ОЦЕНКА ДЕФОРМАТИВНОСТИ СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ ЗДАНИЙ С ПОДСТРОПИЛЬНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.07

Бобылева Д.Ю., магистрант, направление подготовки 08.04.01 Строительство, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: bobyleva.d.u@gmail.com

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

ОЦЕНКА ДЕФОРМАТИВНОСТИ СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ ЗДАНИЙ С ПОДСТРОПИЛЬНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ

В статье рассмотрены две системы стального трехпролетного каркаса: с жесткими узлами сопряжения ригелей с колоннами и колонн с фундаментами и с шарнирными узлами сопряжения ригелей с колоннами при жестком защемлении колонн на фундаментах. Выполнен расчет пространственного каркаса на различные варианты загружений. Оценена деформативность каркаса для обоих вариантов конструктивных решений.

Ключевые слова: стальной каркас, стропильные фермы, подстропильные фермы, деформации, жесткое сопряжение, шарнирный узел, расчетная схема, стержневые конечные элементы, пластинчатые конечные элементы, расчетная нагрузка, нормативная нагрузка, зона повышенного отложения снега, статический расчет, перемещения, анализ.

Проектирование стальных каркасов многопролетных зданий с подстропильными конструкциями является довольно сложной для проектировщика задачей, особенно в том случае, когда за основной критерий при разработке конструктивных решений принимается снижение расхода стали на несущие конструкции. В зданиях с одинаковым шагом колонн и стропильных ферм во всех пролетах эта задача успешно решается заменой шарнирных узлов сопряжения стропильных конструкций с колоннами каркаса на жесткие, в то время как для зданий с подстропильными конструкциями такое решение может привести к нарушению пространственной жесткости всего каркаса из-за повышенной дефор-мативности продольных конструкций.

В качестве объекта исследования влияния жесткости узлов на пространственную жесткость каркаса принято здание склада готовой продукции одного из предприятий Оренбургской области. Каркас здания - стальной, состоящий из колонн, стропильных и подстропильных ферм, прогонов, связей и фахверка, соединенных между собой в пространственную систему, воспринимающую вертикальные и горизонтальные нагрузки. Размеры здания в плане 147,5х60,35 м. Высота здания от пола до низа стропильных конструкций переменная от 5,91 м до 8,0 м. Здание - трехпролетное с пролетами 12м, 18м и 30м. Металлоконструкции каркаса здания запроектированы из следующих профилей:

- колонны - из прокатных двутавровых профилей с параллельными гранями полок 40К2 по ГОСТ 26020-83 - шаг 12 м и 30К2 по ГОСТ 26020-83 -шаг 12 м и 6 м;

- фермы - из спаренных равнополочных уголков по ГОСТ 8509-93;

- связи по колоннам и в покрытии - из спаренных равнополочных уголков и стальных гнутых замкнутых профилей квадратного сечения;

- прогоны покрытия - из прокатных швеллеров с уклоном внутренних граней полок № 24 по ГОСТ 8240-97, с развязкой в середине пролетав плоскости ската тяжами из круглой стали диаметром 18 ммпо ГОСТ 2590-88.

Все заводские соединения конструкций приняты сварными. Монтажные соединения приняты частично сварными, частично на болтах нормальной точности. Укрупнительные стыки ферм выполнены на болтах М20 с присоединением элементов ферм к общей фасонке при помощи монтажной сварки. Вертикальные связи по покрытию крепятся к фермам монтажными болтами М16. Стропильные фермы крепятся к подстропильным фермам при помощи монтажных болтов М24. Горизонтальные связи по покрытию фиксируются на стропильных фермах болтами М16 и дополнительно фасонка связей приваривается к фасонке ферм.

Для обеспечения пространственной жесткости каркаса здания установлены: связевая система по покрытию, включающая поперечные горизонтальные связевые фермы по верхним и нижним поясам стропильных ферм и вертикальные связи и распорки между фермами, а также вертикальные связи и распорки по колоннам. Кроме того, функцию вертикальных связей по опорным сечениям стропильных ферм выполняют подстропильные фермы.

В ходе анализа проектной документации по объекту исследования было выявлено следующее: при заявленных в общих данных проектной документации жестком узле сопряжения фермы с колоннами и жестком стержне колонны соединение

надколонника с колонной реализовано по шарнирной схеме: указанное соединение осуществляется с помощью четырех болтов, закрепленных на опорной пластине надколонника толщиной 10 мм и расположенных внутри сечения надколонника, что не исключает поворота опорного сечения надколонника и принципиально изменяет расчетную схему каркаса.

Для оценки деформативности каркаса были сформированы две расчетные схемы каркаса здания в ПК ЛИРА-САПР и приложены соответствующие постоянные и временные нагрузки. Основной каркас здания смоделирован стержневыми конечными элементами, имеющими шесть степеней свободы. В зависимости от местоположения стержневого элемента в узлах конструкции на него накладываются связи. Узлы стропильных и подстропильных ферм в плоскости конструкций приняты жесткими, но за счет гибкости фасонки в узлах разрешен поворот из

плоскости конструкций (относительно оси Z). Узлы крепления связей, распорок, тяжей приняты шарнирными, разрешены повороты относительно осей X и Y (их, UY). В соответствии с проектным решением присоединение стропильных и подстропильных ферм к надколонникам, а также стропильных ферм к подстропильным выполнено жестким. Опоры основных несущих колонн - жестко защемлены на фундаментах. Для первой расчетной схемы принято жесткое соединение надколонника с основной колонной, как и заложено в проектной документации. Для второй расчетной схемы введен шарнир в узле сопряжения надколонника с колонной (разрешены повороты относительно осей Y и X). Ограждающие конструкции смоделированы прямоугольными четырех узловыми пластинчатыми конечными элементами с нулевой жесткостью для исключения совместной работы элементов ограждения с основными несущими элементами каркаса.

а)

б)

а) общий вид; б) поперечный разрез

Рисунок 1 - Расчетная схема исследуемого объекта

Для оценки напряженно-деформированного состояния каркаса в расчет были введены несколько видов загружений:

- постоянная нагрузка, включающая собственный вес металлических конструкций каркаса (учтен автоматически в ПК ЛИРА-САПР), вес стено-

вого ограждения (стеновые сэндвич панели), вес кровли (нагрузка от кровли собрана в таблице 1);

- снеговая нагрузка: равномерная с коэффициентом ц = 1 и снег на одном скате покрытия с пролетом 30м с коэффициентом ц = 1, т. к. уклон покрытия а = 4°; в снеговой нагрузке учтены зоны повышен-

ного отложения снега вокруг фонарей и у парапета примыкающего здания;

- ветровая нагрузка, состоящая из средней и пульсационной составляющих и приложенная в двух вариантах: ветер справа (нагрузка приложена к колоннам крайнего ряда, установленным с ша-

Таблица 1 - Постоянная нагрузка от кровли

гом 6 м), ветер на торец здания (нагрузка приложена к стойкам фахверка).

Постоянная нагрузка от собственного веса элементов кровельного ограждения на 1м2 покрытия здания определена в табличной форме.

Наименование нагрузки Нормативное значение q , кПа Коэффициент надежности по нагрузке yf Расчетное значение q, кПа

1 2 3 4

1. Гидроизоляционный ковер ПВХ мембрана 0,01 1,3 0,02

2. Минераловатный утеплитель у = 180 кг/м3, 1 = 50 мм 0,09 1,3 0,12

3. Минераловатный утеплитель у = 130 кг/м3, 1 = 50 мм 0,07 1,3 0,09

4. Пароизоляция 1 слой 0,05 1,3 0,07

5. Профилированный настил Н114-600-0,9 по ГОСТ 24045-2016 0,10 1,05 0,11

Итого: 0,46 0,56

Расчетная снеговая равномерно распределенная нагрузка на 1м2 покрытия определяется в соответствии с рекомендациями [2] по формуле

qs =Y

• Sq -М-ce • Ct

(1)

где

у(. = 1,4 - коэффициент надежности по снеговой нагрузке;

с4 - термический коэффициент, применяется для учета понижения снеговых нагрузок на покрытия с высоким коэффициентом теплопередачи вследствие таяния, вызванного потерей тепла,

С = 1

д - коэффициент перехода от поверхности земли к поверхности покрытия:

для малоуклонного покрытия с углом наклона ската а < 20°, д = 1;

Б^- нормативный вес снегового покрова на 1м2 горизонтальной поверхности земли, кПа,

= 1,5 кПа для III снегового района; се - коэффициент снижения снеговой нагрузки за счет сноса снега ветром, определяемый по формуле

се = (1,2 - 0,1-V • л/к) • (0,8 + 0,002 • Ь) (2)

где

V - скорость ветра в зимний период, м/с, определяемая по карте 2 приложения Ж, V = 5 м/с;

к - коэффициент, учитывающий увеличение ветрового давления по высоте, определяемый по таблице 11.2 [2], к = 0,67; Ь - ширина покрытия, м, Ь = 2 • Ь = 60,35 м.

ce = (1,2 - 0,1 • 5 0,67) • (0,8 + 0,002 • 60,35) = 0,65, qs = 1,4 -1,5-1 • 0,65 • 1 = 1,37 кН/м2.

Для анализа деформативности стального каркаса учитывались постоянная нагрузка и снеговая нагрузка с коэффициентом ^ = 1 на пролете L = 30 м. Постоянная нагрузка от кровельного ограждения и снеговая нагрузка прикладывались к пластинам с нулевой жесткостью, моделирующим элементы ограждения. Помимо основной снеговой нагрузки вокруг фонарей в зонах повышенного отложения снега приложена дополнительная снеговая нагрузка. Определение снеговой нагрузки в зонах повышенного отложения снега выполнено с помощью программы Base 8.1 и показано на рисунках 2, 3.

В результате выполненного статического расчета пространственного каркаса здания на действие постоянной нагрузки и односторонней снеговой нагрузки (снеговой нагрузкой загружен пролет L = 30 м), определены максимальные перемещения верхнего (узел 1) и нижнего (узел 2) узлов опирания стропильной фермы на подстропильную ферму по среднему ряду колонн (таблица 2).

Рисунок 2 - Определение снеговой нагрузки в зонах повышенного отложения снега (участок покрытия между парапетом примыкающего здания и шедовым фонарем)

Рисунок 3 - Определение снеговой нагрузки в зонах повышенного отложения снега (участок покрытия у парапета примыкающего здания)

Таблица 2 - Перемещения в узлах подстропильной фермы

№ расчетной схемы № узла Х, мм Т, мм Z, мм их, рад*1000 ЦТ, рад*1000 Ц^ рад*1000

1 1 29.47 -32.46 -37.03 0.06 -4.0 8.77

2 40.98 -32.25 -35.78 0.01 -5.76 0.37

2 1 31.25 -34.21 -37.47 0.19 -4.1 8.49

2 42.99 -33.99 -36.22 0.02 -5.86 -0.51

Из таблицы перемещений узлов стойки подстропильной фермы видно, что в первой расчетной схеме отклонение от вертикали стойки составля-ет11,51 мм, а во второй схеме - 11,74 мм. Предельные смещения осей поясов ферм в соответствии с таблицей 4.9 [4] составляют 0,004к при высоте стойки фермы 2210 мм предельное смещение поясов - 8,84 мм. Фактическое смещение узлов верхнего и нижнего пояса фермы относительно друг друга (отклонение стойки подстропильной фермы от вертикали) превышает допустимые значения в 1,33 раза, независимо от статической схемы узла сопряжения надколонника с колонной.

По результатам расчета пространственного каркаса исследуемого здания в ПК «ЛИРА-САПР» можно сделать следующие выводы:

- принятые в проекте и реализованные при строительстве объекта жесткие узлы сопряжения стропильных ферм с подстропильными фермами

и надколонниками приводят к некорректной работе подстропильных ферм в качестве плоских несущих конструкций и вертикальных связей по покрытию, что влечет за собой нарушение пространственной жесткости каркаса;

- для обеспечения эксплуатационной надежности каркаса необходимо оценить несущую способность элементов подстропильных ферм с учетом работы из плоскости конструкции, по результатам которой, при необходимости, выполнить их усиление и установить дополнительные связевые элементы;

- на стадии разработки проектных решений аналогичных объектов одноэтажных зданий с подстропильными конструкциями следует предусматривать шарнирные узлы опирания стропильных и подстропильных ферм на колонны и стропильных ферм на подстропильные конструкции в соответствии с рекомендациями по проектированию таких каркасов.

Литература

1. Барабаш, М.С. Современные технологии расчета и проектирования металлических и деревянных конструкций. - М.: Изд-во АСВ, 2010. - 336 с.

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

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

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

5. СП 70.13330.2012. Несущие и ограждающие конструкции / ЦНИИПСК им. Мельникова. - М.: Госстрой, ФАУ «ФЦС», 2012. - 196 с.