- Белгородский Государственный Технологический

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО Белгородский государственный технологический университет
им. В.Г. Шухова
Кафедра экспертизы и управления недвижимостью
Расчетно-графической задание по дисциплине
«Металлические конструкции»
на тему
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТАЛЬНОГО КАРКАСА
МНОГОЭТАЖНОГО ГРАЖДАНСКОГО ЗДАНИЯ
Выполнил ст. гр. С-341 Иванов И.И.
Проверил ст. преп. Жариков И.С.
Белгород 2015
2
СОДЕРЖАНИЕ
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ......................................................................................... 3
2. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОКРЫТИЯ ПО СПН ......................... 3
2.1. Сбор нагрузок ...................................................................................................... 3
2.2. Определение внутренних усилий и подбор СПН ............................................ 5
2.3. Определение прогиба и проверка жесткости СПН .......................................... 6
2.4. Узлы крепления СПН .......................................................................................... 7
3. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ КРОВЕЛЬНОГО ПРОГОНА .............. 7
3.1. Сбор нагрузок ...................................................................................................... 7
3.2. Определение внутренних усилий и подбор сечения прогона......................... 8
3.3. Определение прогиба и проверка жесткости прогона..................................... 9
3.4. Узлы крепления прогона .................................................................................. 10
4. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ВТОРОСТЕПЕННОЙ БАЛКИ
ПЕРЕКРЫТИЯ .......................................................................................................... 10
4.1. Сбор нагрузок .................................................................................................... 10
4.2. Определение внутренних усилий и подбор сечения ВБ ............................... 11
4.3. Определение прогиба и проверка жесткости ВБ ........................................... 12
4.4. Узлы крепления ВБ ........................................................................................... 13
5. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ФЕРМЫ ПОКРЫТИЯ ....................... 13
5.1. Сбор нагрузок .................................................................................................... 13
5.2. Определение внутренних усилий и подбор сечения элементов фермы ...... 14
5.3. Определение опорных реакций крайних узлов фермы покрытия................ 16
5.4. Узлы сопряжения элементов кровельной фермы .......................................... 16
6. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ КАРКАСА
ЗДАНИЯ ...................................................................................................................... 17
6.1. Сбор нагрузок .................................................................................................... 17
6.2. Расчет рамы каркаса в осях 2, А-Г................................................................... 19
6.3. Расчет рамы каркаса в осях в осях 4, А-Г ....................................................... 23
6.4. Узлы сопряжения элементов каркаса здания ................................................. 25
7. ВЫВОДЫ ................................................................................................................ 28
3
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Требуется выполнить проектирование элементов стального каркаса
многоэтажного гражданского здания по следующим данным:
1. Объемно-планировочное решение здания:
— пролет в крайних горизонтальных осях
5,4 м;
— пролет в средних горизонтальных осях
3,9 м;
— шаг колонн в вертикальных осях
10×5,7 м = 57,0 м
— этажность
5 этажа
— высота этажа
3,9 м
— уклон рулонной кровли
3%
— уклон ферм зенитного фонаря
10
— тип перекрытия —
монолитное по СПН
— тип покрытия —утепленное по СПН
— прокатные профили:
— двутавры горячекатаные с параллельными гранями полок по
СТО АСЧМ 20-93;
— швеллеры с параллельными гранями полок по ГОСТ 8240-97;
— трубы прямоугольные по ГОСТ 30245-2003
— сопряжение балок перекрытия и покрытия — в одном уровне;
2. Нагрузки на перекрытия:
— конструкция перекрытия с полом
— конструкция покрытия с утеплением
— временная нагрузка, длительная
— приведенная высота ж/б перекрытия
390 кг/м2;
130 кг/м2;
300 кг/м2;
14 см;
3. Климатические районирование площадки строительства:
— по ветровой нагрузке
3 район;
— по снеговой нагрузке
6 район;
2. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОКРЫТИЯ ПО СПН
2.1. Сбор нагрузок
Стальной профилированный настил (СПН) применяется в легких кровлях и
крепится к прогонам. СПН крепится к кровельным прогонам и верхним поясам
ферм самонарезающими болтами диаметром 6 мм, устанавливаемыми с шагом
300 мм, а сопряжение листов друг с другом осуществляется специальными
заклепками диаметром 5 мм. СПН изготавливается из стали 08пс (Ry = 175 МПа).
4
Рис. 1.
Схема расположения кровельных прогонов
Шаг установки кровельного прогона l:
— в крайних пролетах — 5,4/4=1,35 м;
— в среднем пролете — 3,9/3=1,3 м;
Принимаем СПН из листов длиной 2×1,35=2,7 м, работающий по
двухпролетной расчетной схеме на следующие расчетные сочетания нагрузок
(РСН):
РСН1 — на стадии монтажа
РСН2 — на стадии эксплуатации
Рис. 2.
Расчетная схема СПН
Согласно СП 20.13330.2011 расчетное значение нагрузки следует определять
как произведение ее нормативного значения на коэффициент надежности по
нагрузке f [табл. 7.1, п. 8.3]
5
Определим нагрузки, действующие на СПН:
— на стадии монтажа:
— собственный вес СПН: q = qn×f = 0,15×1,05 = 0,16 кПа;
— нагрузка от конструкций покрытия с утеплением на половине
пролета: p = pn×f = 1,3×1,3 = 1,69 кПа;
— сосредоточенная нагрузка от монтажника F:
F = Fn×f = 1,2×1,2 = 1,44 кН.
— на стадии эксплуатации:
— собственный вес СПН: q = qn×f = 0,15×1,05 = 0,16 кПа;
— нагрузка от конструкций покрытия с утеплением: p = pn×f = 1,3×1,3
= 1,69 кПа;
— снеговая нагрузка s: s = Sg = 5,6 кПа.
2.2. Определение внутренних усилий и подбор СПН
Определение внутренних усилий в СПН проводим как для двухпролетной
неразрезной балки шириной 1 м с учетом коэффициентов сочетаний нагрузок
kпост=1 и kкратк=0,9:
— на стадии монтажа:
Максимальный момент в СПН на стадии монтажа:
13F l
9q  p l 2
в пролете: Ммонт = kпост×
+ kкратк×
= 1,0×9×1,85×1,352/128 +
64
128
0,9×13×1,44×1,35/64 = 0,60 кНм;
 ql2 pl2 
3F l
 + kкратк×

Ммонт на опоре: kпост× 
= 1,0×(0,16×1,352/8 +
16 
32
 8
+ 1,69×1,352/16) + 0,9×3×1,44×1,35/32 = 0,39 кНм.
6
— на стадии эксплуатации:
Максимальный момент в СПН на стадии эксплуатации:
9q  p l 2
9s l 2
Мэкпл в пролете = kпост×
+ kкратк×
= 1,0×9×(0,16+1,69)×1,352/128+
128
128
2
+0,9×9×5,6×1,35 /128 = 0,88 кНм;

q  p l 2
sl2
Мэкпл на опоре kпост×
+ kкратк×
= 1,0×(0,16+1,69)×1,352/8+
8
8
2
+0,9×5,6×1,35 /8 = 1,57 кНм.
Требуемый момент сопротивления СПН:
Mmax в пролете = 0,88 кНм;
Wтреб = 0,88/(175×103×0,9) = 5,6×10-6 м3 = 5,6 см3,
принимаем СПН марки Н57-750-0,6 (Ix = 46,2 см4).
Mmax на опоре = 1,57 кНм;
Wтреб = 1,57/(175×103×0,9) = 10,0×10-6 м3 = 10,0 см3,
По сортаменту ГОСТ 24045-94 принимаем СПН марки Н57-750-0,6
Требуемая прочность СПН на стадии монтажа и эксплуатации (предельные
состояния первой группы) обеспечена.
2.3. Определение прогиба и проверка жесткости СПН
Проверим подобранный СПН на жесткость по формуле предельных
состояний второй группы при действии нормативной равномерно распределенной
нагрузки.
Нагрузки, действующие на СПН:
— собственный вес СПН qn = 0,15 кПа
— нагрузка от конструкций покрытия с утеплением pn = 1,3 кПа
— снеговая нагрузка sn = 0,7×sg = 0,7×5,6 = 3,92 кПа
Полная нагрузка: gn = qn + pn + sn = 5,37 кПа
Относительный прогиб СПН в пролете:
7
gn l 3
f

l 185 E I x
.
3
5,37  1,35
f
f
=
= 0,0007 <   = 1/150 (для пролетов СПН до
8

8
l
l
185  2,1  10  46,2  10
3,0 м).
Требуемая жесткость СПН на стадии эксплуатации (предельные состояния
второй группы) обеспечена.
2.4. Узлы крепления СПН
Крепление СПН к кровельным прогонам и верхним поясам ферм может быть
выполнено по следующим схемам:
Рис. 3.
Схема крепления СПН к кровельным прогонам
и верхним поясам ферм
3. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ КРОВЕЛЬНОГО ПРОГОНА
3.1. Сбор нагрузок
Кровельные прогоны выполняются из прокатных профилей сплошного
сечения (швеллер, двутавр) с целью минимизации трудозатрат на их
8
транспортировку, изготовления и монтаж. Прогоны укладываются вдоль
горизонтальных осей здания из плоскости рамы поперечника.
Кровельные прогоны крепятся к главным балкам покрытия в одном уровне
на болтовых шарнирных узлах. Расчетная схема кровельного прогона —
однопролетная статически определимая балка, загружаемая равномерно
распределенными нагрузками, равными по значению опорным реакциям СПН.
Расчетный пролет кровельного прогона равен шагу колонн в вертикальных
осях l = 5,7 м. Максимальный шаг прогонов b = 1,35 м.
g
Рис. 4.
Расчетная схема кровельного прогона
3.2. Определение внутренних усилий и подбор сечения прогона
Определим расчетную нагрузку на кровельный прогон:
— собственный вес СПН + нагрузка от конструкций покрытия с
утеплением q: q = qn×f + pn×f = 0,15×1,05 + 1,3×1,3 = 1,85 кПа (п. 2.1);
— снеговая нагрузка Sg = 5,6 кПа;
— собственный вес прогона (как для швеллера 20П) — f = 0,18 кН/м;
Расчетная нагрузка на прогон — g = (q + Sg )×b + f ×f =
= (1,85 + 5,6)×1,35 + 0,18×1,2 = 10,3 кН/м.
Внутренние усилия в прогоне:
— изгибающий момент в пролете M = g l2 / 8 = 10,3×5,72/8 = 41,8 кНм;
— поперечная сила на опоре Q = g l / 2 = 10,3×5,7/2 = 29,3 кН.
Согласно СП 16.13330.2011 расчет прогонов по 1 группе ПС выполняется
Отсюда требования к подбору сечения прогона из прокатного швеллера с
параллельными гранями полок по ГОСТ 8240-97, сталь С235 (Ry = 225 МПа, Rs =
0,58×Ry = 131 МПа):
9
41,8
M
=
= 206 см3, что соответствует швеллеру 22П по
3
R y γ c 225  10  0,9
ГОСТ 8240-97;
29,3
Q
— Aw,min =
=
= 2,5 см2, что соответствует швеллеру 22П по
3
Rs γ c 131  10  0,9
ГОСТ 8240-97,
где c — к-т условий работы по СП 16.13330.2011
— Wmin =
Требуемая прочность прогона (предельные состояния первой группы)
обеспечена для прогона из швеллера 22П.
3.3. Определение прогиба и проверка жесткости прогона
Проверим подобранное сечение кровельного прогона (швеллер 22П) на
жесткость по формуле предельных состояний второй группы при действии
нормативной равномерно распределенной нагрузки.
Определим нормативную нагрузку на кровельный прогон:
— собственный вес СПН + нагрузка от конструкций покрытия с
утеплением q: q = qn + pn = 0,15 + 1,3 = 1,45 кПа (п. 2.1);
— снеговая нагрузка Sn = 0,7×Sg = 3,92 кПа;
— собственный вес прогона (для швеллера 22П) — f = 0,21 кН/м;
Нормативная нагрузка на прогон — gn = (q + Sn )×b + f =
= (1,45+3,92)×1,35 + 0,21 = 7,5 кН/м.
Относительный прогиб прогона в пролете:
5  7,5  5,7
f
f
=
= 0,004 <   = 1/200 (для пролетов балок до
8
8
l
l
384  2,1  10  2120  10
3
6,0 м).
Требуемая жесткость кровельного на стадии эксплуатации (предельные
состояния второй группы) обеспечена.
10
Подобранное поперечное сечение кровельного прогона — швеллер 22П по
ГОСТ 8240-97.
3.4. Узлы крепления прогона
вариант 1
вариант 2
Рис. 5.
сечение 1-1, 2-2
Схема сопряжения прогона и главной балки
кровли в одном уровне
4. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ВТОРОСТЕПЕННОЙ
БАЛКИ ПЕРЕКРЫТИЯ
4.1. Сбор нагрузок
Второстепенные балки (ВБ) перекрытия выполняются из прокатных
профилей сплошного сечения (швеллер, двутавр) с целью минимизации
трудозатрат на их транспортировку, изготовления и монтаж. Балки укладываются
вдоль горизонтальных осей здания из плоскости рамы поперечника.
11
Рис. 6.
Схема расположения второстепенных балок
покрытия
ВБ крепятся к главным балкам покрытия в одном уровне на болтовых
шарнирных узлах. Расчетная схема ВБ — однопролетная статически определимая
балка, загружаемая равномерно распределенными нагрузками, равными по
значению опорным реакциям СПН.
Как и для кровельных прогонов расчетный пролет ВБ l = 5,7 м,
максимальный шаг ВБ b = 1,35 м.
g
Рис. 7.
Расчетная схема кровельного прогона
4.2. Определение внутренних усилий и подбор сечения ВБ
Определим расчетную нагрузку на ВБ:
— собственный вес СПН + нагрузка от конструкций перекрытия с полом
q: q = qn×f + pn×f = 0,15×1,05 + 3,9×1,2 = 6,4 кПа;
— временная нагрузка длительная pдлит = 3,0×1,2 = 3,6 кПа;
— собственный вес ВБ (как для швеллера 20П) — f = 0,18 кН/м;
Расчетная нагрузка на ВБ — g = (q + pдлит)×b + f ×f =
= (6,4+3,6)×1,35 + 0,18×1,2 = 13,7 кН/м.
Внутренние усилия в ВБ:
— изгибающий момент в пролете M = gl2 / 8 = 13,7×5,72/8 = 55,6 кНм;
— поперечная сила на опоре Q = gl / 2 = 13,7×5,7/2 = 39,0 кН.
12
Согласно СП 16.13330.2011 расчет ВБ по 1 группе ПС выполняется
Отсюда требования к подбору сечения ВБ из стали С235 (Ry = 225 МПа, Rs =
0,58×Ry = 131 МПа):
M
55,6
— Wmin =
=
= 275 см3, что соответствует двутавру 25Б1 по
3
R y γ c 225  10  0,9
СТО АСЧМ 20-93;
39,0
Q
— Aw,min =
=
= 3,3 см2, что соответствует двутавру 25Б1 по
3
Rs γ c 131  10  0,9
СТО АСЧМ 20-93;
где c — к-т условий работы по СП 16.13330.2011
Требуемая прочность ВБ (предельные состояния первой группы) обеспечена
для двутавра 25Б1.
4.3. Определение прогиба и проверка жесткости ВБ
Проверим подобранное сечение ВБ на жесткость по формуле предельных
состояний второй группы при действии нормативной равномерно распределенной
нагрузки.
Определим нормативную нагрузку на ВБ:
— собственный вес СПН + нагрузка от конструкций перекрытия с полом
q: q = qn + pn = 0,15 + 3,9 = 4,1 кПа;
— временная нагрузка длительная pдлит = 3,0 кПа;
— собственный вес ВБ (как для двутавра 25Б1) — f = 0,26 кН/м;
Нормативная нагрузка на ВБ — gn = (q + Sn )×b + f =
= (4,1+3,0)×1,35 + 0,26 = 9,9 кН/м.
13
Относительный прогиб ВБ в пролете:
5  9,9  5,7
f
f
=
= 0,003 <   = 1/200 (для пролетов балок до
8
8
l
l
384  2,1  10  3537  10
3
6,0 м).
Требуемая жесткость ВБ на стадии эксплуатации (предельные состояния
второй группы) обеспечена.
Подобранное поперечное сечение ВБ — двутавр 25Б1 по СТО АСЧМ 20-93.
4.4. Узлы крепления ВБ
вариант 1
вариант 2
Рис. 8.
сечение 1-1, 2-2
Схема сопряжения ВБ и главной балки в одном
уровне
5. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ФЕРМЫ ПОКРЫТИЯ
5.1. Сбор нагрузок
Фермы покрытия выполняем с трапециевидным очертанием поясов и
раскосной решеткой. С точки зрения эстетических требований к открытым
сплошному обзору фермам зенитного фонаря атриума в осях 4-6 фермы
принимаем из профилей стальных гнутых замкнутых сварных квадратных для
строительных конструкций по ГОСТ 30245-2003.
14
Рис. 9.
Схема расположения ферм покрытия
Ферма покрытия крепится к колоннам в уровне верха на болтовых
шарнирных узлах. Расчетная схема фермы — однопролетная статически
определимая
плоская
шарнирно-стержневая
система,
загружаемая
сосредоточенными нагрузками в узлах верхнего пояса, равными по значению
опорным реакциям прогонов покрытия.
Расчетный пролет фермы L = 11,4 м, высота 0,6 м. Расчет конструкции
проводим в программе Лира.
Рис. 10.
Расчетная схема фермы покрытия
В первом приближении принимаем для сечений элементов фермы
следующие квадратные трубы по ГОСТ 30245-2003:
— пояс: 180×180×6;
— раскосы, стойки: 100×100×3.
5.2. Определение внутренних усилий и подбор сечения элементов фермы
Определим расчетную нагрузку на ферму:
— 1 загружение, собственный вес элементов, назначается программой Лира
автоматически по указанным жесткостям элементов
Загружение 1
15
0.319
0.319
0.319
0.319
0.319
0.319
0.319
0.089
0.319
0.319
0.319
0.089
0.319
0.089
0.319
0.089
0.089
0.089
0.089
0.089
0.089
0.319
0.089
0.319
0.089
0.089
0.319
0.089
0.319
0.089
0.089
0.319
0.089
0.319
0.089
0.089
0.319
0.089
0.319
0.089
Рис. 11.
Загружение 1 — собственный вес элементов
фермы
(постоянная нагрузка), кН/м
— 2 загружение, собственный вес кровельного прогона + нагрузка от
конструкций покрытия с утеплением q (из п. 3.3): q = fn×f + pn×f = 0,21×1,1 +
1,3×1,3 = 1,92 кПа;
откуда:
— расчетная нагрузка на прогон — g = q×b = 1,92×1,35 = 2,6 кН/м;
— опорная реакция кровельного прогона (сосредоточенная нагрузка в
верхних узлах фермы: P2 = gl/2 = 2,6×5,7/2 = 7,4 кН. В крайних узлах фермы
принимается нагрузка, равная 1/2 P2.
Z
X
Загружение 1
7.4
7.4
7.4
7.4
7.4
7.4
7.4
7.4
7.4
3.7
3.7
Рис. 12.
Загружение 2 — сосредоточенная нагрузка в
верхних узлах фермы, опорная реакция прогонов
покрытия, нагруженных собственным весом и весом
покрытия с утеплением (постоянная нагрузка), кН
— 3 загружение, опорная реакция прогонов покрытия, нагруженных
снеговой нагрузкой:
— снеговая нагрузка Sg = 5,6 кПа;
— расчетная нагрузка на прогон — g = Sg×b = 5,6×1,35 = 7,6 кН/м.
— опорная реакция кровельного прогона (сосредоточенная нагрузка в
верхних узлах фермы: P3 = gl/2 = 7,6×5,7/2 = 21,7 кН. В крайних узлах
фермы принимается нагрузка, равная 1/2 P3.
Z
X
Загружение 3
21.7
21.7
21.7
21.7
21.7
10.9
Z
X
21.7
21.7
21.7
21.7
10.9
16
Рис. 13.
Загружение 3 — сосредоточенная нагрузка в
верхних узлах фермы от снеговой нагрузки (длительная
нагрузка), кН
Расчет фермы в программе Лира позволил установить расчетный прогиб
конструкции 42,8 мм, что меньше  f  = L/250 = 11400/250 = 45,6 мм (для ферм
пролетом 12 м).
Требуемая общая жесткость фермы на стадии эксплуатации (предельные
состояния второй группы) обеспечена.
5.3. Определение опорных реакций крайних узлов фермы покрытия
Шарнирное опирание фермы на колонну допускает приложение опорной
реакции на колонну только в виде вертикальной оставляющей. Вертикальные
опорные реакции крайних узлов фермы покрытия соберем с целью приложения
их к оголовку колонн при дальнейшем расчете поперечника здания. Опорную
реакцию фермы определим как сумму опорных реакций для трех расчетных
загружений (Рис. 11–Рис. 13), определяемых с помощью функции «Нагрузка на
фрагмент» программы ЛИРА.
Q = 135,0 кН.
5.4. Узлы сопряжения элементов кровельной фермы
17
Рис. 14.
Схема устройства узлов фермы покрытия из
прямоугольных труб
6. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ
КАРКАСА ЗДАНИЯ
6.1. Сбор нагрузок
Выполним расчет внутренних усилий и подбор сечений элементов
поперечных рам здания в осях 2, А-Г (приложение нагрузки от перекрытия с двух
сторон рамы) и в осях 4, А-Г (приложение нагрузки от перекрытия с одной
стороны рамы, опорных вертикальных реакций ферм покрытия).
Рис. 15.
Поперечная рама каркаса в осях 2, А-Г
(приложение нагрузки от перекрытия с двух сторон
рамы)
18
Рис. 16.
Поперечная рама каркаса в осях 4, А-Г
(приложение нагрузки от перекрытия с одной стороны
рамы, опорных вертикальных реакций ферм покрытия)
Расчет рамы каркаса здания выполним в программе ЛИРА
19
6.2. Расчет рамы каркаса в осях 2, А-Г
22
23
24
17
18
19
20
13
14
15
16
9
10
11
12
5
6
7
8
1
2
3
4
3.9
3.9
3.9
3.9
3.9
21
5.4
3.9
5.4
Рис. 17.
Расчетная схема поперечника
Предварительно назначим следующие поперечные сечения для элементов
каркаса: колонны — двутавр 30К1, главные балки (ГБ) — двутавр 30Б1.
Определим расчетные загружения рамы:
загружение 1 — собственный вес конструкций рамы, назначается
программой ЛИРА автоматически согласно жесткостям элементов;
загружение 2 — собственный вес конструкций перекрытия с полезной
нагрузкой и покрытия со снеговой. Сосредоточенная нагрузка от конструкций
перекрытия принимается в виде двойной опорной реакции ВБ (поперечная сила
20
на опоре Q = 39,0 кН из п. 4.2) PВБ = 2×39 = 78 кН, прикладываемой в местах
опирания ВБ на ГБ. Сосредоточенная нагрузка от конструкций покрытия
принимается в виде двойной опорной реакции кровельного прогона (поперечная
сила на опоре Q = 29,3 кН из п. 3.2) PКП = 2×29,3 = 58,6 кН, прикладываемой в
местах опирания кровельных прогонов на ГБ.
загружение 3 — ветровая нагрузка, принимается согласно СП 20.13330.2011
по ветровому району строительства. Ветровой район — 3, тип местности — С.
Нормативное значение ветрового давления w0 = 0,38 кПа. Линейную нагрузку на
колонны здания принимаем исходя из шага поперечных рам по заданию 5,7 м.
Дальнейший расчет ветровой нагрузки на раму поперечника ведем в форме
табл. 2 по формулам с коэффициентом надежности по нагрузке f = 1,4.
w [кПа] = w0×k×D;
w [кН] = w [кПа] ×5,7 × f
w [кПа] = w0×k×E;
w [кН] = w [кПа] ×5,7 × f
Таблица 2
Расчетная ветровая нагрузка на раму в зависимости от высоты здания
Высота от
w
w
w
w
поверхности w0, кПа
k
D
E
[кПа] [кПа] [кН]
[кН]
земли, м
0...5
0,4
0,12
-0,08
1,0
-0,6
10
0,38
0,4
0,8
-0,5
0,12
-0,08
1,0
-0,6
20
0,55
0,17
-0,10
1,3
-0,8
0.831
0.831
0.831
0.831
0.323
0.323
0.323
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.323
0.323
0.323
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.323
0.323
0.323
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.323
0.323
0.323
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.323
0.323
0.323
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
21
Загружение 1 - собственный вес конструкций
поперечника
Загружение 2
58.6
58.6
58.6
58.6
58.6
58.6
58.6
58.6
58.6
58.6
58.6
58.6
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
Рис. 19.
Загружение 2 - собственный вес конструкций
перекрытия с полезной нагрузкой и покрытия со снеговой
1.35
Z
1.35
1.35
1.35
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1.3 -1.3 -1.3 -1.3 -1.3 -1.3 -1.3 -1.3 -1.3 -1.3 -1.3 -1.3 -1.3
-1
X
X
1.3
1.3
1.3
1.35
1.35
1.35
1.35
-0.6 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6 -0.8
-0.6 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8 -0.8
ужение 3
Y
0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78
Рис. 18.
Рис. 20.
Загружение 3 - ветровая нагрузка
22
Максимальное расчетное горизонтальное перемещение узлов рамы, мм,
составляет 10,2 мм (Рис. 21), что меньше предельно допустимого перемещения
h/500 = 5×3,9/500 = 39 мм (табл. Е.4 СП 20.13330.2011, h — высота здания).
Максимальный прогиб главных балок составляют 16,3 мм (Рис. 22), что
составляет меньше 1/200 максимального пролета ГБ (5400/200 = 27 мм).
Требуемая жесткость рамы на стадии эксплуатации (предельные состояния
второй группы) обеспечена.
-0.00121
0.00121
1.69
-0.9
-0.63-0.63-0.63-0.63
-0.63-0.63-0.63
-0.63-0.63-0.63-0.63
-0.9
-0.63-0.63-0.63-0.63-0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9
58.6
0.831
0.323
58.6
0.323
78
78
0.831
0.323
0.323
78
0.323
0.831
78
0.323 0.831
0.323
0.831
0.831
0.323
78
0.323 0.831
0.323
0.323
0.831
0.323
0.831
78
0.831
0.831
78
0.831
78
0.323 0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
78
0.831
78
78
0.831
0.323
0.323 0.323
0.831 0.323
0.831
0.831
78
0.831
0.323
0.831
78
0.323
0.831
0.831
0.323
0.831
0.831
78
0.831
78
0.831
78
0.831
0.831
78
0.831
0.323 0.831
78
0.323
0.831
0.323 0.323
0.831 0.323
78
78
78
0.323
0.831
78
0.831
0.831
78
0.831
78
78
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
78
0.831
78
0.323
78
10.2
0.323 0.831
0.323
0.831
0.831
78
0.831
0.323
0.323
0.831
0.831
0.831
78
78
0.831
78
78
78
0.323
0.323
0.831
0.323 0.323 0.831
0.323 0.831
0.831 0.323
78
0.323
0.831
78
8.47
58.6 0.323
58.6
0.831
58.6
0.323 0.831
0.831 0.323 0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
78
78
0.831
0.831
78
78
0.323
0.831
78
0.323
0.831
0.323
0.831
0.323 0.323
0.323 0.831
0.831
0.323
0.831
0.831
78
0.831
0.831
78
0.831
78
0.323
0.831
0.831
78
0.831
0.831
0.831
0.831
78
0.831
6.78
58.6
0.831
58.6
58.6 0.831
0.323
0.323
0.831 0.323 0.323 0.831
58.6
0.323
0.831
0.831
5.08
58.6 58.6
0.831
0.323
0.831
0.831
78
0.831
Z
3.39
58.6
0.831
-0.36-0.36-0.36
-0.36-0.36-0.36-0.36-0.36-0.36
-0.36-0.36-0.36-0.36 -0.54-0.54-0.54-0.54
-0.36-0.36
-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54
-0.54-0.54-0.54
-0.121
1
М озаика перемещений по X(G)
Единицы измерения - мм
78
0.323
0.831
0.323 0.831
0.323
0.831
0.831
0.831
Y
X
Рис. 21.
-10.8
-8.12
58.6
0.831
-0.63-0.63-0.63
-0.63-0.63
-0.63-0.63
-0.63-0.63
-0.9 -0.9 -0.9
-0.63-0.63
-0.63-0.63-0.63
-0.63-0.63
-0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9
-0.63-0.63-0.63
0.831
Z
Y
X
-5.41
58.6 58.6
0.831
0.323
0.831
58.6
0.831
0.323
58.6
-2.71
58.6
0.831
58.6
58.6 0.831
58.6 0.323
0.831
58.6
58.6
0.323 0.831
0.831 0.323 0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
78
78
78
78
78
78
0.831
0.831
0.831 78
78
78
78 0.831
0.323
0.323
0.831
0.831
78
78
0.323
0.323
0.831
0.831
0.323 0.323
0.831 0.323
0.323 0.831
0.323 0.831
0.831 0.323
0.323
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
78
78
78
78
78
78
0.831
0.831
0.831
78
78
78 0.831
78
0.323
0.323
0.831
0.831
78
78
0.831
0.323
0.831
0.323
0.323 0.323
0.831 0.323
0.323 0.831
0.323 0.831
0.831 0.323
0.323
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
78
78
78
78
78
78
0.831
0.831
0.831
78
78 0.831
78
78
0.323
0.323
0.831
0.831
78
0.831
0.323
0.831
0.323
78
0.323 0.323
0.831 0.323
0.323 0.831
0.323 0.831
0.831 0.323
0.323
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
78
78
78
78
78
78
0.831
0.831
0.831
78 0.831
78
78
78
0.831
0.323
0.323
0.831
0.831
0.323 0.323 0.323 0.831
0.323
78
78
0.831 0.323
0.323 0.831
0.831 0.323
0.323 0.831
-0.9
-13.5
0.831
58.6
0.323
0.323
0.323
0.323
0.323
0.831 0.323 0.323 0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.323
-0.36-0.36
-0.36-0.36
-0.36-0.36-0.36
-0.36-0.36-0.36
-0.36-0.36
-0.36-0.36
-0.36-0.36-0.36-0.36
-0.36-0.54
-0.36-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54
-16.3
1
М озаика перемещений по Z(G)
Единицы измерения - мм
Расчетные горизонтальные перемещения
узлов рамы, мм
0.831
0.831
0.831
-0.162
0
23
Рис. 22.
Расчетные вертикальные перемещения узлов
рамы, мм
Подобранные поперечные сечения элементов рамы — двутавр
с
параллельными гранями полок по ГОСТ 26020–83:
— главные балки: двутавр балочный 45Б1 с дополнительными ребрами
жесткости в пролетной зоне;
— колонны: двутавр колонный 30К1;
Выполненный подбор поперечных сечений позволяет считать каркас здания
конструктивно безопасным и функционально надежным при нагрузках,
соответствующих
предусмотренному заданием
объемно-планировочному
решению и назначению здания.
6.3. Расчет рамы каркаса в осях в осях 4, А-Г
135
135
X
135
29.3
29.3
29.3
29.3
29.3
29.3
29.3
29.3
29.3
29.3
29.3
29.3
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
39
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
78
1.35
Z
135
1.35
1.35
1.35
1.3
1.3
1.3
1.35
1.35
1.35
1.35
0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78 0.78
Загр у жение 2
Расчет рамы в осях 4, А-Г произведем по той же расчетной схеме с
изменением 2-го загружения.
загружение 2 — собственный вес конструкций перекрытия с полезной
нагрузкой и покрытия со снеговой. Сосредоточенная нагрузка от конструкций
перекрытия принимается в виде:
— одиночной опорной реакции ВБ (поперечная сила на опоре Q = 39,0 кН из
п. 4.2) PВБ = 39 кН для промежуточных этажей,
— двойной опорной реакции ВБ PВБ = 2×39 = 78 кН для первого этажа,
прикладываемой в местах опирания ВБ на ГБ. Сосредоточенная нагрузка от
конструкций покрытия принимается в виде одиночной опорной реакции
кровельного прогона (поперечная сила на опоре Q = 29,3 кН из п. 3.2) PКП = 29,3
кН, прикладываемой в местах опирания кровельных прогонов на ГБ. Кроме этого
к оголовку колонн прикладываем вертикальную силу в виде опорной реакции
фермы покрытия 135,0 кН (q = 135,0 кН из п. 5.3).
24
Рис. 23.
Загружение 2 - собственный вес конструкций
перекрытия с полезной нагрузкой, покрытия со снеговой,
опорной реакцией ферм покрытия
Максимальное расчетное горизонтальное перемещение узлов рамы, мм,
составляет 9,9 мм (Рис. 24), что меньше предельно допустимого перемещения
h/500 = 5×3,9/500 = 39 мм (табл. Е.4 СП 20.13330.2011, h — высота здания).
Максимальный прогиб главных балок составляют 12,9 мм (Рис. 25), что
меньше 1/200 максимального пролета ГБ (5400/200 = 27 мм). Требуемая
жесткость рамы на стадии эксплуатации (предельные состояния второй группы)
обеспечена.
-0.00159
0.00159
1.64
135
0.831
3.29
135
0.831
-0.63-0.63-0.63-0.63-0.63
-0.63-0.63
-0.63-0.63-0.63-0.63
-0.9 -0.9 -0.9
-0.63-0.63-0.63-0.63
-0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9
-0.9
0.323
29.3
0.831
0.323
29.3
0.831
0.323
29.3
0.323
0.323
0.831
29.3 0.323
29.3
29.3 0.831
29.3 0.323
0.323
29.3
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
39
0.323
0.831
39
0.323
0.831
39
0.323
39
0.323
0.831
39 0.323
0.323
39
0.323
0.831
39 0.831
39 0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
39
0.323
0.831
0.831
39
0.323
39
0.323
39
0.323
39 0.323
39
0.323
0.323
0.831
39 0.831
39 0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
39
0.323
0.831
0.831
39
0.323
39
0.323
39
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
78
0.323
78
0.323
135
0.831
0.323
29.3
39
0.323
0.323
29.3
39
0.323
6.58
8.22
9.88
0.323
29.3
0.831
0.323
29.3
0.831
0.831
0.831
0.831
39
0.323
0.831
39
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
39
0.323
0.831
39
0.323
39
0.323
39
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
39
0.323
0.831
39
0.323
39
0.831
0.323
39 0.831
39 0.323
0.323
39
0.323
39
0.323
0.831
39
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
78
0.323
0.831
Z
4.93
135
0.831
-0.36-0.36-0.36
-0.36-0.36-0.36-0.36-0.36
-0.36-0.36
-0.36-0.36-0.36-0.54-0.54-0.54-0.54
-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54
-0.36
-0.54-0.54-0.54-0.54
-0.159
1
М озаика перемещений по X(G)
Единицы измерения - мм
0.831
0.831
78
78
78
78
0.323
0.831
0.323
0.831
0.323 0.323
78
78
0.831
0.323 0.831
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
78
0.323
0.831
78
0.323
0.831
78
0.831
0.323
0.831
0.831
0.831
Y
X
Рис. 24.
Расчетные горизонтальные перемещения
узлов рамы, мм
25
-10.8
-8.61
135
0.831
-0.63-0.63-0.63
-0.63-0.63
-0.63-0.63
-0.63-0.63
-0.63-0.63-0.63-0.63
-0.9 -0.9 -0.9
-0.63-0.63-0.63
-0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9 -0.9
-0.63-0.63
-0.9
0.323
29.3
0.831
0.323
29.3
0.831
0.323
29.3
0.323
0.323
29.3
29.3 0.323
0.831
29.3 0.831
29.3 0.323
0.323
29.3
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
39
0.323
0.831
39
0.323
0.831
39
0.323
39
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
39
0.323
0.831
0.831
39
0.323
39
0.323
39
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
39
0.323
39
0.323
39
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
78
0.323
78
0.323
-0.129
0
0.323
29.3
0.831
29.3
0.323
29.3 0.323 0.323
0.831
29.3
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
39
0.323
0.831
39
39 0.323
0.323
0.323
0.831
39 0.831
39 0.323
39
0.323
39
0.323
0.831
39
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
78
0.323
0.831
-2.15
39
0.323
0.831
39 0.323
39
0.323
0.323
0.831
39 0.831
39 0.323
39
0.323
39
0.323
0.831
39
0.323
0.831
0.831
0.831
39
0.323
0.831
135
0.831
0.831
0.831
0.831
39
0.323
0.831
39
39 0.323
0.323
0.323
0.831
39 0.831
39 0.323
39
0.323
39
0.323
0.831
39
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
Z
-4.3
135
0.831
-6.45
135
0.831
-0.36-0.36
-0.36-0.36
-0.36-0.36
-0.36-0.36-0.36-0.36
-0.36-0.36
-0.36-0.36-0.36 -0.54-0.54
-0.36-0.36 -0.54-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54
-0.54-0.54-0.54-0.54-0.54
-12.9
1
М озаика перемещений по Z(G)
Единицы измерения - мм
0.831
0.831
78
78
78
78
0.831
0.323
0.831
0.323
0.323 0.323
78
78
0.831
0.831
0.323
0.323
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
0.831
78
0.323
0.831
78
0.831
0.323
78
0.831
0.323
0.831
0.831
0.831
Y
X
Рис. 25.
Расчетные вертикальные перемещения узлов
рамы, мм
Поскольку прогибы для рамы в осях 4, А-Г получились меньше, чем для
рассчитанной рамы в осях 2, А-Г, считаем возможным использовать для рамы в
осях 4, А-Г подобранные ранее профили ГБ и колонны без дополнительной
проверки несущей способности элементов рамы в программе ЛИР-СТК.
6.4. Узлы сопряжения элементов каркаса здания
Жесткое сопряжение колонны с главной балкой производится по схеме
рамного узла:
Рис. 26.
Рамный узел сопряжения главной балки с
колонной
26
Стыки балок по длине и колонн по высоте здания производятся сваркой с
накладками:
Рис. 27.
Стык двутавровых сечений колонн и балок
сваркой с накладками
Примыкание второстепенных балок и кровельных прогонов к главным
балкам в уровне верха сечений производится шарнирным болтовым узлом с
помощью фланцев:
Рис. 28.
Шарнирное примыкание балок в уровне верха
Примыкание второстепенных балок и кровельных прогонов к главным
балкам с установленными ребрами жесткости в пролетной зоне производится
шарнирным болтовым узлом с помощью фланцев:
27
Рис. 29.
Шарнирное примыкание к балке с ребрами
жесткости
Жесткая заделка колонн каркаса в фундамент осуществляется на анкерных
болтах через боковые траверсы и опорные плиты:
Рис. 30.
Жесткая заделка колонны каркаса в
фундамент
28
7. ВЫВОДЫ
Выполненный в соответствии с действующими нормами и правилами расчет
и конструирование основных несущих элементов каркаса здания позволяет
гарантировать работоспособность конструкций на нагрузки, соответствующие
функциональному назначению, объемно-планировочному решению и этажности
здания в течение срока его эксплуатации при условии проведения
предупредительных осмотров, плановых и текущих ремонтов, профилактических
мероприятий по огнезащите стальных конструкций, защите от коррозии,
предотвращению механических повреждений элементов как в процессе
строительства зданий, так и при его дальнейшей модернизации и реконструкции,
проведении монтажных и отделочных работ.
Принятые поперечные сечения элементов каркаса, марки стали, узлы
сопряжения и представленные схемы расположения конструкций позволяют
считать их функционально надежными и конструктивно безопасными.