Анализ расчетных схем стального каркаса одноэтажного многопролетного здания

Размещено на http://www.allbest.ru//

Анализ расчетных схем стального каркаса одноэтажного многопролетного здания

Никулина О.В

Одним из основных вопросов при проектировании стальных каркасов одноэтажных многопролетных зданий, является назначение и конструктивная реализация статических схем узлов сопряжения элементов. В соответствии с существующими рекомендациями по проектированию покрытий многопролетных зданий с подстропильными конструкциями, сопряжение стропильных ферм с подстропильными конструкциями, стропильных ферм с основными несущими колоннами каркаса и подстропильных ферм с колоннами принимаются шарнирными. Однако эти рекомендации выполняются не всегда, и перечисленные узлы сопряжения принимаются жесткими, как это было выявлено при обследовании трехпролетного производственного здания одного из предприятий Оренбургской области. Покрытие здания - двухскатное: один скат образован фермами пролетом 12 м и 18 м, а второй скат - фермами пролетом 30 м. Шаг колонн - 6м и 12 м.

В исходных данных, содержащихся в проектной документации исследуемого объекта, узлы сопряжения всех несущих конструкций между собой были заявленными жесткими. Фактически, жесткими можно было бы считать только узлы сопряжения стропильных и подстропильных ферм с надколонниками (Рисунок 1) и стропильных ферм с подстропильными фермами (Рисунок 2), в которых верхние и нижние узлы стропильных и подстропильных ферм присоединялись к опорным конструкциям с помощью болтов диаметром 24 мм через фланцы толщиной 20 мм). Соединение надколонников с колоннами не может считаться жестким, так как осуществлено с помощью четырех болтов, расположенных внутри сечения надколонника и колонны и закрепленных на опорной пластине надколонника толщиной 10 мм, что не исключает поворот опорных частей надколонников относительно оголовков колонны (Рисунок 1).

С учетом того обстоятельства, что чертежи КМ проектной документации были разработаны для сечений элементов каркаса, полученных для жестких узлов соединения всех несущих конструкций между собой, и при этом подбор сечений элементов подстропильных ферм осуществлялся как для плоских конструкций, без учета возможности их поворота, возникла необходимость выполнения поверочных статических расчетов каркаса для двух расчетных схем: в первой схеме все узлы соединения элементов каркаса приняты жесткими (как заявлено в проекте), а во второй схеме введены шарниры в месте присоединения надколонников к основным колоннам каркаса. Еще одной причиной, по которой необходимо было выполнить такой расчет, явился факт появления через год после ввода объекта в эксплуатацию значительных неравномерных осадок фундаментов здания, вызванных нестабильными характеристиками грунтов основания.

а)

б)

а - узел крепления верхних поясов стропильной и подстропильной фермы

б - узел крепления нижних поясов стропильной и подстропильной фермы

Рисунок 1 - Узлы крепления стропильных и подстропильных ферм к надколоннику

Рисунок 2 - Узел крепления стропильной фермы к подстропильной

Для выполнения статического расчета каркаса исследуемого здания, в программном комплексе ЛИРА САПР была построена пластинчато-стержневая модель пространственного каркаса, в которой все стержневые конструкции были представлены конечным универсальным стержневым элементом, а конструкции ограждения - пластинами с нулевой жесткостью, чтобы исключить их участие в работе основных элементов каркаса (Рисунок 3). Расчет выполнялся на действие постоянных, снеговых и ветровых нагрузок и осадки опор. Снеговые нагрузки к покрытию прикладывались в нескольких вариантах с учетом зон повышенных отложений снега у стен примыкающих зданий и вокруг зенитных фонарей [1]. Расчет снеговой нагрузки для зон повышенных отложений снега выполнялся с помощью программы BASE (Рисунок 4).

а)

б)

а - общий вид пространственной модели каркаса (пластинчатые элементы условно не показаны);

б - поперечный разрез по пространственной модели каркаса

Рисунок 3 - Конечно-элементная пространственная модель кракаса здания, построенная в программном комплексе ЛИРА САПР

Рисунок 4 - Определение снеговой нагрузки в зоне повышенного отложения снега с помощью программы BASE

Осадки фундаментов задавались по фактической карте осадок, полученной в результате проведения обследовательских работ. Величины осадок изменялись от нуля до 19,7 см.

Для оценки поворота подстропильной фермы из плоскости конструкции, наиболее неблагоприятной оказалась схема загружения каркаса постоянной нагрузкой и снеговой нагрузкой на одном скате. Максимальное горизонтальное смещение нижнего пояса подстропильной фермы относительно верхнего пояса практически не зависело от статической схемы узла присоединения надколонника к колонне и составило 11,74 мм, что превышает допустимое для плоских ферм значение (0,004h [2]) в 1,33 раза. При таких отклонениях стропильные фермы не могут работать и рассчитываться как плоские конструкции, что противоречит их функциональному назначению и может привести к нарушению пространственной жесткости всего каркаса.

Расчет на действие неравномерных осадок опор, произошедших в теплое время года при отсутствии снеговой нагрузки на покрытии, показал, что наиболее чувствительными к осадкам оказались стропильные фермы пролетом 12 метров. Максимальные продольные усилия в приопорных панелях ферм, примыкающих к восемнадцатиметровому пролету, для жесткой расчетной схемы составили минус 298,7 кН, а для схемы с шарнирными узлами крепления надколонников к колоннам - минус 277,5 кН (меньше чем для жесткой схемы на 7,1%). Без учета неравномерных осадок фундаментов, максимальное продольное усилие в указанных панелях ферм пролетом 12 метров от наиболее неблагоприятной комбинации нагрузок составило 31,22 кН. Фактические осадки фундаментов основных несущих колонн привели к изменению знака и увеличению абсолютного значения продольных усилий в приопорных панелях верхних поясов стропильных ферм пролетом 12 м почти в десять раз, что явилось причиной потери устойчивости этих элементов и вызвало необходимость в проведении мероприятий по их усилению.

Анализируя полученные результаты статического расчета для двух вариантов расчетных схем каркаса здания, можно сделать следующие выводы: каркас узел нагрузка

- жесткое сопряжение стропильных ферм с подстропильными и стропильных ферм с колоннами приводит к работе плоских подстропильных ферм на нагрузку из их плоскости, что противоречит начальным теоретическим предпосылкам и нарушает пространственную жесткость каркаса;

- неразрезная конструкция покрытия, состоящая из стропильных ферм, жестко присоединяющихся к колоннам или надколонникам и к подстропильным фермам, обладает высокой чувствительностью к неравномерным осадкам опор, независимо от статической схемы узла крепления надколонника к основной колонне.

Список литературы

СП 20-13330-2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*[Электронный ресурс]. Москва, 2016.- Режим доступа: https://dwg.ru/dnl/14126 (дата обращения 22.12.2018 г.)

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

Размещено на Allbest.ru