Расчет и конструирование основных несущих конструкций для здания АБК футбольно-тренировочной площадки

Содержание
Реферат	3
Введение	4
1.	Основные сведения о проектируемом здании	6
1.1.	Характеристика района строительства	6
1.2.	Объемно- планировочные решения	6
1.3.	Характеристика вариантов каркасов	7
1.4.	Конструктивные решения	9
2.	Расчет и конструирование элементов вариантов каркаса	10
2.1.	Сбор нагрузок	10
2.2.	Моделирование вариантов каркасов здания	18
2.3.	Результаты определения внутренних усилий элементов каркаса	19
2.3.1.	Металлический каркас со сборными железобетонными плитами	20
2.3.2.	Монолитный железобетонный каркас	23
3.	Анализ результатов и выбор рационального варианта каркаса	31
4.	Проектирование фундаментов	33
4.1.	Сведения о топографических, инженерно-геологических, гидрогеологических условиях земельного участка, предоставленного для размещения объекта строительства	33
4.2.	Сведения о прочностных и деформационных характеристиках грунта в основании объекта строительства	34
4.3.	Расчет фундаментов	38
4.3.1.	Расчет и проектирование фундамента столбчатого фундамента	40
4.3.2.	Свайный фундамент Рм-4	46
Заключение	53
Библиографический список	54
Приложение А. Конструктивный расчет балок металлического каркаса	55
Приложение Б. Конструктивный расчет колонны металлического каркаса	58
Приложение В. Конструктивный расчет колонны монолитного каркаса	62
Приложение Г. Конструктивный расчет плиты покрытия монолитного каркаса	69
Приложение Д.  Узел сопряжения главной и второстепенной балок	78
Приложение Е. Расчет опорного столика колонны	80



Реферат
      Тема работы: 
      Проектирование одноэтажного здания АБК для футбольно-тренировочной площадки в городе Екатеринбург.
      Цель работы:
      Расчет и конструирование основных несущих конструкций для здания АБК футбольно-тренировочной площадки.
      Ключевые слова:
      Лира-САПР, AutoCAD, Miсrosoft Word, фундамент, стальной каркас, монолитный каркас.
      Требования к компьютеру:
 Процессор – IntelCeleron и выше.
 Операционная система – Windows 7 и выше, Mac OS.
 Тип системы – 32 или 64 разрядная операционная система.
 Оперативная память – 512 Mb и более.

      Страниц: 80.
      Иллюстраций: 35.
      Библиография: 9.

      В результате выполненной работы было смоделировано два вида каркаса здания АБК для футбольно-тренировочной площадки. Построены расчетные схемы с заданными нагрузками, осуществлен расчет конструкций, выполнен автоматизированный подбор арматуры, подобран рационально выгодный вариант конструкций, проведены проверки.

Введение
      Летом 2018 года пройдет одно их самых грандиозных спортивных событий - 21-й чемпионат мира по футболу FIFA, который пройдет в нашей стране. Россия в первый раз в своей истории станет страной-хозяйкой крупнейшего футбольного турнира среди национальных команд. Проведение чемпионата запланировано на 12 стадионах в 11 городах России. Одним из таких городов является Екатеринбург. 
      В связи с этим событием, чтобы обеспечить команды тренировочными местами, в городе Екатеринбург предусмотрено строительство трех футбольно-тренировочных площадок. Одна из таких площадок рассматривается в данной работе. 
      После проведения чемпионата мира во футболу, площадка будет переделана для занятий спортом и физической культурой детей и молодежи.
      Предметом проекта является выбор наиболее выгодного и безопасного варианта каркаса здания АБК для футбольно-тренировочной площадки. В работе предусмотрены два типа каркаса: стальной каркас со сборными железобетонными плитами и монолитный железобетонный каркас. Критериями оценки выгодности являлись эффективность работы материалов и конструкций при их наименьшей стоимости.
      Цель работы:
      Расчет и конструирование основных несущих конструкций здания АБК для футбольно-тренировочной площадки.
      Задачи работы:
 Разработка возможных вариантов решения каркаса здания и создание расчетных моделей.
 Расчет элементов несущих конструкций каждого из вариантов каркаса.
 Сравнительный анализ результатов и выбор рационального варианта каркаса.
 Проектирование фундаментов и разработка чертежей для выбранного варианта каркаса.
 Проверки, заключение и выводы.
Программные комплексы, используемые в работе
      Для создания расчетной модели использовался программный комплекс (ПК) Лира-САПР. Чертежи выполнялись в ПО Autodesk AutoCAD. Пояснительная записка оформлена в Microsoft Word.
      Autodesk AutoCAD – программное обеспечение производителя Autodesk. Является системой автоматизированного проектирования для разработки чертежей, двухмерных и трехмерных графических материалов.
      Лира-САПР – многофункциональный программный комплекс для проектирования и расчета строительных и машиностроительных конструкций различного назначения. Реализованный метод расчета - метод конечных элементов (МКЭ). Выполняется расчет на статические (силовые и деформационные) и динамические воздействия.
      

 Основные сведения о проектируемом здании
  Характеристика района строительства
 Район строительства – г. Екатеринбург, Свердловская область.
 Климатические условия для г. Екатеринбург:
 Климатический район строительства – І В.
 Климат района строительства – резко-континентальный.
 Расчетные температуры наружного воздуха:
 зимой - минус 320С;
 летом - плюс 270С.
 Вес снегового покрова по III снеговому району – 1,8 кПа.
 Скоростной напор ветра по I ветровому району (тип местности–В) – 0,23 кПа.
 Нормативная глубина сезонного промерзания – 1,72 м…2,55 м.
 Здание отапливаемое. Степень агрессивного воздействия среды на металлоконструкции - неагрессивная.
 Уровень ответственности здания - II (коэффициент надёжности ?_n=1.0).
  Объемно- планировочные решения
      Проектируемое в рамках реконструкции тренировочной площадки муниципального автономного учреждения «Спортивный комбинат «Урал» здание АБК является одноэтажным объемом, размерами 11,49х132 м. Покрытие здания является совмещенным и эксплуатируемым (в зоне расположения будки комментатора). 
      Кровля – плоская с наружным организованным водостоком. 
      Здание АБК проектируется для обеспечения тренировочной площадки для футбольных команд на время проведения игр чемпионата мира по футболу. В соответствии с заданием на проектирование здание АБК имеет в своем составе раздевальные для футболистов, конференц-зал для представителей прессы, кабинет первой медицинской помощи, инвентарную для тренировочного оборудования, помещение для хранения техники, а также ряд помещений для персонала и технических помещений. Здание обеспечено обособленными входными группами для игроков, представителей прессы, а также входом в санузлы для зрителей
      Помещения здания АБК проектируются с учетом их дальнейшего использования в ином качестве: 
 раздевальные помещения предлагается разделить на 2 части и получить 4 раздевалки для спортсменов;
 конференц-зал предлагается использовать для совещаний, презентаций, семинаров, спортивного зала для игры в настольный теннис, места проведения турниров по настольным играм.
      Основой объемно-пространственных и архитектурно - художественных решений проектируемого здания АБК являются: функциональное назначение объекта, конфигурация отведённого участка застройки в плане, расположение участка в окружающей застройке, соблюдение требований экологических, санитарно-гигиенических, противопожарных и других норм, действующих на территории Российской Федерации. Все принятые объемно - пространственные и архитектурно - художественные решения соответствуют предельным параметрам разрешенного строительства объекта капитального строительства. Проект разработан в соответствии с градостроительным планом земельного участка, документами об использовании земельного участка для строительства, техническими регламентами, в том числе устанавливающими требования по обеспечению безопасной эксплуатации зданий, строений, сооружений и безопасного использования прилегающих к ним территорий, и с соблюдением технических условий.
      Здание АБК размещено на отведенной территории в соответствии с соблюдением нормируемых показателей естественного, искусственного и совмещенного освещения помещений и помещений в окружающей застройке в соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 "Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий".
 Характеристика вариантов каркасов
      Варианты каркасов:
 Стальные колонны и ригели и железобетонные плиты покрытия.
 Монолитный каркас.
      Стальной каркас одноэтажного здания с рамной системой состоит из жестко соединенных колонн и ригелей, образующих плоские и пространственные рамы, объединенные перекрытиями (образуется пространственно геометрически неизменяемая система).
      Поперечные рамы, состоящие из связанных между собой колонной и ригелем, являются основными несущими конструкциями здания, воспринимающими вертикальные и горизонтальные нагрузки. Колонны каркаса жестко соединены с фундаментами.
      Пространственная работа каркаса обеспечивается вертикальными связями между колоннами, жестким диском покрытия.
      Монолитный каркас одноэтажного здания представляет собой пространственную конструкцию из железобетонных колонн квадратного сечения, образующих систему вертикальных несущих элементов, жестко защемленных с безригельными монолитными плитами и фундаментом.
      Монолитный каркас имеет структуру без стыков и швов, которая обеспечивает зданию дополнительную прочность и надежность.
Таблица 1. «Особенности вариантов каркасов»
Стальной каркас
Монолитный каркас
Преимущества
- простота установки. Монтаж стального каркаса не требует огромных трудовых ресурсов на строительных площадках. Более быстрый график строительства также снижает трудозатраты;
- транспортировка и доставка. Металлоконструкции легкие и компактные, поэтому их перевозка будет дешевой;
- зимнее строительство. Технология возведения здания из металлоконструкций зимой совершенно не меняется в сравнении с летним периодом.
- огнестойкость. Ж/б конструкции применяются для зданий первой степени огнестойкости;
- устойчивость к коррозии. Бетон практически не подвержен воздействию влажной среды;
- можно создавать любые формы готового изделия, создавая уникальный дизайн здания.

Недостатки
- подверженность коррозии. Сталь подвержена воздействию влажной среды, необходима дополнительная защита от коррозии; 
- низкая огнестойкость. Стальные конструкции не горят, но пожар их сильно деформирует.

- зависимость строительного цикла от температуры. Минимальная допустимая температура воздуха при условии монолитного строительства +5 градусов, при понижении температуры следует использовать присадки или подогрев бетонной смеси, либо использовать добавки, снижающие температуру схватывания бетонной смеси;
- при возведении монолитного здания требуется много строительных материалов и техники: бетононасосы, миксеры, станции, арматура, опалубка, инструмент.
  Конструктивные решения 
Надземная часть
      Колонны монолитного каркаса - монолитные железобетонные сечением 400х400.
Колонны металлического каркаса - двутавр широкополочный, сечение по расчету.
      Покрытие монолитного каркаса – монолитное железобетонное без капителей толщиной ?=220 мм, бетон В25 F75.
      Покрытие металлического каркаса – сборные железобетонные плиты.
      Балки покрытия – монолитные железобетонные, стальные прокатные и сварные.
      Наружные стены – стены из твинблоков ТБ400 В5, D600 на растворе М25 и утеплением минераловатными плитами.
      Перемычки – стальные из прокатных профилей и газозолобетонные производства завода «Бетфор».
Подземная часть
      Фундаменты запроектированы монолитные столбчатые из бетона В25 W6 F150 и из монолитных железобетонных висячих буронабивных свай диаметром 500 м, длиной 6 м и 8 м объединенных монолитным ростверком, бетон В25 W6 F150. Узел сопряжения свай и ростверка жесткий. Армирование монолитных железобетонных элементов фундаментов предусмотрено арматурой классов А240, А400.
      Стены цоколя – ниже уровня земли блоки ФБС толщиной 500мм по монолитным фундаментным балкам.
      Армирование монолитных железобетонных элементов предусмотрено арматурой классов А240, А400. 

 

 Расчет и конструирование элементов вариантов каркаса
 Сбор нагрузок
Таблица 2. «Покрытие по осям 1-9, состав К1»
Вид нагрузки
Нормативное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Коэффициент надежности по нагрузке ?_f
Расчетное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Постоянная нагрузка
Состав покрытия К1:
Верхний слой гидроизоляции Техноэласт ЭКП ?=4.2 мм, ?=520 кг/м^3
0.02
1.3
0.03
Нижний слой гидроизоляции Техноэласт ЭКП ?=4.0 мм, ?=450 кг/м^3
0.02
1.3
0.03
Стяжка из цементно-песчаного раствора М150, армированная сеткой 4Вр1 с ячейкой 150х150 ?=50 мм, ?=2000 кг/м^3
1.00
1.3
1.30
Утеплитель – минеральная вата ?=150 мм, ?=210 кг/м^3 
0.32
1.3
0.42
Разуклонка из керамзитового гравия ?=290 мм, ?=600 кг/м^3
1.74
1.3
2.26
Пароизоляция Биполь ЭПП – 1 слой ?=25 мм, ?=300 кг/м^3
0.08
1.3
0.10
Ж/б плита ?=220 мм, ?=2500 кг/м^3
5.50
1.1
6.05
Вес инженерного оборудования
0.70
1.05
0.74
Вес подвесного потолка
0.20
1.3
0.26
Итого:
9.58

11.73
Временная нагрузка
Снеговая нагрузка (III снеговой район)
1.16
1.4
1.62
Итого:


1.62


Таблица 3. «Покрытие по осям 1-2 (А-В), состав К4»
Вид нагрузки
Нормативное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Коэффициент надежности по нагрузке ?_f
Расчетное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Постоянная нагрузка
Состав покрытия К4:
Верхний слой гидроизоляции Техноэласт ЭКП ?=4.2 мм, ?=520 кг/м^3
0.02
1.3
0.03
Нижний слой гидроизоляции Техноэласт ЭКП ?=4.0 мм, ?=450 кг/м^3
0.02
1.3
0.03
Стяжка из цементно-песчаного раствора М150, армированная сеткой 4Вр1 с ячейкой 150х150 ?=50 мм, ?=2000 кг/м^3
1.00
1.3
1.30
Разуклонка из керамзитового гравия ?=110 мм, ?=600 кг/м^3
0.66
1.3
0.86
Ж/б плита ?=220 мм, ?=2500 кг/м^3
5.50
1.1
6.05
Вес инженерного оборудования
0.70
1.05
0.74
Вес подвесного потолка
0.20
1.3
0.26
Итого:
8.10

9.27
Временная нагрузка
Снеговая нагрузка (III снеговой район)
1.16
1.4
1.62
Итого:


1.62




Таблица 4. «Наружные ненесущие стены, состав С1»
Вид нагрузки
Нормативное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Коэффициент надежности по нагрузке ?_f
Расчетное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Постоянная нагрузка
Состав стен выше отметки +0.300:
Декоративная штукатурка
?=10 мм, ?=1400кг/м^3 
0.14
1.3
0.182
Утеплитель – минераловатные плиты  ?=100 мм, ?=145 кг/м^3
0.145
1.3
0.19
Кладка из твинблоков  
?=400 мм, ?=800 кг/м^3
3.2
1.1
3.52
Декоративная штукатурка  
?=20 мм, ?=1800 кг/м^3
0.36
1.3
0.468
Итого:
3.845

4.360
Таблица 5. «Стена цоколя, состав С2»
Вид нагрузки
Нормативное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Коэффициент надежности по нагрузке ?_f
Расчетное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Постоянная нагрузка
Керамогранитная плитка на ц/п растворе по металлической сетке
 ?=30 мм
1
1.3
1.3
Утеплитель – экструдированный пенополистирол 
?=100 мм, ?=35 кг/м^3  
0.04
1.3
0.05
Кладка из блоков ФБС                                         ?=500 мм, ?=2500 кг/м^3    
12.5
1.1
13.75
Итого:
13.54

15.1
              


Таблица 6. «Парапет, состав С3»
Вид нагрузки
Нормативное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Коэффициент надежности по нагрузке ?_f
Расчетное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Постоянная нагрузка
Декоративная штукатурка 
?=20 мм, ?=1800 кг/м^3  
0.36
1.3
0.468
Утеплитель – минераловатные плиты ?=100 мм, ?=145 кг/м^3   
0.145
1.3
0.190
Монолитный железобетон 
?=150 мм, ?=2500 кг/м^3    
3.75
1.1
4.125
Декоративная штукатурка
 ?=20 мм, ?=1800 кг/м^3  
0.36
1.3
0.468
Итого:
4.615

5.251
Таблица 7. «Парапет, состав С5»
Вид нагрузки
Нормативное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Коэффициент надежности по нагрузке ?_f
Расчетное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Постоянная нагрузка
Декоративная штукатурка 
?=20 мм, ?=1800 кг/м^3  
0.36
1.3
0.468
Утеплитель – минераловатные плиты ?=100 мм, ?=145 кг/м^3   
0.145
1.3
0.190
Монолитный железобетон 
?=150 мм, ?=2500 кг/м^3    
3.75
1.1
4.125
Итого:
4.255

4.783



Таблица 8. «Полы»
Вид нагрузки
Нормативное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Коэффициент надежности по нагрузке ?_f
Расчетное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Постоянная нагрузка
Керамогранитная плитка 
?=10 мм, ?=2200 кг/м^3  
0.22
1.3
0.286
Прослойка из клеящей мастики с затиркой швов
?=5 мм, ?=1200 кг/м^3  
0.06
1.3
0.078
Утеплитель – экструдированный пенополистирол 
?=65 мм, ?=35 кг/м^3   
0.02
1.3
0.03
Монолитная железобетонная плита ?=150 мм, ?=2500 кг/м^3    
3.75
1.1
4.125
Итого:
4.05

4.519
Таблица 9. «Перегородки»
Вид нагрузки
Нормативное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Коэффициент надежности по нагрузке ?_f
Расчетное значение нагрузки g_n, кН/м^2
Постоянная нагрузка
Керамогранитная плитка 
?=10 мм, ?=2200 кг/м^3  
0.22
1.3
0.286
Прослойка из клеящей мастики с затиркой швов 
?=5 мм, ?=1200 кг/м^3  
0.06
1.3
0.078
Вес каркасных перегородок по серии 1.031.9-2.07 выпуск 2 (высотой 3 м)
1.176
1.2
1.411
Итого:
1.456

1.775


Снеговая нагрузка
      Расчетное значение снеговой нагрузки:
S=S_0??_f
где	S_0 – нормативное значение снеговой нагрузки, определяется по формуле (10.1) [1]
S_0=c_e?c_t???S_g
c_e – коэффициент, учитывающий снос снега с покрытия здания под действием ветра или иных факторов, равный (в соответствии с п.п. 10.5– 10.9[1]) 
c_e=(1,2-0,4??k)?(0,8+0,002?l_c )
      k – коэффициент, равный k=0,52 (по таблице 11.2 [1]);
      l_c=2b-b^2/l – характерный размер покрытия (п. 10.7 [1]);
      b=11.49 м – наименьший размер покрытия в плане;
      l=45.00 м – наибольший размер покрытия в плане;
l_c=2?11.49-?11.49?^2/45=20.05
c_e=(1,2-0.4??0,52)?(0,8+0,002?20.05)=0.77
      c_t=1 – термический коэффициент (п. 10.10 [1]);
?=1 – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке, определяемый в соответствии с п. 10.4 [1];
S_g=1.5  кН/м^2  – нормативное значение веса снегового покрова (г. Екатеринбург относится к 3-му снеговому району), принимаемое по таблице 10.1 [1];
S_0=0.77?1?1?.5=1.16 кН/м^2
      ?_f=1.4 - коэффициент надежности по нагрузке;
S=1.16?1.4=1.62 кН/м^2
Ветровая нагрузка
      Действие ветра на сооружения проявляется в виде нагрузки, величина которой зависит от скорости ветра и его порывистости. Следовательно, ветровая нагрузка содержит две составляющие - статическую и динамическую. Средняя скорость ветра, т.е. статическая составляющая, возрастает с высотой?. Степень ее увеличения зависит от особенностей? земной? поверхности, так как вблизи земли из-за трения ветер затухает. Чем значительнее влияние окружающих объектов (деревьев, складок ландшафта, здании?), тем на большей? высоте скорость ветра достигает максимальное? величины. Вследствие этого в нормах вводится классификация поверхностей? (п. 11.1.6) [1]. При расчете реальная интенсивность ветровой? нагрузки заменяется в соответствии с нормами.
      Нормативное значение основной ветровой нагрузки w следует определять как сумму средней w_m и пульсационной w_p составляющих (п. 11.1.2 [1])
w=w_m+w_p
      Нормативное значение средней составляющей основной ветровой нагрузки w_m в зависимости от эквивалентной высоты z_e=h=5.888 м над поверхностью земли следует определять по формуле  (11.2) [1]
w_m=w_0 k( z_e )c,
где 	w_0 – нормативное значение ветрового давления;
	k( z_e ) – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты z_e;
	c – аэродинамический коэффициент.
      По карте 3 Приложению Ж [1] в зависимости от места строительства (г. Екатеринбург) определяем ветровой район по давлению ветра – I.
      По таблице 11.1 [1] нормативное значение ветрового давления:
w_0=0,23 кПа.
      По таблице 11.2 [1] в зависимости от типа местности (В) и от эквивалентной высоты, определяем коэффициент распределения давления по высоте: k(z_e)=0,527.
      По п. 11.1.7 и Приложению Д [1] определим аэродинамический коэффициент внешнего давления c, который? зависит от формы сооружения и ориентации поверхности по отношению к направлению ветра (наветренная, подветренная сторона, кровля, торцы здания и т.д.). 
      Определяем аэродинамический коэффициент с боковой, наветренной? и подветренной сторон.
      - Для наветренной стороны: с1=0,8;
      - Для подветренной и боковой сторон: с2=-0,5.
      Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки по формуле (11.2) [1]
-для наветренной стороны:
w_m1=w_0·k(z_e )·c_1=0,23·0,527·0,8=0,097 кПа;
- для подветренной и боковой сторон:
w_m2=w_0·k(z_e )·c_2=0,23·0,527·0,5=0,061 кПа.
	Нормативное значение пульсационной составляющей основной ветровой нагрузки w_p на эквивалентной высоте z_e=5.888 м следует определять по формуле (11.5) [1]
w_p=w_m ?(z_e )?,
где	?(z_e ) – коэффициент пульсации давления ветра в зависимости от эквивалентной высоты z_e;
	? – коэффициент пространственной корреляции пульсации давления ветра.
      По таблице 11.4 [1] коэффициент пульсации давления ветра равен
? (z_e=5.888 м)=1,192.
      По п. 11.1.11 [1] коэффициент пространственной корреляции пульсации? давления v следует определять для расчетнои? поверхности сооружения. Эти расчетные поверхности могут быть по-разному ориентированы по отношению к направлению ветра.
      По таблице 11.6 [1]:
Направление ветра перпендикулярно короткой стороне:
?=b=11.49 м; 
 ?=h=5.888 м;
v=0.84.
Направление ветра перпендикулярно длинной стороне:
?=b=33 м;  
?=h=5.888 м;
v=0.75.
      Пульсационная составляющая ветровой нагрузки равна 
Направление ветра перпендикулярно короткой стороне:
- для наветренной стороны:
?w_p1?^1=w_m1·?(z_e )·v=0,097·1,192·0,84=0,097 кПа
- для подветренной и боковой сторон:
?w_p2?^1=w_m2·?(z_e )·v=0,061·1,192·0,84=0,061кПа
Направление ветра перпендикулярно длинной стороне:
- для наветренной стороны:
?w_p1?^2=w_m1·?(z_e )·v=0,097·1,192·0,75=0,087 кПа;
- для подветренной и боковой сторон:
?w_p2?^2=w_m2·?(z_e )·v=0,061·1,192·0,75=0,055 кПа.
      Нормативное значение ветровой нагрузки:
Направление ветра перпендикулярно короткой стороне:
- для наветренной стороны:
w_1=w_m1+w_p1=0,097+0,097=0,194 кН/м^2;
- для подветренной и боковой сторон:
w_2=w_m2+w_p2=0,061+0,061=0,122 кН/м^2.
Направление ветра перпендикулярно длинной стороне:
- для наветренной стороны:
w_1=w_m1+w_p1=0,097+0,087=0,184 кН/м^2;
- для подветренной и боковой сторон:
w_2=w_m2+w_p2=0,061 + 0,55=0,116 кН/м^2.
      Определение расчётной распределенной ветровой нагрузки:
Направление ветра перпендикулярно короткой стороне:
- для наветренной стороны:
q_в1=w_1·?_f=0,194·1,4=0,272 кН/м^2;
- для подветренной и боковой сторон:
q_в2=w_2·?_f=0,122·1,4=0,171 кН/м^2.
Направление ветра перпендикулярно длинной стороне:
- для наветренной стороны:
q_в1=w_1·?_f=0,184·1,4=0,258 кН/м^2;
- для подветренной и боковой сторон:
q_в2=w_2·?_f=0,116·1,4=0,162 кН/м^2,
      ?_f- коэффициент надёжности по ветровой нагрузке, принимаемый равным 1,4 (п.11.1.12 [1]). 
 Моделирование вариантов каркасов здания
	С помощью ПК Лира-САПР 2013 моделируются две расчетные схемы с учетом конструктивных особенностей каждой. При создании модели используется пятый признак схемы с шестью степенями свободы.
	Процесс создания модели начинается с разбивки строительных координационных осей согласно заданию. Затем переходят к геометрическому описанию основных несущих конструкций при помощи конечных стержневых и пластинчатых элементов. На эти элементы накладываются ограничения, которые позволяют сымитировать работу конструкции. К таким ограничениям относятся: геометрические размеры сечений, характеристики материала конструкции, условия её соединения и закрепления. 
	Отметим особенности каждой из моделей.
	В модели здания АБК с каркасом из металлических колонн и сборных железобетонных плит, для совместной работы балок и плит покрытия, балки разбиваются на конечные элементы соответственно размерам конечных элементов плит. Фундаменты защемлены по всем направлениям. Моделирование работы сборных плит производим с помощью функции создания шарнира с расшивкой узлов. Для этого указываем направления, по которым плиты будут работать совместно (X, Y, Z). Создается новая группа перемещений, которая содержит в себе подгруппы. Подгруппа состоит из пары узлов, один из которых принадлежит части одной плиты, второй – другой.
	В монолитной железобетонной модели варианта каркаса принимаем класс бетона В25 и арматуру класса А400. Применяем понижающий коэффициент для плит перекрытий (покрытий) с учетом длительности действия нагрузки равный 0,3 и понижающий коэффициент для вертикальных сжатых элементов с учетом длительности действия нагрузки равный 0,6.
	Жесткостные характеристики подбираются так, чтобы значения прогибов обоих вариантов были соизмеримы друг с другом и соответствовали нормам.
	После этого производят приложение собранных действующих нагрузок к моделям, после чего производят расчет.
      Метод расчета — метод конечных элементов (МКЭ). Выполняется расчет на статические (силовые и деформационные) воздействия. Производится подбор или проверка сечений стальных конструкций   и армирование сечений железобетонных конструкций. 
 Результаты определения внутренних усилий элементов каркаса
	Для каждой расчетной схемы были получены усилия для всех элементов каркаса. Основными расчетными элементами металлического каркаса являлись колонны и балки, а для монолитного железобетонного каркаса колонны и плиты.
	Для конструктивных расчетов рассматривают самое неблагоприятное сочетание нагрузок. Из расчетных схем выбирают элементы перекрытия с максимальными усилиями. Полученные результаты в ПК Лира-САПР используются для расчетов.

 Металлический каркас со сборными железобетонными плитами

Рис. 1. Расчетная схема металлического каркаса

Рис. 2. Назначение жесткостей и материалов

Рис. 3. Расстановка колонн
      Максимальное горизонтальное перемещение колонн (колонна на оси В-7) по Y составляет 1.59 мм, что не превышает предельно-допустимого, равного (по таблица Д.4 [1])
      f_u=h_s/150,
где	h_s – высота этажа в одноэтажных зданиях, равная расстоянию от верха фундамента до низа стропильных конструкций.
      Предельное перемещение составляет
f_u=4400/150=29.33 мм.

Рис. 4. Горизонтальные перемещения колонн по Y по РСН
	Прогиб от нормативных нагрузок балки Б, находящейся на оси 5, составляет 41.2 мм, что не превышает допустимого равного (по таблица Д.1 [1])
f_u=l/200,
где	l – расчетный пролет элемента конструкции.
      Предельный прогиб составляет
f_u=10500/200=52.50 мм.

Рис. 5. Мозаика перемещений по оси Z по РСН
      Максимальный изгибающий момент M_y находится в балке по оси 4, и составляет 73.75 кНм.

Рис. 6. Эпюра My для рамы каркаса по оси 4
	Самая нагруженная колонна находится на пересечении осей Б-6. Усилие составляет 557.01 кН. Так как колонны разной высоты, то в каждом ряду выбирается максимально нагруженная и для нее выполняется конструктивный расчет в Приложении Б.

Рис. 7. Мозаика усилий N стальных колонн по РСН
 Монолитный железобетонный каркас

Рис. 8. Расчетная схема

Рис. 9. Назначение связей в несущих элементах

Рис. 10. Назначение жесткостей и материалов


Рис. 11. Общие характеристики оболочки

Рис. 12. Общие характеристики стержня


Рис. 13. Характеристики бетона

Рис. 14. Характеристика арматуры

      Наибольшее усилие действует на колонну по оси А-6, равное N=719.15 кН. 

Рис. 15. Мозаика усилий железобетонных колонн N по РСН

Рис. 16. Усилия в самой загруженной колонне
      Для армирования колонн принимаем вертикальную арматуру  s=200 мм d=4 мм и  s=200 мм d=5 мм, горизонтальную арматуру s=200 мм d=4 мм,  s=200 мм d=5 мм и ,  s=200 мм d=6 мм.

Рис. 17. Поперечная вертикальная арматура в колоннах

Рис. 18. Поперечная горизонтальная арматура в колоннах
      Максимальное горизонтальное перемещение по оси Y составляет 2.53 мм (для колонны на оси В-5), что не превышает предельно-допустимого, равного (по таблица Д.4 [1])
      f_u=h_s/150,
где	h_s – высота этажа в одноэтажных зданиях, равная расстоянию от верха фундамента до низа стропильных конструкций.
      Предельное перемещение составляет
f_u=4400/150=29.33 мм.

Рис. 18. Горизонтальные перемещения колонн по оси Y по РСН
      Максимальный прогиб плиты покрытия составляет 18.00 мм (узел 7347), что не превышает предельно-допустимого, для пролета 5.49 м равного (по таблица Д.1 [1])
f_u=l/191.5,
где	l – расчетный пролет элемента конструкции.
      Предельный прогиб составляет
f_u=5490/191.5=28.67 мм.

Рис. 19. Мозаика перемещений по оси Z по РСН


Рис. 20. Мозаика напряжений поM_x для плиты

Рис. 21. Мозаика напряжений по M_y для плиты
      Основное (фоновое) армирование нижней части плиты производим сеткой арматурных стержней  ?8 А400 с шагом s=200 мм. В местах, где этой арматуры недостаточно, укладывается дополнительная арматура диаметром 14 мм класса А400 с шагом s=200 мм. Аналогично производим раскладку арматуры в верхней зоне плиты.

Рис. 22. Нижняя арматура по оси Х

Рис. 23. Верхняя арматура по оси Х

Рис. 24. Нижняя арматура по оси Y

Рис. 25. Верхняя арматура по оси Y

 Анализ результатов и выбор рационального варианта каркаса
      По двум вариантам каркаса был выполнен упрощенный экономический расчет с целью выбора из них более рационального. Основными элементами, вошедшими в учет расчета итоговой стоимости металлического каркаса стали сборные железобетонные плиты покрытия.
      Также в расчете было учтено использование стальных балок и колонн различных сечений, выполненных из стали С345. Для расчета их стоимости был использован усредненный показатель стоимости металла в деле для Уральского региона равный 110000 рублям на 1 тонну. Для каждого из сечений из ГОСТ взяты массы 1 погонного метра, посчитаны длины и общий вес.
      Экономический расчет сборных железобетонных плит с учетом монтажа и поставки сборных плит, колонн, балок и связей.
Таблица 10. «Итоговая стоимость стального каркаса»
Наименование
Кол-во
Цена, руб
Всего, руб
Сборные железобетонные плиты
ПБ 30-15-12.5
9 шт
17739 (1шт)
159651
ПБ 60-15-8
48 шт
32370 (1 шт)
1553760
Монолитные железобетонные участки
Бетон Б25
7.92 м3
20000 (1 м3)
158400
Опалубка
36.00 м2
2800 (1 м2)
100800
Арматура 8 мм
0.3 т
40000 (1 т)
12000
Арматура 14 мм
0.06 т
40000 (1 т)
2400
Балки, связи, колонны
Двутавр 30Ш1
13.85 т
110000 (1 т)
1523500
Двутавр 30Ш2
10.42 т
110000 (1 т)
1146200
Итого:
4656711
      В основу упрощенного экономического расчета монолитного железобетонного каркаса легла усредненная стоимость бетона в деле в Уральском регионе равная 20000 за 1 м3, стоимость арматуры – 40000 за 1 тонну.





Таблица 11. «Итоговая стоимость монолитного каркаса»
Наименование
Кол-во
Цена, руб
Всего, руб
Перекрытие
Бетон В25
99.16 м3
20000 (1 м3)
1983200
Опалубка
495.81 м2
2800 (1 м2)
1388268
Арматура 8 мм
4.11 т
40000 (1 т)
164400
Арматура 14 мм
1.48 т
40000 (1 т)
59200
Колонны и связи
Бетон В25
19.41 м3
20000 (1 м3)
388200
Опалубка
4 шт
13400 (1 шт)
53600
Арматура 25 мм
0.52 т
40000 (1 т)
20800
Арматура 8 мм
0.21 т
40000 (1 т)
8400
Составной двутавр
1.6 т
110000 (1 т)
176000
Двутавр 45Ш1
3.11 т
110000 (1 т)
342100
Итого:
4584168



 Проектирование фундаментов
 Сведения о топографических, инженерно-геологических, гидрогеологических условиях земельного участка, предоставленного для размещения объекта строительства
Топографические условия площадки строительства
      Площадка строительства расположена на территории МАУ Спортивный комбинат “Урал” в районе улиц Студенческая-Комвузовская-Раевского. 
      Абсолютные отметки поверхности составляют 287.29 - 287.48 м (по устьям пробуренных скважин), с уклоном в юго-восточном направлении.
      Площадка строительства расположена в пределах городской освоенной в инженерном отношении территории. На момент изысканий природных физико-геологических процессов, отрицательно влияющих на строительство и эксплуатацию проектируемых объектов, перечень которых приводится в СНиП 22-01-95 «Геофизика опасных природных воздействий», непосредственно в контуре проектируемой застройки и на прилегающей территории визуально не установлено. Деформаций существующих сооружений вблизи площадки не выявлено.
Инженерно-геологические условия площадки строительства
      Исследуемая площадка находится в зоне метаморфических пород нейвинской свиты верхнего отдела ордовикской системы (О3). Ордовикские породы залегают в виде достаточно узкой полосы и буквально «зажаты» между Шарташским гранитным массивом (Pz3) и метаморфическими породами невьянской свиты нижнего силура (S1ln). Породы ордовика на карте обозначены как туфы пироксеновых и плагиоклазпироксеновых порфиритов. Простирание пород субмеридиональное, падение сланцеватости ордовикских пород на запад, северо-запад под углом 50-55-800 к горизонту, породы сильнотрещиноватые. 
Гидрогеологические условия площадки строительства
      Исследуемая площадка находится в зоне развития безнапорного грунтово-трещинного водоносного горизонта, приуроченного к трещиноватой зоне скальных грунтов и к остаточной трещиноватости в элювиальных образованиях коры выветривания. Питание подземных вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, основной объем питания – весной, в период снеготаяния. 
Глубина промерзания грунтов
      Нормативная глубина промерзания суглинков – 1,72 м, крупнообломочных и насыпных грунтов – 2,54 м согласно [4] и [5]. 
 Сведения о прочностных и деформационных характеристиках грунта в основании объекта строительства
Характеристики грунтов в основании объекта строительства
      В пределах площадки строительства выделено 7 инженерно-геологических элементов:
    Насыпной грунт (ИГЭ-1) представлен суглинком, супесью, перемятой почвой 10-20-35-60-75-80-100%; щебнем 10-15-20-30-70-90-100%; песком, дресвой 5-15-20-40-60-80-90%;кирпичом, мусором (резина, шифер, железо), деревом 5-10-30%; в ряде скважин встречены асфальт, щебень 100% до глубины 0,05-0,2м; в скважине 23 встречены обломки бетона, щебень 100%. Содержание и состав компонентов меняется незакономерно в плане и по глубине.
    Глина делювиальная (ИГЭ-2) коричневого, серо-коричневого цвета, преимущественно полутвердой консистенции, с линзами суглинка, с единичными включениями гравия, участками с содержанием органики 7-8%. Грунты набухающими и просадочными свойствами не обладают. 
    Глина элювиальная повышенной пористости (ИГЭ-3). Согласно ГОСТ 25100-2011 грунты ИГЭ-3 классифицируются как глины легкие, реже тяжелые, пылеватые, по отдельным пробам как суглинки тяжелые пылеватые, песчанистые,полутвердой, реже тугопластичной, твердой консистенции. Особенностью этих грунтов является повышенное значение коэффициента пористости. В ряде скважин встречены прожилки кварца, разрушенные до щебня.
    Суглинок элювиальный (ИГЭ-4). Согласно ГОСТ 25100-2011 грунты ИГЭ-4 классифицируются как суглинки легкие, по отдельным пробам тяжелые, пылеватые, песчанистые, с включением дресвы и щебня коренных пород до 25-30-45%, реже как глины легкие пылеватые, преимущественно твердой консистенции. Данные грунты отличаются от вышезалегающих грунтов ИГЭ-3 более высокими значениями показателей физико-механических свойств. Грунты набухающими и просадочными свойствами не обладают. 
    Полускальные и ск.......................