CC BY
51
УДК 624.014:624.074.4
Кузнецов И.Л. - доктор технических наук, профессор
Салахутдинов М.А. - аспирант
Гимранов Л.Р. - ассистент
E-mail: [email protected]
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
НОВЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ ЛЕГКИХ МНОГОПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ
АННОТАЦИЯ
В статье рассматриваются новые конструктивные решения каркасов многопролетных зданий из легких металлических конструкций. Особенностью предполагаемых зданий является замена подстропильных и части стропильных ферм на подкосно-балочные конструкции. Приводятся результаты расчетов и показатели по расходу стали при различных вариантах выполнения каркасов в целом и различных узлах соединения элементов подкосно-балочных конструкций.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: стальной каркас многопролетного здания, подстропильные и стропильные фермы, подкосно-балочная конструкция.
Kuznetsov I.L. - doctor of technical sciences, professor
Salakhoutdinov M.A. - post-graduate student
Gimranov L.R. - assistant
Kazan State University of Architecture and Engineering NEW STRUCTURAL SOLUTIONS OF STEEL FRAMES OF LIGHT MULTISPAN BUILDINGS ABSTRACT
The paper deals with a new structural solution of multispan building frames from light metal constructions. Feature of assumed buildings is replacement of eaves girder and part of trusses on bracket-beam construction. The results of calculations and indicators of the steel expense for different variants realizing of frames in whole and different joints of elements of bracket-beam constructions are given.
KEYWORDS: Steel frame of multispan building, eaves girder and trusses, bracket-beam construction.
Востребованность в строительстве зданий торгово-развлекательного назначения, логистических центров синтезировала их особую конструктивную форму с применением легких металлических конструкций (ЛМК) [1]. Отмеченная конструктивная схема является доработкой известных конструктивных решений легких зданий промышленного назначения, например типа «Молодечно» [2]. Отличия в конструктивных решениях указанных зданий обусловлены спецификой зданий торгово-развлекательного назначения, а именно - значительной их протяженностью в обоих направлениях, большим шагом расстановки колонн и минимальным числом связей, обеспечивающих свободу планировки, и отсутствием крановых нагрузок. В связи с этим каркас многопролетного здания включает колонны, защемленные в обоих направлениях на фундаментах, стропильные и подстропильные фермы и профилированный стальной настил, уложенный по верхним поясам стропильных ферм с образованием жесткого диска по покрытию. Примером рассматриваемых зданий может служить здание ТЦ «Мега» в г. Казани [1] размерами в плане 228x384,6 м с сеткой колонн 16х16 м. В указанном здании удельный расход стали от массы стропильных (G=866 кг) и подстропильных ферм (G=1343 кг) равен 24,02 кг/м2. Анализ конструктивной схемы каркаса данного здания, включающего классические подстропильные и стропильные фермы, показал, что имеются резервы в снижении расхода стали и трудоемкости изготовления.
Поэтому рассмотрим возможные пути снижения расхода стали на подстропильные и стропильные конструкции многопролетного здания. Для нахождения возможного направления в поиске нового конструктивного решения подстропильных и стропильных конструкций решим задачу синтеза оптимальной балочной конструкции. Исходной конструкцией для оптимизации является балка на двух опорах, загруженная сосредоточенной нагрузкой по аналогии с подстропильной
конструкцией. Задача структурного синтеза решается по критерию минимума массы. Для этого исходную балку разбиваем на объемные конечные элементы и задачу оптимизации решаем методом последовательного приближения с использованием ПК «Ашув». В зависимости от величины снижения массы исходной балки на рис. 1 (б, в, г) приведена окончательная форма оптимальной конструкции. Из приведенных рисунков наибольшее снижение массы балки достигается при трансформировании исходной балки в решетчатую конструкцию с минимальным числом элементов (рис. 1 г).
а)
б)
Рис. 1. Оптимальная форма балочной конструкции в процессе структурного синтеза а) исходная конструкция; б) промежуточная конструкция со снижением массы на 30 %; в) промежуточная конструкция со снижением массы на 40 %; г) оптимальная конструкция со снижением массы на 80 %
Используя полученные выше результаты синтеза оптимальной конструкции, можно предложить следующие конструктивные схемы каркасов многопролетного здания (рис. 2 а, б). Первая конструктивная схема (рис. 2 а) предусматривает замену только подстропильных ферм на подкосно-балочную конструкцию. Вторая схема (рис. 2 б) предполагает замену как подстропильных, так и части стропильных ферм, расположенных по оси колонн, на подкосно-балочную конструкцию.
Для выявления эффективности предложенных схем стальных каркасов рассмотрим фрагмент пятипролетного здания с сеткой колонн 16х16 м, соответствующей ранее указанному зданию ТЦ «Мега» в г. Казани. На конструкции покрытия действует расчетная нагрузка от собственной массы несущих конструкций, технологического оборудования и кровли 278 кг/м2 и расчетная снеговая нагрузка интенсивностью 240 кг/м2. Статический расчет проводился на программном комплексе «Лира 9.6» по различным расчетным схемам, отличающимся характером крепления подкосов к колоннам и балкам (табл. 1 и 2). При подборе сечений несущих элементов из стали класса С245 принималось выполнение подкосов и стропильных ферм из гнутосварных профилей по ГОСТ 302452003, а балок подстропильных и стропильных конструкций из прокатных двутавров по СТО АСЧМ 20-93. Профилированный стальной настил принимался однотипным и в сравнительной оценке по расходу стали не учитывался. Результаты расчетов и удельный расход стали на несущие конструкции покрытия приведены в таблицах 1 и 2.
Рис. 2. Предлагаемые конструктивные схемы каркасов многопролетных зданий на примере одной ячейки (значения шага колонн рассматриваем как пример): а) с заменой подстропильных ферм на подкосно-балочную конструкцию; б) с заменой подстропильных и части стропильных ферм на подкосно-балочную конструкцию
Таблица 1
Сравнение расчетных схем подстропильной и стропильной подкосно-балочной конструкции
пятипролетного здания для средней ячейки
№ п/п
Расчетная схема*
Подстропильная подкосно-балочная _конструкция
Балка консольного участка
Балка среднего участка
Подкос
Стропильная подкосно-балочная _конструкция
Балка консольного участка
Балка среднего участка
Подкос
двутавр 20Б1
двутавр 40Б1
ГСП 200x7
двутавр 30Б2
двутавр 35Б1
ГСП 140x4
двутавр 40Б1
двутавр 40Б1
ГСП 200x7
двутавр 30Б2
двутавр 40Б1
ГСП 180x6
й-
-----а^—<¥>—-¿в-
двутавр 40Б1
двутавр 40Б1
ГСП 200x7
двутавр 30Б2
двутавр 40Б1
ГСП 150x5
„
-а—
двутавр 40Б1
двутавр 40Б1
ГСП 200x7
двутавр 30Б2
двутавр 40Б1
ГСП 140x5
К
- оа^-—,—---—|—
-^о---оа~—,—-ео-
|0---ое-
4,1
двутавр 20Б1
двутавр 40Б1
ГСП 200x7
двутавр 30Б1
двутавр 35Б1
ГСП 140x4
-в,
,0-------О®- -
двутавр 20Б1
двутавр 35Б2
ГСП 200x7
двутавр 30Б1
двутавр 35Б1
рядовой: ГСП 140x4 торцевой: ГСП 150x5
Кружками указано наличие шарниров в соединении элементов каркаса
Таблица 2
Удельный расход стали на несущие конструкции покрытия
№ п/п Вариант стального каркаса Масса подстропильных конструкций, (кг) Масса стропильных конструкций*, (кг) Удельный расход стали, (кг/м2)
Схема 1 (рис. 2 а) Схема 2 (рис. 2 б)
1 ТК «Мега» 1342,8 866,1 24,02
2 а 1030,06 814,22/866,1 21,58 21,17
3 б 1390,06 965,12/866,1 24.39 25,17
4 в 1390,06 848,52/866,1 24,39 24,26
5 г 1390,06 836,86/866,1 24,39 24,16
6 д 1030,06 764,22/866,1 21,58 20,78
7 е 988,06 764,22/866,1 21,25 20,46
* В знаменателе приведена масса стропильных ферм, расположенных не по оси колонн (рис. 2 б).
Анализ полученных данных по удельному расходу стали от несущих конструкций покрытия (табл. 2) показывает:
- предлагаемые конструктивные схемы стальных каркасов обладают преимуществами по расходу стали в сравнении с существующими;
- величина экономии стали зависит от наличия и места расположения шарниров в элементах подкосно-балочной конструкции;
- максимальное снижение удельного расхода стали до 15 % достигается для схемы 2 (рис. 2 б) и варианта «е» (табл. 2).
Выводы:
1. Проведенные исследования показали, что замена стропильных и подстропильных ферм на подкосно-балочные конструкции в рассмотренном варианте позволяет уменьшить металлоемкость на стальной каркас многопролетного здания до 15 %.
2. Дальнейшие исследования в совершенствовании предлагаемых конструктивных схем каркасов многопролетных зданий должны вестись в направлении поиска оптимальных геометрических параметров, уменьшения количества монтажных элементов, назначения рациональных сечений элементов как по критерию минимума массы, так и стоимости «в деле».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гимранов Л.Р. Пространственная жесткость одноэтажных многопролетных легких зданий с применением профилированного настила с увеличенной высотой гофр. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Казань, 2010. - 171 с.
2. Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24 и 30 м с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно». Чертежи КМ. Серия 1.460.3-14/90. Выпуск 3. - М., 1982. - 136 с.
REFERENCES
1. Gimranov L.R. Space stiffness of single-storey multispan buildings with using steel deck with increased height of corrugations. Dissertation on competition of degree of a Cand. Tech. Sci. - Kazan, 2010. - 171 p.
2. Steel constructions of covering of industrial 18, 24 and 30 span buildings with application of rectangular section by type «Molodechno» from closed roll-welded profiles. Drawings MK. Series 1.460.314/90. Publication 3. - M., 1982. - 136 p.
