1 АРХИТЕКТУРНЫЙ РАЗДЕЛ
Природно-климатичекая характеристика района строительства
Район строительства – город Сатка, Челябинская область. Климат умеренно-континентальный (переходный к резко континентальному). Параметры наружного воздуха приняты в соответствии с СП 131.13330.2012 «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99»:[1]
средняя температура наиболее холодного месяца – tср = -16 ;
средняя температура отопительного периода – tо.п. = -6,5 ;
температура наиболее холодной пятидневки – tно = -34 ;
скорость ветра в зимний период – 4,5 м/с;
продолжительность отопительного периода - 218 сут.;
снеговой район III – 180 кг/м2(в соответствии со СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия»);
климатический район строительства – IB;
ветровой район – II (30кг/м2);
тип местности – В;
зона влажности – сухая.
Минимальная температура -48°С, абсолютный максимум температуры воздуха +42°С, среднегодовая температура воздуха +2°С. В районе города Сатка преобладают южные и северные ветры. Среднегодовая скорость ветра 2,7 м/с. По многолетним наблюдениям метеорологической станции г. Сатка количество осадков составляет 376 мм. Из них за теплый период (IV-X месяцы) выпадает 280 мм. В отдельные годы количество осадков за год достигает 517,0-586,8 мм. Снег в основном ложится в ноябре и сходит в апреле. Глубина снежного покрова достигает 0,4 м. Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом составляет 145-150 дней. Среднегодовая относительная влажность воздуха в городе Сатка – 71%. Минимум влажности отмечается в мае – 55%. Максимум – в декабре-январе – 80%. Господствующими ветрами в зимний период являются юго-западные и северо-западные, а весной и летом возрастает роль ветров северных направлений. Среднегодовая скорость ветра 3-4м/с. В зимний период нередки метели со скоростью ветра от 5 до 9 м/с, максимальная зарегистрированная скорость составляет 20 м/с.[1]
Таблица 1 – Повторяемость направлений и скорость ветра [1]
Месяц Повторяемость направлений ветра в % и скорость ветра по румбам, м/с Штиль Max из Vсред
С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ
Январь 7
4,4 3
4,2 2
2,8 7
2,4 20
3,1 38
3,1 10
3,5 13
4,5 3 4,5
Июль 20
4,5 12
4,4 7
3,7 5
2,3 7
2,9 12
3,2 12
3,9 25
4,5 2 3,2
Нормативная глубина сезонного промерзания грунтов согласно п.5.3.6 СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений»:
глинистых – 1,74 м;
песчаных – 2,27 м;
крупнообломочных – 2,67 м.
Территория района по климатическим условиям благоприятна для строительства и хозяйственного освоения, а также для отдыха населения.[2]
Генеральный план
Генеральный план застройки и благоустройства представляет собой план участка, на котором показаны: проектируемое и сооружения, автомобильные дороги, тротуары и дорожки, а также озеленение. План сопровождается экспликацией.
Типы покрытий приняты следующие: для проездов и автостоянок и тротуаров асфальтобетон. Территория благоустраиваемого участка, свободная от застройки и покрытий, озеленяется с учетом нормативных рекомендаций (расстояний до инженерных сетей, противопожарных требований).[3]
Автомобильные дороги с покрытием из асфальтобетона или из сборных железобетонных плит по подстилающему слою (утрамбованному щебню) шириной не менее 4,5—5 м для одностороннего движения и от 6 до 10,5 м для двухстороннего движения. Радиус закругления дорог 15 м при движении машин одиночных и машин с прицепами и от 30 до 50 м при движении машин с прицепами для длинномерных грузов. Сеть автомобильных дорог решается по кольцевой системе. Расстояние от края дороги до стены здания не более 25 м.[3]
Пешеходные пути — тротуары шириной не менее 1,5 м, устраиваются вдоль дорог не ближе 2 м от дороги.[3]
Озеленение вдоль дорог, тротуаров. Площадь озеленения должна составлять не менее 15—20% всей территории предприятия. Ширина полос зеленых насаждений принимается не менее 2 м при однорядной посадке деревьев и не менее 5 м при двухрядной; для полос кустарников ширина от 0,8 до 1,2 м. Расстояние между деревьями при рядовой посадке 4—6 м.
Для благоустройства промышленной территории используют осветительные фонари.[3]
Инженерные коммуникации (водопроводные, канализационные, теплофикационные и другие сети) прокладывают вдоль основных проездов над землей и под землей. Подземные трассы укладываются вне проезжей части дорог в траншеях, каналах, проходных туннелях. Не допускается совместная прокладка газопроводов и трубопроводов с горючими и легковоспламеняющимися жидкостями.
Защита окружающей среды от загрязнения вредными выбросами, отходами промышленных предприятий предусмотрена в законодательном порядке.
Промышленные предприятия, выделяющие производственные вредности, отделяют от жилой застройки населенных мест санитарно-защитными зонами. Территория санитарно-защитной зоны озеленяется, и в ней размещают служебные здания (склады, гаражи, депо и др.).[3]
Архитектурно-планировочное решение
Цветовое решение наружных стен представлено естественным серым цветом и его оттенками, в сочетании с крышей выполненной из кровельных сэндвич-панелей темно-серого цвета.
Каркас смешанный – колонны железобетонные, металлические; фермы и балки покрытия металлические. Соединение металлических надколонников с железобетонными колоннами - жесткое, металлических надколонников с фермами - жесткое. Общая устойчивость здания обеспечивается вертикальными и горизонтальными связями, жестким диском покрытия.
Сообщения между отметками осуществляется посредством лестниц.
В здание предусмотрены въезды автомобильного транспорта, для чего проектируются распашные ворота размером 4?3,6 м. Здание оборудовано мостовыми кранами грузоподъемностью 10 тонн, имеющих средний режим работы 4К.
В здании предусмотрен санузел и комната техперсонала. Освещение внутреннего помещения осуществляется через боковые и верхние проемы. Боковое остекление – ленточное, верхнее освещение – зенитные световые фонари 12 м. Так как естественного освещения будет недостаточно для достижения нормативного коэффициента естественной освещенности (КЕО) (СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение»), цех предлагается оборудовать искусственными источниками света. [9]
Конструктивное решение
Конструктивная система здания представляет собой каркасный остов.[8]
Пространственная жесткость здания обеспечивается совместной работой вертикальных стен и жестких дисков перекрытий и покрытия.
Фундаменты – свайные с монолитным железобетонным ростверком класса В20-по прочности, F-200 по морозостойкости, W4-по водопроницаемости.
Сваи – железобетонные С 110-30-9у, под крыльца – С 60-30-6у с оголовником.[8]
Наружные стены представлены стеновыми сэндвич-панелями с ППУ утеплителем. Внутри помещения располагаются перегородки, сделанные также из сэндвич-панелей.
Лестницы – сборные железобетонные ступени по ГОСт 8717.0-84.
Кровля – представлена кровельными сэндвич-панелями с ППУ утеплителем. Толщина 120 мм, ширина 1180 мм, длина 13000 мм.
Двери наружные – технические двери.
Обустройство полов из монолитного бетона, так как его поверхность должна выдерживать высокие нагрузки.
Теплотехнический расчет наружной стены
Исходные данные:
Район строительства: г. Сатка.
Зона влажности района строительства – нормальная.
Расчетная температура внутреннего воздуха t_в=+18 °С.
Климатический район III.
Расчетная температура наружного воздуха (наиболее холодной пятидневки) -34°С.
Продолжительность отопительного периода z_(о.п.)=218 сут.
Средняя температура отопительного периода t_(о.п.)=-6,5°С.
Рисунок 1 – Схема конструкции наружной стены
1 слой – фасадно-защитный отделочный слой (сталь): ? = 0,6 мм = 0,0006 м; ? = 58 Вт/м°С ; ? = 7700 кг/м3;
2 слой – утеплитель ППУ (пенополиуретан): ? = х м; ? = 0,022 Вт/м°С ; ? = 41 кг/м3;
3 слой – фасадно-защитный отделочный слой (сталь): ? = 0,6 мм = 0,0006 м; ? = 58 Вт/м°С ; ? = 7700 кг/м3.
Определяем требуемое сопротивление теплопередаче по формуле:
R_тр^0=(n(t_в-t_н))/(?t_н·?_в )=(1(18+34))/(4,0·8,7)=1,49 (м^(2°) с)/Вт (1)
где n – коэффициент, принимаемый по СП 50.13330.2012 (Тепловая защита зданий) в зависимости от положения наружной поверхности ограждающей конструкций по отношению к наружному воздуху и принимается равным n = 1;
t_в-расчётная температура внутреннего воздуха, °С;
t_н- расчётная зимняя температура наружного воздуха, °С, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки, °С;
?t_н- нормативный и температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции – принимается равным ?t^n=4,0 °С; [6]
?_в- коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций принимается по СП 50.13330.2012»Тепловая защита зданий» (таблица 4) [6] и принимается равным ?_в= 8,7 Вт/м2*°С.
Определим градусно-сутки отопительного периода по формуле:
ГОСП=(t_в-t_оп )·Z_оп=(18+6,5)·218=5341°С·сут (2)
где t_оп= -6,5 °С – средняя температура продолжительности отопительного периода;
Z_оп=218 дней – продолжительность отопительного периода.
Определим фактическое сопротивление теплопередаче, многослойной ограждающей конструкции по формуле:
R_ф^0=1/?_в +R_к+1/?_н =1/8,7+0,0006/0,58+х/0,022+0,0006/0,58+1/23 (м^(2°) С)/Вт (3)
где ?_н- коэффициент теплоотдачи (для зимних условий) наружной поверхности ограждающей конструкции принимается по СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (таблица 6) и принимается равным ?_н= 23 Вт/м2*°С; [6]
R_к- термическое сопротивление стены, R_к=R_1+R_2+R_3.
Определение термического сопротивления ограждающей конструкции отдельных слоев:
R_1=?_1/?_1 =0,0006/0,58=0,001 (м^(2°) С)/Вт (4)
R_2=?_2/?_2 =Х/0,022 (м^(2°) С)/Вт (5)
R_3=?_3/?_3 =0,0006/0,58=0,001 (м^(2°) С)/Вт (6)
где ?_i- толщина отдельных слоёв ограждения кроме расчетного в м;
?_i- коэффициенты теплопроводности отдельных слоев ограждения (кроме расчётного слоя).
R_к=R_1+R_2+R_3=0,001+0,001+х/0,022=0,002+х/0,022 (7)
R_ут=R_пр^0-1/?_в -1/?_н -R_к=3,27-1/8,7-1/23-0,002=3,11 (м^(2°) С)/Вт (8)
Определяем толщину: ?_ут=R_ут·?_ут=3,11·0,022=0,068 м (9)
Принимаем толщину утеплителя 0,12 м из конструктивных соображений.
Приведенное сопротивление теплопередаче стен (методом интерполяции):
2000{-(6000?3,5@4000?2,8)+=0,7 (10)
R_о^пр=((6000-5341)·0,7)/2000+(-3,5)=3,27 (м^(2°) С)/Вт
R_к=?_2/?_2 =0,12/0,022=5,455 (м^(2°) С)/Вт (11)
R_ф^0=1/8,7+0,0006/0,58+0,0006/0,58+5,455+1/23=5,615 (м^(2°) С)/Вт
Сравниваем приведенное сопротивление теплопередаче R_тр^0=R_тр^пр, 5,615 > 3,27, то есть конструкция наружной стены удовлетворяет санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, а также условиям энергосбережения.
Инженерные сети
Теплоснабжение: подключение предусмотрено к местной теплосети. Теплоноситель – вода с температурой Т1-Т2 = 70 °С – 95 °С. Прокладка трубопроводов теплосети предусмотрена под землёй.[7]
Вентиляция: вентиляция приточно-вытяжная с естественным побуждением.
Водоснабжение: подключение водопровода учебного центра выполнено к
проектируемой внутриквартальной сети dy = 80 мм.[7]
Система водопровода выполнена из стальных электросварных труб по
ГОСТ 10704-91 [7].
Канализация: выпуски канализации прокладываются в монолитных каналах и выполняются из стальных электросварных труб O108х4,0 по ГОСТ 10704-91. [7]
Водопровод: холодное водоснабжение предусматривается от наружной водопроводной сети. Ввод выполняется из стальных электросварных труб O76х2,8 ГОСТ 10704-91 [7] и прокладывается совместно с трубами отопления под ростверком здания.
Электроснабжение: электроснабжение осуществляется от местной сети.
Электрооборудование: общий учет электроэнергии осуществляется на
вводе в здание на ВРУ.
Освещение помещений запроектировано преимущественно светильниками
с люминесцентными лампами, в подсобках – с лампами накаливания.
Система оповещения и управления эвакуацией при пожаре: управление
оповещением осуществляется с поста охраны, в котором устанавливается
приемно-контрольный прибор пожарной сигнализации.
Размещение световых табло «Выход» и звуковых оповещателей выполнено
с учетом планировочного решения и планов эвакуации.[7]
С планами эвакуации, инструкцией, с размещением приборов СОУЭ
должны быть ознакомлен весь персонал. Планы эвакуации вывесить на
лестничных клетках и у выходов наружу.[7]
Для отработки навыков в проведении эвакуационно-спасательных работ необходимо не реже 1 раза в квартал проводить учебные пожарные тревоги.
Ответственных за эвакуацию людей на каждом этаже назначает приказом руководитель. Сигнальные цвета светового табло «Выход» должны быть на зеленом фоне надпись белого цвета «Выход».[7]
Противопожарные мероприятия
В основу противопожарной защиты промышленного здания положены принципы, изложенные в статье 5 Технического регламента о требованиях пожарной безопасности от 22 июля 2009 года № 123-ФЗ (далее Технического регламента).[5]
Защита промышленного здания от пожара обеспечивается:
системой предотвращения пожаров;
системой противопожарной защиты;
организационно-техническими мероприятиями.
Система предотвращения пожаров предусматривает применение огнестойких и негорючих отделочных и теплоизоляционных веществ и материалов, снижение пожарной нагрузки, путем введения ограничения по применению горючих материалов, при необходимости их огнезащита, защиту пожароопасного оборудования, применение пожаробезопасного оборудования, выполнение мероприятий по исключению источников зажигания и т.п.[5]
Система противопожарной защиты предусматривает применение огнестойких монолитных железобетонных конструкций для основного несущего каркаса и устройство противопожарных преград, обеспечение здания требуемыми путями эвакуации, внедрение современных обладающих повышенной надежностью автоматических систем извещения и тушения пожаров, противодымной защиты, применение средств коллективной и индивидуальной защиты и другие мероприятия.[5]
?
2 РАСЧЕТНО-КОНСТРУКТИВНЫЙ РАЗДЕЛ
2.1 Сбор нагрузок. Собственный вес конструкций покрытия
Таблица 2 – Нагрузки от элементов покрытия
№ п/п Материал Толщина, мм Плотность
кН/м3 qnкН/м2 ?f qркН/м2
1 Ж/б ребристая плита покрытия 450 25 11,25 1,1 12,37
2 Кровельная сэндвич-панель с ППУ утеплителем 120 0,41 0,294 1,05 0,309
Итого 11,54 12,68
Расчёт временной нагрузки на покрытие ведется по формуле 10.1 того же СП
S_0=0,7c_e c_t ??S?_g (13)
где се=1 - коэффициент, учитывающий снос снега с покрытий зданий под действием ветра или иных факторов, принимаемый в соответствии с п10.5;
ct=1 - термический коэффициент, принимаемый в соответствии с 10.6СП «Нагрузки и воздействия»;
? = 1 - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемый в соответствии с 10.4.
Город Сатка находится в III снеговом районе. По табл. 10.1 СП «Нагрузки и воздействия» находим Sg=1,8 кПа.
Тогда нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия:
S_0=0,7•1•1•1•1,8=1,26 кН/м^2
Коэффициент надёжности по нагрузке ?f=1,4, тогда расчётная снеговая нагрузка равна
S_снег^кратк=S_0•?_f=1,26•1,4=1,76 кН/м^2 (14)
Определение нормативной нагрузки на балку:
? q?_н=(11,54+1,26)•2=25,6 кН/м
Определение расчётной нагрузки на балку:
? q?_р=(12,68+1,76)•2=28,88 кН/м
2.2 Определение усилий
Величины максимальных изгибающих моментов и поперечных сил приведены на рисунке 2.1.1.
М = 0,125qрl2 = 0,125 · 28,88 · 62 = 129,96 кНм (15)
Q = qрl/2 = 28,88 · 6 / 2 = 86,64 Кн (16)
Учтём собственный вес, умножив значения изгибающего момента и поперечной силы на коэффициент ? = 1,02…1,06. Большее значение коэффициента принимают при больших пролетах и нагрузках.
Примем ? = 1,02.
М = 129,96 · 1,02 = 132,56 кНм
Q = 86,64 · 1,02 = 88,37 кН
2.3 Расчёт и конструирование балки покрытия
В соответствии с СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции» сталь назначаем исходя из группы строительных конструкций и температуры воздуха наиболее холодных суток обеспеченностью 0,98.
По СП 16.13330.2011 приложение В определяем группу стальных конструкций: главные балки – 1 группа
По СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» определяем температуру в данном городе: t = -34°С – температура воздуха наиболее холодных суток обеспеченностью 0,98.
На основании этих данных выбираем для главных балок – С255.
Проектирование составных балок выполняют в два этапа: на первом компонуют и подбирают сечение, на втором — проверяют прочность и устойчивость балки в целом и ее элементов, а также проверяют жесткость балки.
Компоновку сечения начнём с установления высоты балки — основного размера, от которого зависят все остальные размеры сечения, масса балки и ее жесткость.
Оптимальная, из условия прочности и минимума расхода стали, высота балки:
? h?_опт=kv(W_d/t_? ) (17)
где Wd, - требуемый момент сопротивления сечения балки, см3;
tw — толщина стенки,см;
k — коэффициент, равный для сварных балок постоянного сечения 1,2…1,15, переменного — 1. Примем k = 1,15
W_d= M/(R_y??_c ) (18)
где Mmax - изгибающий момент, кНсм;
?с = 1, коэффициент условий работы, определяемый по табл. 1 СП 16.13330
Ry – расчётное сопротивление проката, кН/см2
Wd = 13256/24=552,3 ?см?^3
Толщину стенки предварительно можно определять по эмпирической формуле:
t? = 7 + 0,003h (19)
где h = (1/8…1/15)l, l — пролет балки
t? = 7 + 0,003·(6000/8) = 9,25 мм = 0,925 см = 1 см
h_опт=1,15? v(552,3/0,93)= 28 см=280 мм
Минимальная, из условия обеспечения жесткости, высота балки (для бесконсольной схемы):
? h?_min= 5/24?(R_y??_c?l)/E?[l/f_u ]?q_н/q_р (20)
где fu - принимают по табл. 19 СП «Нагрузки и воздействия». (fu = l/257)
h_min= 5/24?(24·600)/(2,06·?10?^4 ) [l/(l/257)]•25,6/28,88=33,18 см=331,8 мм
Принимаем высоту балки 360 мм.
Определим минимальную толщину стенки tw,min из условия ее работы на срез и сравним с ранее назначенной
t_(?.min)? (k?Q)/(h_??R_s??_c ) (21)
где k=1,5;
hw — высота стенки, которую в первом приближении можно принять равной hw = h – 2tf, м, (tf = 20 – 25мм):
hw = 360 – 2·20 = 350 мм
Rs = 0,58Ry = 0,58·240 = 139,4 МПа (22)
t_(?,min) ? (1,5·86,64)/(320·13,94·1)=0,03 см=0,3 мм
Примем tw = 10 мм.
Проверим условие местной устойчивости:
?w = (hw/tw)·v(R_y/E)?3,5 (23)
?w = (320/10)·v(24/20600)=1,09<3,5
Условие местной устойчивости выполняется.
Установив размеры стенки, определим требуемую площадь сечения поясов.
A_f= ?2I?_f/(h_0^2 ) , (24)
где h0 = h – 0,5(h – hw) – расстояние между центрами тяжести полок
h0 = 1000 – 0,5(1000 – 960) = 980 мм.
If = I – Iw (25)
I= (W_d?h)/2, (26)
I = (552·36)/2=9936 ?см?^4
Рисунок 3 – Сечение балки
I_w= (t_w·h_w^3)/12 (27)
Iw = (1,0·?32?^3)/12=2731 ?см?^4
If = 9936 – 2731 = 7205 см4
A_f= (2·7205)/?34?^2 =12,47 ?см?^2
Назначим размеры пояса исходя из условий:
bf = (1/3…1/5)h; bf?180…200 мм кратно 10;
t_w?t_f?3t_w; t_f?40 мм
(1/3)h = (1/3) · 500 = 166,78 мм;
(1/5)h = (1/5) · 500 = 100мм.
10?t_f?30
Примем bf = 100 мм, тогда t_f= 12,47?10=1,25 см=12,5 мм.
Окончательно принимаем bf = 100 мм, а tf = 13 мм,
Аf = 100 · 13 = 1300 мм2 = 13,0 см2.
hw = 360 – 2 · 13 = 334 мм = 33,4 см.
Определим геометрические характеристики сечения:
Момент инерции:
I= (t_w?h_w^3)/12+ ?2t?_f·b_f·[?h-t?_f/2]^2 (28)
I= ?1,0·33,4?^3/12+2·1,3·10·[(36-1,3)/2]^2=10932?см?^4
Момент сопротивления:
W_x= ?2I?_x/h (29)
W_x= (2·10932)/36=607 ?см?^3
Статический момент полусечения:
S= A_f·?h-t?_f/2+ (h_w^2·t_w)/6 (30)
S=13,0·(36-1,3)/2+ (?33,4?^2?1,0)/6=412 ?см?^3
Проверка местной устойчивости сжатого пояса должно выполняться условие:
?f ? ?uf
?f = (b_ef/t_f )·v(R_y/E) (31)
где bef = (b_f-t_w)/2= (10-1,0)/2=4,5 см.
?f=(4,5/1,3)·v(24/20600)=0,121
?uf = 0,5v(R_y/?_c ) (32)
где ?_с= М/(W_x·?_c )= 13256/(607·1)=24,84 ?кН/см?^2.
?uf = 0,5v(24/21,84)=0,53.
?f = 0,121 < ?uf = 0,53 – условие выполняется.
Проверка прочности:
M/(W_x R_y ?_c )=13256/(607?24?1)=0,91<1 (33)
QS/(I_x t_w R_s ?_c )= (86,64·412)/(10932?1,0?13,94?1)=0,23?1 (34)
Оба условия выполняются, а значит, прочность обеспечена. Т.к. у нас бесконсольная разрезная балка – в опорах возникают только касательные напряжения, поэтому расчёт по приведённым напряжениям не нужен.
Поскольку фактическая высота сечения больше минимальной, то проверку жесткости не выполняем.
Общая устойчивость балки обеспечена, так как она раскреплена сплошным жёстким настилом.
Расчёт поясных швов главной балки.
Поясные швы препятствуют взаимному сдвигу пояса и стенки, а также в них возникают усилия от вертикальной нагрузки, создаваемой второстепенными балками.
