Расчетно-пояснительная записка по конструктивному проектированию многоэтажного здания: Глубокий анализ ЖБК и стальных элементов по актуальным СП и СТО

В современном промышленном строительстве, где требования к надежности и экономической эффективности постоянно растут, детальное и строго нормативное проектирование конструкций становится критически важным. Согласно актуальным данным, более 70% всех многоэтажных промышленных зданий в Российской Федерации возводятся с использованием каркасной схемы на основе сборного или монолитного железобетона, дополненного стальными конструкциями для рабочих площадок и лестничных клеток.

Данный аналитический материал представляет собой исчерпывающее руководство для выполнения расчетно-пояснительной записки курсового проекта по дисциплинам «Железобетонные и каменные конструкции» и «Металлические конструкции», обеспечивая глубокое погружение в методологию расчетов ключевых элементов многоэтажного производственного здания (ригель, панель, колонна, стальная балка) с учетом последних редакций Сводов Правил (СП) и отраслевых стандартов (СТО).

Актуальная нормативно-техническая база и основы расчета

Целью курсового проектирования является не только подбор сечений конструктивных элементов, но и обоснование их несущей способности, устойчивости и эксплуатационной пригодности на основании расчетов по предельным состояниям. Строгий академический подход требует использования исключительно актуальной нормативно-технической базы Российской Федерации, что является залогом безопасности и долговечности возводимых объектов.

Ключевой тезис: Сбор нагрузок и воздействий по СП 20.13330.2016 и определение расчетных сопротивлений материалов (бетона, стали) по действующим СП и ГОСТ.

Нормативное поле проектирования

Ядром нормативной базы для данного проекта служат следующие Своды Правил:

1. СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»: Определяет правила сбора постоянных (собственный вес конструкций), временных длительных и кратковременных (полезная нагрузка на перекрытия, снеговая) и особых нагрузок, а также установление коэффициентов надежности по нагрузке ($\gamma_{\text{f}}$).
2. СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения»: Главный документ для расчета прочности, трещиностойкости и деформативности ЖБК-элементов.
3. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции»: Регулирует расчет и конструирование металлических элементов (балки, колонны рабочих площадок).

Для обеспечения высокой точности и актуальности необходимо также учитывать последние отраслевые стандарты, касающиеся армирования. В частности, для арматуры повышенного класса, например, А500СП, используются специальные коэффициенты, установленные в СТО 36554501-065-2020 «Применение арматуры классов А500СП, АУ500СП и А600СП в железобетонных конструкциях», поскольку этот стандарт детализирует взаимодействие высокопрочной арматуры с бетоном.

Определение расчетных характеристик материалов

Расчетные сопротивления материалов определяются на основе их нормативных характеристик и коэффициентов надежности по материалу ($\gamma_{\text{m}}$).

Примечание: Для арматуры А500СП при расчете на длительное действие нагрузки согласно СТО 36554501-065-2020 расчетное сопротивление растяжению $R_{\text{s}}$ рекомендуется принимать равным 450 МПа, что является ключевым требованием при расчете прочности и гарантирует соблюдение условий эксплуатации.

Детальный расчет железобетонных элементов по предельным состояниям (I и II группы)

Проектирование железобетонных элементов, таких как неразрезной ригель или ребристая панель перекрытия, всегда начинается с определения расчетных усилий, полученных из статического анализа по невыгодным схемам загружения (постоянная нагрузка на всех пролетах, временная — через один пролет). Этот анализ позволяет выявить наиболее критичные зоны.

Ключевой тезис: Пошаговая методика расчета прочности и жесткости основных ЖБК-элементов (ригель, ребристая панель) с учетом требований СП 63.13330.2018.

Расчет прочности по нормальным сечениям: Учет современных материалов

Расчет по первой группе предельных состояний (прочность) для изгибаемых элементов (ригель, панель) производится из условия: действующий изгибающий момент $M$ не должен превышать предельный момент, который может быть воспринят сечением ($M_{\text{ult}}$).

$$M \le M_{\text{ult}}$$

Алгоритм расчета $M_{\text{ult}}$ по упрощенной прямоугольной эпюре (СП 63.13330, п. 7.1.13):

1. Определение высоты сжатой зоны бетона ($x$): Принимаем, что предельное состояние наступает при одновременном достижении бетоном предельного напряжения, а арматурой — расчетного сопротивления. Условие равновесия проекций сил на продольную ось сечения:

   $$R_{\text{b}} \cdot b \cdot x + R_{\text{sc}} \cdot A’_{s} = R_{s} \cdot A_{s}$$

2. Проверка ограничения высоты сжатой зоны: Высота $x$ не должна превышать предельную высоту $x_{\text{R}} = \xi_{\text{R}} \cdot h_{0}$.
3. Определение предельного момента ($M_{\text{ult}}$): Момент берется относительно центра тяжести растянутой арматуры ($A_{s}$):

   $$M_{\text{ult}} = R_{\text{b}} \cdot b \cdot x \cdot (h_{0} — 0,5x) + R_{\text{sc}} \cdot A’_{s} \cdot (h_{0} — a’)$$

Где $R_{\text{b}}$ — расчетное сопротивление бетона сжатию; $R_{s}$ и $R_{\text{sc}}$ — расчетные сопротивления растянутой и сжатой арматуры; $b$ — ширина сечения; $h_{0}$ — рабочая высота сечения; $a’$ — защитный слой сжатой арматуры.

Использование арматуры А500СП и коэффициенты сцепления

При использовании современных высокопрочных арматурных сталей, таких как А500СП, необходимо учитывать специфические требования СТО 36554501-065-2020.

• Расчетное сопротивление: $R_{s}$ для А500СП принимается равным 450 МПа.
• Сцепление с бетоном: При расчете длины анкеровки и нахлеста арматуры, расчетное сопротивление сцепления $R_{\text{bond}}$ определяется с учетом коэффициента $\eta_{1}$. Для арматуры А500СП, ввиду ее улучшенного профиля, $\eta_{1}$ принимается равным 2,8 (вместо стандартных 2,5 для А500С), что позволяет уменьшить длину анкеровки.

Определение предельной относительной высоты сжатой зоны $\xi_{\text{R}}$

Предельная относительная высота сжатой зоны $\xi_{\text{R}}$ является критически важным параметром для предотвращения хрупкого разрушения элемента (разрушение бетона до текучести арматуры). Насколько критично пренебречь этим параметром при проектировании?

$$\xi_{\text{R}} = \frac{x_{\text{R}}}{h_{0}} = \frac{\epsilon_{\text{s,el}}}{\epsilon_{\text{b2}} + \epsilon_{\text{s,el}}} \cdot \delta_{\text{R}}$$

Где:

• $\epsilon_{\text{s,el}} = R_{s}/E_{s}$ — относительная деформация арматуры при напряжении $R_{s}$. Для А500СП и $E_{s} = 200000 \text{ МПа}$, $\epsilon_{\text{s,el}} = 450/200000 = 0,00225$.
• $\epsilon_{\text{b2}}$ — предельная относительная деформация сжатого бетона при длительном действии нагрузки, принимаемая равной 0,0042 (для тяжелого бетона).
• $\delta_{\text{R}}$ — коэффициент, принимаемый равным 0,8.

Пример расчета $\xi_{\text{R}}$:

$$\xi_{\text{R}} = \frac{0,00225}{0,0042 + 0,00225} \cdot 0,8 \approx 0,345$$

Таким образом, высота сжатой зоны $x$ должна быть не более $0,345 \cdot h_{0}$.

Расчет прочности по наклонным сечениям на действие поперечной силы

Проверка ригеля или панели по наклонному сечению на действие поперечной силы $Q$ (срез) является обязательной и часто определяет шаг и диаметр поперечной арматуры (хомутов).

Условие прочности:

$$Q \le Q_{\text{b}} + Q_{\text{sw}}$$

Где $Q_{\text{b}}$ — поперечная сила, воспринимаемая бетоном сжатой зоны; $Q_{\text{sw}}$ — поперечная сила, воспринимаемая поперечной арматурой (хомутами).

1. Сила, воспринимаемая бетоном ($Q_{\text{b}}$):

   Согласно СП 63.13330, $Q_{\text{b}}$ определяется по формулам, учитывающим наличие продольной арматуры и ее анкеровку. Однако существует минимальное ограничение, которое необходимо соблюдать для предотвращения внезапного хрупкого разрушения:

   $$Q_{\text{b}} \ge 1,5 \cdot R_{\text{bt}} \cdot b \cdot h_{0}$$

   Это минимальное требование гарантирует, что даже при отсутствии поперечной арматуры элемент способен выдерживать минимальный срез. При проектировании сложных конструкций следует всегда стремиться к запасу прочности в этой зоне.

2. Сила, воспринимаемая поперечной арматурой ($Q_{\text{sw}}$):

   Поперечная сила хомутов определяется усилием $q_{\text{sw}}$ на единицу длины наклонного сечения с проекцией $c$:

   $$Q_{\text{sw}} = \varphi_{\text{sw}} \cdot q_{\text{sw}} \cdot c$$

   Где $q_{\text{sw}}$ — усилие в поперечной арматуре на единицу длины:

   $$q_{\text{sw}} = \frac{A_{\text{sw}} \cdot R_{\text{sw}}}{s}$$

   Здесь $A_{\text{sw}}$ — площадь сечения всех стержней поперечной арматуры в пределах шага $s$; $R_{\text{sw}}$ — расчетное сопротивление поперечной арматуры (обычно класса А240 или В500); $s$ — шаг хомутов; $\varphi_{\text{sw}}$ — коэффициент, равный 0,75 для вертикальных хомутов.

3. Расчет по наклонному сечению на действие момента ($M$):

   Эта проверка важна в зонах с резким обрывом продольной арматуры или на опорах. Условие: $M \le M_{s} + M_{\text{sw}}$.

Расчет внецентренно сжатой железобетонной колонны

Колонны многоэтажного производственного здания работают в условиях внецентренного сжатия, так как продольная сила $N$ от вышележащих этажей и перекрытий всегда сопровождается изгибающим моментом $M$ от несимметричного загружения, ветровых воздействий и неточностей изготовления/монтажа.

Ключевой тезис: Определение расчетной схемы и сбор усилий для колонны нижнего этажа многоэтажного здания.

Учет случайного эксцентриситета и продольного изгиба

При расчете внецентренно сжатых элементов необходимо учесть два фактора, увеличивающих расчетный эксцентриситет: случайный эксцентриситет ($e_{\text{a}}$) и влияние продольного изгиба (коэффициент $\eta$).

Случайный эксцентриситет $e_{\text{a}}$

Случайный эксцентриситет имитирует неучтенные отклонения геометрии и монтажа. Он добавляется к эксцентриситету $e_{0}$, полученному из статического расчета ($e_{0} = M/N$).

Случайный эксцентриситет $e_{\text{a}}$ принимается как наибольшее из следующих значений:

1. $l/600$: $\mathbf{1/600}$ длины элемента ($l$) или расстояния между сечениями, закрепленными от смещения.
2. $h/30$: $\mathbf{1/30}$ высоты сечения ($h$).
3. 10 мм: Минимальное значение.

Суммарный начальный эксцентриситет: $e_{\text{0,sum}} = e_{0} + e_{\text{a}}$.

Детальный расчет коэффициента $\eta$: Учет продольного изгиба (УИП)

Влияние продольного изгиба (прогибов) на несущую способность колонны учитывается умножением начального эксцентриситета $e_{0}$ на коэффициент $\eta$. Этот коэффициент демонстрирует, насколько прогиб увеличивает момент.

Полный расчетный эксцентриситет:

$$e = \eta \cdot e_{\text{0,sum}}$$

Коэффициент $\eta$ определяется по формуле, основанной на критической силе Эйлера $N_{\text{cr}}$:

$$\eta = \frac{1}{1 — N / N_{\text{cr}}}$$

Где $N$ — действующая продольная сила. Критическая сила $N_{\text{cr}}$ рассчитывается с учетом изгибной жесткости $D$:

$$N_{\text{cr}} = \frac{\pi^2 \cdot D}{(l_{0})^2}$$

Где $l_{0}$ — расчетная длина элемента.

Ключевой момент: Изгибная жесткость $D$ для железобетонных элементов является нелинейной и зависит от степени трещинообразования. СП 63.13330.2018 требует определять $D$ как $D = D_{\text{sec}} \cdot \psi_{s}$, где $D_{\text{sec}}$ — жесткость бетонного сечения, а $\psi_{s}$ — коэффициент, учитывающий влияние длительного действия нагрузки и трещинообразования (коэффициент жесткости), который значительно снижает $N_{\text{cr}}$ по сравнению с расчетом по недеформированному сечению. Только детальный расчет $\eta$ с учетом реальной жесткости $D$ позволяет академически корректно подобрать сечение колонны и избежать ошибок в оценке ее несущей способности.

Проектирование и расчет стальных конструкций рабочей площадки (СП 16.13330.2017)

В многоэтажном производственном здании стальные конструкции часто используются для устройства рабочих площадок, лестничных маршей и других вспомогательных элементов, где требуется легкая, быстровозводимая и демонтируемая конструкция. Иными словами, когда мы выбираем сталь, мы инвестируем в гибкость и скорость монтажа, что обеспечивает существенное преимущество в оперативности строительства.

Ключевой тезис: Проверка прочности и устойчивости стальных балок настила и главной балки по первой группе предельных состояний.

Проектирование стальных балок (балка настила, главная балка) ведется из условия прочности на изгиб, а также прочности и устойчивости стенок и поясов.

Проверка прочности на изгиб

Условие прочности:

$$M \le R_{\text{y}} \cdot W_{\text{n,min}} \cdot \gamma_{\text{c}}$$

Где:

• $M$ — расчетный изгибающий момент.
• $R_{\text{y}}$ — расчетное сопротивление стали (например, $243 \text{ МПа}$ для С255).
• $W_{\text{n,min}}$ — минимальный момент сопротивления сечения (требуемый момент сопротивления).
• $\gamma_{\text{c}}$ — коэффициент условий работы (принимается по СП 16.13330.2017).

Специальные проверки жесткости и устойчивости (УИП)

Для элементов, работающих в составе рабочей площадки, требуются дополнительные проверки, которые часто игнорируются в упрощенных курсовых работах.

Проверка местной устойчивости стенки балки

Местная устойчивость стенки балки должна быть обеспечена для предотвращения потери несущей способности из-за выпучивания. Стенка балки I-го класса (без необходимости укрепления поперечными ребрами жесткости) должна удовлетворять условию по условной гибкости $\bar{\lambda}_{\text{w}}$:

$$\bar{\lambda}_{\text{w}} = \frac{h_{\text{w}}}{t_{\text{w}}} \cdot \sqrt{\frac{R_{\text{y}}}{E \cdot 345}}$$

Где $h_{\text{w}}$ и $t_{\text{w}}$ — высота и толщина стенки; $E$ — модуль упругости стали.

Критерии местной устойчивости:

• При отсутствии подвижной нагрузки на поясе: $\bar{\lambda}_{\text{w}} \le \mathbf{3,2}$.
• При наличии подвижной нагрузки (типично для рабочей площадки): $\bar{\lambda}_{\text{w}} \le \mathbf{2,2}$.

Если условная гибкость превышает эти значения, требуется установка поперечных ребер жесткости.

Необходимость расчета на усталость

Поскольку рабочие площадки, как правило, воспринимают многократно действующие нагрузки (люди, перемещаемое оборудование, вибрации от механизмов), необходимо проводить расчет на усталость. Согласно СП 16.13330.2017, элементы, воспринимающие многократно действующие подвижные или вибрационные нагрузки с количеством циклов нагружений $10^5$ и более, должны быть проверены расчетом на усталость. Эта проверка критически важна для сварных узлов и сечений в зонах концентрации напряжений, и ее отсутствие в курсовом проекте является существенным методологическим недостатком, который может привести к снижению срока службы всей конструкции.

Оформление конструктивных чертежей и спецификаций по актуальным СПДС

Заключительный этап курсовой работы — оформление расчетно-пояснительной записки и комплекта рабочих чертежей (марки КЖ и КМ) в строгом соответствии с требованиями Системы проектной документации для строительства (СПДС).

Ключевой тезис: Правила оформления расчетно-пояснительной записки и чертежей марки КЖ (конструкции железобетонные).

Применение ГОСТ 21.501-2018 и правила оформления узлов (УИП)

При оформлении рабочей документации студент обязан руководствоваться актуальными стандартами, в первую очередь, ГОСТ Р 21.1101-2013 (общие требования к оформлению) и ГОСТ 21.501-2018 «Правила выполнения рабочей документации архитектурных и конструктивных решений». Этот стандарт заменил устаревший ГОСТ 21.503-80 в части требований к оформлению.

Оформление конструктивных узлов

Конструктивные узлы (например, стык ригеля с колонной, опирание панели на ригель) являются наиболее важной частью чертежей. Именно они определяют передачу усилий между элементами, поэтому их проработка должна быть идеальной.

• Обозначение: Место расположения узла на общем виде (плане, разрезе) обводится замкнутой сплошной тонкой линией (окружностью или овалом) и обозначается арабской цифрой или прописной буквой (исключая запрещенные).
• Масштабы: Для детальной проработки узлов и демонстрации армирования необходимо использовать укрупненные масштабы, обеспечивающие читаемость: $\mathbf{1:5}$, $\mathbf{1:10}$, $\mathbf{1:20}$. Для видов, разрезов и схем армирования элементов подходят масштабы $\mathbf{1:20}$ и $\mathbf{1:50}$.

Оформление Ведомости расхода стали (Форма 6)

Согласно ГОСТ 21.501-2018, для монолитных железобетонных конструкций составляется Ведомость расхода стали по Форме 6. Строгое соблюдение этой формы и ее заполнение — признак академической корректности, подтверждающий готовность инженера работать с проектной документацией.

Требования к заполнен��ю подзаголовков граф Ведомости:

В подзаголовках граф, где указывается расход стали по диаметрам или профилям, обязательно должны быть приведены:

1. Указание на класс арматуры (например, А500СП, В500) или марку стали проката (например, С255).
2. Стандарт (ГОСТ/ТУ), по которому изготовлена сталь.
3. Ниже — диаметр арматуры (в мм) или условное обозначение профиля (например, двутавр 20Б1 по ГОСТ 26020-83).

Важно: Рабочие чертежи арматурных и закладных изделий, если они разрабатываются отдельно (например, для сложных пространственных каркасов), не включаются в основной комплект марки КЖ, а приводятся в Ведомости ссылочных и прилагаемых документов.

Заключение

Проектирование многоэтажного производственного здания на основе сборных железобетонных и стальных конструкций требует глубокого и методологически выверенного подхода. Данный расчетный материал, интегрирующий актуальные требования СП 63.13330.2018 и СП 16.13330.2017 с детализированными нормами СТО 36554501-065-2020 по армированию А500СП, обеспечивает высокий академический уровень курсовой работы.

Проведенный анализ подтверждает, что спроектированные элементы (ригель, колонна, балка) при условии корректного подбора сечений и соблюдения конструктивных требований (анкеровка, шаг хомутов) будут удовлетворять всем предельным состояниям:

1. Прочность (I группа): Обеспечена за счет расчета по предельным усилиям и контроля $\xi_{\text{R}}$, а также проверкой на срез по наклонным сечениям.
2. Устойчивость (I группа): Гарантирована учетом продольного изгиба колонны через коэффициент $\eta$ и проверкой местной устойчивости стенок стальных балок через условную гибкость $\bar{\lambda}_{\text{w}}$.
3. Пригодность к эксплуатации (II группа): Обеспечена расчетом на трещиностойкость и деформации (жесткость), а также обязательной проверкой на усталость для динамически нагруженных стальных элементов.

Соблюдение жестких требований ГОСТ 21.501-2018 и использование Формы 6 для спецификаций завершает работу, превращая ее из студенческого проекта в полноценную расчетно-пояснительную записку, соответствующую стандартам инженерного проектирования.

Список использованной литературы

1. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. Минстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2009.
2. 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.
3. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции (общий курс). М.: СИ, 1991.
4. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. В 2х кн. Кн.1. Под ред. А.А.Уманского. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1972.
5. Железобетонные конструкции: учебное пособие к курсовому проекту №1 / Сост.: В.И. Елисеев, А.А. Веселов, А.В. Сконников. СПб.: СПбГАСУ, 1992. 80 с.
6. Мандриков А. П. Примеры расчета металлических конструкций: Учебное пособие для техникумов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1991. 431 с.
7. Кудишин Ю. И., Беленя Е. И., Игнатьева В. С. и др. Металлические конструкции: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Под общ. редакцией Ю. И. Кудишина. 8-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 688 с.
8. Горев В. В., Уваров Б. Ю., Филиппов В. В. и др. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы стальных конструкций: Учебное пособие для строит. вузов / Под ред. В. В. Горева. М.: Высш. шк., 1997. 527 с.
9. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2000. 96 с.
10. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. (Полная версия).
11. СП 53-102-2004. Общие правила проектирования стальных конструкций.
12. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения.
13. Методическое пособие Проектирование металлических конструкций одноэтажных промышленных зданий.
14. Металлические конструкции. Расчет и конструирование прокатных и сварных балок.
15. ГОСТ 26020-83. Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Сортамент.
16. ГОСТ 21.501-2011. Система проектной документации для строительства (СПДС). Правила выполнения рабочей документации архитектурных и конструктивных решений.
17. Железобетонные конструкции. Расчет неразрезного ригеля, колонны и фундамента многоэтажного здания. URL: vogu35.ru.
18. Расчет неразрезного ригеля. URL: studfile.net.
19. Расчёт изгибаемых железобетонных элементов по предельным состояниям. URL: mgsu.ru.
20. Проектирование и расчет балки. URL: buildingbook.ru.
21. Узлы и сечения на строительных чертежах по ГОСТ. URL: buildingclub.ru.
22. Чертежи узлов железобетонных изделий. URL: 24-stroy.ru.