В статье проводится обзор научной литературы в области рамных конструкций. Анализируются оптимальные конструктивные решения металлических поперечных рам.
Ключевые слова: металлическая поперечная рама, тип сечения, марка стали.
Массовое строительство легких металлических одноэтажных однопролетных или многопролетных зданий возрастает с каждым годом. Каркасы таких зданий используют в качестве различных предприятий, например, в гражданской, промышленной отрасли, также это могут быть здания складов, ангаров обслуживания, спортивные и др.
Широкое применение лёгких стальных конструкций поясняется многочисленными достоинствами металла — относительно небольшой расход стали, быстрый монтаж конструкций, индустриальность, хорошие прочностные характеристики, надежность и долговечность, легкий внешний вид в отличие от железобетонных и армокаменных конструкций, ремонтопригодность.
Во всем мире металлические каркасы одноэтажных однопролетных и многопролетных зданий занимают около 50 % от общего объема в строительстве, а в России этот вид конструкций оценивается в 30 %.
История возникновения металлоконструкций в России началась в 17 веке, тогда еще основным материалом был чугун, который позже с развитием черной металлургии заменили на сталь. Производственная база металлоконструкций начала расширяться в 30-х годах в связи с программой индустриализации. В 50-х годах начали решать важные вопросы экономии стали, упрощения изготовления и ускорения монтажа, появились новые стали повышенной прочности. Основным периодом развития легких металлических конструкций в России являются 70-е года 20-го века. Проектными институтами создавались различные системы несущих металлоконструкций зданий типа «Молодечно», «Канск», «Кисловодск», «Орск», «Москва» и др. [1].
Прогресс в области проектирования и строительства металлических каркасов не стоит на месте. В России насчитывается около 140 крупных производственных компаний и комбинатов. Заводы металлоизделий демонстрируют интенсивное развитие, интерес к выпускаемой продукции растёт. В год на 15–20 % увеличивается выпуск металлопроката. Эффективность производства требует рост качества, поэтому в нашей стране металлургическая отрасль производства постоянно развивается, модернизируют существующие цеха и появляются новые заводы, которые выпускают современные металлопрокаты.
На сегодняшний день существует ряд измененных нормативных документов по проектированию, сводов правил, устанавливающих основные правила расчета и проектирования конструкций, а также отражающие номенклатуру новых профилей. Например, недавно вышедший ГОСТ Р 57837–2017 «Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок» [2]. Также постепенно появляются новые высокопрочные стали, требующие новой расчетной основы.
Одноэтажные металлические однопролетные и многопролетные здания включают в себя две основные группы конструкций: несущих и ограждающих элементов. Основные несущие элементы конструкции состоят из фундаментов, колонн и стоек, несущих конструкций покрытий и перекрытий, подкрановых балок и связей. Ограждающими элементами являются наружные и внутренние стеновые ограждения, перегородки, заполнения проемов, конструкция покрытия и пола. Несущие конструкции зданий предназначены для того чтобы принимать и передавать действующие нагрузки на основание здания. Чаще всего одноэтажные металлические однопролетные и многопролетные здания проектируются каркасами рамного типа, образующегося вертикальными несущими элементами, на которые опирают ригели рам. Пространственная жесткость и устойчивость здания и его отдельных элементов обеспечивается прогонами, распорками и системой связей в продольном и поперечном направлениях.
Поперечные рамы могут состоять колонн постоянного сечения или переменного, сплошные (ступенчатые) или решетчатые, раздельного типа, обуславливается это назначением здания, наличием тяжелых мостовых кранов и т. д. Сплошные колонны менее трудоемки по сравнению со сквозными и проектируют их из прокатных профилей чаще всего двутавров. Стальные несущие конструкции покрытия в основном выполняют из двутавровых прокатных или составных балок и ферм.
Компоновка конструктивной схемы рамного каркаса здания является обязательным и важным этапом проектирования. Конструктивное решение здания должно быть технически целесообразным, оптимальным, функциональным, при этом элементы горизонтальные и вертикальных конструкций здания, связанные между собой, должны обеспечивать прочность, надежность, устойчивость и пространственную жёсткость каркаса. Поиск оптимальных параметров конструкции ведется, как правило, по критерию минимальной металлоемкости.
В разработку и исследование принято три типа оптимальных конструктивных схем несущих поперечных рам в зависимости от вида малоуклонного ригеля покрытия, представленные в таблице 1.
Таблица 1
Группы рассматриваемых поперечников
|
№п/п |
Уклон покрытия |
Название группы поперечников |
Описание группы поперечников |
Эскиз |
|
1. |
3 % |
Р1 |
Малоуклонный ригель |
|
|
2. |
3 % |
Р2 |
Малоуклонный ригель с подкосами |
|
|
3. |
3 % |
Р3 |
Малоуклонный ригель с подкосами и затяжкой |
|
Для сокращения количества типоразмеров конструктивных схем принято использовать следующие основные области проектирования зданий-представителей с фиксированными значениями пролётов, габаритной высотой и рациональной конструктивной схемой, представленные на рис. 1.
Рис. 1. Основная область проектирования (синий цвет), дополнительная область проектирования (голубой цвет)
Подсчет интенсивности нагрузок формируется на основании соответственно районов снеговой и ветровой нагрузки по СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» [3] и СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» [4]. На поперечную раму каркаса действуют постоянные и временные (кратковременные) нагрузки. Также на раму могут действовать особые нагрузки, к примеру, сейсмические, взрывные, технологические нагрузки от инженерного оборудования (длительная). Расчет элементов стальных конструкций проводится в соответствии с норами СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» [5]. Оптимизация разработанных металлических каркасов зданий заключается в получение экономической выгодности при полном соблюдении нормативных и технологических требований, также обеспечение его прочности и надёжности.
Выполнив параметрический расчет и анализ конструктивных решений рам Р-1, Р-2, Р-3 для основной области проектирования стальных каркасов можно оценить эффективность и сделать следующие выводы по расходу стали и применению различных типов двутавров. Составлены конструкторы сечений с рекомендуемыми параметрами колонн и ригелей, представленные в таблице 2,3,4.
Таблица 2
Выводы ирекомендуемые параметры колонн иригелей рамы типа Р-1 для II ветрового иIII снегового районов. Конструкторы сечений
|
№ |
Здание-представитель
Р-1 |
Параметры колонны иригеля |
|
|
Тип сечения/ марка стали |
Обоснование |
||
|
1. |
Высота колонны H от 6,0 до 8,4 м. Пролет ригеля L от 12,0 до 18,0 м. |
Тип сечения двутавра — Б. Марка стали — С345, С390 |
Рекомендуется использовать марку стали С390, что уменьшит стоимость колонны/ригеля до 10 % в зависимости от высоты/пролёта. |
|
Тип сечения двутавра — Ш. Марка стали — С390 |
Приведенная стоимость колонны/ригеля из двутавра типа Ш марки стали С390 отличается от типа Б на 12–26 % в зависимости от высоты/пролёта. |
||
|
2. |
Высота колонны H от 8,4 до 12,0 м. Пролет ригеля L от 18,0 до 36,0 м. |
Тип сечения двутавра — Б |
Наименее металлоемкое сечение. |
|
Марка стали — С345 |
Рекомендуется использовать марку стали С390, что уменьшит стоимость до 20 % в зависимости от высоты/пролёта. |
||
Таблица 3
Выводы ирекомендуемые параметры колонн иригелей рамы типа Р-2 для II ветрового иIII снегового районов. Конструкторы сечений
|
№ |
Здание-представитель
Р-2 |
Параметры колонны иригеля |
|
|
Тип сечения/ марка стали |
Обоснование |
||
|
1. |
Высота колонны H от 6,0 до 12,0 м. |
Тип сечения двутавра — Б. Марка стали — С345, С390 |
Наименее металлоемкое сечение. Рекомендуется использовать марку стали С390, что уменьшит стоимость колонны до 10 % в зависимости от высоты |
|
2. |
Пролет ригеля L от 12,0 до 24,0 м. |
Тип сечения двутавра — Б |
Для изгибаемых элементов наиболее эффективным является двутавр типа Б. |
|
Марка стали — С390 |
Рекомендуется использовать марку стали С390, что уменьшит стоимость ригеля до 14 % в зависимости от пролёта. |
||
|
3. |
Пролет ригеля L от 24,0 до 36,0 м. |
Тип сечения двутавра — Б |
Для изгибаемых элементов наиболее эффективным является двутавр типа Б. |
|
Марка стали — С345 |
Рекомендуется использовать марку стали С345, что уменьшит стоимость до 20 % в зависимости от пролета. |
||
Таблица 4
Выводы ирекомендуемые параметры колонн иригелей рамы типа Р-3 для II ветрового иIII снегового районов. Конструкторы сечений
|
№ |
Здание-представитель
Р-3 |
Параметры колонны иригеля |
|
|
Тип сечения/ марка стали |
Обоснование |
||
|
1. |
Высота колонны H от 6,0 до 8,4 м. |
Тип сечения двутавра — Б. Марка стали — С345 |
Рекомендуется использовать марку стали С345. |
|
Тип сечения двутавра — Ш. Марка стали — С345, C390 |
Приведенная стоимость колонны из двутавра типа Ш марки стали С390 отличается от типа Б на 16–29 % в зависимости от высоты. |
||
|
2. |
Высота колонны H от 8,4 до 12,0 м. |
Тип сечения двутавра — Б |
Наименее металлоемкое сечение. |
|
Марка стали — С255, С345, С390 |
Разница приведенной стоимости в зависимости от марки стали не более 5 % в зависимости от высоты. |
||
|
3. |
Пролет ригеля L от 12,0 до 18,0 м. |
Тип сечения двутавра — Б |
Для изгибаемых элементов наиболее эффективным является двутавр типа Б. |
|
Марка стали — С390 |
Рекомендуется использовать марку стали С390, что уменьшит стоимость ригеля до 10 % в зависимости от пролёта. |
||
|
4. |
Пролет ригеля L от 18,0 до 36,0 м. |
Тип сечения двутавра — Б |
Для изгибаемых элементов наиболее эффективным является двутавр типа Б. |
|
Марка стали — С255 |
Рекомендуется использовать марку стали С255, что уменьшит стоимость до 20 % в зависимости от пролета. |
||
Выводы:
1) Конструктивно поперечная рама Р-2 отличается от рамы Р-1 наличием дополнительных жестких опор в виде металлических подкосов из неравнополочных уголков. Устройство таких подкосов используется как метод усиления конструкции. Введение подкосов, изменяет характер напряжений в ригеле и стойках рамной конструкции, позволяет эффективно уменьшить изгибающий момент. Увеличивает запас прочности на 15–20 %, при этом незначительно увеличивается расход стали. Рациональный угол наклона подкоса 450. Сечение подкосов определяется по наибольшему продольному усилию N [кН] в подкосе (сжатие) по ГОСТ 8510–86 [6].
2) Конструктивно поперечная рама Р-3 отличается от рам Р-2 и Р-1 устройством затяжки для восприятия распора. В рамных конструкциях затяжка располагается на уровне узла сопряжения ригеля, стоек и подкосов, позволяет значительно уменьшить изгибающие моменты в ригеле от вертикальных нагрузок. Сечение затяжки определяется по наибольшему продольному усилию N [кН] в затяжке (растяжение);
3) Опирание ригелей всех типов на колонны — шарнирное. Расчетная схема ригеля — шарнирно-опертая балка (влияние уклона не учитывается);
4) Принятые сечения крайних колонн и ригелей можно применять для многопролетных поперечных рам типа Р-1 Р-2, Р-3, так как расход стали на колонну и ригель при шарнирном сопряжении не будет зависеть от количества пролетов;
5) Ветровые, крановые и сейсмические нагрузки на данном этапе исследования не рассматриваются;
6) Фактический пролёт конструкции Lef всегда на 800 мм меньше номинального пролета L;
7) Необходимо обеспечивать раскрепление колонн. Из условия обеспечения устойчивости и гибкости из плоскости действия момента требуется применять распорки так, чтобы расчетная длина колонны Lefy = L/2;
8) Раскрепление ригелей из плоскости обеспечивается прогонами покрытия;
9) Применение двутавров типа К (колонны) нецелесообразно, так как они наиболее металлоемки;
10) Применение марки стали С440 дорого и нецелесообразно, поскольку является новым продуктом;
11) Деформативность конструкций ограничивается эстетико-психологическими требованиями по табл Д.1 СП 20.13330.2018 «Нагрузки и воздействия» [4]. Поэтому предусмотрен строительный подъем для унификации, назначается по максимальному значению для каждого пролета равный деформации от постоянной нагрузки, представленный в таблице 5.
Таблица 5
Строительный подъем
|
Пролет L, см |
Пролет фактический Lef, см |
Строительный подъем fстр, см |
fстр/ Lef |
|
1200 |
1120 |
3.50 |
1/320 |
|
1500 |
1420 |
4.00 |
1/355 |
|
1800 |
1720 |
4.50 |
1/382 |
|
2400 |
2320 |
6.00 |
1/387 |
|
3000 |
2920 |
6.50 |
1/450 |
|
3600 |
3520 |
7.50 |
1/470 |
Литература:
1. Металлические конструкции. Т.2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. В. В. Кузнецова 1998г. — 498 с.
2. ГОСТ Р 57837–2017. Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Технические условия (с Поправкой). — Москва: Стандартинформ, 2017. — 47 с.
3. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23–01–99* (с Изменениями N 1, 2). — Москва, 2012. — 113 с.
4. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85* (с Изменениями N 1, 2). — Москва: Стандартинформ, 2018. — 125 с.
5. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23–81* (с Поправкой, с Изменением N 1). — Москва, 2017. — 140 с.
6. ГОСТ 8510–86. Уголки стальные горячекатаные неравнополочные. Сортамент (с Изменением N 1). — Москва: Стандартинформ, 2012. — 4 с.
