АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СТАТИЧЕСКИХ СХЕМ МНОГОПРОЛЕТНОГО ЗДАНИЯ СО СТАЛЬНЫМ КАРКАСОМ И ПОДСТРОПИЛЬНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СТРОПИЛЬНЫХ ФЕРМ

Аннотация. В статье рассмотрены две системы стального трехпролетного каркаса: с жесткими узлами сопряжения стропильных и подстропильных ферм с колоннами и колонн с фундаментами; с шарнирными узлами сопряжения стропильных и подстропильных ферм с колоннами, при жестком защемлении колонн на фундаментах. Выполнен расчет пространственного каркаса на различные варианты загружений. Проведена оценка напряжений в элементах верхнего пояса стропильных ферм каркаса для обоих вариантов статических схем каркаса.

Ключевые слова: стальной каркас, стропильные фермы, подстропильные фермы, напряжения, жесткое сопряжение, шарнирный узел, расчетная схема, стержневые конечные элементы, пластинчатые конечные элементы, расчетная нагрузка, нормативная нагрузка, статический расчет, анализ.

Проектирование стальных каркасов многопролетных зданий с подстропильными конструкциями является довольно сложной для проектировщика задачей, особенно в том случае, когда за основной критерий при разработке конструктивных решений принимается снижение расхода стали на несущие конструкции. В зданиях с одинаковым шагом колонн и стропильных ферм во всех пролетах эта задача успешно решается заменой шарнирных узлов сопряжения стропильных конструкций с колоннами каркаса на жесткие, в то время как для зданий с подстропильными конструкциями такое решение может привести к нарушению пространственной жесткости всего каркаса из-за повышенной деформативности продольных конструкций.

В качестве объекта исследования влияния жесткости узлов на напряженное состояние его элементов принято здание склада готовой продукции одного из предприятий Оренбургской области. Одной из особенностей объекта является опирание фундаментов на насыпной грунт карьера (вблизи участка строительства располагается гипсовый рудник). Каркас здания - стальной, состоящий из колонн, стропильных и подстропильных ферм, прогонов, связей и фахверка, соединенных между собой в пространственную систему, воспринимающую вертикальные и горизонтальные нагрузки. Размеры здания в плане 147,5х60,0 м. Высота здания от пола до низа стропильных конструкций переменная: от 5,91 м до 8,0 м. Здание – трехпролетное, с пролетами 12 м, 18 м и 30 м. Металлоконструкции каркаса здания запроектированы из следующих профилей: колонны – из прокатных двутавровых профилей с параллельными гранями полок 40К2 по ГОСТ 26020-83 – шаг 12 м и 30К2 по ГОСТ 26020-83 – шаг 12 м и 6 м; фермы – из спаренных равнополочных уголков по ГОСТ 8509-93; связи по колоннам и в покрытии – из спаренных равнополочных уголков и стальных гнутых замкнутых профилей квадратного сечения; прогоны покрытия – из прокатных швеллеров с уклоном внутренних граней полок №24 по ГОСТ 8240-97, с развязкой в середине пролета в плоскости ската тяжами из круглой стали диаметром 18 мм по ГОСТ 2590- 88.

Все заводские соединения конструкций приняты сварными. Монтажные соединения приняты частично сварными, частично на болтах нормальной точности. Укрупнительные стыки ферм выполнены на болтах М20 с присоединением элементов ферм к общей фасонке при помощи монтажной сварки. Вертикальные связи по покрытию крепятся к фермам монтажными болтами М16. Стропильные фермы крепятся к подстропильным фермам при помощи монтажных болтов М24. Горизонтальные связи по покрытию фиксируются на стропильных фермах болтами М16 и дополнительно фасонка связей приваривается к фасонке ферм.

Для оценки напряжений в элементах каркаса были сформированы две расчетные схемы здания в ПК ЛИРА-САПР (Рисунок 1) и приложены соответствующие постоянные и временные нагрузки. Основной каркас здания смоделирован стержневыми конечными элементами, имеющими шесть степеней свободы. Узлы стропильных и подстропильных ферм в плоскости конструкций приняты жесткими, но за счет гибкости фасонки, в узлах разрешен поворот из плоскости конструкций (относительно оси Z). Узлы крепления связей, распорок, тяжей приняты шарнирными, разрешены повороты относительно осей Z и Y (UZ, UY). В соответствии с проектным решением присоединение стропильных и подстропильных ферм к надколонникам, а также стропильных ферм к подстропильным выполнено жестким. Основные колонны жестко защемлены на фундаментах. Для второй расчетной схемы выполнена перекомпоновка стропильных и подстропильных ферм, принято серийное конструктивное решение с восходящими опорными раскосами и шарнирными верхними узлами примыкания стропильных ферм к надколонникам и стропильных ферм к подстропильным конструкциям. В верхнем узле разрешены повороты относительно осей Z и Y (UZ, UY) и перемещение по оси Х для стропильных ферм, по оси Y для подстропильных ферм, нижний узел принят жестким, фланцевым. Ограждающие конструкции смоделированы прямоугольными четырех-узловыми пластинчатыми конечными элементами с нулевой жесткостью для исключения совместной работы элементов ограждения с основными несущими элементами каркаса.

Для оценки напряжения в элементах каркаса в расчет были введены несколько видов загружений:

-   постоянная нагрузка, включающая собственный вес металлических конструкций каркаса (учтен автоматически в ПК ЛИРА-САПР), вес стенового ограждения (стеновые сэндвич панели), вес кровли (кровля рулонная по профилированному настилу H114-600-0,9 по ГОСТ 24045-2016 с минераловатным утеплителем общей толщиной 100 мм, гидроизоляционный ковер - ПВХ мембрана);

-    снеговая нагрузка: равномерная на трех пролетах, и неравномерная - снег на одном пролете L=30 м; также в снеговой нагрузке учтена дополнительная нагрузка в зонах повышенного отложения снега вокруг фонарей и у парапета примыкающего здания, определенная с помощью программы Base 8.1;

-     отдельным загружением заданы осадки колонн, полученные в результате проведенного обследования на объекте.

Максимальная осадка колонны выявлена на пересечении осей 23-Л и составляет 197 мм.

Максимальная разность осадок колонн в поперечном направлении составила 104 мм по оси 23, в продольном направлении – 157 мм по оси Л. Основными причинами возникновения неравномерных осадок колонн каркаса здания являются строительство на насыпном глинистом грунте, который характеризуется неоднородностью, неравномерной сжимаемостью, возможностью самоуплотнения при изменении гидрогеологических условий, а также сбор и перемещение атмосферных осадков и талых вод в слое щебня и распространение этих вод в слое насыпного неоднородного грунта.

В результате выполненного статического расчета пространственного каркаса здания с различными статическими схемами определены максимальные напряжения в приопорных панелях верхних поясов стропильных ферм, расположенных по оси 23 с наибольшей разностью осадок колонн (Таблица 1). Маркировка панелей стропильных ферм приведена на рисунках 1а и 1б.

Таблица 1 – Напряжения в приопорных панелях верхних поясов стропильных ферм, кН/см2

Анализ полученных результатов расчетов показал следующее:

-    в первой расчетной схеме каркаса с жесткими узлами сопряжения ригеля с колоннами и подстропильными фермами напряжения в приопорных панелях поясов ферм пролетом 18 м и 12 м имеют отрицательные значения (панели сжаты) и превышают расчетное сопротивление стали С245, из которой изготовлены конструкции, в 1,06 и 1,8 раза соответственно, что привело к аварийной ситуации в процессе эксплуатации здания;

-   во второй расчетной схеме с шарнирными узлами сопряжения стропильных ферм с колоннами и подстропильными конструкциями напряжения в приопорных панелях верхних поясов ферм с пролетами 30м и 18м имеют положительное значение существенно ниже расчетного сопротивления стали С245 и только в одной панели фермы пролетом 12м у колонны по оси «Л» с максимальной осадкой имеют отрицательное значение, в 2,12 раза меньшее расчетного сопротивления.

Таким образом, по результатам расчета пространственного каркаса исследуемого объекта в ПК «ЛИРА-САПР» можно сделать следующие выводы:

-     принятые в проекте и реализованные при строительстве объекта жесткие узлы сопряжения стропильных ферм с подстропильными фермами и надколонниками в условиях строительства на насыпных грунтах являются проектной ошибкой, которая привела к аварийной ситуации; кроме того, жесткие узлы сопряжения стропильных ферм с подстропильными в каркасах многопролетных зданий с разными пролетами создают условия для работы подстропильных ферм из их плоскости, что может привести к нарушению пространственной жесткости каркасов;

-   в связи с тем, что неравномерные осадки оснований фундаментов могут возникать не только при строительстве на насыпных или просадочных грунтах, но и быть следствием различных техногенных факторов, на стадии разработки проектных решений аналогичных объектов одноэтажных зданий с подстропильными конструкциями следует предусматривать шарнирные узлы опирания стропильных и подстропильных ферм на колонны и стропильных ферм на подстропильные конструкции.

Список литературы

1. Барабаш М.С. Современные технологии расчета и проектирования металлических и деревянных конструкций - М.: Изд-во АСВ, 2010. – 336 с.

2. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции /Минрегион России, - М.; Минрегион России, 2011. - 177 с.

3. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия /ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко – М.: Институт ОАО Строительство, 2010. – 79 с.

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