Железобетонные конструкции

Краткая характеристика здания

[Торговый пассаж в г. Иркутске]. Колонны выполнены из бетона В25 сечением 400x400 мм, ригели − из бетона В25 сечением 400x600, плиты покрытия и перекрытия – монолитные железобетонные из бетона В25 толщиной 180 мм. Узлы сопряжения база-колонна и колонна-ригель – жесткие.

 

Геометрия и топология расчетной схемы

Принятый метод расчета – метод перемещений, реализованный в конечных элементах. Расчеты выполнены в проектно-вычислительном комплексе SCAD. В качестве принципа формирования модели была принята пространственная модель.

Модели РСМ и РДМ приняты одинаковыми, для сравнения в четырех вариантах:

§ проектное решение с учетом стенового заполнения каркаса;

§ проектное решение − классическая модель;

§ оптимизация конструктивного решения путем введения диафрагм жесткости

§ надстройка мансардного этажа.

Виды конечных элементов, принятых при моделировании здания:

§ Стержневые элементы тип 5 (пространственный стержень) – колонны и ригели

§ Пластинчатые элементы тип 44 (4-х угольный КЭ оболочки) – плиты покрытия и перекрытия, диафрагмы жесткости.

Геометрические характеристики конечных элементов и характеристики материалов см. табл. 1.

Таблица 2.2.1

Элемент	Сечение	Класс бетона
Колонны	400×400	В25
Продольные ригели	400×600	В25
Поперечные ригели	400×600	В25
Плиты покрытия и перекрытия	d=180	В25
Диафрагмы жесткости	d=160	В25

 

 

Загружения и нагрузки

Нагрузки определены в соответствии с СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». Сейсмичесие нагрузки определены в автоматическом режиме в соответствии с СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах» с коэффициентами на 01.01.2000г.

 

· Постоянные – определены с учетом конструктивных элементов здания в автоматическом режиме по заданной геометрии и весу материалов, с последующим введением коэффициентов g_n и g_f. Также были учтены нагрузки от элементов, не вошедших в расчетную схему (вес стенового заполнения, полов и кровли)

· Временные длительнодействующие – на перекрытия: полная полезная нагрузка – 4 кПа, длительная составляющая от полезной – 1.4 кПа. Расчетная нагрузка на перекрытия:

· Временные кратковременные – снеговая и ветровая нагрузка определены в программе ВЕСТ по СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» в зависимости от района строительства: III снеговой район, II ветровой район. Расчетная снеговая нагрузка равномерно распределенная по площади составляет . Ветровая нагрузка определена по СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», принята как равномерно распределенная по ригелям каркаса, см. табл.2.

Таблица 2.3.1

Уровень перекрытия	Наветренная сторона	Подветренная сторона
Перекрытие на отм. 6.000	0,16	0,13
Перекрытие на отм. 12.000	0,21	0,17
Покрытие на отм. 18.000	0,14	0,10

 

 

· Сейсмическая нагрузка. SCAD позволяет задавать сейсмическую нагрузку в автоматическом режиме, и производит расчет в соответствии с СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах» с коэффициентами на 01.01.2000г. Данные для расчета: число учитываемых форм колебаний – 5, II категория грунтов по сейсмическим свойствам, сейсмичность площадки – 8 баллов. В расчете сейсмическая нагрузка учтена в двух направлениях: по основным осям в глобальной системе координат (по оси X (продольное направление) и по оси Y (в поперечном направлении))

РСУ и комбинации

· Расчетные сочетания усилий и комбинации загружений определены в соответствии со СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» и СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах». Загружения и их вид см. табл. 3.

 

Таблица 2.4.1

Номер загружения	Вид загружения	Объеди- нение времен. нагру- зок	Знако- перемен. нагруз- ки	Взаимо- исключающ. нагруз- ки	Коэф. надеж- ности по нагруз- ке	Коэф. пониже- ния норматив. значе- ния
Постоянные	Постоянное				1.1	1.0
Временная на 6,000	Кратковременное				1.2	0.5
Временная на 12,000	Кратковременное				1.2	0.5
Временная на 18,000	Кратковременное				1.2	0.5
Снеговая	Кратковременное				1.4	0.5
Ветер сзади	Малой длительности				1.4	0.0
Ветер спереди	Малой длительности				1.4	0.0
Ветер справа	Малой длительности				1.4	0.0
Ветер слева	Малой длительности				1.4	0.0
Сейсмика по X	Сейсмическое				1.0	0.0
Сейсмика по Y	Сейсмическое				1.0	0.0

 

 

В таблице РСУ учитываются основные и особое (сейсмическое) сочетание. Выбор РСУ – в автоматическом режиме.

 

· Комбинации загружений не учитываются в дальнейших расчетах, и вводятся для оценки общего характера поведения здания (эпюры M, Q, N, деформации). Учтены второе основное и особые сейсмические сочетания.

 

Варианты расчетной модели

1. Каркасное здание с учетом стенового заполнения

2. Каркасное здание без диафрагм и связей

3. Каркасное здание с диафрагмами жесткости (расположение диафрагм см. рис. 3), воспринимающими не только горизонтальные (сейсмические), но и вертикальные нагрузки.

4. по 3, с учетом надстройки мансардного этажа (рис. 4).

 

Рисунок 2. Общий вид расчетной схемы

 

Рисунок 3. Расположение диафрагм жесткости

(вставить рисунок с мансардным этажом)

Рисунок 4. Расположение диафрагм жесткости

3. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЯ

Основные сочетания

Эпюра Мизг для самой нагруженной поперечной рамы (в осях 4-4) на основное сочетание:

Каркасное без диафрагм и связей	Каркасное с диафрагмами жесткости

 

 

Эпюра Мизг для самой нагруженной продольной рамы (в осях Б-Б) на основное сочетание:

Каркасное без диафрагм и связей	Каркасное с диафрагмами жесткости

 

Особые сочетания

Эпюра Мизг для самой нагруженной поперечной рамы (в осях 4-4) на особое сочетание:

Каркасное без диафрагм и связей	Каркасное с диафрагмами жесткости

 

 

Эпюра Мизг для самой нагруженной поперечной рамы (в осях Б-Б) на особое сочетание:

Каркасное без диафрагм и связей	Каркасное с диафрагмами жесткости

 

Периоды колебаний для сейсмических загружений (10 – по оси X, 11 – по оси Y) определены по 5 формам собственных колебаний, см. табл. 4.

 

Таблица 4

Загр.	Форма колеб.	Периоды
Без диафрагм и связей	С диафрагмами жесткости
		1.086	0.205
		1.064	0.182
		0.971	0.152
		0.357	0.081
		0.352	0.080
		0.515	0.087
		0.506	0.079
		0.422	0.058
		0.169	0.054
		0.167	0.052

 

 

Самые загруженные элементы схемы приведены в табл. 5.

 

Таблица 5

Элемент	Схема без диафрагм и связей	Схема с диафрагмами жесткости
Колонна	Г5, на отм. 0.000	Б2, В2, Б4, В4 на отм. 0.000
Поперечный ригель	А-Б2, на отм. 6.000	А-Б2 А-Б4, В-Г2, В-Г4 на отм. 6.000 (и 18.000)
Продольный ригель	А,Б,В,Г 1-2, 4-5, на отм. 6.000	А4-5, Г4-5 на отм. 6.000

 

 

Максимальное смещение при особом сочетении нагрузок в уровне покрытия для схемы без диафрагм и связей – 52,5 мм, для схемы с диафрагмами жесткости – 4,5 мм.

4. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ НЕСУЩЕГО ОСТОВА

Железобетонные конструкции

Расчет схемы произведен по методу конечных элементов, подбор арматуры произведен по нормам СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции», реализованных в SCAD’е (таблица 4).

Колонны. Армирование колонн – пространственными каркасами, продольная (рабочая) арматура класса AIII (А400) ГОСТ 5781-82*, поперечная арматура – АI (А240) ГОСТ 5781-82*. Толщина защитного слоя 4.5см, случайный эксцентриситет принят 1/30 длины элемента.

Ригели. Армирование – плоскими каркасами, объединенными в пространственные с помощью поперечных стержней. Продольная (рабочая) арматура класса AIII (А400) ГОСТ 5781-82*, поперечная арматура – АI (А240) ГОСТ 5781-82*. Толщина защитного слоя 4.5см, случайный эксцентриситет принят 1/30 длины элемента. В связи с практически одинаковой работой элемента в схемах с диафрагмами и без них, целесообразно рассмотреть различные типы закрепления элементов.

Диафрагмы. Армирование – плоскими сетками из арматуры АI (А240) ГОСТ 5781-82*. Толщина защитного слоя 1.5см.

Таблица 4.1.1

Вид конструкции и характеристики армирования	Значения по вариантам модели
схема 1а*	схема 1б	схема 2	схема 3
1	2	3	4	5
1. Колонны каркаса сечением b×h =40×40 см
– общее содержание продольной арматуры, %	1.2	2.3	1.4	1.5
– конструкция продольной арматуры	4ø25	4ø36	4ø28	4ø28
– поперечная арматура, см²	0.2	0.6	0.5	0.5
– поперечная арматура, диаметр-шаг	2ø6-200	2ø10-200	2ø8-200	2ø8-200
2. Ригели каркаса сечением b×h =40×60 см
– продольная нижняя арматура As1, см²	8.6	12.2	10.2	10.8
– конструкция нижней продольной арматуры	2ø25	2ø28	2ø28	2ø28
– продольная верхняя арматура As2, см²	5.4	7.3	6.2
– конструкция верхней продольной арматуры	2ø20	2ø22	2ø20	2ø20
– продольная боковой арматура As3 и As4, см²	0.6	1.2	1.1	1.1
– конструкция боковой продольной арматуры	1ø10	1ø14	1ø12	1ø12
– поперечная арматура, см²	0.6	1.2	0.9	0.9
– поперечная арматура, диаметр-шаг	2ø10-200	2ø10-100	2ø8-100	2ø8-100
3. Монолитные плиты перекрытия толщиной 180 мм
– нижняя сетка С1, стержни вдоль буквенных осей, диаметр-шаг	ø10-200	ø10-200	ø10-200	ø10-200
– нижняя сетка С1, стержни вдоль цифровых осей, диаметр-шаг	ø10-200	ø10-200	ø10-200	ø10-200
– верхняя сетка С2, стержни вдоль буквенных осей, диаметр-шаг	ø10-200	ø10-200	ø10-200	ø10-200
– верхняя сетка С2, стержни вдоль цифровых осей, диаметр-шаг	ø10-200	ø10-200	ø10-200	ø10-200
4. Диафрагмы жесткости толщиной 160 мм
– горизонтальные стержни, диаметр-шаг	ø10-200	ø10-200	ø10-200	ø10-200
– вертикальные стержни, диаметр-шаг	ø10-200	ø10-200	ø10-200	ø10-200
Примечания:
схема 1а* - здание по проекту с учетом кирпичных стен (заполнение каркаса)
схема 1б - здание по проекту без учета кирпичных стен (заполнение каркаса)
схема 2 - оптимизированное решение с диафрагмами жесткости
схема 3 - оптимизированное решение с надстройкой мансардного этажа
желтые ячейки - информационные
зеленые ячейки - параметры армирования из SCAD
красные ячейки - автоматизированный расчет

 

Изополя армирования диафрагмы в осях А-Г/5

 

 

Изополя армирования внутренних диафрагм жесткости по оси Б

 

 

4.2. Стальные конструкции

Поверочные расчеты конструкций стального каркаса мансарды выполнены согласно СНиП II-23-81* "Стальные конструкции" из условия обеспечения прочности и устойчивости как при основных сочетаниях нагрузок, так и при особых.

Результаты расчета подтвердили, что принятые унифицированные сечения всех элементов стального каркаса удовлетворяют требованиям норм с запасом различной степени (табл. 5).

Таблица 5

Расчетный элемент	Сечение	Коэффициент использования стальных элементов по критическому фактору	Минимальное сечение
Металлические конструкции мансарды
– стойки мансарды	320×180×10	0,66	300×200×8
– нижний пояс фермы	180×100×8	0,16	100×60×5
– верхний пояс фермы	180×100×8	0,16	100×60×5
– раскосы фермы	□300×12	0,46	□200×13
– стойки фермы	□300×12	0,77	□250×8
– связи по покрытию	□300×12	0,77	□250×8
– связи каркаса	□300×12	0,77	□250×8

 

 

Таким образом, сечения конструкций мансардного этажа близки к оптимальным и позволяют обеспечить требуемый уровень жесткости и сейсмостойкости как мансардного этажа, так и всего здания в целом.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные расчеты показали, что заданная конструктивная схема актуальна для сейсмических районов только с диафрагмами жесткости. Расчетное армирование всех элементов несущего остова находится в пределах допускаемых и близко к оптимальным. Надстройка мансардного этажа не является критичной и возможна без усиления несущих конструкций здания.