Лекция Принципы компановки железобетонных конструкций
![]()
|
Лекция 15. КОНСТРУКЦИи ОДНОЭТАЖНЫХ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ ИЗ МОНОЛИТНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА В одноэтажном каркасном здании из монолитного железобетона основная несущая конструкция — поперечная рама. Нагрузка от покрытия здания — балочного или тонкостенного пространственного — передается на поперечные рамы. Прямолинейные ригели возможны при пролетах до 12…15 м, ломаные ригели до 15…18 м, криволинейные ригели без затяжек - до 18 м, с затяжками - до 24 м и более. Рамы с криволинейными ригелями применяют преимущественно в качестве диафрагм коротких оболочек, являющихся весьма экономичным типом монолитных покрытий. Затяжка, препятствуя горизонтальным перемещениям верха стоек, уменьшает значения изгибающих моментов и поперечных сил в стойках и ригелях. Благодаря затяжке уменьшаются изгибающие моменты и поперечные силы также и в заделке стоек и облегчается конструкция фундаментов. Соединение стоек монолитных рам с фундаментами может быть жестким и шарнирным. В жестком соединении арматуру стоек сваривают с соответствующими выпусками арматуры фундамента; такое соединение просто и экономично. Шарнирное соединение применяют в тех случаях, когда в заделке колонны возникает значительный изгибающий момент, а грунты оснований имеют малую несущую способность и фундаменты рамы оказываются весьма тяжелыми. Вместе с тем нужно иметь в виду, что шарнирное соединение приводит к возрастанию изгибающих моментов в пролете и ригель становится тяжелее (рис. 15.1). Ригель армируют как балку, заделанную на опоре; часть продольной арматуры ригеля переводят в зону отрицательных моментов у опоры и заводят в стойку; стойки армируют как сжатые элементы, часть стержней которых заводят в ригель (рис.15.1а). При конструировании монолитной рамы особое внимание следует уделять узлам и сопряжениям. Расположение арматуры в узлах должно соответствовать характеру действующих усилий и в то же время обеспечивать удобство производства работ. В узле сопряжения ригеля с колонной наибольшие растягивающие усилия возникают на некотором удалении от края, поэтому растянутую арматуру в узле выполняют закругленной и заводят на длину, устанавливаемую на эпюре моментов (рис.15.1б). ![]() а – армирование рамы; б – армирование узла сопряжения ригеля и стойки; в – армирование ригеля при его изломе; г – армирование опорных шарниров Рис.15.1. Конструкция монолитной однопролетной рамы В сжатой зоне узла возникают значительные местные напряжения, в связи с чем входящие углы целесообразно выполнять со скосами (вутами), уменьшающими местные напряжения. Сжатую арматуру ригеля и стойки заводят в глубь узла, а вут армируют самостоятельными продольными стержнями. В рамных конструкциях с относительно небольшими усилиями вуты не делают, что несколько упрощает производство работ. В узлах, где ригель имеет перелом, например в коньковом узле, усилия в нижней растянутой арматуре создают равнодействующую, направленную по биссектрисе входящего угла, под действием которой арматура стремится выпрямиться и выколоть бетон (рис. 15.1в). Поэтому коньковые узлы армируют с перепуском концов нижних растянутых стержней и усиливают дополнительными поперечными стержнями, определяемыми расчетом. Поперечная арматура должна воспринимать растягивающее усилие, равное вертикальной составляющей усилий в продольных растянутых стержнях, незаанкеренных в сжатой зоне: ![]() или воспринимать 35 % вертикальной составляющей усилий во всех продольных растянутых стержнях ![]() где Аs1 — площадь сечения продольных растянутых стержней, незанкеренных в сжатой зоне; γ — входящий угол в растянутой зоне. Поперечная арматура, необходимая по расчету, должна быть расположена на длине ![]() Шарнирное сопряжение стойки рамы с фундаментом создается устройством упрощенного (несовершенного) шарнира. В этом месте размеры сечения стойки уменьшаются до 1/2—1/3 размеров основного сечения; здесь устанавливают вертикальные или перекрещивающиеся стержни, а примыкающие к шарниру части стойки и фундамента усиливают поперечными сетками (рис. 15.1, г). Продольная сила стойки передается через сохраняемую площадь бетона и арматурные стержни, поперечная сила стойки обычно погашается силой трения. Раздел 5. ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ФУНДАМЕНТЫ Лекция 16. Отдельные фундаменты колонн Железобетонные фундаменты бывают трех типов: отдельные, ленточные и сплошные (рис. 16.1). Фундаменты возводят чаще всего на естественных основаниях, но могут быть и на сваях; тогда группа свай, объединенная по верхней их части распределительной железобетонной плитой — ростверком, образует свайный фундамент. Отдельные фундаменты устраивают при относительно небольших нагрузках и достаточно редком размещении колонн. Ленточные фундаменты под рядами колонн делают тогда, когда подошвы отдельных фундаментов близко подходят друг к другу, что обычно бывает при слабых грунтах и больших нагрузках. Целесообразно применять ленточные фундаменты при неоднородных грунтах и внешних нагрузках, различных по величине, так как ленточные фундаменты выравнивают неравномерные осадки основания. Если несущая способность ленточных фундаментов недостаточна или деформации основания под ними более допустимых, то устраивают сплошные фундаменты. Стоимость фундаментов составляет 4…6 % обшей стоимости здания. Тщательной проработкой конструкции фундаментов можно достичь ощутимого экономического эффекта. По способу изготовления фундаменты бывают сборные и монолитные. ![]() Рис.16.1. Типы железобетоны фундаментов: а – отдельный; б – ленточный; в -сплошной 16.1. Конструкции сборных фундаментов В зависимости от размеров сборные фундаменты колонн делают цельными и составными. Размеры сборных цельных фундаментов относительно невелики. Их выполняют из тяжелых бетонов классов С12/15…С20/25, устанавливают на песчано-гравийную уплотненную подготовку толщиной 10 см. В фундаментах предусматривают арматуру, располагаемую по подошве в виде сварных сеток. Минимальная толщина защитного слоя арматуры принимается 35 мм (рис. 16.2). Если под фундаментом нет подготовки, то защитный слой делают не менее 70 мм. ![]() 1 – гнездо колонны; 2 – петли; 3 – фундамент; 4 – подготовка; 5 – сварная сетка Рис.16.2. Сборные цельные железобетонные фундаменты колонн а – общий вид; б – сечение; в – сопряжение сборной колонны с фундаментом; Сборные колонны заделывают в специальные гнезда (стаканы) фундаментов. Глубину заделки d2принимают равной 1…1,5 большего размера поперечного сечения колонн. Толщина нижней плиты гнезда должна быть не менее 200 мм. Зазоры между колонной и стенками стакана должны быть: понизу не менее 50 мм, поверху не менее 75 мм. При монтаже колонну устанавливают в гнезда с помощью подкладок и клиньев или кондуктора и рихтуют, после чего зазоры заполняют бетоном класса С16/20 на мелком заполнителе. Сборные фундаменты больших размеров могут выполняться составными из нескольких монтажных блоков. На них расходуется больше материалов, чем на цельные (рис. 16.3). При значительных моментах и горизонтальных распорах блоки составных фундаментов необходимо соединять между собой выпусками, анкерами, сваркой закладных деталей и т. п. ![]() 1 – подколонник; 2 – фундаментная плита целая; 3 – то же блочная; 4 – подколонные блоки Рис.16.3. Составные железобетонные фундаменты 16.2. Конструкции монолитных фундаментов Монолитные отдельные фундаменты устраивают под сборные и монолитные каркасы зданий и сооружений. Типовые конструкции монолитных фундаментов, сопрягаемых со сборными колоннами, разработаны под унифицированные размеры (кратные 300 мм): для подошвы от 1,5×1,5м до 6×5,4 м и высоты фундамента 1,5; 1,8; 2,4; 3; 3,6 и 4,2 м. В фундаментах приняты удлиненный подколонник, армированный пространственным каркасом, фундаментная плита с отношением размера вылета к толщине до 1:2, армированная двойной сварной сеткой, высоко размешенный армированный подколонник. Типы монолитных фундаментов, сопрягаемых с монолитными колоннами бывают ступенчатыми и пирамидальными; ступенчатые по устройству опалубки проще. Общая высота фундамента hпринимается такой, чтобы не требовалось его армирования хомутами и отгибами. Давление от колонн в фундаменте передается, отклоняясь от вертикали в пределах 45°. Этим руководствуются при назначении размеров верхних ступеней фундамента. Монолитные фундаменты, как и сборные, армируют сварными сетками только по подошве. При размерах стороны подошвы более 3 м в целях экономии стали можно применять нестандартные сварные сетки, в которых половину стержней не доводят до конца на 1/10 длины. Для связи с монолитной колонной из фундамента выпускают арматуру с площадью сечения, равной расчетному сечению арматуры колонны у обреза фундамента. В пределах фундамента выпуски соединяют в каркас хомутами и устанавливают на бетонные или кирпичные прокладки. Стыки выпусков делают выше уровня пола. Арматуру колонн можно соединять с выпусками внахлестку без сварки по общим правилам конструирования таких стыков. ![]() 1 – сборная колонна; 2 – подколонник; 3 – каркас подколонника; 4 – фундаментная плита; 5 – арматурные сетки фундаментной плиты; 6 – сварные сетки стакана; 7 – сетки косвенного армирования днища стакана; 8 – вертикальные стержни каркаса подколонника Рис.16.4. Конструкция монолитного отдельного фундамента, сопрягаемой со сборной колонной а – общий вид и схема армирования; б – схема армирования подколонника; ![]() 1 – выпуски каркасов; 2 – второй хомут каркаса; 3 – первый хомут каркаса; 4 – сварные сетки Рис.16.5. Монолитные железобетонные отдельные фундаменты а – одноступенчатый; б – двухступенчатый; в – трехступенчатый; г – пирамидальный; д – армирование фундамента по подошве нестандартными сварными сетками; В колоннах центрально сжатых или внецентренно сжатых при малых эксцентриситетах арматуру соединяют с выпусками в одном месте; в колоннах внецентренно сжатых при больших эксцентриситетах— не менее чем в двух уровнях с каждой стороны колонны. Если при этом на одной стороне сечения колонны находится три стержня, то первым соединяют средний. Арматуру колонн с выпусками лучше соединять дуговой сваркой. Конструкция стыка должна быть удобной для монтажа и сварки. Если все сечение армировано лишь четырьмя стержнями, то стыки выполняют только сварными. ![]() 1 – арматурные контурные пояса; 2 – арматура центральной зоны ростверка; 3 – хомуты контурных поясов Рис.16.6. Растворы отдельной опоры а – план; б – схема внутренних усилий; в – схема армирования; 16.3. Расчет фундаментов В общем случае размеры подошвы фундаментов назначают согласно требованиям норм проектирования оснований зданий и сооружений, рассчитывая основания по несущей способности и по деформациям, что излагается в курсе оснований и фундаментов. Предварительное определение размеров подошвы фундаментов зданий классов I и II, а также окончательное их назначение для фундаментов зданий и сооружений классов III и IV допускается производить из условия, чтобы среднее давление на основание под подошвой фундамента не превышало давления, вычисляемого по условному давлению R0 фиксированному для фундаментов шириной 1 м и глубиной 2 м. Расчетное давление принимают по результатам инженерно-геологических изысканий площадки строительства и по указаниям норм, где учитывается, что условное расчетное сопротивление основания R0 зависит от вида и состояния грунта. Окончательные размеры подошвы фундаментов в оговоренных условиях принимают по значению давления на грунт, вычисленному с учетом R0, а также принимаемых размеров подошвы фундамента и глубины его заложения. Опыты показали, что давление по подошве фундамента на основание в общем случае распределяется неравномерно в зависимости от жесткости фундамента, свойств грунта, интенсивности среднего давления. При расчетах условно принимают, что оно распределено равномерно, что для конструкции отдельных фундаментов не имеет существенного значения. ![]() ![]() Рис.16.7. К расчету центрально-нагруженного фундамента 1 – пирамида продавливания; 2 – основание пирамиды продавливания Давление на грунт у края фундамента, загруженного внецентренно в одном направлении, не должно превышать 1,2 R, а в углу при двухосном внецентренном загружении —1,5 R. Размеры сечения фундамента и его армирование определяют как в железобетонных элементах из расчета прочности на усилия, вычисленные при нагрузках и сопротивлении материалов по первой группе предельных состояний. Центрально-нагруженные фундаменты. Необходимая площадь подошвы центрально-загруженного фундамента (рис 16.7) при предварительном расчете ![]() где Nn— расчетное усилие, передаваемое фундаменту; d—глубина заложения фундамента; γт— 20 кН/м3 — усредненная нагрузка от единицы объема фундамента и грунта на его уступах. Если нет особых требований, то центрально-загруженные фундаменты делают квадратными в плане или близкими к этой форме. Минимальную высоту фундамента с квадратной подошвой определяют условным расчетом его прочности против продавливания в предположении, что продавливание может происходить по поверхности пирамиды, боковые стороны которой начинаются у колонн и наклонены под углом 45°. Это условие выражается формулой (для тяжелых бетонов). ![]() где fcd— расчетное сопротивление бетона при растяжении; um=2(h+ bk+2h0) — среднее арифметическое между периметрами верхнего и нижнего оснований пирамиды продавливания в пределах болезной высоты фундамента h0. Продавливающая сила принимается согласно расчету по первой группе предельных состояний на уровне верха фундамента, за вычетом давления грунта по площади основания пирамиды продавливания: ![]() где ![]() ![]() N – расчетная сила. В формуле (16.З) масса фундамента и грунта на нем не учитывается, так как она в работе фундамента на продавливание не участвует. Полезная высота фундамента может быть вычислена по приближенной формуле, выведенной на основании выражений (16.2) (16.З): ![]() Фундаменты с прямоугольной подошвой рассчитывают на продавливание также по условию (16.2), принимая ![]() ![]() где А2—площадь заштрихованной части подошвы на рис. 16.7; b1и b2 — соответственно верхняя и нижняя стороны одной грани пирамиды продавливания. Полную высоту фундамента и размеры верхних ступеней назначают с учетом конструктивных требований, указанных выше. Внешние части фундамента под действием реактивного давления грунта снизу работают подобно изгибаемым консолям, заделанным в массиве фундамента; их рассчитывают в сечениях: I—I — по грани колонны, II—II—по грани верхней ступени, III—III—по границе пирамиды продавливания. Полезную высоту нижней ступени принимают такой, чтобы она отвечала условию прочности по поперечной силе без поперечного армирования в наклонном сечении, начинающемся в сечении III—III. Для единицы ширины этого сечения на основании формулы (111.85) должно быть (при фш=0) ![]() где на основании рис. 16.7 ![]() Кроме того, полезная высота нижней ступени должна быть проверена на прочность против продавливания по условию (16.2). Армирование фундамента по подошве определяют расчетом на изгиб по нормальным сечениям I—I и II—II. Значение расчетных изгибающих моментов в этих сечениях ![]() ![]() Сечение рабочей арматуры на всю ширину фундамента можно вычислить, принимая ![]() Содержание арматуры в расчетном сечении должно быть не ниже минимально допустимого процента армирования в изгибаемых элементах. При прямоугольной подошве сечение арматуры фундамента определяют расчетом в обоих направлениях. Если в результате окончательного расчета основания фундамента, согласно указаниям норм проектирования оснований, предварительно принятые размеры подошвы необходимо изменить, конструкция фундамента должна быть откорректирована. Внецентренно нагруженные фундаменты целесообразно делать с прямоугольной подошвой, вытянутой в плоскости действия момента. Предварительно краевые давления под подошвой фундамента (рис. 16.8) в случае одноосного внецентренного загружения определяют в предположении линейного распределения давления по грунту в направлении действия момента по формулам: ![]() Рис.16.8. К расчету внецентренно загруженного фундамента а — расчетная схема б, в, г — эпюры давления ![]() при ![]() ![]() при ![]() В этих формулах ![]() где Nn, Мn, Qn —нормальная сила, изгибающий момент и поперечная сила, действующие в колонне на уровне верха фундамента, соответствующие второй группе предельных состояний; Ninf , Мinf— соответственно сила и момент на уровне подошвы фундамента. Согласно нормам, краевые давления на грунт не должны превышать 1,2R, а среднее давление Допустимая степень неравномерности краевых давлений зависит от характера конструкций, опирающихся на фундамент. В одноэтажных зданиях, оборудованных кранами грузоподъемностью более 75 т, и в открытых эстакадах по опыту проектирования принимают р2≥0,25p1(рис. 16.8,б) в зданиях с кранами грузоподъемностью менее 75 т допустима эпюра давления по рис. 16.8, в; в бескрановых зданиях при расчете на дополнительные сочетания нагрузок возможна эпюра по рис. 16.8,г с выключением из работы не более 1/4 подошвы фундамента (l ≥ 3/4a). При подборе размеров подошвы фундаментов с учетом перечисленных условий можно пользоваться формулами, приведенными в табл. XII.1. Конструкцию внецентренно нагруженного фундамента рассчитывают теми же приемами, что и центрально-загруженного. При этом расчете давление на грунт определяют от расчетных усилий без учета массы фундамента и засыпки на нем, т.е. опуская в первой формуле (XII.II) второй член. Изгибающие моменты, действующие в консольных частях фундамента, можно вычислять, заменяя трапециевидные эпюры давления равновеликими прямоугольниками. |