Обеспечение геометрической неизменяемости стальных каркасов мансард



В данной статье представлены расчётные модели стальных каркасов мансардных этажей многоэтажных зданий. Описаны особенности формирования моделей.

Проведено исследование влияния ветровой нагрузки на напряжённо-деформированное состояние элементов конструкции. Рассмотрено включение в конструкцию связевой системы, обеспечивающей геометрическую неизменяемость каркаса.

Ключевые слова: мансарда, мансардный этаж, расчётная схема, ветровая нагрузка, геометрическая неизменяемость, система связей.

The article presents the calculated models of steel frames of the attic floors of multi-storey buildings. The details of model formations are described.

The influence of wind load intension on the stress-strain state of structural elements is investigated. The inclusion of the system of bracings in the construction that provides the geometric immutability of the skeleton is considered.

Keywords: attic, attic floor, calculated scheme, wind load, geometric immutability, system of bracings.

Конструкции стальных каркасов мансардных этажей очень разнообразны [5]. По способу устройства крыша мансарды может быть совмещенной (бесчердачной) и раздельной (чердачной). При небольшой высоте здания и отсутствии перепадов высот расчетная модель каркаса может быть плоской, то есть достаточно выполнить расчет одного поперечника. Будем рассматривать более сложные пространственные расчетные модели, созданные с использованием универсального программного комплекса ЛИРА-САПР.

Для формирования расчётных моделей каркасов необходимы следующие исходные данные:

— этажность здания, отметка пола мансарды;

— геометрия каркаса — форма и размеры;

— профили элементов каркаса;

— вид сопряжения элементов каркаса с нижележащими конструкциями основного здания;

— нагрузки.

Исходные данные, принятые для моделей каркасов, рассмотренных в данной статье:

— отметка пола мансарды 9 м, ширина мансарды 12 м, шаг поперечных рам 3 м;

— сопряжение стоек каркаса с нижележащими конструкциями шарнирное;

— снеговой район IV, ветровой район I, тип местности В.

Все стержни каркаса моделируются универсальным пространственным стержневым конечным элементом КЭ 10. Рассмотрены две расчётные модели.

Расчетная модель 1. Мансарда без чердачного перекрытия с перепадом высот.

Пространственная модель каркаса мансарды представлена на рисунке 1.

--

Рис. 1. Пространственная модель каркаса мансарды (модель 1)

На рисунках 2 и 3 представлены вертикальная проекция модели 1 и план.

Рис. 2. Вертикальная проекция модели 1

Рис. 3. План модели 1

В расчете учтены следующие нагрузки: собственный вес конструкции; постоянная нагрузка от стеновых и кровельных ограждений, приложенная к прогонам и наклонным стойкам; временная снеговая нагрузка, приложенная к прогонам; временная ветровая нагрузка, приложенная к элементам продольных и торцевых фахверков.

В связи с перепадом высот снеговая нагрузка учтена в двух вариантах [1]: вариант 1 — без учета снегового мешка; вариант 2 — с учетом снегового мешка. Расчетная схема по варианту 2 показана на рисунке 4.

Рис. 4. Загружение модели 1 снеговой нагрузкой по варианту 2

Ветровая нагрузка учтена в двух вариантах — поперек здания и вдоль здания. На рисунке 5 представлено загружение ветром вдоль здания.

Рис. 5. Загружение модели 1 ветром вдоль здания (фрагмент)

Для учета одновременного действия нескольких нагрузок сформировано шесть расчетных сочетаний — РСН (рисунок 6).

Рис. 6. Расчетные сочетания нагрузок для модели 1

При формировании расчетной модели каркаса необходимо обеспечить геометрическую неизменяемость конструкции путем постановки связей [2, 3, 4]. Особенно актуальна роль связевой системы при ветровом воздействии вдоль здания. В этом случае при отсутствии связей ряд элементов каркаса оказывается перегружен, кроме того, узлы конструкции получают недопустимые перемещения вдоль здания. На Рисунке 7 показаны мозаики использования несущей способности элементов каркаса при отсутствии связей и при их наличии для модели 1.

Рис. 7. Использование несущей способности элементов каркаса при отсутствии связей (слева) и при их наличии (справа)

Расчетная модель 2. Мансарда с чердачным перекрытием.

Пространственная модель каркаса мансарды представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Пространственная модель каркаса мансарды (модель 2)

На рисунках 9 и 10 представлены вертикальная проекция модели 2 и план.

Рис. 9. Вертикальная проекция модели 2

Рис. 10. План модели 2

В расчете учтены следующие нагрузки: собственный вес конструкции; постоянная нагрузка от стеновых и кровельных ограждений, приложенная к прогонам и стойкам; временная снеговая нагрузка, приложенная к прогонам; временная ветровая нагрузка, приложенная к элементам продольных и торцевых фахверков.

Ветровая нагрузка учтена в двух вариантах — поперек здания и вдоль здания.

На рисунке 11 представлено загружение ветром вдоль здания.

Рис. 11. Загружение модели 2 ветром вдоль здания

Для учета одновременного действия нескольких нагрузок сформировано три расчетных сочетаний — РСН (Рисунок 12).

Рис. 12. Расчетные сочетания нагрузок для модели 2

Так же, как для модели 1, элементы модели 2 оказываются перегружены при отсутствии связевой системы, а узлы конструкции получают недопустимые перемещения вдоль здания. Причиной перегрузки является воздействие ветра вдоль здания. На Рисунке 13 показаны мозаики использования несущей способности элементов каркаса при отсутствии связей и при их наличии для модели 2.

Рис. 13. Использование несущей способности элементов каркаса при отсутствии связей (слева) и при их наличии (справа)

Выводы

1. При проектировании мансард на многоэтажных зданиях необходимо сформировать пространственную расчетную модель каркаса.
2. При покрытии по прогонам ригели рам рационально сконструировать в виде ферм.
3. При наличии перепада высот в расчет каркаса нужно ввести два варианта загружения снегом, причем второй вариант должен учитывать образование снегового мешка.
4. Необходимо учесть ветровые нагрузки как поперек здания, так и вдоль.
5. Необходимо ввести в модель элементы торцевых и продольных фахверков, обеспечивающих восприятие ветровых нагрузок.
6. Необходимо обеспечить пространственную работу системы путем постановки связей.

Литература:

1. СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция «СНиП 2.01.07–85*» — М., 2011 г.
2. СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции». Актуализированная редакция «СНиП II-23–81*» — М., 2011 г.
3. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для ВУЗов. Под ред. Е. И. Беленя. — М.: Стройиздат, 1986. — 560 с.
4. Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий: Учебник для строит. ВУЗов. Под ред. В. В. Горева. — М.: Высш. шк., 1999. — 520 с.
5. Н. Б. Курякова, Т. С. Шептуха. Основы проектирования скатных крыш и мансард, 2016 г. — 75 стр.