CC BY
14Раздел 2. Строительные науки
УДК 624.042.1
К ВОПРОСУ РАСЧЕТА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НАДСТРОЕК ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭТАЖЕЙ ЗДАНИЙ ИЗ ХОЛОДНОГНУТЫХ СТАЛЬНЫХ
ПРОФИЛЕЙ
Белавский В.А.*, Богуцкий ЮГ.**
Академия Строительства и Архитектуры КФУ им.В.И.Вернадского,г.Симферополь, ул. Киевская 181
E-mail:* [email protected], ** [email protected]
Аннотация: Выполнена проверка несущей способности двухэтажной надстройки дополнительных этажей здания из холодногнутых стальных профилей при основном и особом сочетании нагрузок с учетом сейсмического воздействия.
Ключевые слова: холодногнутые стальные конструкции, напряженно-деформированное состояние, расчет несущей способности
Введение
В настоящее время СНиП 11-23-81* "Стальные конструкции" и его актуализированная редакция СП 16.13330.2011 не учитывают особенности проектирования и эксплуатации тонкостенных строительных металлоконструкций.
Применение ЛСТК в России сдерживается из-за отсутствия национальной и
межгосударственной нормативно-методологической базы для их проектирования, строительства и эксплуатации. Без разработки специальных технических условий прохождение экспертизы невозможно.
В условиях отсутствия основополагающих документов по проектированию, расчету и эксплуатации строительных конструкций с применением ЛСТК, в последние годы наблюдается рост числа аварий на объектах, возведенных по этой технологии, что не может не подрывать доверие потребителей к таким зданиям и сооружениям.
Таким образом, вопрос разработки и постоянного совершенствования нормативно-методологической базы проектирования ЛСТК является важнейшим шагом на пути развития этого рынка на территории Российской Федерации.
Краткое описание объекта исследования
С 2004 г. лабораторией
холодноформованных профилей и конструкций «ЦНИИПСК им. Мельникова» были разработаны рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу конструкций каркаса малоэтажных зданий и мансард из холодногнутых стальных оцинкованных профилей производства ООО «Балт-Профиль»
Конструктивная схема надстраиваемого здания - каркасно-каменное здание из каменной кладки пильного известняка ракушечника с железобетонными колоннами-сердечниками и монолитными железобетонными перекрытиями, образующими горизонтальные жесткие диски.
Здание запроектировано с частым шагом продольных стен, находящемся в диапазоне 3,2-3,3
м. Стены толщиной 40 см выполнены из каменной кладки пильного известняка ракушечника. Марка камня 15, марка раствора 50. Перекрытия толщиной 16 см выполнены из монолитного железобетона. Высота существующих этажей здания составляет 2,8 м.
Материалом конструкций надстраиваемых этажей планируется принять стальные холодногнутые профиля из стали марки 255 по ТУ У В.2.6-27.3-33667707-001:2010 «Профили стальные листовые гнутые для строительства», разработанные ООО "Торгово-промышленная группа «Альбатрос», г. Днепропетровск [1].
Стальной каркас состоит из следующих конструктивных элементов: стойки, балки, рандбалки, вертикальные и горизонтальные связи в виде раскосов.
Для конструкций используется С и П образный профиль ПС-150/1.5, с шагом несущих конструкций 60 см.
Основными метизами для расчетных соединений профилей между собой в стальные конструкции являются самонарезающие винты 05,5х25 мм. Для крепления профилей к конструкциям из бетона используются разжимные анкерные болты М12х130 мм.
Антикоррозийная защита профилей выполнена цинкованием горячим способом с расходом цинка не менее 275 г/м2.
Постановка задачи
С помощью программного комплекса «Лира-Windows» предлагается выполнить моделирование напряженно-деформированного состояния несущей системы трехэтажного здания с надстройкой двух дополнительных этажей, находящегося в районе с сейсмичностью 8 баллов. Работу сердечников существующего здания, а также стоек и балок надстраиваемого этажа смоделировать стержневыми элементами, элементы стен и перекрытия пластинами.
Общий вид расчетной модели здания представлен на рис.1.
Расчетная модель загружена:
- равномерно-распределенными постоянными и полезными нагрузками. Значения постоянных нагрузок от конструкции полов облегченной конструкции по стальным балкам составили 0.5 кН/м2. Характеристические значения временных нагрузок соответствуют нагрузкам для жилых помещений 1.5 кН/м2. Полезные нагрузки разделялись на длительно действующую часть и кратковременную в соотношении 35 и 65% соответственно.
- сейсмические загружения формировали из статических с автоматизированным распределением весов масс по всем узлам расчетной модели. При вычислении масс постоянные нагрузки учитывали с коэффициентом 0,9, временные длительные - с коэффициентом 0,8, кратковременные - 0,5. Помимо горизонтальных была учтена и вертикальная составляющая сейсмического воздействия.
Цели моделирования:
1) расчет пространственной модели здания на основное и особое сочетание нагрузок с учетом сейсмического воздействия;
2) проверка несущей способности конструкций, расстановка конструктивных элементов стального каркаса надстраиваемых этажей.
Основные результаты и их анализ
В результате расчета получены все компоненты напряженного и деформированного состояния конструктивных элементов здания при постоянной нагрузке, длительно действующей части временной нагрузки, кратковременной части временной нагрузки, сейсмического воздействия вдоль оси Х, оси У и 2.
По результатам расчета пространственной модели здания выполнены следующие проверки несущей способности основания, стен и простенков:
- определено давление под подошвой фундаментов при реконструкции;
- выполнена проверка прочности каменной кладки на сжатие;
- выполнена проверка прочности каменной кладки на срез;
- выполнена проверка прочности каменной кладки на действие главных растягивающих напряжений.
В результате расчета несущей системы здания на программном комплексе «Лира-Windows» получены компоненты напряженного состояния в конечных элементах. Для оценки прочности конструктивных элементов в соответствии с требованиями норм [6,7,8] были связаны расчетные зависимости норм с компонентами напряженного состояния в конечных элементах.
Теоретической основой для расчётов сечений стальных холодногнутых профилей является теория тонкостенных стержней Власова В.З. [1].
Кроме обычных характеристик поперечных сечений стержней, которые для прокатных
профилей приводятся в таблицах сортамента, для лёгких тонкостенных профилей необходимы дополнительные характеристики, учитывающие их тонкостенность, а именно: положение центра изгиба (кручения), секториальный момент, эпюры секториальной площади и секториальные моменты сопротивления.
Расчет и проектирование стальных холодногнутых профилей выполняется согласно рекомендаций «ЦНИИПСК им. Мельникова» [9]. Согласно п.1.5. [9] стандарт не распространяется на проектирование зданий при сейсмичности площадки строительства больше 8 баллов.
Расчет сечений стержней стальных холодногнутых профилей выполнен с помощью программного комплекса «ЭСПРИ» (раздел Холодногнутые стальные профили).
Программным комплексом «ЭСПРИ» выполнены следующие проверки:
1. Прочность центрально растянутых или сжатых элементов.
2. Устойчивость центрально сжатых элементов.
3. Прочность элементов из одиночных профилей, изгибаемых в одной из главных плоскостей.
4. Устойчивость балок.
5. Предельная гибкость.
6. Прочность элементов, изгибаемых в двух главных плоскостях.
7. Проверка для стенок балок.
8. Прочность внецентренно-сжатых и сжато-изогнутых элементов.
9. Устойчивость внецентренно-сжатых и сжато-изогнутых элементов.
10. Устойчивость стенок изгибаемых элементов двутаврового сечения, укрепленного ребрами.
11. Устойчивость стенок изгибаемых элементов, не укрепленных ребрами.
В результате расчетного анализа установлено, что прочность конструкций существующего здания обеспечена с учетом сейсмического воздействия и надстройки дополнительных этажей.
Результаты проверок по прочности и устойчивости центрально растянутых или сжатых элементов стоек холодногнутых элементов показывают дефицит принятых сечений. Потеря прочности и устойчивости сечений происходит в ряде сечений стоек, расположенных по крайним осям проектируемой надстройки и в местах изменения этажности (рис.1). Для обеспечения условий прочности и устойчивости рекомендуется выполнить усиление или замену указанных сечений. В качестве усиления сечений холодногнутых стальных профилей рекомендуется использование комбинированного сечения, состоящего из деревянного бруса и холодногнутого стального профиля. Обеспечение требований СП 14.13330.2014 [7] по использованию рамных каркасов с жесткими рамными узлами можно
достичь надежным креплением холодногнутых точечной контактной сварки или клепочным стальных профилей между собой использованием соединением.
Рис.1. Общий вид расчетной модели здания Выводы
1. С помощью программного комплекса «Лира-Windows» было выполнено моделирование напряженно-деформированного состояния несущей системы трехэтажного здания с надстройкой двух дополнительных этажей с конструкциями из стальных холодногнутых профилей, находящегося в районе с сейсмичностью 8 баллов.
2. Расчет сечений стержней стальных холодногнутых профилей выполнен с помощью программного комплекса «ЭСПРИ» (раздел Холодногнутые стальные профили).
3. Результаты проверок по прочности и устойчивости центрально растянутых или сжатых элементов стоек холодногнутых элементов показывают дефицит принятых сечений. Для обеспечения условий прочности и устойчивости рекомендуется выполнить усиление или замену указанных сечений. В качестве усиления сечений холодногнутых стальных профилей рекомендуется использование комбинированного сечения, состоящего из деревянного бруса и холодногнутого стального профиля.
4. Обеспечение требований СП 14.13330.2014 [7] по использованию рамных каркасов с жесткими рамными узлами можно достичь надежным креплением холодногнутых
стальных профилей между собой использованием точечной контактной сварки или клепочным соединением.
Список литературы
1. ТУ У В.2.6-27.3-33667707-001:2010 " Профили стальные листовые гнутые для строительства". ООО "Торгово-промышленная группа "Альбатрос", Днепропетровск. 2010г
2. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная версия СНиП 2.01.07-85*// ЦНИИПромзданий Департ. АСиГП - Минрегион РФ. - М., 2011
3. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная версия СНиП 52-012003// ЦНИИПромзданий. Департ. АСиГП -Минрегион РФ - М., 2012.
4. Программный комплекс «ЛИРА - 9.0». Инструкция пользователя. Киев. НИИАСС, 2001 г.
5. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Нормы проектирования/ Минрегион России - М., 2010.
6. СП 15.13330.2012. Каменные и армокаменные конструкции// ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко-М.: 2012.
7. СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах// ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко - М.: 2014.
8. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная версия СНиП 2.02.01-83*// Департ. АСиГП. - Минрегион РФ. М., 2011
9. Рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу конструкций каркаса малоэтажных зданий и мансард из холодногнутых стальных оцинкованных профилей производства ООО «Балт-Профиль» «ЦНИИПСК им. Мельникова». М. 2010г.
Belavskiy V.A., Bogutskiy U.G
ON THE CALCULATION OF THE BEARING CAPACITY ADDITIONAL FLOORS OF BUILDINGS FROM COLD-FORMED STEEL PROFILES
Summary: Check the bearing capacity of a two additional floors building of cold-formed steel profiles with a special combination of loads considering the seismic effect.
Keywords: cold-formed steel structures, stress-strain state, calculation of bearing capacity
