Левшунов В.М Инженерные конструкции

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГОУ ВПО ОмГАУ)

В.М. ЛЕВШУНОВ, Ф.Ф. РЕГЕР

ИНЖЕНЕРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Учебно-методическое пособие

Одобрено ученым советом факультета

водохозяйственного строительства

в качестве учебного пособия

УДК 024:01(075.8)

ББК 38.5

Л38

Рецензенты:

Ю.В. Краснощеков, доктор технических наук, профессор кафедры

инженерных конструкций ФГОУ ВПО СибАДИ;

В.В. Токарев, кандидат технических наук, директор

ООО «ПСФ «Водпроект»

Левшунов В.М.

Л38 Инженерные конструкции : учеб.-метод. пособие / В.М. Лев-

шунов, Ф.Ф. Регер. – Омск : Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2009. –

144 с. : ил.

Пособие разработано в соответствии с требованиями ГОС ВПО (2000)

и примерной программой по дисциплине «Инженерные конструкции», ут-

вержденной в 2004 г., для специальностей 280301 – Инженерные системы

сельскохозяйственного водоснабжения, обводнения и водоотведения,

280302 – Комплексное использование и охрана водных ресурсов.

В нем излагаются теоретические основы и методики инженерных рас-

четов однопролетных балок и неразрезных балочных плит, прямоугольных

и круглых плоских плит на упругом основании, прямоугольных фундамен-

тов, прямоугольных колонн, жестких рам П-образного вида, прямоуголь-

ных резервуаров и напорных трубопроводов из монолитного железобетона

по предельным состояниям в условиях плоского напряженного состояния.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специально-

стям 280301 и 280302, а также может быть использовано в учебном про-

цессе при изучении дисциплины «Инженерные конструкции с основами

архитектуры» для специальности 280402 – Природоохранное обустройство

территорий.

УДК 024:01(075.8)

ББК 38.5

ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие....................................................................................................... 5

Введение ............................................................................................................. 7

Общие положения .............................................................................................. 8

1. Основные принципы инженерных расчетов......................................... 8

2. Предельные состояния элементов строительных конструкций из

монолитного железобетона ............................................................................... 8

3. Упруго-пластические свойства грунтового массива основания.......... 9

Раздел 1. Однопролетные балки........................................................................ 11

1.1. Плоский прямой изгиб элементов прямоугольных и тавровых се-

чений................................................................................................................... 11

1.1.1. Расчет по нормальным сечениям............................................. 12

1.1.1.1. Прямоугольные сечения с одиночным армированием ........ 12

1.1.1.2. Прямоугольные сечения с двойным армированием ............ 16

1.1.1.3. Тавровые сечения с одиночным армированием................... 18

1.1.1.4. Тавровые сечения с двойным армированием....................... 20

1.1.2. Наклонные к продольной оси сечения .................................... 21

1.1.2.1. Прямоугольные сечения с поперечным армированием....... 21

1.2. Плоский косой изгиб прямоугольных сечений.................................. 25

1.2.1. Прямоугольные сечения с сосредоточенным армированием.........25

1.3. Примеры инженерных расчетов ......................................................... 28

1.4. Контрольные вопросы......................................................................... 37

Раздел 2. Неразрезные балочные плиты ........................................................... 38

2.1. Статический расчет неразрезных балочных плит ............................. 38

2.2. Каноническое уравнение трех моментов для раскрытия статиче-

ской неопределимости ....................................................................................... 38

2.3. Методика статических расчетов......................................................... 40

2.4. Примеры инженерных расчетов ......................................................... 43

2.5. Контрольные вопросы......................................................................... 47

Раздел 3. Прямоугольные плоские плиты......................................................... 48

3.1. Расчетные категории полосы загружения.......................................... 48

3.2. Расчетная толщина полосы загружения............................................. 49

3.3. Методика статических расчетов......................................................... 51

3.4. Общий порядок статических расчетов для случая симметричной

нагрузки .............................................................................................................. 52

3.5. Пример инженерного расчета............................................................. 54

3.6. Контрольные вопросы......................................................................... 63

Раздел 4. Круглые плоские плиты..................................................................... 63

4.1. Расчетные категории круглой плиты конечного радиуса ................. 64

4.2. Расчетные случаи осевой симметрии................................................. 65

4.3. Методика статических расчетов на осевую симметрию ................... 65

4.3.1. Расчетный случай равномерно распределенной нагрузки..............67

4.3.2. Расчетный случай равномерной силовой нагрузки ................ 69

4.3.3. Расчетный случай равномерной моментной нагрузки ........... 70

4.3.4. Расчетный случай сосредоточенной силовой нагрузки ......... 71

4.4. Примеры инженерных расчетов ......................................................... 73

4.5. Контрольные вопросы......................................................................... 81

Раздел 5. Прямоугольные фундаменты............................................................. 81

5.1. Столбчатые фундаменты .................................................................... 82

5.2. Массивные фундаменты ..................................................................... 86

5.3. Примеры инженерных расчетов ......................................................... 88

5.4. Контрольные вопросы......................................................................... 94

Раздел 6. Прямоугольные колонны................................................................... 94

6.1. Прямоугольное сечение случайных эксцентриситетов..................... 96

6.2. Прямоугольное сечение больших эксцентриситетов........................ 97

6.3. Прямоугольное сечение малых эксцентриситетов ............................ 100

6.4. Примеры инженерных расчетов ......................................................... 102

6.5. Контрольные вопросы......................................................................... 106

Раздел 7. Жесткие рамы..................................................................................... 106

7.1. Статические расчеты жестких рам ..................................................... 107

7.2. Канонические уравнения метода сил ................................................. 108

7.3. Методика статических расчетов......................................................... 109

7.4. Примеры статических расчетов.......................................................... 110

7.5. Контрольные вопросы......................................................................... 126

Раздел 8. Прямоугольные резервуары и напорные трубопроводы ................. 127

8.1. Расчетные случаи разрушения внецентренно растянутых элемен-

тов из монолитного железобетона .................................................................... 129

8.2. Расчетный случай малых эксцентриситетов...................................... 131

8.3. Расчетный случай больших эксцентриситетов.................................. 131

8.4. Примеры инженерных расчетов ......................................................... 133

8.5. Контрольные вопросы......................................................................... 136

Заключение......................................................................................................... 138

Терминологический словарь инженерных расчетов........................................ 139

Библиографический список............................................................................... 142

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина имеет важное значение в подготовке специалистов

по специальностям 280301, 280302 направления «Водные ресурсы и

водопользование». Кроме того, полученные знания необходимы для

изучения других специальных дисциплин, таких как «Технология и

организация строительных работ» и «Экономика и менеджмент в

водном хозяйстве».

Настоящее пособие разработано в соответствии с примерной про-

граммой по дисциплине «Инженерные конструкции», утвержденной

в 2004 г., и предназначено для теоретической подготовки к выполне-

нию практических работ. Необходимость издания настоящего посо-

бия обусловлена отсутствием современной учебной литературы, от-

ражающей специфику проектирования и расчета конструкций водо-

хозяйственного назначения.

Цель учебно-методического пособия – изучить основные понятия

и правила конструирования железобетонных изделий, а также осво-

ить методики расчета инженерных конструкций водохозяйственного

назначения. Пособие также призвано помочь студентам изучить ряд

вопросов учебного плана, оставленных на самостоятельную прора-

ботку.

В целях наиболее эффективного усвоения информации, изложен-

ной в данном пособии, рекомендуется перед изучением повторить

материал по дисциплинам: теоретическая механика, строительная ме-

ханика, сопротивление материалов, материаловедение и технология

конструкционных материалов. Перед освоением основных разделов в

первую очередь следует ознакомиться с общими положениями проек-

тирования инженерных конструкций и терминологическим словарем.

Эта работа является первым изданием и отличается от другой

учебной литературы того же направления более полной информаци-

ей, необходимой для проведения инженерных расчетов конструкций

водохозяйственного строительства.

По своей структуре пособие состоит из общих положений, вось-

ми разделов и терминологического словаря. В общих положениях

описаны принципы и порядок инженерных расчетов, предельные со-

стояния, несущая способность инженерных конструкций и грунтов

основания. В первом разделе представлены общие положения и мето-

ды расчета балок прямоугольного и таврового сечения на прямой и

косой изгиб. Во втором разделе изложены теоретические основы и

методика расчета неразрезных многопролетных балочных плит. В

третьем и четвертом разделе пособия приведены методы расчета

фундаментных плит круглой и прямоугольной формы. В пятом раз-

деле рассмотрена методика расчета массивных столбчатых фунда-

ментов. Шестой раздел посвящен расчетам внецентренно сжатых ко-

лонн. В седьмом разделе изложены теоретические основы расчета

жестких рам П-образного вида. В восьмом разделе рассмотрены во-

просы расчета и армирования прямоугольных емкостей и трубопро-

водов.

Учебно-методическое пособие разработали доценты кафедры ме-

ханики и технологии строительства Левшунов Виктор Макарович и

Регер Федор Федорович. Авторы будут благодарны за замечания и

предложения, которые постараются учесть в последующих изданиях.

Замечания и пожелания просим направлять по адресу: 644008 Омск,

ул. Физкультурная, 1, ФГОУ ВПО ОмГАУ, кафедра механики и тех-

нологии строительства, тел. (8-3812) 65-96-36.

ВВЕДЕНИЕ

В России впервые железобетон был использован в 1879 г.

Д.Ф. Жаринцевым при строительстве стен в г. Батуми. Наиболее ши-

рокое применение железобетон в России получил после испытаний

плит, балок и мостов, выполненных под руководством Н.А. Белелюб-

ского в 1891 г. После Октябрьской революции были организованы

проектные организации и научно-исследовательские организации,

которые способствовали дальнейшему развитию железобетона. Же-

лезобетонные конструкции вначале стали применять в гидротехниче-

ском и промышленном, а затем и в гражданском строительстве. По-

степенно он занял доминирующее положение в промышленном

строительстве. В 1928 г. разработаны первые сборные конструкции, а

с 1930 г. начали применять предварительно-напряженные конструк-

ции.

После Великой Отечественной войны в СССР началось широкое

применение сборного железобетона. Развитие железобетонных кон-

струкций сопровождалось интенсивной разработкой теории их расче-

та, где существенный вклад внесли такие ученые, как А.А. Гвоздев,

А.Ф. Лолейт, П.Л. Пастернак, Я.В. Столяров и др. Благодаря их ис-

следованиям уже к 1955 г. введен расчет методом предельных со-

стояний, который положен в основу действующих в настоящее время

норм.

Железобетон в водохозяйственном строительстве является ос-

новным материалом, поэтому освоение методов расчета, приведен-

ных в работе, является важной частью подготовки специалистов на-

правления «Водные ресурсы и водопользование».

Изучать материал пособия следует только при наличии специ-

альных знаний по дисциплинам: сопротивление материалов, теорети-

ческая и строительная механика, материаловедение и технология

конструкционных материалов. Полученные знания могут быть ис-

пользованы при проектировании железобетонных конструкций водо-

хозяйственного назначения, а также для проверки существующих в

случае привязки объекта к конкретным условиям строительства.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Основные принципы инженерных расчетов

Нагрузки, воспринимаемые элементами строительных конструк-

ций, подразделяются на постоянные и временные. Постоянные на-

грузки, как правило, длительного действия и определяются весовой

массой. Временные нагрузки имеют характер как длительного, так и

кратковременного действия.

Постоянные и временные нагрузки длительного действия обла-

дают одинаковой статичностью. Статичность постоянных и времен-

ных нагрузок определяется уравнениями статического равновесия.

Инженерные расчеты заключаются в том, чтобы проверить ста-

тическую устойчивость элементов строительных конструкций и пре-

дельную статическую прочность. Статическая устойчивость элемен-

тов строительных конструкций из монолитного железобетона заклю-

чается в статическом равновесии сжатой зоны бетона и арматуры в

растянутой зоне бетона. Предельная статическая прочность элемен-

тов строительных конструкций из монолитного железобетона заклю-

чается в том, чтобы напряжения не превышали расчетных сопротив-

лений бетона на осевое сжатие, арматуры – на растяжение, сжатие, а

в отдельных случаях – на сдвиг.

Инженерный расчет осуществляется в два этапа:

1-й этап – статический расчет заключается в установлении ор-

динат и построении эпюр изгибающих моментов, поперечных и про-

дольных сил в поперечных сечениях элементов строительных конст-

рукций, а также контактных напряжений, характеризующих расчет-

ное сопротивление упругого основания.

2-й этап – конструктивный расчет заключается в определении

конструкции железобетонного сечения: его размеров и требуемой

площади поперечного сечения арматуры в растянутой зоне бетона, а

при необходимости и в сжатой зоне бетона.

2. Предельные состояния элементов строительных

конструкций из монолитного железобетона

Расчеты элементов строительных конструкций из монолитного

железобетона выполняются, как правило, по первой, а в отдельных

случаях – и по второй группе предельных состояний. Первая группа

предельных состояний определяет потерю прочности за счет чрез-

мерного развития напряжений. Вторая группа предельных состояний

определяет потерю надежности за счет чрезмерного развития дефор-

маций. Основная задача расчетов на прочность заключается в том,

чтобы не допустить переход элементов строительных конструкций в

предельное состояние. Расчеты на прочность по первой группе пре-

дельных состояний являются обязательными и диктуются соображе-

ниями оптимальных размеров элементов строительных конструкций.

Необходимость расчетов на прочность по второй группе предельных

состояний диктуется эксплуатационными требованиями к надежно-

сти элементов строительных конструкций.

Первая группа предельных состояний элементов строительных

конструкций из монолитного железобетона заключается в том, чтобы

напряженное состояние в поперечном сечении не превышало несу-

щей способности бетона и (или) арматуры. В качестве несущей спо-

собности бетона выступает призменная прочность, на основе которой

устанавливается расчетное сопротивление осевому сжатию γ

осевому растяжению γ

, где γ

– коэффициент условий работы

(табл. 1 [16]).

Коэффициент условий работы γ

определяется условиями нарас-

тания прочности бетона, характером действия нагрузки, климатиче-

скими условиями.

В качестве несущей способности арматуры для первой группы

предельных состояний выступает расчетное сопротивление на осевое

растяжение при изгибе R

, R

и на осевое сжатие R

(табл. 2 [16]).

Прочность растянутой зоны бетона обеспечивается за счет проч-

ностных характеристик арматуры. В качестве арматуры применяются

отдельные стержни, рулонные и плоские арматурные сетки, плоские

и пространственные арматурные каркасы. Основной расчетной ха-

рактеристикой арматуры является площадь поперечного сечения

(табл. 3 и 4 [16]).

3. Упруго-пластические свойства грунтового массива основания

Грунтовый массив основания представляет собой упругое полу-

пространство в виде тонкого слоя, ограниченного сверху плоскостью

подошвы фундамента. Этот слой, выделенный из грунтового массива

основания, работает только на сжатие в условиях плоского напря-

женного состояния. При этом в крайних точках упругого полупро-

странства развиваются зоны пластических деформаций, за счет кото-

рых происходит перераспределение расчетного сопротивления грун-

тового массива основания в зону упругих деформаций. Такое пере-

распределение расчетного сопротивления грунтового массива осно-

вания носит название распределительной способности упругого по-

лупространства и заключается в том, что грунтовый массив основа-

ния способен воспринимать нагрузку только в упругой стадии. При

развитии пластических деформаций грунтовый массив основания вы-

ключается из работы, обусловливая тем самым включение в работу

участков упругого полупространства, обладающих упругими свойст-

вами.

В основу распределительной способности упругого полупро-

странства положена рабочая гипотеза о сплошности строения грунта.

Эта гипотеза позволяет считать упругое полупространство совершен-

но однородным. Учитывая это обстоятельство, распределительная

способность упругого полупространства способствует тому, что де-

формация грунтового массива основания происходит не только под

нагруженным участком, но и в соседствующих с ним участках. По-

этому расчет грунтового массива основания выполняется по второй

группе предельных состояний. Такой расчет считается удовлетвори-

тельным, если максимальная величина контактных напряжений в

крайних точках упругого полупространства не превышает расчетного

сопротивления грунтового массива основания с 20%-ным запасом

прочности:

max

≤ 1,2R,

где σ

max

– максимальная величина контактных напряжений в крайней

точке упругого полупространства;

R – расчетное сопротивление грунтового массива основания.

Расчетное сопротивление грунтового массива основания устанав-

ливается в зависимости от физических, физико-химических и физико-

механических свойств:

))1((

IIcIIbqIIfqIIz

cMdMdMbkM

R 















где γ

с1

, γ

с2

– коэффициенты условий работы грунтового массива осно-

вания (табл. 5 [16]);