Курсовая работа (т): Проектирование конструкций одноэтажного производственного здания

6. Расчет и конструирование панели оболочки КЖС

.1 Исходные данные для проектирования

Требуется запроектировать панель-оболочку пролетом 24 м для покрытия отапливаемого одноэтажного производственного здания. Район по весу снегового покрытия III, расчетная температура наружного воздуха -40С, влажность помещений не более 70%. Здание относится к II классу, коэффициент надежности по назначению 0,95.

Бетон панели тяжелый класса В30 с расчетными характеристиками при коэффициенте γ_b2 = 1: R_bt = 1,2 Мпа; R_b,ser = 22 Мпа; R_bt,ser = 1,8 Мпа; E_b = 29000Мпа; предаточная прочность бетона R_bp = 0,8*30 = 24 Мпа, коэффициент условий работы бетона γ_b2 = 0,9. Изделие подвергается тепловой обработке при атмосферном давление.

Напрягаемая арматура диафрагм - стержневая термическая упрочненная класса Ат-VCK(R_s = 680 Мпа;

R_s,ser = 785 Мпа;

E_s = 19*10⁴ Мпа); армирование оболочки панели - сварными сетками из проволоки Ø5 Вр-500(R_s = 360 Мпа);

сварные каркасы диафрагм - с поперечной арматурой класса A-400(при Ø<10 мм -R_sw = 285Мпа, при Ø>10 мм R_s = R_sc = 365 Мпа, R_sw = 290 Мпа, E_s = 2*10⁵Мпа).

Натяжение арматуры-механическим способом на упоры формы.

.1.2 Подсчет нагрузок и усилий

Номинальные размеры КЖС в плане BxL = 3x24 м.

Высота сечения в середине пролета h = L/20 = 24000/20 = 1200мм; а по оси опоры - h_sup≥0,01L = 0,01*24000 = 240 мм, принимаем h_sup = 250 мм для увязки с размерами анкеров из уголка 250х160х20. Длина нижнего горизонтального участка x_3-6 = 1,5h_sup = 1,5*250 = 380 мм. Угол наклона нижней поверхности оболочки у опоры α = 27⁰. Расчетный пролет панели.

L₀ = L-2*150 = 24000-300 = 23700мм

Хорда сегмента

L = L₀-2*50 = 23700-100 = 23600 мм.

Очертание верхней поверхности оболочки панели принято по параболе с уравнением y = 4fx(l-x)l², откуда и находим ординаты “у”.

Подъем оболочки в середине пролета

f = h-h_sup = 1200-250 = 950 мм.

Толщина стенок b₁ диафрагм в крайнем кессоне на расстояние менее 1м от оси опоры равно 100 мм, на остальной части крайнего кессона b₁ = 50 мм, а в остальных кессонах b₁ = 40 мм. Усредненные размеры сечения вертикальных ребер жесткости 80х80 мм.

При данных геометрических размерах и плотности материала γ = 25 кН/м³ масса панели равна 16т , тогда распределенная нагрузка от собственного веса составит- 160/(3*24) = 2,22 кН/м².Подсчет нагрузок в таблице

Усилия от расчетных нагрузок с коэффициентом γ_f = 1

От полной нагрузки

M_n = q_nBl₀²/8 = 4,06*3*23,7²/8 = 855 кНм

Q_n = q_nBl₀/2 = 4,06*3*23,7/2 = 144кН

где q_n = g_n+s_n = 3,108+0,95 = 4,06

От постоянной и длительной действующей нагрузки

M_nl = q_nlBl₀²/8 = 3,6*3*23,7²/8 = 758 кНм

Q_nl = q_nlBl₀/2 = 3,6*3*23,7/2 = 128кН

где q_nl = g_n+s_nl = 3,108+0,475 = 3, 6

От собственного веса панели

M_nw = q_nwBl₀²/8 = 2,11*3*23,7²/8 = 444,4 кНм

Подсчет нагрузок на плиту КЖС

Усилия от расчетных нагрузок с коэффициентом γ_f>1

M = qBl₀²/8 = 4,94*3*23,7²/8 = 1041 кНм

Q = qBl₀/2 = 4,94*3*23,7/2 = 176 кН

Момент от собственного веса панели

M_w = q_wBl₀²/8 = 2,32*3*23,7²/8 = 489 кНм

6.1.3 Расчет панели КЖС по общей несущей способности и устойчивости

Подбор продольной арматуры

Требуемая площадь напрягаемой продольной арматуры в нижнем поясе диафрагмы

мм²

Где z₀ = h-a-h_f/2 = 1200-50-30/2 = 1135 мм

Для обеспечения требуемой трещиностойкости панели (отсутствия трещин в диафрагмах) увеличим площадь сечения арматуры на 20% т.е. . По сортаменту принимаем 4 Ø 25 Aт-VCK (A_sp = 1964 мм²), т.е. по 2 стержня в каждой диафрагме.

Проверка толщины оболочки

Требуемая толщина оболочки в середине пролета из условия прочности

Что меньше принятой конструктивно h_f¹ = 30мм

Минимальная толщина оболочки в приопорной части панели

что меньше принятой конструктивно толщины оболочки hf = 50 мм на данном участке. Здесь X = 1140 мм - абсцисса рассматриваемого сечения (точка 4), которую находим из равенства толщин h_4-5 = h_3-4 для точки 4;

М_х = 330 кН-м - изгибающий момент в рассматриваемом сечении;

a₁~50мм - расстояние по горизонтали понизу от оси рабочей арматуры до боковой продольной грани диафрагмы

Проверка оболочки по устойчивости

Проверка производится на условные критические напряжения, для чего требуется определить геометрические характеристики приведенного сечения в середине пролета.

1. α_s = E_s/E_b = 19*10⁴/29*10³ = 6,55

2.      Площадь приведенного сечения

A_red = A₁+2(A₂+…+A₈+α_sA₉) = 2940*30+2[220*45/2+1170*40+50(150-

40)+15*20+45*125/22+33*60/2+60*100+6,55*982] =

= 88200+2[4950+46800+5500+300+2812+990+6000+6432] = 235768 мм²

3. Статический момент площади приведенного сечения относительно нижней грани диафрагмы

S_red = 88200*1185+2[4950*(1200-45)+46800*1170/2+5550*(1200-

55)+300*(1200-70)+2812*(1200-95)+990*111+6000*50+6432*50] =

= 191,7*10⁶мм³

.   Расстояние от центра тяжести сечения до нижней грани диафрагмы

y_red = S_red/A_red = 191,7*10⁶/235768 = 813 мм

то же, до верхней грани оболочки

h - y_red = 1200-813 = 387 мм

то же, до середины оболочки

y₀ = h- y_red-h_f¹/2 = 387-30/2 = 372 мм

эксцентриситет усилия предварительного обжатия

e_op = y_red-a = 813-50 = 763 мм

.   Момент инерции приведенного сечения относительно его центра тяжести

. Момент сопротивления приведенного сечения для крайнего нижнего волокна

W_red,b = I_red/y_red = 4619*10⁷/813 = 56,8*10⁶мм³

то же, для крайнего верхнего волокна

W_red,l = I_red/(h-y_red) = 4619*10⁷/387 = 119,4*10⁶мм³

Проверяем толщину оболочки по устойчивости

что меньше конструктивно принятой толщины 30 мм; в приведенной формуле l₀₅ = 2940-2*370 = 2200 мм пролет оболочки в свету между вутами.

Следовательно, по всем проверкам толщина оболочки удовлетворяет условиям прочности и устойчивости.

Геометрия КЖС на приопорных участках.

Уравнение верхней поверхности оболочки

y = 4fx(l-x)/l² = 4*950*x(23600-x)/23600² = 68228x(23600-x)*10^-10

В опорной зоне между точками 3-4 изменение толщины; оболочки описывается уравнением

Однако нижняя поверхность оболочки на некотором расстоянии от опоры имеет конструктивные изломы: горизонтальный приопорный участок длиной 380 мм переходит в наклонный под углом α = 27°, пересекающийся с криволинейной нижней поверхностью. Отметки нижней поверхности оболочки определяются как разности (у-h_3-4).

Уравнение секущей плоскости

y¹ = -240+tg27(x-380) = -240+0,5(x-380)

от х = 380 до х = 1140мм - места пересечения.

В месте пересечения плоскости с параболической поверхности по ее образующей делают плавное закругление небольшого радиуса с тем, чтобы избежать концентрации напряжений.

Ординаты всех точек поверхности приведены в таблице

Подбор торцевой арматуры и анкеров.

Площадь торцевой арматуры определяется по формуле

A_s1 = N₁/R_s

 и

Здесь g_w = 2,32кН/м²-расчетная нагрузка от собственного веса, b_s = 2,94-2*0,05 = 2,84м - расстояние по горизонтали между осями продольной рабочей арматуры КЖС.

Принимаем к расчету N₁ = 161 кН. Тогда требуемое сечение арматуры класса А-III составит:

A_s1 = 161*10³/365 = 441мм²

Принимаем 2 Ø18 А-400 (A_s1 = 509 мм²)

Требуемая площадь рабочей поверхности анкера напрягаемой арматуры

Где М₁ = 4,94*3*23,7*1,5/2- = 246,8кНм - изгибающий момент на всю ширину панели в сечении, расположенной на расстояние 1,5 м от рабочей поверхности анкера

Z₁ = 4*950*1500*(23600-1500)/23600²+250-50 = 426мм, расстояние по вертикали от оси рабочей арматуры диафрагм до оси оболочки в этом же сечение.

Предварительно в качестве анкера был принят уголок 250х160х20.

Тогда требуемая длина уголка

Принимаем l₂ = 100 мм

Для расчета прочности наклонных сечений диафрагм, проверки

Прочности нормальных сечений оболочки между диафрагмами и для расчета плиты КЖС по II группе предельных состояний необходимо такие параметры, как величина начального предварительного напряжения арматуры δ_sp, потери предварительного напряжения δ_l, усилия обжатия P₀, коэффициент точности натяжения γ_sp и др.

Величину начального предварительного напряжения принимаем максимально допустимой.

δ_sp = 0,95R_s,ser = 0,95*785 = 745 Мпа

Коэффициент точности натяжения арматуры

γ_sp = 1±∆ γ_sp = 1+0,1 = 1,1

Потери предварительного напряжения арматуры до обжатия бетона

от релаксации напряжения

δ₁ = 0,1δ_sp-20 = 0,1*745-20 = 54,5 Мпа

от разности температур натянутой арматуры в зоне нагрева и упоров, восприминающих усилие натяжения при прогреве бетона

δ₂ = 1,25∆t = 1,25*65 = 81 Мпа

от деформации анкеров натянутой арматуры

Где ∆l = 1,25+0,15d = 1,25+0,15*25 = 5 мм-смещение натягиваемых стержней в инвертарных зажимах

L = 25000мм-длина натягиваемых стержней

Определение параметров предварительного напряжения.

6.1.5 Расчет прочности наклонных сечений

Часть поперечной силы Q_d, воспринимаемую диафрагмами определяют по формуле

Где Q_x- поперечная сила в рассматриваемом сечение панели, M_x-изгибающий момент в том же сечении, z- плечо внутренний пары сил в том же сечении, φ_x-угол наклона оси оболочки в том же сечении.

К расчету прочности наклонных сечений