периода собственных колебаний Тi здания или сооружения по i-му тону при определении сейсмических нагрузок следует принимать по формулам (1).
Для грунтов III категорий по сейсмическим свойствам
при Тi Ј 0,1 с bi = 1 + 1,5Тi
при 0,1 с < Тi < 0,8 с bi = 2,5 (1)
при Тi і 0,8 с bi = 2,5 (0,8/ Тi)0,5
Во всех случаях значения bi должны приниматься не менее 0,8.
2.1 Сбор нагрузок
Сбор нагрузок производим на 1 м2 покрытия здания и перекрытия.
Конструктивное решение пола принимаем одинаковым для всех этажей.
Сбор нагрузок производим в табличной форме и представлен в таблице 2.1;2.2
Таблица 2.1 Нагрузка на 1м2 покрытия
Вид нагрузки |
Нормативная нагрузка, Н/м2 |
Коэффициент надёжности по нагрузке |
Расчётная нагрузка, Н/м2 |
Постоянная: |
|||
Собственный вес плиты δ=100мм (ρ=2500кг/м3) |
2500 |
1,1 |
2750 |
Пароизоляция 1 слой пергамина |
0,05 |
1,3 |
0,065 |
Утеплитель- керамзитобетон δ=80мм (ρ=800кг/м3) |
640 |
1,3 |
832 |
Цементно-песчаная стяжка δ=20мм |
360 |
1,3 |
390 |
4 слоя рубероида на мастике |
0,2 |
1,3 |
0,26 |
слой гравия δ=10мм |
0,2 |
1,3 |
0,26 |
Итого |
3500 |
3973 |
|
Временная |
Таблица 2.2 Нагрузка на 1м2 перекрытия
Вид нагрузки |
Нормативная нагрузка, Н/м2 |
Коэффициент надёжности по нагрузке |
Расчётная нагрузка, Н/м2 |
Постоянная нагрузка: |
|||
Собственный вес плиты δ=100мм (ρ=2500кг/м3) |
2500 |
1,1 |
2750 |
Собственный вес Цементно-песчаного раствора δ=20мм (ρ=1800кг/м3) |
360 |
1,3 |
390 |
Собственный вес керамических плиток, δ=15мм (ρ=1800кг/м3) |
270 |
1,1 |
297 |
Итого |
3130 |
3437 |
|
Временная нагрузка: |
4000 |
1,2 |
4800 |
Кратковременная (30%) Длительная (70%) |
1200 2800 |
1,2 1,2 |
1440 3360 |
Полная нагрузка: Постоянная и длительная Кратковременная |
7130 5930 1200 |
8237 6797 1440 |
3.Определение периода собственных колебаний и форм колебаний
3.1 Для определения периода собственных колебаний и форм колебаний необходимо вычислить динамические характеристики пятиэтажной рамы поперечника здания
Принимаем колонны сечением 400х400мм, тогда
Ригель принимаем с размерами:
b=300мм; h=750мм;
тогда
Расчетная длина ригеля- 9200 мм; колонн - 3500 мм;
Для конструкций зданий в данном районе применён легкий бетон класса В25 с использованием мелкого плотного заполнителя, плотность бетона 1600кг/м3 и начальном модуле упругости Еb=16500МПа.
Погонная жесткость элементов рамы будет:
для ригеля - (3.1)
для колонн -
Рисунок 3.1- К расчету на сейсмические нагрузки
Сила, которая характеризует сдвиговую жесткость многоэтажной рамы:
, (3.2)
где Si – сумма погонных жесткостей стоек этажа;
ri – сумма погонных жесткостей ригелей этажей;
l – высота этажа.
Суммарная погонная жесткость:
двух ригелей:
трёх колонн:
тогда
Расчетная высота здания, по формуле:
(3.3), где
Н0=10,5– расстояние от обреза фундамента до ригеля верхнего этажа (плиты покрытия);
n=3 – число этажей; подставив эти значения в формулу получим:
Определим ярусную нагрузку на уровне междуэтажного перекрытия типового этажа.
от веса перекрытия (подсчет сосредоточенных нагрузок на уровне междуэтажных перекрытий с учетом коэффициентов сочетаний:0,9;0,8 и 0,5):
где 36 м – ширина здания;
9 м – шаг колонн;
от веса колонн длиной, равной высоте этажа:
;
от веса участков стен:
;
Итого G1…G3= 486,39кН ;
Перегородки в расчете не учтены.
Ярусная масса определяется по формуле:
m1…m3 = 585,31/9,8= 49,63 кН∙с2∙м ;
Принимая приближенно ярусную массу покрытия m4≈m3 = 49,63 кН∙с2∙м , находим периоды трёх тонов свободных горизонтальных колебаний рамной системы и коэффициенты динамичности и вносим их в таблицу 3.1.
(3.5)
где i- 1,2,3 типа свободных колебаний;
К= 55300,05 кН;
Н=12,6 м;
l=3,5 м;
βi= 1,5/Тi – для грунтов III категории (3.6);
Таблица 3.1- К определению коэффициентов динамичности
Тип колебаний |
Периоды колебаний по формуле
|
Коэффициент динамичности |
|
По формуле
|
Принят |
||
1 |
=1,01>0,8 |
|
|
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
Определим ярусную нагрузку на уровне покрытия для участка длины здания, равному продольному шагу колонн 6 м:
- от веса совмещенной кровли: 3973∙36∙9∙0,9 = 1158,5кН;
- от веса снегового покрова: 0,5∙0,95∙9∙36∙1,1 = 169,29кН;
- от веса колонн: 25,25/2 = 12,63 кН;
- от веса участков стен: 247,42/2 = 123,71 кН.
G5=1158,5+169,29+12,63+123,71 = 1464,13 кН
3.2 Формы собственных колебаний здания
Величина - смещение точек динамической системы отвечает уравнению собственных (свободных) колебаний. В практических расчетах уравнение аппроксимируют в виде тригонометрических полиномов. Для определения коэффициента формы колебаний в формулу (2.3) подставляют не абсолютные смещения точек, а лишь их отношения. Например, формы трех тонов свободных колебаний многоэтажных зданий: , (2.4)
где - безразмерная координата точки j.
Относительные координаты форм свободных колебаний даны в табл. 2.1 для трех ортонормированных функций.
Рис. 3.3- К динамическому расчету 4-этажного здания:
а – условная схема здания; б – расчетная схема при определении периодов и форм свободных колебаний горизонтальных колебаний; в – три ортонормированные функции, аппроксимирующие формы свободных колебаний.
3.3 Оценка влияния продольных сил в сечении колонн на динамические характеристики каркаса
Изгибная жесткость рамы:
Во =EbAL2/2=16500∙0,4 ∙0,4∙152/2 =2970∙105 кН∙м2, (3.8)
где L= 15 м- расстояние между осями крайних колонн.
Характеристика жесткости рамы при учете влияния продольных сил в сечении колонн, по формуле . (3.9)
Следовательно, учитывать влияние продольных сил в сечении колонн на динамические характеристики рамного каркаса не требуется.
3.4 Усилия в сечениях элементов рамы от сейсмической нагрузки
Так как расчетные сейсмические нагрузки по п. 2.3 [10] принимаются, действующими в горизонтальном направлении, вертикальная составляющая сейсмических сил не учитывается. Так же не учитывают по п. 2.4 [10] вертикальную сейсмическую нагрузку для рам пролетом менее 24 м. Расчетные значения поперечных сил и изгибающих моментов в сечениях элементов рамы по п. 2.10 [10] следует определить по формулам:
и ;
в которых Qi и Mi — усилия в рассматриваемом сечении, вызываемые сейсмическими нагрузками, соответствующими форме колебаний i.
В приближенном расчете многоэтажных рам на горизонтальные нагрузки учитывают уменьшение жесткости крайних колонн, так как они имеют меньшую степень защемления в узлах, чем средние колонны.
Погонные жесткости элементов рамы 1-го этажа:
ригеля
где
колонны 2-го этажа
где
колонны 1-го этажа
Табличный коэффициент
При отношении погонных жесткостей ригелей и колонн
согласно табл. XV.1 [1], общая жесткость колонн рамы (принимая за единицу жесткость средней колонны):
на 1-ом этаже ∑i = 1+2∙0,9 = 2,8; на других этажах ∑i = 1+2∙(0,54+0,54)-2 = 1,16;
Поперечные силы в сечениях средних колонн рамы:
на 1-м этаже 2,8=(242,44+39,30+68,58)/2,8=125,11;
со 2-го по 5-й этаж 1,16= (86,59+14,04+24,49)/1,16=107,86;
Изгибающие моменты в сечениях средних колонн:
на 1-м этаже в сечении под ригелем рамы М1=2∙Q1l/3;
в сечении по с 2-го по 4-й этаж Мk=Q1l/2; где l- расчетная длина колонн, равная высоте этажа.
Поперечные силы (кН) и изгибающие моменты (кН∙м) в сечениях средних колонн рамы подсчитаны в таблице 4.1 для трёх форм колебаний.
4 Определение сейсмических нагрузок и усилий от них
Коэффициенты форм колебаний ηik для трех тонов подсчитаны в табл. 3.2 с использованием относительных координат форм свободных колебаний, приведенных в табл. 4.1. по формуле:
; (4.1)
где- смещение точек здания при собственных колебаниях по -му тону в рассматриваемой точке k и во всех точках j расположения ярусных нагрузок .Расчетную сейсмическую нагрузку в выбранном направлении действия, приложенную к точке k и соответствующую -му тону свободных, т.е. собственных колебаний здания, определяют по формуле п. 2.5[10]: , (4.2)
Таблица 4.1
Этажи |
|
кН |
|
|
кН |
кН |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
1 |
0,241 |
1125,09 |
0,3698 |
0,1368 |
416,10 |
153,89 |
0,463 |
2 |
0,483 |
1125,09 |
0,6872 |
0,4723 |
773,20 |
531,36 |
0,860 |
3 |
0,724 |
1125,09 |
0,9072 |
0,8230 |
1020,65 |
925,90 |
1,135 |
4 |
1,000 |
772,45 |
1,0000 |
1,0000 |
772,45 |
772,45 |
1,251 |
Итого |
2982,39 |
2383,60 |
|||||
1 |
0,241 |
1125,09 |
0,9072 |
0,8230 |
1020,65 |
925,90 |
0,302 |
2 |
0,483 |
1125,09 |
0,7634 |
0,5828 |
858,91 |
655,70 |
0,254 |
3 |
0,724 |
1125,09 |
-0,2647 |
0,0701 |
-297,84 |
78,85 |
-0,088 |
4 |
1,000 |
772,45 |
-1,0000 |
1,0000 |
-772,45 |
772,45 |
-0,333 |
Итого |
809,27 |
2432,89 |
|||||
1 |
0,241 |
1125,09 |
0,2361 |
0,0557 |
265,65 |
62,72 |
0,111 |
2 |
0,483 |
1125,09 |
-0,7761 |
0,6023 |
-873,16 |
677,64 |
-0,364 |
3 |
0,724 |
1125,09 |
0,7434 |
0,5526 |
836,35 |
621,71 |
0,349 |
4 |
1,000 |
772,45 |
1,0000 |
1,0000 |
772,44 |
772,44 |
0,469 |
Итого |
1001,28 |
2134,52 |
где - коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения зданий и принимаемый по табл. 3 [10], - для зданий и сооружений, в конструкциях которых могут быть допущены остаточные деформации и повреждения, затрудняющие нормальную эксплуатацию, при обеспечении безопасности людей и сохранности оборудования, возводимые с железобетонным каркасом с диафрагмами или связями; - коэффициент, учитывающий характеристики конструкций и принимаемый по табл. 6 [10], для каркасных зданий, стеновое заполнение которых не оказывает влияния на их деформативность; - коэффициент, учитывающий расчетную сейсмичность площадки строительства и определяемый по п. 2.5 [10], при сейсмичности 9 баллов; - коэффициент динамичности, определяемый по п. 2.6* [10]; - коэффициент, зависящий от формы деформации здания при свободных колебаниях по -му тону и от места расположения нагрузки k и определяемый по п.2.7 [10]: , (2.3)
где- смещение точек здания при собственных колебаниях по -му тону в рассматриваемой точке k и во всех точках j расположения ярусных нагрузок .
Таблица 4.2
Э т а ж и |
|
, кН |
Первая форма колебаний с
|
Вторая форма колебаний с
|
Третья форма колебаний с |
|||
|
|
|
|
|
|
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
4 |
1,000 |
772,45 |
1,251 |
62,793 |
-0,333 |
-37,51371 |
0,469 |
52,90263 |
3 |
0,724 |
1125,09 |
1,135 |
82,97 |
-0,088 |
-14,46462 |
0,349 |
57,27951 |
2 |
0,483 |
1125,09 |
0,860 |
62,854 |
0,254 |
41,712734 |
-0,364 |
-59,8004 |
1 |
0,241 |
1125,09 |
0,463 |
33,825 |
0,302 |
49,567386 |
0,111 |
18,19347 |
Этаж k |
Первая форма колебаний |
Вторая ф࠾рма к࠾࠻еба࠽ий |
Третья форма колебаний |
|||||||||
S1k |
∑S1k |
Qk |
Мk |
S2k |
∑S2k |
Qk |
Мk |
S3k |
∑S3k |
Qk |
Мk |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
4 |
62,79 |
62,79 |
54,13 |
94,73 |
-37,51 |
-37,51 |
-32,34 |
-56,59 |
52,90 |
52,90 |
45,61 |
79,81 |
3 |
82,97 |
145,76 |
125,66 |
219,90 |
-14,46 |
-51,98 |
-44,81 |
-78,42 |
57,28 |
110,18 |
94,98 |
166,22 |
2 |
62,85 |
208,62 |
179,84 |
314,72 |
41,71 |
-10,27 |
-8,85 |
-15,49 |
-59,80 |
50,38 |
43,43 |
76,01 |
1 |
33,83 |
242,44 |
86,59 |
101,02 |
49,57 |
39,30 |
14,04 |
16,38 |
18,19 |
68,58 |
24,49 |
28,57 |
M= |
202,04 |
M= |
32,75 |
M= |
160,01 |
Находим значение сейсмических сил по формуле:
(4.3)
4.1 – К расчету поперечной рамы на горизонтальную нагрузку
Ярусные поперечные силы:
4-й этаж
3-й этаж
2-й этаж
1-й этаж
Изгибающие моменты в стойках:
4-й этаж
3-й этаж
2-й этаж
1-й этаж
Изгибающие моменты в ригелях: