Железобетонные конструкции
Краткая характеристика здания
[Торговый пассаж в г. Иркутске]. Колонны выполнены из бетона В25 сечением 400x400 мм, ригели − из бетона В25 сечением 400x600, плиты покрытия и перекрытия – монолитные железобетонные из бетона В25 толщиной 180 мм. Узлы сопряжения база-колонна и колонна-ригель – жесткие.
Геометрия и топология расчетной схемы
Принятый метод расчета – метод перемещений, реализованный в конечных элементах. Расчеты выполнены в проектно-вычислительном комплексе SCAD. В качестве принципа формирования модели была принята пространственная модель.
Модели РСМ и РДМ приняты одинаковыми, для сравнения в четырех вариантах:
§ проектное решение с учетом стенового заполнения каркаса;
§ проектное решение − классическая модель;
§ оптимизация конструктивного решения путем введения диафрагм жесткости
§ надстройка мансардного этажа.
Виды конечных элементов, принятых при моделировании здания:
§ Стержневые элементы тип 5 (пространственный стержень) – колонны и ригели
§ Пластинчатые элементы тип 44 (4-х угольный КЭ оболочки) – плиты покрытия и перекрытия, диафрагмы жесткости.
Геометрические характеристики конечных элементов и характеристики материалов см. табл. 1.
Таблица 2.2.1
| Элемент | Сечение | Класс бетона |
| Колонны | 400×400 | В25 |
| Продольные ригели | 400×600 | В25 |
| Поперечные ригели | 400×600 | В25 |
| Плиты покрытия и перекрытия | d=180 | В25 |
| Диафрагмы жесткости | d=160 | В25 |
Загружения и нагрузки
Нагрузки определены в соответствии с СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». Сейсмичесие нагрузки определены в автоматическом режиме в соответствии с СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах» с коэффициентами на 01.01.2000г.
· Постоянные – определены с учетом конструктивных элементов здания в автоматическом режиме по заданной геометрии и весу материалов, с последующим введением коэффициентов gn и gf. Также были учтены нагрузки от элементов, не вошедших в расчетную схему (вес стенового заполнения, полов и кровли)
· Временные длительнодействующие – на перекрытия: полная полезная нагрузка – 4 кПа, длительная составляющая от полезной – 1.4 кПа. Расчетная нагрузка на перекрытия:
· Временные кратковременные – снеговая и ветровая нагрузка определены в программе ВЕСТ по СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» в зависимости от района строительства: III снеговой район, II ветровой район. Расчетная снеговая нагрузка равномерно распределенная по площади составляет 
. Ветровая нагрузка определена по СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», принята как равномерно распределенная по ригелям каркаса, см. табл.2.
Таблица 2.3.1
| Уровень перекрытия | Наветренная сторона | Подветренная сторона |
| Перекрытие на отм. 6.000 | 0,16 | 0,13 |
| Перекрытие на отм. 12.000 | 0,21 | 0,17 |
| Покрытие на отм. 18.000 | 0,14 | 0,10 |
· Сейсмическая нагрузка. SCAD позволяет задавать сейсмическую нагрузку в автоматическом режиме, и производит расчет в соответствии с СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах» с коэффициентами на 01.01.2000г. Данные для расчета: число учитываемых форм колебаний – 5, II категория грунтов по сейсмическим свойствам, сейсмичность площадки – 8 баллов. В расчете сейсмическая нагрузка учтена в двух направлениях: по основным осям в глобальной системе координат (по оси X (продольное направление) и по оси Y (в поперечном направлении))
РСУ и комбинации
· Расчетные сочетания усилий и комбинации загружений определены в соответствии со СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» и СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах». Загружения и их вид см. табл. 3.
Таблица 2.4.1
| Номер загружения | Вид загружения | Объеди- нение времен. нагру- зок | Знако- перемен. нагруз- ки | Взаимо- исключающ. нагруз- ки | Коэф. надеж- ности по нагруз- ке | Коэф. пониже- ния норматив. значе- ния |
| Постоянные | Постоянное | 1.1 | 1.0 | |||
| Временная на 6,000 | Кратковременное | 1.2 | 0.5 | |||
| Временная на 12,000 | Кратковременное | 1.2 | 0.5 | |||
| Временная на 18,000 | Кратковременное | 1.2 | 0.5 | |||
| Снеговая | Кратковременное | 1.4 | 0.5 | |||
| Ветер сзади | Малой длительности | 1.4 | 0.0 | |||
| Ветер спереди | Малой длительности | 1.4 | 0.0 | |||
| Ветер справа | Малой длительности | 1.4 | 0.0 | |||
| Ветер слева | Малой длительности | 1.4 | 0.0 | |||
| Сейсмика по X | Сейсмическое | 1.0 | 0.0 | |||
| Сейсмика по Y | Сейсмическое | 1.0 | 0.0 |
В таблице РСУ учитываются основные и особое (сейсмическое) сочетание. Выбор РСУ – в автоматическом режиме.
· Комбинации загружений не учитываются в дальнейших расчетах, и вводятся для оценки общего характера поведения здания (эпюры M, Q, N, деформации). Учтены второе основное и особые сейсмические сочетания.
Варианты расчетной модели
1. Каркасное здание с учетом стенового заполнения
2. Каркасное здание без диафрагм и связей
3. Каркасное здание с диафрагмами жесткости (расположение диафрагм см. рис. 3), воспринимающими не только горизонтальные (сейсмические), но и вертикальные нагрузки.
4. по 3, с учетом надстройки мансардного этажа (рис. 4).
Рисунок 2. Общий вид расчетной схемы
Рисунок 3. Расположение диафрагм жесткости
(вставить рисунок с мансардным этажом)
Рисунок 4. Расположение диафрагм жесткости
3. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЯ
Основные сочетания
Эпюра Мизг для самой нагруженной поперечной рамы (в осях 4-4) на основное сочетание:
 |  |
| Каркасное без диафрагм и связей | Каркасное с диафрагмами жесткости |
Эпюра Мизг для самой нагруженной продольной рамы (в осях Б-Б) на основное сочетание:
 |  |
| Каркасное без диафрагм и связей | Каркасное с диафрагмами жесткости |
Особые сочетания
Эпюра Мизг для самой нагруженной поперечной рамы (в осях 4-4) на особое сочетание:
 |  |
| Каркасное без диафрагм и связей | Каркасное с диафрагмами жесткости |
Эпюра Мизг для самой нагруженной поперечной рамы (в осях Б-Б) на особое сочетание:
 |  |
| Каркасное без диафрагм и связей | Каркасное с диафрагмами жесткости |
Периоды колебаний для сейсмических загружений (10 – по оси X, 11 – по оси Y) определены по 5 формам собственных колебаний, см. табл. 4.
Таблица 4
| Загр. | Форма колеб. | Периоды | |
| Без диафрагм и связей | С диафрагмами жесткости | ||
| 1.086 | 0.205 | ||
| 1.064 | 0.182 | ||
| 0.971 | 0.152 | ||
| 0.357 | 0.081 | ||
| 0.352 | 0.080 | ||
| 0.515 | 0.087 | ||
| 0.506 | 0.079 | ||
| 0.422 | 0.058 | ||
| 0.169 | 0.054 | ||
| 0.167 | 0.052 |
Самые загруженные элементы схемы приведены в табл. 5.
Таблица 5
| Элемент | Схема без диафрагм и связей | Схема с диафрагмами жесткости |
| Колонна | Г5, на отм. 0.000 | Б2, В2, Б4, В4 на отм. 0.000 |
| Поперечный ригель | А-Б2, на отм. 6.000 | А-Б2 А-Б4, В-Г2, В-Г4 на отм. 6.000 (и 18.000) |
| Продольный ригель | А,Б,В,Г 1-2, 4-5, на отм. 6.000 | А4-5, Г4-5 на отм. 6.000 |
Максимальное смещение при особом сочетении нагрузок в уровне покрытия для схемы без диафрагм и связей – 52,5 мм, для схемы с диафрагмами жесткости – 4,5 мм.
4. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ НЕСУЩЕГО ОСТОВА
Железобетонные конструкции
Расчет схемы произведен по методу конечных элементов, подбор арматуры произведен по нормам СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции», реализованных в SCAD’е (таблица 4).
Колонны. Армирование колонн – пространственными каркасами, продольная (рабочая) арматура класса AIII (А400) ГОСТ 5781-82*, поперечная арматура – АI (А240) ГОСТ 5781-82*. Толщина защитного слоя 4.5см, случайный эксцентриситет принят 1/30 длины элемента.
Ригели. Армирование – плоскими каркасами, объединенными в пространственные с помощью поперечных стержней. Продольная (рабочая) арматура класса AIII (А400) ГОСТ 5781-82*, поперечная арматура – АI (А240) ГОСТ 5781-82*. Толщина защитного слоя 4.5см, случайный эксцентриситет принят 1/30 длины элемента. В связи с практически одинаковой работой элемента в схемах с диафрагмами и без них, целесообразно рассмотреть различные типы закрепления элементов.
Диафрагмы. Армирование – плоскими сетками из арматуры АI (А240) ГОСТ 5781-82*. Толщина защитного слоя 1.5см.
Таблица 4.1.1
| Вид конструкции и характеристики армирования | Значения по вариантам модели | |||
| схема 1а* | схема 1б | схема 2 | схема 3 | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1. Колонны каркаса сечением b×h=40×40 см | ||||
| – общее содержание продольной арматуры, % | 1.2 | 2.3 | 1.4 | 1.5 |
| – конструкция продольной арматуры | 4ø25 | 4ø36 | 4ø28 | 4ø28 |
| – поперечная арматура, см² | 0.2 | 0.6 | 0.5 | 0.5 |
| – поперечная арматура, диаметр-шаг | 2ø6-200 | 2ø10-200 | 2ø8-200 | 2ø8-200 |
| 2. Ригели каркаса сечением b×h=40×60 см | ||||
| – продольная нижняя арматура As1, см² | 8.6 | 12.2 | 10.2 | 10.8 |
| – конструкция нижней продольной арматуры | 2ø25 | 2ø28 | 2ø28 | 2ø28 |
| – продольная верхняя арматура As2, см² | 5.4 | 7.3 | 6.2 | |
| – конструкция верхней продольной арматуры | 2ø20 | 2ø22 | 2ø20 | 2ø20 |
| – продольная боковой арматура As3 и As4, см² | 0.6 | 1.2 | 1.1 | 1.1 |
| – конструкция боковой продольной арматуры | 1ø10 | 1ø14 | 1ø12 | 1ø12 |
| – поперечная арматура, см² | 0.6 | 1.2 | 0.9 | 0.9 |
| – поперечная арматура, диаметр-шаг | 2ø10-200 | 2ø10-100 | 2ø8-100 | 2ø8-100 |
| 3. Монолитные плиты перекрытия толщиной 180 мм | ||||
| – нижняя сетка С1, стержни вдоль буквенных осей, диаметр-шаг | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 |
| – нижняя сетка С1, стержни вдоль цифровых осей, диаметр-шаг | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 |
| – верхняя сетка С2, стержни вдоль буквенных осей, диаметр-шаг | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 |
| – верхняя сетка С2, стержни вдоль цифровых осей, диаметр-шаг | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 |
| 4. Диафрагмы жесткости толщиной 160 мм | ||||
| – горизонтальные стержни, диаметр-шаг | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 |
| – вертикальные стержни, диаметр-шаг | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 | ø10-200 |
| Примечания: | ||||
| схема 1а* - здание по проекту с учетом кирпичных стен (заполнение каркаса) | ||||
| схема 1б - здание по проекту без учета кирпичных стен (заполнение каркаса) | ||||
| схема 2 - оптимизированное решение с диафрагмами жесткости | ||||
| схема 3 - оптимизированное решение с надстройкой мансардного этажа | ||||
| желтые ячейки - информационные | ||||
| зеленые ячейки - параметры армирования из SCAD | ||||
| красные ячейки - автоматизированный расчет |
Изополя армирования диафрагмы в осях А-Г/5
Изополя армирования внутренних диафрагм жесткости по оси Б
4.2. Стальные конструкции
Поверочные расчеты конструкций стального каркаса мансарды выполнены согласно СНиП II-23-81* "Стальные конструкции" из условия обеспечения прочности и устойчивости как при основных сочетаниях нагрузок, так и при особых.
Результаты расчета подтвердили, что принятые унифицированные сечения всех элементов стального каркаса удовлетворяют требованиям норм с запасом различной степени (табл. 5).
Таблица 5
| Расчетный элемент | Сечение | Коэффициент использования стальных элементов по критическому фактору | Минимальное сечение |
| Металлические конструкции мансарды | |||
| – стойки мансарды | 320×180×10 | 0,66 | 300×200×8 |
| – нижний пояс фермы | 180×100×8 | 0,16 | 100×60×5 |
| – верхний пояс фермы | 180×100×8 | 0,16 | 100×60×5 |
| – раскосы фермы | □300×12 | 0,46 | □200×13 |
| – стойки фермы | □300×12 | 0,77 | □250×8 |
| – связи по покрытию | □300×12 | 0,77 | □250×8 |
| – связи каркаса | □300×12 | 0,77 | □250×8 |
Таким образом, сечения конструкций мансардного этажа близки к оптимальным и позволяют обеспечить требуемый уровень жесткости и сейсмостойкости как мансардного этажа, так и всего здания в целом.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные расчеты показали, что заданная конструктивная схема актуальна для сейсмических районов только с диафрагмами жесткости. Расчетное армирование всех элементов несущего остова находится в пределах допускаемых и близко к оптимальным. Надстройка мансардного этажа не является критичной и возможна без усиления несущих конструкций здания.