Исследование НДС фрагмента плиты перекрытия в здании детского сада на 120 мест

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра ЖБиКК

Пояснительная записка к контрольной работе по теме:

Исследование НДС фрагмента плиты перекрытия в здании детского сада на 120 мест

Казань, 2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Цели и задачи

1. Компоновка конструктивной схемы

2. Сбор нагрузок

3. Формирование расчётной схемы

4. Результаты статического расчёта здания

ВЫВОДЫ

Литература

Введение

В работе рассмотрен проектировочный расчёт двух вариантов плиты перекрытия первого этажа в здании Детского сада на 120 мест:

а) сборный вариант по серии 1.020-1/87,

б) монолитный вариант в виде плоского безбалочного перекрытия.

Произведён расчёт усилий и подбор арматуры в элементах перекрытия для обоих вариантов. Выполнено технико-экономическое сравнение вариантов. Сделан вывод, что наиболее экономичным по расходу материалов является первый вариант.

Предметом исследований в работе служит напряжённо-деформированное состояние фрагмента плиты перекрытия – конкретно его конечно-элементной модели. Методом исследования является численный метод конечных элементов, реализованный в ПК «Лира» (Сертификат соответствия РФ № РОСС UA.СП15.H00041 (с 01.07.2006 по 01.07.2008) Лицензия УК № 01296.), предназначенного для расчета пространственных конструкций на прочность, устойчивость и колебания по 1-ой, и 2-ой группам предельных состояний.

Цели и задачи

Целью работы является изучение НДС несущих конструкций фрагмента плиты перекрытия для двух вариантов

а) сборного варианта по серии 1.020-1/87,

б) монолитного варианта в виде плоского безбалочного перекрытия.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи, касающиеся обоих вариантов:

1) определить исходные данные;

2) сформировать расчетную схему фрагмента плиты перекрытия;

3) создать, конечно-элементную, модель фрагмента плиты перекрытия;

4) выполнить расчет, то есть определить усилия в элементах плиты перекрытия;

5) провести анализ результатов расчета – установить опасные сечения;

6) подобрать арматуру в несущих элементах плиты;

7) выполнить конструирование;

8) рассчитать расход материалов на фрагмент плиты перекрытия;

9) выполнить технико-экономическое сравнение вариантов;

10) сделать выводы.

расчет усилие плита перекрытие деформация

1. Компоновка конструктивной схемы

 

Рисунок 1. План первого этажа

В соответствии с заданием, полученным от руководителя НИРС, решено рассмотреть только фрагмент плиты перекрытия первого этажа на отметке +3,3 м в осях 4-6 и А-Б.

Для обоих принятых вариантов – сборного и монолитного – здание Детского сада имеет каркасную несущую систему. Продольный шаг колонн (вдоль цифровых осей) составляет 6,4м, а поперечный (вдоль буквенных осей) – 7,2 м. Конструктивными элементами фрагмента плиты перекрытия по сборному варианту являются:

а) предварительно напряжённый ригель таврового профиля (с полкой вниз) сечением h=450мм, b=300мм, h_f=220мм, b_f=510мм, выполненный из тяжёлого бетона класса В30 (E_b=32500МПа) и армированный высокопрочной арматурой А800, примечание: пристенный ригель по оси «6» имеет только один свес полки;

б) предварительно напряжённая круглопустотная плита перекрытия высотой h=220мм и шириной b_f=1800мм (раскладка плит из 4-х штук в одном пролёте), выполненная из тяжёлого бетона класса В30 (E_b=32500МПа) и армированная высокопрочной арматурой А800, примечание: приведённая толщина перекрытия h_red=105мм.

Конструктивным элементом фрагмента плиты перекрытия по монолитному варианту является только плоская плита перекрытия толщиной h=200мм, выполненная из тяжёлого бетона класса В20 (E_b=27500МПа) и армированная обычной арматурой класса А400.

а) б)

Рисунок 2а – Жесткости (геометрия сечения и модуль деформации) элементов перекрытия: а) для среднего сборного ригеля; б) для пристенного сборного ригеля

а)  б)

Рисунок 2б – Жесткости (геометрия сечения и модуль деформации) элементов перекрытия: а) для сборной круглопустотной плиты перекрытия; б)для монолитной плоской плиты перекрытия

  2. Сбор нагрузок

 

Собственный вес конструкций каркаса (ригели и плиты перекрытий) учитываются при задании жесткостей расчётной схемы в программном комплексе, специального расчёта не требует. Коэффициент надёжности g_f=1,1, коэффициент ответственности здания по назначению g_n=0,95 согласно [4]: плотность материала ж/б плит перекрытий и колонн .

Расчёт нагрузок на фрагмент плиты перекрытия сведём в табличную форму.

Таблица 1 - Нагрузки на 1 м² перекрытия

Вид нагрузки и расчет	Нормативная нагрузка кН/м2	Коэффициент надежности γf	Расчетная нагрузка кН/м2
А. Постоянные:
1. Линолиум δ=5мм, ρ=5 кН/м3	5·0,005=0,025	1,3	0,0325
2. Цементная стяжка δ=30мм, ρ=18 кН/м3	18·0,03=0,36	1,2	0,468
3 Кирпичные перегородки δ=120мм, ρ=18 кН/м3, H=3300мм	18·0,12·3,3/4= =1,782	1,2	2,138
3. Ж/б плита перекрытия а) сборная δ=105мм, ρ=25кН/м3 б) монолитная δ=200мм, ρ=25кН/м3	2,625 5,000	1,1 1,1	2,888 5,500
Итого а) для сборного варианта б) для монолитного варианта	4,792 7,167	1,153 1,135	5,526 8,138
Таблица 1 - продолжение
Б. Временные
Полезная (п. 3[1]) в том числе: - длительная - кратковременная	1,5 1,2 0,3	1,3	1,95 1,56 0,39
Всего а) для сборного варианта б) для монолитного варианта	6,292 8,667	1,188 1,164	7,476 10,088

Все расчётные нагрузки были сгруппированы в три загружения:

Загружение 1 – постоянная нагрузка (собственный вес конструкций и элементов плиты перекрытия);

Загружение 2 – временная длительная (часть полезной на перекрытие, v_l=1,56 кН/м²);

Загружение 3 – временная кратковременная (часть полезной на перекрытие, v_l=0,39 кН/м²).

Расчетные сочетания усилий были сгенерированы в «Таблицы РСУ» в ПК Лира.

  3. Формирование расчётной схемы

На рисунке 3 представлена расчётная схема плиты перекрытия для обоих вариантов: в двух взаимно перпендикулярных сечениях она представляет собой балку шириной 1п.м., лежащую на опорах. В качестве опор выступают колонны, которые заменены вертикальными связями и в расчётах не учитываются. Поскольку рассматривается только фрагмент перекрытия, то действие отброшенной части плиты перекрытия заменяется шарнирной связью, установленной в точке нулевого момента – примерно на расстоянии ¼ длины пролёта от колонны.

Для сборного варианта учтено, что ригели укладываются по вертикали по оси «5» и «6», а сборные круглопустотные плиты в перпендикулярном направлении – по четыре плиты в пролёте (1,8м·4=7,2м).

Рисунок 3. Расчётная схема фрагмента плиты перекрытия: постоянная нагрузка а – для сборного варианта, б – для монолитного

Конечно-элементная модель фрагмента перекрытия (рис.4) собрана путем интерактивного ввода параметров несущих конструкций. Пространственная система состоит из пластин соответствующей толщины (см.рис.2) – плит перекрытия – и стержней – ригелей. Размер конечного элемента пластин принят 0,4м в продольном направлении (вдоль цифровых осей) и 0,6м в поперечном направлении (вдоль буквенных осей).

а)

б)

Рисунок 4. Модель фрагмента плиты перекрытия в программном комплексе «Лира 9.4»: а) сборный вариант; б) монолитный вариант

  4. Результаты статического расчёта здания

Для удобства анализа НДС конструкции перекрытия пронумеруем конечные элементы его модели – см. рис. 5 и 6.

а) б)

Рисунок 5. Нумерация конечных элементов фрагмента плиты перекрытия: а) по сборному варианту; б) по монолитному варианту

Рисунок 6. Нумерация конечных элементов ригелей по сборному варианту: слева – среднего ригеля по сои «5», справа – пристенного ригеля по оси «6»

Приведём ниже схему деформирования плиты перекрытия и определим максимальный прогиб для каждого из вариантов.

а)

б)

Рисунок 7. Схема деформирования фрагмента плиты перекрытия с нанесением изополей вертикальных перемещений при действии нагрузок Загружения-1 а) сборный вариант; б) монолитный вариант

Наибольший прогиб для сборного варианта плиты перекрытия наблюдается в конечном элементе №171.

Суммарное вертикальное перемещение от всех трёх Загружений равно: f=16,40+2,99+0,75=20,14мм, что меньше предельно допустимого прогиба [f]=1/200·L=6400/200=32мм.

Наибольший прогиб для монолитного варианта плиты перекрытия наблюдается в конечном элементе №486.

Суммарное вертикальное перемещение от всех трёх Загружений равно: f=17,00+1,94+0,48=19,42мм, что меньше предельно допустимого прогиба [f]=1/200·L=6400/200=32мм.

Вывод: жесткость фрагмента плиты перекрытия по обоим вариантам – сборному и монолитному – обеспечена.

Теперь до подбора арматуры в элементах определим усилия. Анализ усилий даст возможность определить опасные сечения.

а)

б)

в)

г)

Рисунок 8. Изополя изгибающих моментов в плите перекрытия (кН·м/п.м.): а) M_x для сборного варианта; б) M_y для сборного варианта; в) M_x для монолитного варианта; г) M_y для монолитного варианта

Удобно изополя анализировать, разделив ячейку перекрытия на полосы шириной 1м: две пролётные, проходящие по центру, и четыре надколонные. С учётом этого выпишем значения изгибающих моментов в наиболее нагруженных конечных элементах плиты перекрытия и сведём значения в таблицу:

Таблица 2 – Значения максимальных изгибающих моментов в опасных сечениях фрагмента плиты перекрытия

Поз.	№ элемента	Загружение-1		Загружение-2		Загружение-3		Σ
		Mx, кН·м	My, кН·м	Mx, кН·м	My, кН·м	Mx, кН·м	My, кН·м	Mx, кН·м	My, кН·м
1	181	16,66	-	3,08	-	0,77	-	20,51	-
2	297	29,33		5,38		1,34
3	186	-	5,47	-	0,98	-	0,25	-	6,7
4	297	-	9,46	-	1,66	-	0,42	-	11,54
5	481	47,24	-	5,40	-	1,35	-	53,58	-
6	372	118,95	-	13,61	-	3,40	-	135,67	-
7	591	-	55,87	-	6,39	-	1,60	-	63,86
8	372	-	123,44	-	14,12	-	3,53	-	141,09

Пояснения к таблице 2. Поз. 1÷4 относятся к сборному варианту перекрытия, а поз. 5÷8 – к монолитному. Причём:

Поз. 1, 4 – соответствует конечному элементу, в котором возникает максимальный M_x в пролёте; Поз. 2, 6 – соответствует конечному элементу, в котором возникает максимальный M_x на какой-либо из опор; Поз. 3, 5 – соответствует конечному элементу, в котором возникает максимальный M_y в пролёте; Поз. 4, 8 – соответствует конечному элементу, в котором возникает максимальный M_y на какой-либо из опор.

Черточка в таблице означает, что данная величина для рассматриваемого конечного элемента не определялась, так как её значение для всей совокупности конечных элементов, принадлежащих какой-либо пролётной или надколонной полосы, не является максимальным.

Вывод:

- наиболее нагруженный пролётный участок для сборного варианта плиты перекрытия расположен в по оси «А» (между осями «5» и «6»), а наиболее нагруженная опора расположена по сои 6/А';

- наиболее нагруженный пролётный участок для монолитного варианта плиты перекрытия расположен в по оси «6» (между осями «А» и «Б»), а наиболее нагруженная опора расположена по сои 5/А'.

Теперь приведем значение усилий в сборных ригелях по первому варианту и также выполним их анализ.

а)

б)

Рисунок 8. Эпюры а) изгибающих моментов и б) перезывающих сил в сборных ригелях плиты перекрытия при действии постоянных нагрузок Загружения-1

Видно, что наиболее нагруженный является средний ригель, расположенный по сои «5». Выпишем для него таблицу РСУ.

Таблица 3 – РСУ для среднего ригеля сборного варианта перекрытия, расположенного по оси «6»

№ элем	№ сечен	Mk (кН*м)	My (кН*м)	Qz (кН)	№№ загруж
616	1	-66.078	-227.718	194.403	1 2 3
616	2	-66.078	-111.973	191.413	1 2 3
617	1	-48.691	-113.039	140.117	1 2 3
617	2	-48.691	-29.865	137.127	1 2 3
618	1	-35.291	-29.843	103.223	1 2 3
618	2	-35.291	31.193	100.233	1 2 3
618	2	-34.347	30.434	97.772	1 2
619	1	-23.943	31.236	72.336	1 2 3
619	1	-23.301	30.475	70.622	1 2
619	2	-23.943	73.741	69.346	1 2 3
619	2	-19.638	61.730	57.841	1
619	2	-23.301	71.952	67.633	1 2
620	1	-13.698	73.755	43.214	1 2 3
620	2	-13.698	98.786	40.224	1 2 3
621	1	-4.056	98.792	14.827	1 2 3
621	1	-3.326	82.713	12.664	1
621	2	-4.056	106.792	11.837	1 2 3
622	1	5.359	106.793	-13.327	1 2 3
622	2	5.359	97.899	-16.317	1 2 3
623	1	14.884	97.896	-41.588	1 2 3
623	1	12.204	81.965	-34.587	1
623	2	14.884	72.046	-44.578	1 2 3
623	2	12.204	60.315	-37.577	1
624	1	24.855	72.036	-70.350	1 2 3
624	1	24.189	70.289	-68.611	1 2
624	2	24.855	28.929	-73.339	1 2 3
624	2	24.189	28.226	-71.601	1 2
625	1	35.643	28.906	-100.314	1 2 3
625	1	34.690	28.203	-97.850	1 2
625	2	35.643	-32.179	-103.303	1 2 3
626	1	47.797	-32.222	-133.423	1 2 3
626	2	47.797	-113.173	-136.413	1 2 3
627	1	63.217	-112.934	-176.016	1 2 3
627	2	63.217	-219.440	-179.006	1 2 3
628	1	-34.260	-71.642	73.243	1 2 3
628	2	-34.260	-28.594	70.253	1 2 3
629	1	-18.568	-28.418	43.064	1 2 3
629	2	-18.568	-3.476	40.074	1 2 3
630	1	-5.718	-3.142	9.283	1 2 3
630	2	-5.718	1.530	6.293	1 2 3

Вывод: наиболее нагруженным является средний ригель, расположенный по оси «6».

Теперь выполним подбор армирования в элементах плиты перекрытия по обоим вариантам. Для сборного достаточно принять типовые круглопустотные плиты шириной 1800мм и тавровые ригели высотой сечения 450мм. Для этих элементов также выпишем расход материалов.

Принимаем следующие ригели:

- для среднего ригеля с опиранием плит на обе полки принимаем марку РДП 6.68 – 80 А800 с расходом бетона 1,12м³ и напрягаемой арматуры – 81,93 кг

- для пристенного ригеля с опиранием плит на одно полку принимаем марку РОП 6.68 – 80 А800 с расходом бетона 1,01м³ и напрягаемой арматуры – 81,93 кг

Принимаем многопустотную плиту перекрытия марки ПК 68.18-10 А800 с расходом бетона 1,28м³ и напрягаемой арматуры – 42 кг

Общий расход бетона на ячейку перекрытия составляет:

- тяжёлого бетона класса В30: 7,25 м³;

- напрягаемой арматуры класса А800: 338,86 кг.

Теперь подберём арматуру в плите перекрытия средствами ПК Лира в подпрограмме Лир-Арм.

а)

б)

в)

г)

Рисунок 9. Армирование плиты перекрытия первого этажа

Согласно расчётам плиту армируем симметрично - верхней и нижней сплошной сеткой с шагом ячейки 200 мм из арматурными стержней Ø18мм. Дополнительно укладываем верхние сетки над колоннами с шагом ячейки 200 мм из арматурных стержней Ø16мм.

Рассчитаем расход материалов на плиту перекрытия в монолитном варианте исполнения:

- расход тяжёлого бетона класса В20 составляет 9,216м³;

- расход арматуры класса А400 627 кг.

ВЫВОДЫ

Проведён анализ НДС фрагмента плиты перекрытия первого этажа Детского сада для двух вариантов: сборного по серии 1.020-1/87 и монолитного с плоским безбалочным перекрытием.

Расчёты показывают, что первый вариант по расходу стали и бетона является более экономичным:

Общий расход бетона на ячейку перекрытия составляет:

а) по сборному варианту

- тяжёлого бетона класса В30: 7,25 м³;

- напрягаемой арматуры класса А800: 338,86 кг.

Б) по монолитному варианту

- расход тяжёлого бетона класса В20 составляет 9,216м³;

- расход арматуры класса А400 627 кг.

Литература

1. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», Госстрой России. - М:ГУП ЦПП 2002 г.-44с.

2. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции/ Госсторойиздат СССР - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989 г.

3. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП 52-101-2003). ЦНИИПромзданий, НИИЖБ.- М.: ОАО «ЦНИИПромзданий, 2005. – 214 с.