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:
"Одноэтажное каркасное производственное здание"
Краснодар 2008

Реферат
Данная курсовая работа дает представление об основах проектирования железобетонных конструкций зданий, возводимых в сейсмических районах. В ходе выполнения курсовой работы, студент самостоятельно приобретает навыки определения сейсмических нагрузок на здания и сооружения с последующей оценкой сейсмостойкости, подбора материала, компонки сечения.
Представленная пояснительная записка к курсовой работе на тему:
"Одноэтажное каркасное производственное здание" имеет в объеме 16 листов. В ней представлены расчеты сейсмостойкости конструктивного решения несущих конструкций проектируемого.
Пояснительная записка иллюстрирована необходимыми пояснениями и рисунками, а также схемами ко всем расчетам. В ней также отражены антисейсмические мероприятия.
К пояснительной записке прилагается графическая часть - 1 лист формата А1.

Содержание
  Введение
1. Компоновка конструктивного решения здания
2. Определение сейсмичности строительной площадки и сбор нагрузок
2.1 Определение сейсмичности строительной площадки
2.2 Сбор нагрузок
3. Определение периода собственных колебаний и форм колебаний
4. Усилия в сечениях элементов рамы от сейсмической нагрузки
5. Проверка прочности колонн с учетом сейсмических нагрузок
5.1 Подбор площади сечения арматуры колонн
5.2 Проверка прочности сечений, наклонных к продольной оси колонн
6. Проверка общей устойчивости здания
7. Антисейсмические мероприятия
Список литературы

Введение

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

Одноэтажное здание из сборного железобетона.
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.
Под колонны проектируем отдельные фундаменты стаканного типа
Размеры здания в плане 9x24м
Сетка колонн 6х9м
Высота этажа - 4500мм
Рассчитываемой несущей конструкцией является сборные железобетонные конструкции рамы
Колонны - сечение 500х500мм
В качестве ригеля принимаем сегментную безраскосную ферму пролетом 9м, плиты - ребристые 3x6м
Высота от отметки 0.000 м до низа стропильной конструкции - 5.0 м.
Покрытие совмещенное по сборным ребристым плитам 3 x 6 м.
Кровля - плоско-совмещенная с покрытием рубероидным ковром.
Ограждающие конструкции - стеновые панели из легкого бетона


Рисунок 1.1 - План здания

Рисунок 1.2 - Разрез здания

2. Определение сейсмичности строительной площадки и сбор нагрузок

2.1 Определение сейсмичности строительной площадки

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. Красножар составляет 9 баллов (Карта В - массовое строительство. 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 II категории грунта по сейсмическим свойствам, грунтами которой являются: скальные грунты выветрелые и сильновыветрелые, в том числе вечномерзлые, кроме отнесенных к I категории; крупнообломочные грунты, за исключением отнесенных к I категории; 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 I_L  0,5 при коэффициенте пористости е < 0,9 для глин и суглинков и е < 0,7 - для супесей; вечномерзлые нескальные грунты пластичномерзлые или сыпучемерзлые, а также твердомерзлые при температуре выше минус 2 °С при строительстве и эксплуатации по принципу I
Сейсмичность площадки строительства при наличии грунтов II категории равна сейсмичности района и составляет 9 баллов.
Согласно выше перечисленному значения коэффициента динамичности b_i в зависимости от расчетного периода собственных колебаний Т_i здания или сооружения по i-му тону при определении сейсмических нагрузок следует принимать по формулам (1) .

2.2 Сбор нагрузок

Сбор нагрузок производим на 1 м² покрытия здания и перекрытия.
Вес фермы учитывается при определении ярусной нагрузки на стр.9.
Конструктивное решение пола принимаем одинаковым для всех этажей.
Сбор нагрузок производим в табличной форме и представлен в таблице 2.1
Таблица 2.1 Нагрузка на 1м² покрытия

3. Определение периода собственных колебаний и форм колебаний

Для грунтов II категорий по сейсмическим свойствам:
при Т_i £ 0,1 с b_i = 1 + 1,5Т_i
при 0,1 с < Т_i < 0,4 с b_i = 2,5 (1)
приТ_i ³ 0,4 с b_i = 2,5 (0,4/ Т_i) ^0,5
Во всех случаях значения b_i должны приниматься не менее 0,8.
Расчетную схему здания представляем в виде вертикального консольного стержня с сосредоточенной горизонтальной нагрузкой, приложенной к его верху.

Рисунок 1.1 - Расчетная схема здания
Для расчета принимаем одну раму и сбор нагрузок осуществляем для грузовой площади с шириной 6 м. Определим ярусные нагрузки на уровне покрытия, затем произведем их суммирование. От веса покрытия без учета фермы (с учетом коэффициентов сочетаний: 0,9; 0,8 и 0,5):

где 9 м - ширина здания, 6 м - шаг колонн;
от веса фермы (масса фермы сегментной безраскосной длиной 9м принята равной 4т в соответствии с [1]):

от веса наружных стеновых панелей для всей высоты этажа:
;
от веса колонн длиной, равной половине высоты этажа:
;
Итого G =969,68кН. Для определения периода собственных колебаний и форм колебаний необходимо вычислить жесткость конструкций. Для конструкций зданий в данном районе применён легкий бетон класса В30 с использованием мелкого плотного заполнителя с начальным модулем упругости Е_b=32500МПа. Приняты колонны сечением 400х400мм, тогда

Для панелей наружных стен

Перемещение колонны и двух наружных стен от единичной силы

Соответствующая жесткость
.
Период собственных колебаний здания определяется по формуле
сек,
где g - ускорение свободного падения.
Так как T<0,1c то коэффициент b = 1 + 1,5∙0,02=1,03
При расчете зданий и сооружений (кроме гидротехнических сооружений) длиной или шириной более 30 м помимо сейсмической нагрузки необходимо учитывать крутящий момент относительно вертикальной оси здания или сооружения, проходящей через его центр жесткости. Значение расчетного эксцентриситета между центрами жесткостей и масс зданий или сооружений в рассматриваемом уровне следует принимать не менее 0,1 В, где В - размер здания или сооружения в плане в направлении, перпендикулярном действию силы S_ik. При длине здания 48 м эксцентриситет эксцентриситет e₀=0,1x48=4,8м. Крутящий момент от воздействия всей сейсмической нагрузки T_ik=4,8ΣS_ik должен восприниматься колоннами каркаса в виде дополнительных поперечных сил ΔQ_ik=T_ik/l=0,96ΣS_ik=ΔS_ik. Можно вычислить значение коэффициента, учитывающего влияния случайного крутящего момента:

Согласно [10] расчетная сейсмическая нагрузка S_ik в выбранном направлении, приложенная к точке k и соответствующая i-му тону собственных колебаний зданий или сооружений, определяется по формуле
S_ik = χ_TK₁ S_0ik,
где К₁ - коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения зданий и сооружений, 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, возводимых из железобетонных крупнопанельных или монолитных конструкций К₁=0,22.
S_0ik - значение сейсмической нагрузки для i-го тона собственных колебаний здания или сооружения, определяемое в предположении упругого деформирования конструкций по формуле
S_oik = Q_k Ab_iK_wn_ik,
где Q_k - вес здания или сооружения, отнесенный к точке k, определяемый с учетом расчетных нагрузок на конструкции;
А - коэффициент равный 0,1 для расчетной сейсмичности 7 баллов;
b_i - коэффициент динамичности, соответствующий i-му тону собственных колебаний зданий или сооружений;
К_w - коэффициент равный 1,3 для каркасных зданий, стеновое заполнение которых не влияет на их деформативность.
С учетом коэффициентов получаем
S_ok = 969,68∙0,1∙1,03∙1,3∙1=129,84кН.
S_k = χ_T∙K₁ S_0k= 1,96∙128,06∙0,22=55,22 кН.

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.
Рассчитываем наиболее напряженную колонны первого этажа Поперечные силы в сечениях колонн рамы:
кН
Так как ригель опирается на колонны шарнирно, изгибающие моменты в сечениях колонн рамы:
кН∙м  кН∙м

5. Проверка прочности колонн с учетом сейсмических нагрузок

5.1 Подбор площади сечения арматуры колонн

Продольная сила в сечении средней колонны первого этажа (кН) при особом сочетании нагрузок:
от веса совмещенной кровли: 4137∙24∙6∙0,9 = 536,16кН;
от веса снегового покрова: 0,5∙0,9∙24∙6∙0,9 =58,32 кН;
от веса колонны:
от веса стеновых панелей: ;
от веса фермы 100/2=50 кН;
Итого:
N=536,16+58,32+106,18+132,72+50=883,38 кН (в том числе длительная N_l=825,06 кН).
Принята нулевая привязка колонн продольного ряда, поэтому опирание фермы на колонну осуществляется по всей ширине и момента от покрытия в колоннах не возникает
Поперечная сила
Подбираем площадь сечения арматуры колонны
Бетон: класса В30 с 17 МПа; 1,15 МПа; 32500 МПа
Арматура:
класса А400 с 355 МПа; МПа;
Сечение колонны 400х400 мм с 5 м и см⁴. Для продольной арматуры принимаем а = а’ = 40 мм, тогда рабочая высота сечения h₀ = h - a = 400 - 40 = 360 мм
Усилия М=138,05 кН∙м; M_l=0 кН∙м; Q=27,61 кН; N₁=883,38 кН; N_1l=825,06 кН.
Эксцентриситет продольной силы:

Относительный эксцентриситет:
.
должен быть не менее

Также учитываем особые коэффициенты условий работы при расчете на прочность нормальных сечений элементов из тяжелого бетона с арматурой класса А400

Влияние длительности действия нагрузки на прогиб при эксцентриситете ее действия :

Характеристика сжатой зоны бетона

Граничное значение относительной высоты сжатой зоны бетона

Выражение для критической силы имеет вид:
 (6.3)
где . В первом приближении задаемся , тогда (A_s+A_s’) =0,005∙40∙40=8см²


Коэффициент, учитывающий влияние прогиба на значение эксцентриситета продольной силы:
 (6.6)
Расстояние от направления действия силы до центра тяжести сечения наименее сжатой арматуры

Высота относительная сжатой зоны
 (6.7)
Толщина сжатой зоны бетона . В случае

 (6.9)

Принимаем 2Ш25 АIII c As=9,82 см².

5.2 Проверка прочности сечений, наклонных к продольной оси колонн

При поперечной силе и при продольной силе . Коэффициент, учитывающий благоприятное влияние продольной сжимающей силы на прочность наклонного сечения:  (6.10)
,
следовательно, в расчете учитывается только .
При для тяжелого бетона находим:
 (6.11)

При поперечная арматура не требуется по расчету и устанавливается конструктивно. Согласно требованиям п.3.54 СНиП II-7-81 должна применяться поперечная арматура диаметром не менее 8мм. Принимаем Ш8A-III с шагом s=0,5∙600=300мм<15∙32=480 мм.

6. Проверка общей устойчивости здания

Рисунок 6.1 - Расчетная схема здания для проверки общей устойчивости


 
Общая устойчивость здания обеспечена.

7. Антисейсмические мероприятия

Жесткость здания в поперечном и поперечном направлении обеспечивается рамами (колонны, ригели)
В качестве ограждающих стеновых конструкций применяются навесные панели. Между поверхностями стен и колонн каркаса должен предусматриваться зазор не менее 20 мм. По всей длине стены в уровне верха оконных проемов должен устраиваться антисейсмические пояс, соединяющийся с каркасом здания.

Список литературы

1.                 Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. Общий курс, М., 1985.
2.                 СНКК 22-301-2000. “Строительство в сейсмических районах Краснодарского края"
3.                 СНКК 20-303-2002. “Нагрузки и воздействия. Ветровая и снеговая нагрузки. Краснодарский край”
4.                 СНиП 31-01-2003. “Здания жилые многоквартирные" Госстрой М., 1985.
5.                 СНиП 2.01.07-85*. “Нагрузки и воздействия" Госстрой М., 1985.
6.                 СНКК 23-302-2000. Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий. Нормативы по теплозащите зданий. Краснодарский край
7.                 СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. М., 1985.
8.                 СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений. М., 1982.
9.                 СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника
10.            СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах. М., 2000.
11.            Бондаренко В.М., Судницын А.И. Расчет строительных конструкций. Железобетонные и каменные конструкции. М., 1984.
12.            Бондаренко В.М., Суворкин Д.Г. Железобетонные и каменные конструкции. М., 1987.