CC BY
87
Моторний Антон Миколайович, с. н. с. науково-дослгдног частини по кафедр1 основ i фундамент1в Придмпровсъког держаног академп будiвництва та архтектури.
Моторний Микола Антонович, к. т. н., доц. кафедри основ i фундаментiв Приднтровсъког держаног академИ будiвництва та архтектури, e-mail: [email protected].
УДК 624.014 : 693.977
МЕТОДИКА ПРОЕКТУВАННЯ КОНСТРУКЦ1Й КАРКАСА БУД1ВЕЛЬ З ЛСТК
О. Г. Зткевич, к. т. н., доц.
Ключовi слова: каркаси малоповерхових будiвель, ЛСТК, nодатливi з 'еднання, дiафрагми жорсткостi, просторова жорстюсть каркаса
В Укра!ш для зведення малоповерхових бущвель i виконання надбудов тд час реконструкци будiвель все в бшьшому обсязi застосовуються каркаси з легких сталевих тонкостшних конструкцш (ЛСТК).
Дiючi в Укра!ш нормативш документи та iснуючi методики розрахунку не повною мiрою вiдображають особливосп роботи розглянутих конструкцiй, розкрiплених податливими з'еднаннями з листами мало! жорсткост [1; 2].
Постановка проблеми. У бшьшосп конструктивних елементiв будiвель, виконаних на основi каркаса з ЛСТК (стiновi елементи, перекриття i покриття), використовуеться обшивка мало! жорсткостi (плити OSB, гшсоволокнист або гiпсокартоннi листи i т. д.), що приймае участь у робот конструкци, збшьшуючи li несучу здатнiсть i значно впливаючи на просторову жорсткiсть. У той же час, через деяку податливють вузлiв з'еднань обшивки з елементами каркаса, нормативы методики обмежують можливiсть урахування роботи обшивки.
Крiм того, досить складним е вивчення взаемоди елементiв розглянутих будiвель тд час оцiнки !х просторово! жорсткосп. Застосування iснуючих методик [3] вимагае створення достатньо детальних моделей i спричинюе великi витрати часу на стадо! розробки об'емно-планувальних ршень i попереднього призначення конструктивних параметрiв елементiв каркаса будiвлi.
Дослiдження особливостей роботи системи «каркас - податливе з'еднання - обшивка», де обшивка виконуе двi конструктивш функци: розкршлення елементiв каркаса (зменшення розрахунково! довжини, виключення окремих форм втрати стшкосп) i забезпечення жорсткостi конструкцiй (стш, перекриттiв) i каркаса в цшому, дасть можливiсть сформувати методику ращонального проектування будiвлi на основi каркаса з ЛСТК.
Аналiз публiкацiй. Особливосп конструктивних рiшень каркасiв будiвель iз ЛСТК розглянутi в роботау працях Е. Л. Айрумяна, Я. Брудки, B. W. Schafer, W. W. Yu та ш. Вивченню стшкосп тонкостiнних стержнiв присвяченi працi С. I. Бшика, А. I. Маневича, С. В. Ракш^ А. В. Семка, В. А. Семка, A. Ghersi, B. W. Schafer, W. W. Yu та шших учених. У низщ публiкацiй наведено результати дослщжень та експериментальних випробувань сталевих тонкостшних профшв, розкрiплених листовою обшивкою, i жорсткостi вузлiв 1'х з'еднань (O. Iuorio, T. Pekoz, B. W. Schafer та ш.). Питанням взаемоди конструктивних елементiв у просторовш системi при забезпеченнi просторово! жорсткосп будiвлi присвяченi працi П. Ф. Дроздова, B. W. Schafer, S. J. Turston та ш.
Метою роботи е одержання загального алгоритму ращонального проектування конструкцш каркашв iз ЛСТК з урахуванням !х взаемоди з обшивкою мало! жорсткосп з використанням наведених у лтературних джерелах та отриманих пiд час виконання власних дослщжень даних.
Виклад матерiалу. Передбачаеться використання методики рацiонального проектування для поширених об'емно-планувальних рiшень будовель з використанням каркаса з ЛСТК. Щц час формування об'емно-планувального ршення допускаеться використання найбiльш складно! з погляду конструювання системи, але, в той же час, характерно! для каркашв даного типу (максимальш прольоти, вшьне планування, мiнiмум внутрiшнiх стш тощо). Деяке коригування об'емно-планувального ршення (зменшення прольотiв, розширення або введення додаткових дiафрагм) зумовлюе спрощення конструкцш каркаса.
Умовно можна роздшити ухвалення архiтектурно-конструктивного рiшення на жорстке i гнучке:
а) жорстке ршення - прийняте планування остаточне, необхвдш вимоги до конструкцiй i каркасу в цiлому забезпечуються вщповщними конструктивними рiшеннями;
б) гнучке ршення - прийняте попередне архiтектурно-конструктивне ршення може бути частково змiнене для спрощення конструктивних рiшень (здешевлення будiвництва).
У першому випадку рацiональне проектування (зменшення витрат) обмежуеться конструктивними ршеннями, у другому - знаходиться ращональна «рiвновага» мiж конструктивним i об'емно-планувальним рiшеннями.
Таким чином, методика ращонального проектування застосовуеться для випадкiв, коли жорстю рiшення, якi значно ускладнюють конструктивнi рiшення каркаса з ЛСТК, не будуть прийнят^ а саме:
- прийняте об'емно-планувальне рiшення дозволяе використовувати типовi конструктивнi рiшення, але не ефективне за витратою матерiалiв;
- прийняте об'емно-планувальне рiшення може бути дещо змiнене (змiна кшькосп, геометри прорiзiв, дiафрагм тощо) з метою зниження вартостi конструкцiй каркаса шд час рацiонального пiдбору 1'х параметрiв.
Метою методики рацiонального проектування е зменшення каттальних витрат на зведення каркаса будiвлi (С).
Цшьова функцiя задачi:
C = Cstr + Cw ^ min
C
^ str
де Cstr - вартiсть конструктивних елементiв;
Cw - вартiсть трудозатрат при зведенш каркаса.
Вартiсть конструктивних елементiв залежить вiд:
а) геометричних характеристик перерiзiв елементiв каркаса (A, I), що залежать вщ призначення рацiональних параметрiв розкрiплення елеменпв обшивкою (кроку i жорсткостi вузлiв з'еднань, характеристик обшивки);
б) кшькост дiафрагм та 1'х геометричних характеристик - призначення геометричних та конструктивних параметрiв стш^афрагм для забезпечення просторово! жорсткостi будiвлi.
Як указувалось вище, не розглядаеться значна змiна конструктивного ршення при жорсткiй прив'язцi до попередньо прийнятого об'емно-планувального рiшення (наприклад, забезпечення просторово! жорсткостi за рахунок виконання жорстких вузлiв з'еднань конструктивних елеменпв), тому приймаються поширенi для ЛСТК конструктивы рiшення.
Виходячи з цього, трудомютюсть виконання каркаса вардають за рахунок змiни кiлькостi вузлiв з'еднань i площi конструкцiй ^афрагм). Оцiнюючи вартiсть трудозатрати умовно приймають рiвними вартостi монтажу профiлiв рiзних типорозмiрiв, листiв обшивки рiзно! товщини, з'еднувальних елементiв рiзних дiаметрiв тощо.
Загальну схему методики рацiонального проектування конструкцш каркаса з ЛСТК з урахуванням взаемоди з обшивкою наведено на рисунку.
Вона мютить у собi наступнi етапи:
1. Розробка об'емно-планувального ршення, встановлення можливостi коригування його параметрiв для зменшення вартосп будiвництва.
2. Призначення параметрiв елеменпв конструкцiй каркаса (конструкцiя окремих елеменпв, 1'х з'еднань, розрахунковi схеми).
3. Розрахунок елеменпв конструкцш каркаса:
- визначення зусиль в елементах;
- розрахунок елеменпв каркаса (центрально-стиснутих, згинальних, позацентрово-стиснутих);
- сшвставлення зусиль в елементах iз граничними зусиллями;
- коригування конструктивного або об'емно-планувального ршення за невиконання умов забезпечення несучо! здатность
4. Оцiнка жорсткостi прийнято! конструкци каркаса при сприйняттi горизонтальних навантажень. Коригування конструктивного або об'емно-планувального ршення за невиконання умов жорсткосп каркаса.
5. Ощнка витрат на зведення каркаса будiвлi на пiдставi прийнятого об'емно-планувального та конструктивного ршення.
6. Варiювання параметрiв об'емно-планувального та конструктивного ршення в межах
можливого д1апазону змши з вщповщним кроком (/ = 1...л). Повторна оцшка витрат для розглянутого рiшення.
7. Порiвняння витрат на зведення каркаса будiвлi для розглянутих рiшень. Прийняття об'емно-планувального та конструктивного рiшення з мшмальними витратами на зведення бущвл1.
^ Початок
Рис. Загальна схема методики рацюнального проектування конструкцт каркаса з ЛСТК
Розрахунок елеменпв конструкцш каркаса з урахуванням !х взаемодн з обшивкою мало! жорсткостi мае певш особливостi.
Розрахункова довжина в площиш меншо! жорсткостi центрально-стиснутих, позацентрово-стиснутих та стиснуто-згинальних елементiв, а також розрахункова довжина стиснутого поясу згинальних елеменпв iз площини згину визначаеться з урахуванням !х розкршлення податливими зв'язками з обшивкою (вузлами з'еднання). При цьому розглянута геометрична довжина елемента ириймаеться р1вною двом вщстаням м1ж вузлами закршлень £у—2Бс
(враховуеться можливють виходу з ладу одного з'еднувального елемента [4; 5]). Визначаючи розрахункову довжину £ ^ = у , враховують жорстюсть зв'язюв [6; 7].
Ощнку просторово! жорсткосп каркаса будiвлi з ЛСТК пропонусться виконувати в такому порядку:
1) виходячи з прийнятого об'емно-планувального рiшення визначаються горизонтальне навантаження на перекриття (покриття), а також загальш геометричнi характеристики сегментiв лiнiй дiафрагм (висота / довжина), !х кшьюсть, розташування;
2) визначаються коригувальнi коефщенти, що враховують вiдмiннiсть конструктивних параметрiв i геометричних розмiрiв розглянутих сегменлв лши дiафрагми вiд дiафрагми-еталона;
3) визначаеться жорсткiсть одиницi довжини сегмента дiафрагми iз прийнятими конструктивними параметрами;
4) визначаеться жорстюсть лши дiафрагми, що складаеться з декiлькох сегментiв iз визначеними параметрами;
5) визначаеться зусилля, що сприймаеться дiафрагмою, з урахуванням розподiлу горизонтальних навантажень мiж усiма дiафрагмами залежно вщ спiввiдношення жорсткостей конструкцiй, що складають каркас будинку;
6) для ощнки мiцностi елементiв сегмента дiафрагми (зусилля у вузлах з'еднань, урахування додаткового зусилля стиску в стшках вщ горизонтального навантаження на сегмент) визначаеться зусилля, що сприймаеться окремим сегментом, залежно вщ сшввщношення жорсткостей сегменлв у лши дiафрагми; за невиконання умов мщност елементiв сегмента дiафрагми виконуеться коригування конструктивного рiшення (зменшення кроку вузлiв, збiльшення дiаметра сполучних елементiв, змiна товщини, матерiалу лислв обшивки, збiльшення кроку стiйок або !х типорозмiру);
7) визначаеться величина горизонтального перемiщення верхнього поясу дiафрагми виходячи з li жорсткостi та величини сприйнятого горизонтального навантаження.
Висновок. З урахуванням отриманих результатiв розроблено методику ращонального проектування каркасiв малоповерхових будiвель та надбудов iз ЛСТК, що враховуе взаемодда елементiв каркаса з обшивкою мало! жорсткост через податливi з'еднання.
Оцiнка економiчноl ефективност впровадження розроблено! методики проводилася тд час розрахунку каркаса надбудови житлового будинку. Як критерiй оцiнки прийнято витрату стат елементiв каркаса. Економiчний ефект склав 81 грн/м2 загально! площi будинку порiвняно з розрахунками за ддачими нормами.
ВИКОРИСТАНА Л1ТЕРАТУРА
1. Конструкцi! будiвель i споруд. Сталевi конструкцi!. Норми проектування, виготовлення та монтажу: ДБН В.2.6-163:2010. - К. : Мщепонбуд Укра!ни, 2011. - 202 с.
2. Настанова з проектування конструкцш будинюв iз застосуванням сталевих тонкостiнних профiлiв : ДСТУ-Н Б В.2.6-87:2009. - К. : Мшрепонбуд Укра!ни, 2010. - 55 с.
3. Дроздов П. Ф. Конструирование и расчет несущих систем многоэтажных зданий и их элементов. [Учебное пособие для вузов]. Изд. 2-е, перераб. и доп. / П. Ф. Дроздов - М. : Стройиздат, 1977. - 223 с.
4. Yu W.W. Cold-form steel design [Текст] / W. W. Yu 3rd ed. 2000. - 767 p.
5. Iuorio O. Compilation of k values [Електрон. ресурс] / O. Iuorio, B. W. Schafer; Johns Hopkins University. - 2008 - Режим доступу: http:// www.ce.jhu.edu/bschafer/sheathedwalls.
6. Лейтес С. Д. Справочник по определению свободных длин элементов стальных конструкций / С. Д. Лейтес. - М., 1963. - 161 с.
7. Савицький М. В. Особливост розрахунку елемеипв каркаса з ЛСТК обшитих листами мало! жорсткосп / М. В. Савицький, А. М. Зшкевич, О. Г. Зшкевич // Галузеве машинобудування, будiвництво. - Полтава : ПолтНТУ, 2012. - Вип. 3 (33). - С. 207 - 211.
SUMMARY
Framings from lightweight steel thin-wall constructions (LSTC) are used for erection of low-rise buildings and superstructures in many cases. In such building structures based on the LSTC framing (walls and floors) are used low rigidity sheathings (OSB, gypsum board, etc), which increase their carring ability and spatial rigidity.
At the same time, due to spring stiffness of frame-sheathing connections, building codes restrict an opportunity of sheathing work accounting and, as a consequence, more efficient use of element cross-sections. In addition, enough challenge is accounting of considered building elements interaction for estimation of their spatial rigidity.
Investigation of the features of "framing-spring stiffness connections- sheathing" system, where the sheathing carries out two structural functions: frame elements bracing (reduction of effective length and exception of certain form buckling) and to ensure the rigidity of structures (walls, floors) and the frame as a whole, will allow to form the technique of rational design of the LSTC framing building.
The purpose of this work is to obtain a general algorithm of rational design of LSTC framing constructions in view of their interaction with low rigidity sheathing, using presented in the available sources and received in own work data.
The main task of rational design technique is to reduce the cost of building frame. It includes the following steps:
1) development of space-planning decisions (considering the possibility of adjustments to reduce the cost of construction);
2) assignment of frame element parameters (single element constructive decisions, their connections);
3) calculation of frame structural elements (accounting sheathing work);
4) estimation of the accepted frame structure rigidity under the lateral forces; adjustment constructive or space-planning decisions at default of frame rigidity conditions;
5) estimation of building frame cost based on the accepted space-planning and constructive decision;
6) variation of the space-planning and constructive solution parameters in possible margines; reassessment of the cost;
7) comparison of costs; adoption of space-planning and design solution with minimal costs for erection of the building.
Calculation of frame structural elements and estimation of LSTC building frame spatial rigidity are carried out with accounting of their interaction with a low rigidity sheathing.
REFERENCES
1. Konstruktsii budivel' i sporud. Stalevi konstruktsii. Normy proektuvannya, vyhotovlennya ta montazhu: DBN V.2.6-163:2010. - К. : Minrehionbud Ukrayiny, 2011. - 202 s.
2. Nastanova z proektuvannya konstruktsiy budynkiv i sporud iz zastosuvannyam stalevyh tonkostinnyh profiliv : DSTU-N B V.2.6-87:2009. - К. : Minrehionbud Ukrayiny, 2010. - 55 s.
3. Drozdov P. F. Konstruirovanie i raschet nesushchih sistem mnogoetazhnyh zdaniy i ih elementov. [Uchebnoe posobie dlya vuzov]. Izd. 2-e, pererab. i dop./ P. F. Drozdov - M. : Stroyizdat, 1977. - 223 s.
4. Yu W. W. Cold-form steel design [Текст] / W. W. Yu 3rd ed. 2000. - 767 p.
5. Iuorio O. Compilation of k values [Elektron. resurs] / O. Iuorio, B. W. Schafer; Johns Hopkins University. - 2008 - Rezhym dostupu: http:// www.ce.jhu.edu/bschafer/sheathedwalls.
6. Leytes S. D. Spravochnik po opredeleniyu svobodnyh dlin elementov stal'nyh konstruktsiy [Tekst] / S. D. Leytes. - M., 1963. - 161 s.
7. Savyts'kyy M. V. Osoblyvosti rozrahunku elementiv karkasu z LSTK obshytyh lystamy maloyi zhorstkosti / M. V. Savyts'kyy, A. M. Zinkevych, O. G. Zinkevych // Galuzeve mashynobuduvannya, budivnytstvo. - Poltava : PoltNTU, 2012. - Vyp. 3 (33). - S. 207 - 211.
BidoMocmi про автора
З1нкевич Оксана Григор1вна, к. т. н., доцент кафедри зал1зобетонних та кам'яних конструкцт Придмпровськог державног академИ' буд1вництва та арх1тектури, e-mail: oks-ukr@mail. ru
