VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV BETONOVÝCH A ZDĚNÝCH KONSTRUKCÍ FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF CONCRETE AND MASONRY STRUCTURES PROSTOROVÁ ŽELEZOBETONOVÁ KONSTRUKCE PRŮMYSLOVÉHO OBJEKTU SPACE STRUCTURE OF INDUSTRY BUILDING OBJECT BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Adam Pelikán Ing. PETR ŠIMŮNEK, Ph.D. BRNO 2012
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ Studijní program Typ studijního programu Studijní obor Pracoviště B3607 Stavební inženýrství Bakalářský studijní program s prezenční formou studia 3647R013 Konstrukce a dopravní stavby Ústav betonových a zděných konstrukcí ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Student Adam Pelikán Název Vedoucí bakalářské práce Datum zadání bakalářské práce Datum odevzdání bakalářské práce V Brně dne 30. 11. 2011 Prostorová železobetonová konstrukce průmyslového objektu Ing. Petr Šimůnek, Ph.D. 30. 11. 2011 25. 5. 2012...... prof. RNDr. Ing. Petr Štěpánek, CSc. Vedoucí ústavu prof. Ing. Rostislav Drochytka, CSc. Děkan Fakulty stavební VUT
Podklady a literatura Technické předpisy: ČSN EN 1990: Zásady navrhování konstrukcí. 2004 ČSN EN 1991-1 až 4: Zatížení stavebních konstrukcí. 2004-2007 ČSN EN 1992-1-1: Navrhování betonových konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla pro pozemní stavby. 2006 Další potřebná literatura po dohodě s vedoucím bakalářské práce Zásady pro vypracování Proveďte statický výpočet prostorové železobetonové nosné konstrukce objektu. Specifikujte statické schéma a zatížení konstrukce. Nadimenzujte vybrané konstrukční prvky (minimálně 1 průvlak) další prvky v rozsahu určeném vedoucím práce. Proveďte výpočtový model konstrukce (popř. její části) v některém programovém systému pro výpočet konstrukcí. Vypracujte výkres tvaru dimenzované části konstrukce a výkresy výztuže posuzovaných prvků. Bakalářská práce bude odevzdána 1 x v listinné podobě a 2 x v elektronické podobě na CD s formální úpravou podle směrnice rektora č. 9/2007 (včetně dodatku č.1 ) a 2/2009 a směrnice děkana č. 12/2009. Předepsané přílohy... Ing. Petr Šimůnek, Ph.D. Vedoucí bakalářské práce
Abstrakt Předmětem projektu je nosná konstrukce skladovací haly, která je navržena jako železobetonová prefabrikovaná rámová na rozpětí 18m založená na kalichových patkách. Střešní plášť je netuhý složený ze střešních kazetových desek. Obvodový plášť je ze železobetonových sendvičových zateplených panelů uložených na základových prazích. Návrh se zaměřuje na jeden typický rám. Dimenzován je vazník, sloup a kalichová základová patka. Návrhová životnost konstrukce je 50 let. Klíčová slova železobeton, výztuž, návrh, rám, střešní vazník, sloup, kalichová patka, ztužidlo, opláštění, sendvičový panel, kazetová střešní deska, zatížení, sníh, vítr, proměnný průřez, mezní stav únosnosti, mezní stav použitelnosti, průhyb, trhliny, omezení napětí, statický výpočet, vnitřní síly, doprava, vytažení z formy, numerická integrace, interakční diagram, účinky druhého řádu, vnitřní tlak, scia engineer, tuhé rameno, kloub, prut Abstract The subject of this project is the structure of the storage hall which is made of reinforced concrete. It is designed as precast frame (span of 18m), founded on pocket footings. The roof deck (non-rigid) consists of ribbed slabs. The cladding is made of sandwich panels (reinforced concrete and isolation) layed on foundation beam. The design is focused on the single typical frame. Roof girder, column and pocket footing are designed. Designed life of the structure is 50 years. Keywords reinforced concrete, reinforcement, design, frame, roof girder, column, pocket footing, bracing, cladding, sandwich panel, ribbed slab, load, snow, wind, variable cross-section, ultimate limit state, serviceability limit state, deformation, craks, limited stress, static calculation, internal forces, transport, removal from the form, numerical integration, interaction diagram, second order effects, internal pressure, scia engineer, rigid arm, joint, beam
Bibliografická citace VŠKP PELIKÁN, Adam. Prostorová železobetonová konstrukce průmyslového objektu. Brno, 2012. 17 s., 49 s. příl. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav betonových a zděných konstrukcí. Vedoucí práce Ing. Petr Šimůnek, Ph.D..
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval(a) samostatně, a že jsem uvedl(a) všechny použité informační zdroje. V Brně dne 21.5.2012 podpis autora
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval především vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Petru Šimůnkovi, Ph.D., který mi věnoval mnoho času a pokaždé dokázal poradit. Také mě hojně zásoboval studijní literaturou. 7
Obsah Titulní list... 1 Zadání VŠKP... 2 Abstrakt... 4 Klíčová slova... 4 Bibliografická citace VŠKP... 5 Prohlášení autora o původnosti práce... 6 Poděkování... 7 Obsah... 8 Úvod... 9 Technická zpráva... 10 1/ Předmět projektu... 10 2/ Podklady pro zpracování projektu... 10 3/ Popis konstrukce... 10 3.1/ Obecně... 10 3.2/ Základová patka... 10 3.3/ Sloup... 10 3.4/ Vazník... 11 4/ Použité materiály... 11 5/ Statický výpočet... 11 5.1/ Statický model... 11 5.2/ Zatížení... 11 5.3/ Dimenzování vazníku... 12 5.4/ Dimenzování sloupu... 12 5.5/ Dimenzování kalichové patky... 12 5.6/ Shrnutí... 13 5.7/ Zatížení uvažovaná ve statickém výpočtu... 13 Závěr... 14 Seznam použitých zdrojů... 15 Seznam použitých zkratek a symbolů... 16 Seznam příloh... 17 8
Úvod V mé bakalářské práci se zabývám návrhem, posouzením a výkresovou dokumentací části nosné konstrukce železobetonové skladovací haly. V návrhu vycházím z podkladů poskytnutých vedoucím bakalářské práce při jednotlivých schůzkách. Nejprve bude stanoveno zatížení působící na konstrukci. Z působícího zatížení budou vypočteny vnitřní síly působící na jednotlivé prvky konstrukce. Na základě těchto vnitřních sil budou provedeny posudky navrhnutých dimenzí vazníku, sloupu a základové kalichové patky. Poté bude zpracována výkresová výrobní dokumentace těchto prvků. 9
Technická zpráva 1/ Předmět projektu Předmětem projektu je železobetonová prefabrikovaná konstrukce objektu stavby skladovací haly. Konstrukčně se jedná o železobetonový montovaný rámový skelet založený plošně na kalichových patkách. Dle zadání bakalářské práce a pokynů vedoucího byl dimenzován jeden typický rám sloup, vazník a patka. 2/ Podklady pro zpracování projektu - zadání bakalářské práce - podklady a pokyny průběžně poskytované vedoucím bakalářské práce 3/ Popis konstrukce 3.1/ Obecně Konstrukce je navržena jako montovaný železobetonový rámový skelet prováděný na volném prostranství. Konstrukci tvoří 7 rámů na rozpětí (os sloupů) 18 m, jednotlivé rámy jsou vzájemně vzdáleny 6 m. Půdorysné rozměry osového schématu jsou tedy 36 m na 18 m. Založení objektu je provedeno plošně na kalichových základových patkách. Kalichové patky jsou navrženy pro uložení prefabrikovaných železobetonových sloupů, kde je soustředěno svislé zatížení od konstrukce. Na kalichových patkách jsou také uloženy základové prahy (přes ozub na horní líc kalicha), které vynáší obvodový plášť ze železobetonových sendvičových panelů. Na sloupech jsou uloženy vazníky, které vynášejí železobetonové kazetové střešní desky na rozpětí 6 m, a okapová ztužidla (přikotveny pomocí ocelových trnů), která společně s obvodovým pláštěm zajišťují prostorovou tuhost. V čelní stěně bude vynechán otvor 5,6 m na 3,93 m pro umístění vrat (viz K3 Pohled P v příloze P2 Výkresová dokumentace). 3.2/ Základová patka Půdorysné rozměry základové patky jsou 1,8 m na 2,6 m. Výška základové patky je 1 m. Půdorysné rozměry kalichu jsou 1 m na 1 m, na patce je kalich umístěn souose. Kalich je do patky částečně zapuštěn. Výška kalichu nad úrovní horního líce základové patky je 0,5 m. Kalich zasahuje 0,5 m pod horní líc základové patky (hloubka zapuštění). Sklon vnitřních stěn kalicha je 1:20. Tloušťka stěny v nejvyšší úrovni kalicha je 200 mm. Úroveň základové spáry je -1,5 m. Kalichová patka bude provedena jako monolitická (betonovaná na staveništi). 3.3/ Sloup Průřez sloupu je čtvercový 0,4 m na 0,4 m. Délka sloupu je 9,53 m. Úroveň uložení sloupu do kalichu základové patky je -0,95 m. Část průřezu sloupu je v jeho horní části na délku 0,84 m vybrána kvůli uložení vazníku. Obvodový plášť bude přivařen k ocelovým plotnám zabudovaným ve sloupu poddajným způsobem tak, aby sloup nebyl zatížen vlastní tíhou jednotlivých panelů a tuto tíhu vynášel základový práh. Do sloupů budou zabetonovány ocelové trny průměru 20 mm pro osazení vazníku a střešních ztužidel. 10
V dolní části sloupu na délku 0,95 m bude provedeno zdrsnění povrchu betonu nopovou folií kvůli soudržnosti se zálivkou při osazení do kalicha. Do sloupů budou zabetonovány zvedací závěsy s kulovou hlavou Deha blíže specifikované ve výkresové dokumentaci. Dále bude ve sloupu proveden otvor průměru 80 mm, který bude sloužit pro zvednutí sloupu při osazování na staveništi. Sloupy mohou být vytaženy z formy až po 7 dnech zrání. Sloupy budou skladovány v horizontální poloze na podkladkách umístěných pod zvedacími závěsy. 3.4/ Vazník Vazník má rozpětí 18 m. Jeho T-průřez je proměnný po délce se sklonem horní pásnice 5 %. Jeho výška uprostřed je 1,5 m, jeho výška na krajích je 1,05 m. Šířka horní pásnice je 400 mm, výška horní pásnice je 200 mm. Šířka stojiny je 150 mm. Výška stojiny je proměnná. Vazník bude uložen do vybraných částí ve sloupech na pryžové či jiné ložisko. Úroveň uložení vazníku na sloupy je ve výšce +7,75 m. Spojení bude provedeno pomocí trnu, který bude zabetonován do sloupu. Tento trn bude naražen na otvor ve vazníku a okolní mezikruží bude vyplněno zálivkou. Vazník bude vynášet střešní kazetové desky, které tvoří netuhý střešní plášť. Do vazníků budou zabetonovány zvedací závěsy s kulovou hlavou Deha blíže specifikované ve výkresové dokumentaci. Vazníky mohou být vytaženy z formy až po 7 dnech zrání. Vazníky budou při skladování podloženy pomocí pokladků pod zvedacími závěsy. Vazníky budou přepravovány minimálně po 28 dnech na 12 m dlouhých závěsech, koncová část tedy bude tvořit 6 m dlouhou konzolu. 4/ Použité materiály Beton prefabrikovaná část: C40/50 železobetonové sloupy a vazníky Beton monolitická část: C30/37 základová kalichová patka Betonářská výztuž: B 500B 5/ Statický výpočet 5.1/ Statický model Za účelem stanovení účinků zatížení na konstrukci ve směru rámu byl vytvořen rovinný prutový model v programu Scia Engineer 2011.1. Statické schéma tvoří 2 svislé pruty (sloupy), které jsou uvažovány jako vetknuté v úrovni horního líce kalicha. Třetí prut je vodorovný a je kloubově připojený k tuhým ramenům délky 100 mm, které vystihují excentrické uložení vazníku na sloup. Tuhá ramena jsou ke sloupům připojena rámově v úrovni uložení vazníku na sloupy. Vodorovný prut má proměnný průřez po délce. Správnost chování matematického modelu v softwaru Scia Engineer byla ověřena pomocí ručního výpočtu vnitřních sil na několika jednoduchých zatěžovacích stavech. 11
5.2/ Zatížení Objekt je navržen na zatížení vlastní tíhou, stálými a užitnými zatíženími, a klimatickými vlivy (sníh, vítr) podle dané lokality (Žďár nad Sázavou) a to vše v souladu s platnými normami (1) (2) (3). Při výpočtu zatížení byly brány do úvahy mimo jiné i účinky vnitřního tlaku větru, který se vyskytuje při otevření vrat haly. Tření větru o konstrukci nebylo uvažováno v souladu s platnou normou pro zatížení větrem (3). Pro mezní stav únosnosti byly sestaveny kombinace dle rovnic 6.10a a 6.10b pomocí algoritmu softwaru Scia Engineer a poté ověřeny. Pro mezní stav použitelnosti byla sestavena charakteristická, kvazistálá a častá kombinace (4). Dimenzování bylo provedeno ručním výpočtem a je v souladu s platnými normami pro navrhování betonových konstrukcí (5). 5.3/ Dimenzování vazníku Vazník byl posuzován v mezním stavu únosnosti na účinky zatížení po zabudování do konstrukce (v místě maximálních ohybových momentů uprostřed rozpětí, vliv klesající výšky proměnného průřezu vzhledem k tendenci klesání ohybových momentů směrem od poloviny rozpětí není zásadní), na účinky od vytahování dílce z formy při 7-denní pevnosti betonu v tlaku (na záporný ohybový moment nad závěsem, kladný ohybový moment uprostřed rozpětí nepřesáhne účinky zatížení po zabudování dílce do konstrukce, a proto nebyl posudek proveden) a na účinky záporných ohybových momentů na přesahující části za návěs při dopravě na 12 m návěsu. Dále bylo provedeno posouzení mezních stavů použitelnosti omezení napětí betonu, omezení napětí betonářské výztuže, ověření šířky trhlin a omezení průhybu. Průhyb vazníku s proměnnou výškou průřezu po délce od kvazistálého zatížení byl po nevhodném výpočtu s průřezovými charakteristikami průřezu s průměrnou výškou po délce proveden pomocí numerické integrace po délce vazníku v tabulkovém procesoru Microsoft Excel. Tento výpočet již respektuje proměnnou výšku průřezu. 5.4/ Dimenzování sloupu Sloup byl v mezním stavu únosnosti po zabudování do konstrukce posuzován pomocí interakčního diagramu zhotoveného v tabulkovém procesoru Microsoft Excel ve 2 řezech na účinky v rovině rámu. Limitní štíhlost byla překročena, a proto bylo nutné uvážit také účinky druhého řádu. Dále byl proveden posudek pomocí interakčního diagramu na účinky kolmo na rovinu rámu od maximální normálové síly a excentricity od imperfekce a účinků druhého řádu. Mezní stav únosnosti od účinků zatížení vytahování z formy, skladování, dopravy a manipulaci na staveništi nebyl ověřován, protože tyto účinky nepřesáhnou účinky po zabudování dílce do konstrukce ani při snížené pevnosti betonu v tlaku během zrání. 5.5/ Dimenzování kalichové patky Účinky zatížení na základovou kalichovou patku byly stanoveny z několika kombinací zatížení, které zohledňují působení v jednotlivých fázích výstavby. Bylo ověřeno odlomení přesahujících částí patky v obou směrech (náhradní model jako vetknutý prut, o množství výztuže rozhodli konstrukční zásady), protlačení patky od kalichu a od sloupu a usmýknutí patky v základové spáře. Další posudky byly provedeny dle (6), jedná se o odlomení kalichu od sloupu a rozštěpení kalichu vlivem příčení sloupu v něm. Návrh rozměrů (jak horizontálních tak vertikálních) byl optimalizován ve dvou krocích a mohl by být optimalizován dále, ale 12
z důvodu nedostatku času již toto nebylo provedeno. Také třída betonu kalichové patky je nadhodnocena a v dalším kroku optimalizace by byla snížena. 5.6/ Shrnutí Statickým výpočtem byla prokázána dostatečná únosnost všech rozhodujících částí nosné konstrukce. 5.7/ Zatížení uvažovaná ve statickém výpočtu Stálá zatížení (charakteristické hodnoty) - vlastní hmotnost konstrukce (1) dle skutečných hodnot - tíha střešního pláště (1) g k = 1,64 kn/m 2 - tíha okapového ztužidla (1) G k = 13,4 kn - obvodový plášť (1) g k = 28,00 kn/m - skladba podlahy nad patkou (1) g k = 3,50 kn/m 2 Nahodilá zatížení (charakteristické hodnoty) - užitné zatížení (1) (střechy kategorie H) q k = 0,75 kn/m 2 Q k = 1,00 kn - zatížení sněhem (2) (sněhová oblast IV) s k = 2,00 kn/m 2 - zatížení větrem (2) (větrová oblast III, kat. terénu III) v b,0 = 27,5 m/s 13
Závěr Ve statickém výpočtu, který je hlavní přílohou této vysokoškolské kvalifikační práce, jsem navrhnul a posoudil jednotlivé konstrukční prvky zpracovávané části nosné konstrukce podle základních platných norem. Na základě těchto výpočtů jsem zpracoval výrobní výkresovou dokumentaci dimenzovaných prvků. 14
Seznam použitých zdrojů 1. Český normalizační institut. ČSN EN 1991-1-1: Zatížení konstrukcí - Obecná zatížení - Objemové tíhy, vlastní tíha a užitná zatížení pozemních staveb. 2003. 2.. ČSN EN 1991-1-3: Zatížení konstrukcí - Obecná zatížení - Zatížení sněhem. 2004. 3.. ČSN EN 1991-1-4: Zatíženi konstrukcí - Obecná zatížení - Zatížení větrem. 2007. 4.. ČSN EN 1990: Zásady navrhování konstrukcí. 2004. 5.. ČSN EN 1992-1-1: Navrhování betonových konstrukcí - Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby. 2006. 6. Ministerstvo stavebnictví ČSR. TSm-V: Zakládání průmyslových a občanských staveb. Praha : Studijní a typizační ústav, 1987. 7. Český normalizační institut. ČSN 42 0139: Ocel pro výztuž do betonu - Svařitelná žebírková betonářská ocel - Všeobecně. 2007. 15
Seznam použitých zkratek a symbolů C40/50... třída betonu charakterické pevnosti v tlaku 40 MPa (5) C30/37... třída betonu charakterické pevnosti v tlaku 30 MPa (5) B 500B... třída betonářské oceli s charakteristickou mezí kluzu 500 MPa (7) g k... charakteristická hodnota stálého spojitého zatížení q k... charakteristická hodnota nahodilého spojitého zatížení Q k... charakteristická hodnota nahodilého bodového zatížení s k... charakteristcká hodnota tíhy sněhu v b,0... základní rychlost větru 16
Seznam příloh P1 Statický výpočet 1) Zatížení 2) Vnitřní síly 3) Vazník 4) Sloup 5) Kalichová patka 6) Seznam zdrojů a zkratek P2 Výkresová dokumentace 1) K1 - ŘEZ A-A, B-B 2) K2 - PŮDORYS 3) K3 - POHLED P 4) P1T - VÝKRES TVARU PATKY P1 5) P1V - VÝKRES VÝZTUŽE PATKY P1 6) S1T - VÝKRES TVARU SLOUPU S1 7) S1V - VÝKRES VÝZTUŽE SLOUPU S1 8) V1T - VÝKRES TVARU VAZNÍKU V1 9) V1V - VÝKRES VÝZTUŽE VAZNÍKU V1 V Brně 19.5.2012 Adam Pelikán.. 17