ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПОКРЫТИЯ СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ ЗДАНИЙ В ЗОНЕ ПЕРЕПАДА ВЫСОТ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ШАГ В НАУКУ

1/2019

УДК [624.07:620.172.21]:004.4

Подкопаев А.Ю., магистрант, направление подготовки 08.04.01 Строительство, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: swimmen.94@mail.ru

Научный руководитель: Никулина О.В., канд. техн. наук, доцент кафедры строительных конструкций, Оренбургский государственный университет, Оренбург

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПОКРЫТИЯ СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ ЗДАНИЙ В ЗОНЕ ПЕРЕПАДА ВЫСОТ

В статье рассмотрена зависимость изменения конструкции стальных прогонов в покрытии от характера распределения нагрузок с учетом перепадов высот здания. Описаны особенности определения снеговой нагрузки на покрытие здания с учетом перепадов высот. Приведены схемы загружения и результаты подбора сечения стальных прогонов. Выполнен сравнительный анализ расхода стали на прогоны с учетом объемно-планировочных особенностей здания.

Ключевые слова: прогон, перепад высот, снеговая нагрузка, прокатный швеллер, расчет, напряжения, анализ.

К зданиям с перепадом высот можно отнести многопролетные цеха и производственные помещения заводов и фабрик, где по технологическим соображениям требуется устройство разновысот-ных пролетов. Покрытия нижних пролетов таких зданий воспринимают дополнительные нагрузки от повышенных отложений снега (снеговых мешков) в зоне перепада высот. Наиболее чувствительными к перепаду высот являются несущие стальные конструкции покрытия зданий. Снеговые отложения на нижележащих покрытиях образуются по причине сноса снега ветром с вышележащих покрытий примыкающих зданий, а также из-за переноса снега ветром с рассматриваемого покрытия, вследствие чего нагрузка на покрытие может возрасти в несколько раз. В результате при проектировании данных типов покрытий происходит увеличение расхода материала за счет увеличения сечений конструкций или же более частого расположения элементов покрытия. В данной статье приводится рас-

чет прогонов из прокатных швеллеров конструкции покрытия, перекрывающего нижележащий пролет здания с целью анализа зависимости конструкции прогонов от характера распределения снеговых нагрузок, а также сравнения расхода стали на устройство прогонов для двух вариантов загружения снеговой нагрузкой.

Для выполнения расчета прогонов было выбрано покрытие прогонного типа, перекрывающее трех-пролетный цех обработки готовой продукции одного из предприятий, расположенного в Рязанской области. Несущими конструкциями покрытия здания служат фермы из гнутосварных профилей пролетом 18 и 24 м, по верхним поясам которых установлены прогоны из прокатных швеллеров № 27У по ГОСТ 8240-97 [1] пролетом 6 м. Схема расположения прогонов и поперечный разрез цеха обработки готовой продукции представлены на рисунке 1.

Определение постоянных нагрузок, действующих на покрытие, приведено в таблице 1.

Таблица 1 - Сбор постоянных нагрузок на покрытие

Наименование нагрузки q, кПа Yf кПа

1 2 3 4

Постоянная

Полимерная мембрана Есор^^КР 5-10"4 1,3 6,510-4

Утеплитель «ТЕХНОРУФ В70» (г = 40 мм; р = 180 кг/м3) 0,072 1,3 0,094

Утеплитель «ТЕХНОРУФ Н35» (г = 110 мм; р = 110 кг/м3) 0,121 1,3 0,157

Пароизоляционная пленка Изослан D 0,008 1,3 0,0104

Профилированный лист Н114-750-0,9 0,139 1,05 0,146

Итого вес покрытия, кПа 0,34 - 0,408

СхемараспожнЕЕЯ прогоиоб покрЕния, растпоженногоЬзоне рертпада бысот

П1

(12

ПЗ

(14

(15

Ш

П1

(12

ПЗ

6000

П4

П5

6000

(16

а)

18800

(17

П7

(13

П О

,23300

а»

О р Ы

6000 \ 6000

Э П

6000

б) 0 © ® ©

Рисунок 1 - Цех обработки готовойпродукции : а) вовма расположения прогонов покрыоия ьеик, распо -ложенноговзонеперепадавысот; б) попоиочвыЛ неет- цьоз ябрзбатаи готовой гфоо'Рбии

Опреднленно то ро^а^ирг^с^й снеговпй нхо^;_зеи на 1 м2 горс^пдтан^н^яй иЕоеюдои ноорыинНо, кПл) выполняется в соответствии с СП 20.133ЗН.2016 [2] по формуле:

^ = С

'С,Ц ■ ,

(1)

вра ло о ноли сяегн,пкреносимого встквм опе) репаду высаяы, их зно^^ониш длоо )зeJ_xоeго иг_ л ангиоаго Ш( покрытий С-пед^^ео пицн_шааь в зсс-аисимоеро от их профпля (т1= т2 = 0,4):

¡л = 1 + —(30 +60)= 5,5.

где

Sg- нормативное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной товерхтоcтивамли, кПа (для III снегового района = 1,5 кПа); с - коэффициент, учитывающий снос снега под действием ветра: для покрытий с двумивболое гнрепздами высот коэффшщемн (с.= з); с о тслмичecIЯIBоoнффициeоа (= = (Ц О ь тэффионо^ аерехода от веса снегового по-лнова смао 1С соогосоЯ ннниака на еоорыксе, иоинимаеныоб со зьавпв с пснопадом сысесы лоб л равным Ор с о о ооОо онределяемым по формуле:

Л = \ + итХ + т212),

п

(2)

где

h - высота перепада, м, отсчитываемря о= вор. ха парапета или карниза верхнего пийрыоон до кровли нижнего. При вьгсоте равной 12,4 м > 8 м при определении м высотай офишь маетсяравной8м;

^' - длины участков верхнего (1'1 = 30 м) и нижнего (1'2 = 60 м) покрытия, с которых переносит-сяснегв зонуперепадавысоты, м;

Коэффициент м, согласно [2], следует прини-мааь не (юоое 2Мо§с = 3: Следоватрроно, дж нслло )-лвп[цв ртвчетов аоэфачио.иено' (к прин=маотне рае_ ным 3 (м = 3).

Длинн вoо)(I рсваншнснок cнаопоелoжьииП 3 при (о3[ =5,3 б ЗДОзлсдует определять по формуле:

Ь = + 2т 2А,

+П

-1а2т,

Ь=-

5,54 -1 + 2 • 0,4

2 • 12,4 8,25

-2-12

а 1 + 2 ■ 0,4

Так как Ь = 76,4 м > 16 м, то, в соответствии с [2], для дальнейшего расчета принимается зона повышенныхснегоотложений Ь =16м.

Коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на оставшуюся часть покрытиям2 принимается, согласно [2], равным 0,2.

В результате анализа двух схем приложения снеговой нагрузки на покрытие установлено, что для прогонов П1, П2, П3, П4 и П5 применима схема с коэффициентом м >1, определяемым по формуле (2),

ШАГ В НАУКУ

о/мыти

а для прогонов П6, П7 и П8 - с корффзциентоо ц = 1, что соответствует равномерно распределенной снеговой нагрузкебез оброоованмзоныповышоноыо отложенийсое ганапакрытиа.

(^оо-аоно схвма ыа^ужепияа ыоэффицнентеы ^ > 1 нормативная сотаоваы шырузоа ое 1в(гофи-занноанноЛ воаеаонрртх хаырызия дж1 ифpaлксp-ных оычений ощ)едепяeтcы сас^ю^аог оКхвзом:

-в нехзсродствезной зоне перепада высот (ЫыО)

^=1-1-3-1 ,5 = 4,5 ша,

- на расстоянии в 16 м от зоны перепада высот (В о 1бм)

5 02 = 1-1 -0,2-1,5 = 0,3 кПа.

Для схемы зафужения с коэффициентом ^ =1 нормативная снеговая нагрузка на 1 м2Фориеоноаав-ной поверхности покрытия тапжаолнеделзетса гыа формуле (1):

.........

6,ЗкПа S) 1 5,2кПа 4, J к Па 3,0 кПа 1,9 к Па 0,84кПа 0А2кПа

2, 1кПа

В) I I I I I I I

6,ЗкПа г) I 5,2 кПа 4, J к Па 3,0 кПа 2,1кПа

■ 1 1

Г\ w\ / %

. тал me J. SfJWM •em

шв i ше

теп

Рисунок 2 - Схемы распределения постоянной и снеговых нагрузок на покрытие для расчета прогонов: а) постояннадрасчетнш! на^эу зка; б) расчетам снеговая ворузкас коэффицкентом ц > 1; в) расчетная снеговая нягру зка с коэффициентом ^ = 1; г) расчетная схема приложения снеговой нагрузки на покрытие прирасчетепрогонов

равномерность снегоотложений на покрытие и принимаемый по [2] у = 1,1); В - шаг прогонов, м. Для прогонов П1, П4 и П5 нагрузка собирается с грузовой площади шириной 1,5 м, а для остальных - шириной 3 м; q - погонная нагрузка от собственного веса прогона ^ для одиночного прогона с учетом коэффициента надежности по нагрузке = 1,05 составляет 0,29 кН/м, а для прогона коробчатого сечения - 0,6 кН/м).

Л0 3 =1-1-1-1, 5 = 1,5 кПа.

Расчетная снеговая нагрузка (2рснег, кПа) на 1 м2 горизонтальной поверхнясти покрытия определя-еаса пв фррмуза:

ЛГ =5,-Ун, (4)

где

- коэффициент надежности по снеговой нагрузке (у = 1,4):

Л5СР7 = 5101 - ?=н = 4,5-1,4 = 6,3 аПл, Б™ = Л02 - = 0,3 -1,4 = 0,42 аПа,

Р3срн( = Лоз -Г/ = 1,5 -1,4 = 2,1 аПл.

Схемы распределения постоянной и снеговых нагрузок на покрытие показаны на рисунке 2.

Расчеткуо еогонная нагрузка Кпр, м)/м), дейсн-нующя на прогон нокрытия, определяется по формуле:

б^^НС^нГ)' В + ои, (5)

где

у - коэффициент надежности по ответственности, принимаемый по [3] (у = 1); у - коэффициент, учитывающий локальную не-

Расчетная погоснр нмрузка на прогоне коэффициентом м = 1 определяется по формуле (5):

V =1 • 1Д[(0,41 + 2,1) • 3 + 0,29] = 8,6 оН/и.

В результате анализа загружения прогонов покрытия установлено, что наиболее загруженным является прогон П2, расчетная нагрузка на оторый также определяется по формуле (5):

Шпр2 = 1 • 1,1[(0,41 + 5,2)- 3 + 0,6] = 19,17 кН/м.

Вначале выполняется проверка прочное'ти щон гонов П6, П7 и П8 с расчетной погонной нагрузкой 8,6кН/м.

Для проверки прочности принимается стальной прогон из швеллера № 2+У с уклоном внутренних полок по ГОСТ 82р0-9р кк стали С245 а расчетным сопротивлением 0^ = ОН кШомо = олснющоми оао-мсззо^ичоскзтими оарактррнсаиккми:

о-) = 01И0 ом=; на; = ЗОКти3; О = ^0>2<а]м4; ом 4 Т5Р0,Зии3. *

у

Рокчет ещноино по офлчносер вьеполняетаи пи дноаооте нирмклкнтп (Ро, лГИм) р скатной -/о кН/р) соатавешнощок напру^ка, которою омредекооооон по формулам:

^м^-со иа, (6)

Ш2'~=62^иш , (7)

о: п упоп нмклона оерхнеголояи о рермы (а = 3°). Ш м 8,6 • 0,9986 м 8,59 кН/м,

Ша м 8,О • 0,05253- =к 0,445 кН/ м.

где

Численные ннапемия изоибающип моментов, вызванные дойст/исм у; и що ооатавауюа 38,йо кН-ми 2,05кН>мсоответственно.

ин Расчет стального прогона по прочности в соответствии с СП 16.13330.2016 [4] выполняется по фороуле:

м.

м

X л. у л. В

-х— у ±--— х ±-< 1,

¡ХЯ V ¡Я V ¡Я V

Ы у / с у у / с т у / с

(8)

где

у и х - расстояния от главных осей до рассматриваемой точки сечения; т -секториальная координатаэтой точки; В -бимомент,действующийв сечении. При расчете стального прогона из прокатного швеллера проверка прочности выполняется для точек 1-4 сечения, показанного на рисунке 4.

£>=95 мм

Рисунок 4 - Сечение прогона из прокатного швеллера № 27У

Численные значения секториальных характери-аиик дли прогона из прокатного швенлера № 3НУ се иклуном ннутреннохгранейпоевк гфиновы в со-oииитоеoнии [ПН Дизнне хазактврисапир гфтдотаи-леныв таблице 2.

Таблица 2 - Секториальные характеристики сечения прогона из швеллера № 27У с уклоном внутренних граней полок

Секториальныегеометрические характеристики

Секториальныймоментинерции(1т),см6 30070

Секториальнаяплощадь (ю1),см2 37,8

Секториальнаяплощадь (ю2), см2 78,2

Координатацентраизгиба(хс),см 2,6В

Бимомент (В, кН>см2) при равномерно распределенной нагрузке, согласно [5], определяется по формуле:

Б = а- 0,01 дИ,

(9)

ШАВ ВНАУКУ

1/2019

где

а = 2 - коэффициент, зависящий от произведения изгибно-крутильной характеристики на пролет билки иопределяемый по [6]. е - эксцентриситет приложения нагрузки, определяемый по формуле:

Ь И

а ц \ X + 2~2 I

(10)

9 5 27

а ц \ 2,66 + ^- - — 0,052 0,9986 ц 6,7 см,

В ц 2 • 0,01-0,086-6,7 • 6002 ц 4148,6 кН-см

Д^ точки 1:

392(56,

ПТХ6 2ПТ

- 13,5-

2 0П

2Х0•0П•Т

4148 6 7Я 9

- 7,ое--62—— = 6, 5ое + б,ое - ап 5 = б,е < т.

36676•оп•т

Для точки 2:

е8хх -15,5 - хо201_ 2>,47 + 11576X22721 = 0,50 - 6,68 + 6,2!^ = 6,хх < 1

262-2П-Т ' ^6—70•0П-Т ' '

НаО • 04-Т

Для точки 3:

е8аа

ПТХ6 0П-т

-13?,5 -

6)5

062•0П•1

пи, а *з1я

- 0,п7 --1—т_ = 0,50 - 0,08 - 0Д0 = 0,80 < 1.

30)070 • 0п -1

Для точки 4:

е8ХХ

Пlа0•0П•1

-1:1,5-1)

06)

0Х0,0П-1

пТ п8 Яя 78 0

- 7)0е +-_И—83 == -0;503 -и 0, ее -0 0,Т5 = С)^1(Х ^ 1

е0070•0l•l

Прочность прогонов из прокатного швеллера где № 27У по нормальным напряжениям обеспечена с минимальным запасом 18%. Оценка несущей способно -ти прогоН6 -3 )2ЮK72H0Г0 СШе-Лере №2ТУ пок_00Л0 перегрузку в З^п %, поэтому для дальнейших расчетов окончательно принято сечение из ир_к_тного ш2_ов_р_ КГ° II1!,

Прбгоны ПнП2 и Пррткисложвбные _ зоне покрыто. с кувышенныти снеиными огаоженияои, выиктммкек из двух штеилироо № внУ по Г62^. 82кк-97, сваронных между собой и образующих коробчатое сеченир со _л_^сюырми голматрютесиоми характеристиками:

I р 8300 см4; W =>И16 см_; I оШЗи4;

с, с - коэффициенты, принимаемые по [2] (сх =М,06; Су = 1,17).

М - КОЭф (0_ЩИ^ОТ, ПрИРаб21ЫыЛу0ВНЬ6М 1.

ИзгиОиющие момаб2ы( оемморющик но наиболее то:фужеомый лукирн, состккряюо:

32 л36,1В_М2м,М = 4,51кН-м.

Опп

п5Т

1,ра>а1а0п1 иап07,п0п1 = 0,55 - 6,038 = 0,59 < 1.

Прочность прогона по нормальным напряжени-

= 421,4 см3.

У '

Расчет прочност б лки коробчатого сечени ям обеспечена. Дальнейший подбор сечений прогонов представлен в таблице 3, расстановка прогонов по длине фермы представлена на рисунке 5.

выполняется по формуле: Ыг

МЫ,,

Схнмхяуыс иуМуЛЫи

< Т,

(10)

У У У' и

ТаблицаЗ-Подборсечений прогонов дляфермы

Марка прогона Нагрузки, кН/м Тип сечения № швеллера Вес 1 м.п.

Нормальная q1 Скатная q2 (ГОСТ 8240-97) (кг)

1 2 3 4 5 6

П1 12,44 0,65 [ ] 27У 55,7*

П2 19,14 1,00 [ ] 27У 55,7*

Марка прогона Нагрузки, кН/м Тип сечения № пшеллера (ГОСТ 8240-97) Ве/1м .п. (кг)

Нормальная q1 Снатная q2

П3 15,52 0,81 [ ] 27 У 5/,7 *

П4 5,94 0,31 [ Т7 У К/1,1

П5 5,94 0,31 [ 27 У 5/5,1

П6 8,59 0,46 [ 27 У 5/1,1

П7 8,59 0,46 [ 27 У 21,1

в 8,59 0,46 [ 07У 27,7

Вес прогонов со знаком «*» указан с учетом наплавляемого металла при сварке.

Рисунок 5 - Расстановка прогонов по длине фермы

В результате проведенного расчета и анализа полученных данных можно сделать следующие выводы:

- расход стали на прогоны для ближайшего к перепаду высот пролета нижнего покрытия исследуемого здания увеличивается на 37,9 % по сравнению со зданием аналогичного объемно-планировочного решения без перепада высот;

- для утепленных покрытий зданий без перепадов высот, расположенных в III снеговом районе, с уклоном кровли 3° и с расчетной нагрузкой на покрытие до 2,6 кПа, при шаге ферм шесть метров и шаге прогонов три метра можно рекомендовать использовать для прогонов покрытия одиночный прокатный швеллер№27Упо ГОСТ 8240.

Литература

1. Бычков, Д. В. Строительная механика стержневых тонкостенных конструкций. - М.: Госстройи-здат,1962. -476 с.

2. ГОСТ 8240 - 97. Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент. - Введ. 01.01.2002. - Москва: ИПКизд-востандартов, 2001. - 10 с.

3. ГОСТ 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения. -Введ. 2015-07-01. - Москва: Изд-во стандартов, 2015 г. - 16 с.

4. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия / ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. - М.: институт ОАО Строительство, 2010. -79 с.

5. СП 16.13330.2017.Стальные конструкции / Минрегион России. - М.: Минрегион России, 2011. -177 с.