Разработка оптимальных конструктивных решений легких металлических каркасов одноэтажных однопролетных и многопролетных зданий | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 6 марта, печатный экземпляр отправим 10 марта.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство

Опубликовано в Молодой учёный №18 (308) май 2020 г.

Дата публикации: 01.05.2020

Статья просмотрена: 39 раз

Библиографическое описание:

Пермякова, А. Ю. Разработка оптимальных конструктивных решений легких металлических каркасов одноэтажных однопролетных и многопролетных зданий / А. Ю. Пермякова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 18 (308). — С. 75-80. — URL: https://moluch.ru/archive/308/69423/ (дата обращения: 25.02.2021).



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.

Основные термины (генерируются автоматически): тип сечения двутавра, марка стали, сталь, марка, пролет ригеля, высота колонны, двутавр типа, конструктор сечений, Россия, тип сечения.


Ключевые слова

металлическая поперечная рама, тип сечения, марка стали

Похожие статьи

Некоторые результаты расчета фермы покрытия машинного зала...

– прогонов из прокатных двутавров; – сэндвич-панелей. Для корректного сравнения расчета по EN

Устойчивость элемента зависит от типа сечения, расчетных размеров стенок, свесов полок и марки стали элемента.

Сечения фермы, принятые по результатам расчета. Сечение.

Зарубежный опыт применения составных деревянных...

В стенке балок двутаврового сечения, для уменьшения общей массы, применяется тонколистовая сталь. Но при большой высоте сечения балки, стенка из тонколистовой стали теряет устойчивость. Для повышения устойчивости стенки ей придают пространственную...

Расчет сечения сборно-монолитной конструкции в стадии...

Рис. 1. Расчетное сечение. Сечение включает в себя: сборный преднапряженный ригель, сборную плиту-опалубку, пенобетонные блоки, монолитный бетон. В рамках настоящей работы выполнен расчет характерного сечения плиты перекрытия типового этажа.

Классификация арочных покрытий по типу сечения

Высота сечения арки зависит от пролета и соотношения между величинами постоянной и переменной нагрузок и принимается для решетчатых арок в пределах l/30 — l/60 пролета, для сплошных сечений l/50 — l/80. Сплошные сечения в арках следует принимать при условии...

Обследование строительных конструкций корпуса №9 ПАО...

Балки опираются непосредственно на верхнюю грань консоли колонн.

Сечение балок — I № 25 немецкого сортамента [4], пролёт — 7,8 м. По данным инструментального анализа прогиб

Ригели применены для промышленных зданий и имеют высоту поперечного сечения 800 мм.

Проблемы использования конструкций сборно-монолитного...

Система КБК предусматривает применение неразрезных (многоэтажных) колонн сечением 400х400 мм с предельной длиной 11 980 мм. Высота этажа может варьироваться от 3 до 11 м. [3]. Связи – железобетонные элементы жесткости сечением 200х250 мм устанавливаются для...

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом

где — момент сопротивления расчётного сечения сварного соединения по металлическому шву.

При проверке несущей способности уже изготовленных рам с устройством соединения колонн с фундаментом по типу рис. 1 без траверс нельзя считать соединения жесткими.

Быстровозводимые здания из легких металлических конструкций...

Классификация арочных покрытий по типу сечения. Высота сечения арки зависит от пролета и соотношения между величинами...

Натурное обследование строительных конструкций, прочность бетона несущих конструкций (железобетонных колонн, балок и.

Особенности сборно-монолитного домостроения

Сечения ригелей выбираются в диапазоне от 20 до 60 см, в зависимости от места их установки. При этом ширина ригеля принимается равной ширине колонны примыкания, его высота рассчитывается в зависимости от воздействующих на ригель нагрузок.

Похожие статьи

Некоторые результаты расчета фермы покрытия машинного зала...

– прогонов из прокатных двутавров; – сэндвич-панелей. Для корректного сравнения расчета по EN

Устойчивость элемента зависит от типа сечения, расчетных размеров стенок, свесов полок и марки стали элемента.

Сечения фермы, принятые по результатам расчета. Сечение.

Зарубежный опыт применения составных деревянных...

В стенке балок двутаврового сечения, для уменьшения общей массы, применяется тонколистовая сталь. Но при большой высоте сечения балки, стенка из тонколистовой стали теряет устойчивость. Для повышения устойчивости стенки ей придают пространственную...

Расчет сечения сборно-монолитной конструкции в стадии...

Рис. 1. Расчетное сечение. Сечение включает в себя: сборный преднапряженный ригель, сборную плиту-опалубку, пенобетонные блоки, монолитный бетон. В рамках настоящей работы выполнен расчет характерного сечения плиты перекрытия типового этажа.

Классификация арочных покрытий по типу сечения

Высота сечения арки зависит от пролета и соотношения между величинами постоянной и переменной нагрузок и принимается для решетчатых арок в пределах l/30 — l/60 пролета, для сплошных сечений l/50 — l/80. Сплошные сечения в арках следует принимать при условии...

Обследование строительных конструкций корпуса №9 ПАО...

Балки опираются непосредственно на верхнюю грань консоли колонн.

Сечение балок — I № 25 немецкого сортамента [4], пролёт — 7,8 м. По данным инструментального анализа прогиб

Ригели применены для промышленных зданий и имеют высоту поперечного сечения 800 мм.

Проблемы использования конструкций сборно-монолитного...

Система КБК предусматривает применение неразрезных (многоэтажных) колонн сечением 400х400 мм с предельной длиной 11 980 мм. Высота этажа может варьироваться от 3 до 11 м. [3]. Связи – железобетонные элементы жесткости сечением 200х250 мм устанавливаются для...

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом

где — момент сопротивления расчётного сечения сварного соединения по металлическому шву.

При проверке несущей способности уже изготовленных рам с устройством соединения колонн с фундаментом по типу рис. 1 без траверс нельзя считать соединения жесткими.

Быстровозводимые здания из легких металлических конструкций...

Классификация арочных покрытий по типу сечения. Высота сечения арки зависит от пролета и соотношения между величинами...

Натурное обследование строительных конструкций, прочность бетона несущих конструкций (железобетонных колонн, балок и.

Особенности сборно-монолитного домостроения

Сечения ригелей выбираются в диапазоне от 20 до 60 см, в зависимости от места их установки. При этом ширина ригеля принимается равной ширине колонны примыкания, его высота рассчитывается в зависимости от воздействующих на ригель нагрузок.

Задать вопрос