МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по выполнению раздела курсовой работы
«Проектирование сборной колонны одноэтажного промышленного здания»
для студентов, обучающихся по программам 550108 – «Технология строительных материалов, изделий и конструкций» и 550109 – «Ресурсосбережение и экология строительных материалов, изделий и конструкций»
дневной формы обучения
Тула 1999
Разработал А.А.Трещев,
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой ССМиК
ВЕДЕНИЕ
В методических указаниях затрагиваются вопросы расчета и конструирования сборных железобетонных колонн одноэтажных промышленных зданий каркасного типа. Рассмотрены колонны крайнего ряда в здании без мостовых кранов.
Проектирование железобетонных колонн является составной частью курсовой работы по дисциплине «Современные строительные конструкции» для студентов, обучающихся по магистерским программам 550108 и 550109.
В указаниях подробно разработана методика проектирования внецентренно загруженной крайней сплошной колонны прямоугольного поперечного сечения для многопролетного здания, детально рассмотрены рабочие чертежи и сопутствующая документация.
1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ВЫПОЛНЕНИЯ РАЗДЕЛА КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Настоящий раздел курсовой работы способствует углублению, закреплению и обобщению теоретического материала, выявлению способностей студента к практическому решению конкретных инженерно-технических задач.
Целью данного раздела является ознакомление студента с основами проектирования сборных элементов колонн одноэтажных промышленных зданий. Студент должен выбрать наиболее рациональное решение конструкции как в техническом, технологическом, так и в экономическом отношении.
2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫПРОЕКТИРОВАНИЯ ВНЕЦЕНТРЕННО СЖАТОЙ КОЛОННЫОДНОЭТАЖНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ
В бескрановых зданиях обычно применяют колонны постоянного сечения по высоте. Колонны сплошного сечения в плоскости действия изгибающих моментов (в плоскости поперечной рамы) рассчитывают как внецентренно сжатые с учетом расчетного эксцентриситета и влияния прогиба на величину эксцентриситета продольной силы. Колонны также рассчитывают из плоскости рам, но лишь с учетом случайных эксцентриситетов на величину максимального продольного усилия.
Высоту колонн при отсутствии мостовых кранов принимают в зависимости от габаритов технологического оборудования и требуемой высоты производственного помещения. Колонны типовых серий 1.423-3 и 1.423-5 имеют высоту от уровня пола до низа стропильных конструкций в пределах 3,0 – 9,6 м и 10,8 – 14,4 м соответственно с градацией через 600 мм. При высоте колонн 
до 4,2 м они имеют следующие размеры поперечного сечения 
мм 
ширина сечения колонны, 
высота сечения колонны 
, при высоте колонн до 6,0 м – 
мм, при высоте колонн до 8,4 м – 
мм, при высоте колонн до 9,6 м – 
мм, при высоте до 12,0 м – 
мм, при высоте до 14,4 м – 
мм.
Колонны снабжаются стальными закладными деталями в оголовке для крапления к ним стропильных конструкций, крепление которых осуществляется при помощи анкерных болтов, приваренных к закладной детали. Кроме того, на боковой поверхности колонн предусматриваются закладные детали для крепления стеновых панелей. В колоннах предусматриваются отверстия для строповки.
Для надежного (жесткого) защемления колонн в стакане фундамента их необходимо заглублять в стакан на 
. Заделку зазоров между боковыми гранями колонны и стенок фундамента следует производить после монтажа мелкозернистым бетоном классом не ниже класса бетона фундамента.
Колонны изготавливают из тяжелого бетона классом В15 – В30. Тип армирования сечения колонн принимают в зависимости от характера действующих в колонне усилий. В общем случае возможны два варианта продольного армирования: симметричное 
и несимметричное 
. Сечения с симметричным армированием целесообразны, если на колонну действуют знакопеременные моменты близкие по величине 
. Если же моменты разных знаков слишком сильно отличаются друг от друга по величине, либо моменты имеют один знак, то выгодно в экономическом отношении несимметричное армирование.
Колонны одноэтажных бескрановых зданий преимущественно армируются симметрично, так в их сечениях действуют знакопеременные моменты близкие по величине .
Для продольного армирования применяются стержни классов А-II, А-III, а для поперечного – стержни класса А-I – A-III и проволокой Вр-I. Диаметр продольной арматуры принимается по расчету, а диаметр поперечных – назначается из условий сварки с продольными. Шаг поперечных стержней принимается из условий обеспечения устойчивости продольных сжатых стержней из условий S < 20d < b < 400 мм, где d – диаметр продольных стержней.
Защитный слой бетона для продольных стержней принимается не менее 20 мм и не менее d, для поперечных – 10 мм.
Нижний торец колонны должен быть усилен сетками косвенного армирования в количестве не менее четырех, устанавливаемых с шагом 60 мм < S < 150 мм и не более b/3. Количество сеток принимается не менее четырех. Размер ячейки устанавливается в пределах от 45 мм до 100 мм и не более b/4. Аналогичные сетки устанавливаются в оголовке колонны под опорной закладной деталью. Сетки изготавливаются из проволочной арматуры класса Вр-I. Продольные и поперечные стержни объединяются при помощи сварки в единый пространственный арматурный каркас.
3. РАСЧЕТ КОЛОННЫ
Пусть требуется рассчитать и законструировать колонну прямоугольного поперечного сечения одноэтажного каркасного промышленного здания. Очевидно, что колонна является элементом поперечной рамы, в расчетной схеме которой стойки считаются жестко защемленными в фундаменте, а ригель покрытия (ферма) – шарнирно опертой на колонны.
3.1. Материалы для проектирования. Исходные данные.
Нагрузки и усилия. Расчетная схема колонны
В задании на курсовое проектирование приведены классы бетона по прочности на сжатие (В15 … В30) и классы стержневой арматуры (А-I, А-II, А-III, Вр-I). В соответствии с этими данными согласно СНиП 2.03.01-84* [1] необходимо определить характеристики материалов: 
(здесь 
); 
.
Колонна является элементом одноэтажной поперечной рамы, к которой приложены постоянные нагрузки от веса покрытия и фермы, стеновых панелей и колонн, а также снеговая и ветровая нагрузки. Сбор нагрузок и расчетная схема поперечной рамы представлен в методических указаниях по статическому расчету поперечной рамы [5].
Статический расчет рамы рекомендуется выполнять с использованием пакета прикладных программ СМК, сертифицированного ГОССТРОЕМ РФ.
В общем случае по результатам статического расчета определяются изгибающие моменты, продольные сжимающие усилия и поперечные силы в характерных расчетных сечениях. После чего строятся огибающие эпюры моментов и усилий [5]. Окончательно для расчета принимаются три наиболее невыгодных сочетания усилий и моментов в наиболее загруженном сечении:
1) 
2) 
3) 
Здесь 
наибольший изгибающий момент с положительным знаком, 
наибольший по абсолютной величине изгибающий момент с отрицательным знаком, 
наибольшая сжимающая продольная сила, 
момент, продольная и поперечная силы, соответствующие максимальным усилиям.
Согласно СНиП2.03.01-84* [1] расчетная длина 
колонны одноэтажного каркаса при расчете в плоскости поперечной рамы принимается равной 1,5Н для однопролетного здания, 1,2Н – для многопролетного. При расчете из плоскости рамы 
принимается равной 1,2Н при отсутствии вертикальных связей между колоннами и 0,8Н – при отсутствии. Здесь Н – полная высота колонны от верха фундамента до стропильной конструкции.
Из трех наиболее невыгодных сочетаний усилий в расчетном сечении необходимо выбрать одно для расчета в плоскости рамы и одно – для расчета из плоскости рамы. При расчете из плоскости рамы расчетным является наибольшее продольное усилие 
, принимаемое со случайным эксцентриситетом 
. Для выбора расчетного сочетания при расчете в плоскости рамы прибегают к понятию максимальных фиктивных нормальных напряжений. При этом по известной формуле сопротивления материалов для внецентренно сжатых сечений от трех сочетаний определяют максимальные нормальные фиктивные напряжения 
:
, (1)
где 
продольная сила и момент от 
го сочетания; 
площадь сечения колонны; 
момент сопротивления сечения колонны для крайних волокон.
Очевидно, то сочетание, которое приводит к наибольшим фиктивным напряжениям 
(1) принимают для расчета сечения колонны в плоскости рамы.
3.2. Расчет прочности колонны
В результате расчета прочности сечений колонны подбирается продольная и поперечная арматура. Расчет прочности нормального сечения колонны необходимо выполнить в двух взаимно ортогональных плоскостях: а) в плоскости действия изгибающих моментов (в плоскости рамы); б) из плоскости действия моментов (из плоскости рамы). Расчет по прочности наклонного сечения необходимо выполнить только в плоскости поперечной рамы на действие поперечной силы 
из рассмотренных сочетаний усилий.
Для контроля точности расчета колонны дополнительно необходимо выполнить автоматизированный расчет на IBM с использованием ППП СМК. Методика использования ППП СМК для расчета колонны приведена в методических указаниях [7]. Для того, чтобы воспользоваться этой методикой необходимо вместо случайных эксцентриситетов [7] использовать расчетные эксцентриситеты.
3.2.1. Расчет прочности нормального сечения в плоскости
поперечной рамы
Расчет выполняют в следующем порядке.
А. Выбирают тип армирования колонны (преимущественно принимают
симметричное армирование 
).
Б. Определяют рабочую высоту сечения 
, где 
с учетом защитного слоя принимается порядка 4 см.
В. Уточняют расчетное сопротивление бетона сжатию 
.
Г. Определяют характеристику деформативности бетона 
, где 
принимается в МПа.
Д. Вычисляют граничную высоту сжатой зона бетона
, (2) где 
МПа при 
и 
МПа при 
.
Е. Устанавливают расчетную длину колонны .
Ж. Из условия оптимального проектирования задаются коэффициентом продольного армирования сжатой и условно растянутой арматурой 
З. Вычисляют эксцентриситеты приложения продольных сил: 
эксцентриситет полной расчетной силы 
; 
эксцентриситет продольной силы от постоянных и длительных нагрузок.
И. Определяют величину условной критической силы, приводящей к потере устойчивости колонны
, (3) где 
момент инерции бетонной части сечения относительно центра тяжести приведенного сечения; 
момент инерции сечения продольной арматуры относительно той же оси; 
; 
, 
; 
, 
коэффициент, учитывающий вид бетона, 
момент от полных нагрузок относительно центра тяжести растянутой арматуры, 
момент от постоянных и длительных нагрузок относительно центра тяжести растянутой арматуры, 
, 
.
К. Определяют коэффициент продольного изгиба
. (4)
Л. Вычисляют относительную продольную силу и момент
, (5) где 
.
М. Сравнивают 
и 
. Если окажется, что 
, то определяют требуемую площадь сечения продольной арматуры по формуле
, (6) где 
.
Если же окажется, что 
, то необходимо вычислить фактическую относительную высоту сжатой зоны бетона 
, которая для колонн из бетона классом выше В30 определяется по формуле
, (7) а для колонн из бетона более низкой прочности –
, (8) где 
, 
.
После вычисления определяют требуемую площадь сечения арматуры
. (9)
Если из выражением получим, что 
, то эту площадь принимают по минимальному коэффициенту армирования 
:
, (10) где 
при 
при 
при 
при 
Н. Если окажется, что 
, то необходимо выполнить расчет повторно с учетом полученного значения 
, начиная с пункта «З».
О. После повторного расчета (если этот расчет необходим) по таблице сортамента арматурной стали подбирают арматурные стержни (рис. 1, а).
3.2.2. Расчет прочности нормального сечения из плоскости
поперечной рамы
Данный расчет необходимо проводить на действие продольной силы 
с учетом эксцентриситета 
. Расчет производят в том же порядке и по тем же формулам, что и расчет колонны в плоскости рамы но при замене 
на 
и на . Однако, при этом вместо 
на первом этапе расчета необходимо учесть 
, где 
площадь сечения продольной арматуры, работающей из плоскости рамы (рис. 1, б). Если в результате расчета окажется, что требуемая площадь сечения арматуры 
больше чем 
, то для обеспечения прочности сечения из плоскости рамы необходимо установить дополнительные стержни площадью 
.
 |  | ||
а) б)
Рис. 1
3.2.3. Расчет прочности наклонного сечения
Расчет наклонных сечений колонны необходимо выполнить на действие 
. Диаметр поперечных стержней устанавливают из условия сварки их с
продольной арматурой.
Расчет проводят в следующем порядке.
А. Проверяют, требуется ли поперечные стержни по расчету исходя из формул 
(11) где 
принимается равной 
если выполняется условие 
в противном случае определяют по формуле 
эквивалентная равномерно распределенная ветровая нагрузка, приложенная к колонне; 
.
Если одно из условий (11) выполняется, то арматура не требуется по расчету и ее устанавливают из конструктивных соображений. Если же поперечная арматура требуется по расчету, то ее необходимо рассчитать согласно методике, приведенной в методических указаниях [6]. Заметим, что поперечная арматура в колоннах одноэтажных промышленных зданий по расчету не требуется.
4. ПРИМЕР РАСЧЕТА
Пусть сечение колонны имеет размеры 
мм, 
мм, высота колонны 13,2 м. Здание имеет два пролета и связи жесткости между колоннами, то есть расчетная длина колонны в плоскости рамы принимается равной 
м, а при расчете из плоскости – 
м. По результатам статического расчет приняты следующие сочетания расчетных усилий: 1) 
кНм, 
кН, 
кН; 
кНм, 
кН, 
кН; 3) 
кН, 
кНм, 
кН. Бетон принят класса В20 (
МПа, 
МПа, 
, 
МПа), арматура класса А-III (
МПа, 
МПа, 
МПа).
Очевидно, что для расчета в плоскости рамы расчетным является усилие кН. Для определения расчетного сочетания для расчета в плоскости рамы вычисляем фиктивные напряжения:
кН/см2;
кН/см2.
Таким образом, для расчета в плоскости рамы принимаем сочетание №2.
см; 
МПа;
.
;
. Здесь 
кН,
кНм. Принимаем 
. 
см4; 
см4;
; 
;
м;
кНм;
м;
кНм; 
кН; 
;
м;
; 
.
см2.
, что несущественно отличается от 
. Принимаем 2Æ18А-III + 2Æ20А-III с 
см2.
При расчете из плоскости рамы расчетный эксцентриситет равен 
м. 
см2 (2Æ20А-III), 
. Здесь 
кН, 
кН. 
см4; 
см4;
;
Принимаем 
м;
.
кН; 
;
м;
; 
.
0.
Таким образом, дополнительной продольной арматуры для обеспечения прочности из плоскости рамы по расчету не требуется. Из конструктивных соображений устанавливаем Æ12А-III.
Проверяем необходимость постановки поперечной арматуры:
Таким образом, по расчету поперечная арматура не требуется. Устанавливаем поперечные стержни Æ10А-III с шагом 350 мм.
5. КОНСТРУИРОВАНИЕ КОЛОННЫ
Инженерное конструирование фундамента заключается в разработке рабочих чертежей и сопутствующей технической документации. В состав рабочих чертежей входят опалубочный чертеж, схема армирования и чертеж арматурного каркаса и сеток. Рабочие чертежи разрабатываются в соответствии с расчетом (рис. 2). В состав сопутствующей технической документации входит спецификация и ведомость расхода стали. Пример заполнения спецификации и ведомости расхода стали представлен в методических указаниях [7].
 |  | ||
Рис. 2. Рабочие эскизы колонны
Библиографический список рекомендуемых источников
1. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. - М.: ГП ЦПП, 1996. – 76 с.
2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. - М.: ГП ЦПП, 1996.-44 с.
3. Мандриков А.П. Примеры расчета железобетонных конструкций. - М.: Стройиздат, 1989. - 506 с.
4. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1991. - 728 с.
5. Трещев А.А. Статический расчет поперечной рамы сборного каркаса одноэтажного промышленного здания. Методические указания. – Тула: ТулГУ, 1996. – 19 с.
6. Трещев А.А. Проектирование сборного ригеля междуэтажного перекрытия промышленного здания. Методические указания. – Тула: ТулГУ, 1998. – 32
7. Трещев А.А. Проектирование сборной колонны многоэтажного промышленного здания. Методические указания. – Тула: ТулГУ, 1997. – 19 с.
Рассмотрено на заседании кафедры ССМиК.
Протокол № 1 от «1 » сентября 1999 г.
Зав. кафедрой ССМиК __________ А.А.Трещев