Катюшин В. В. - Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, cтроительство)

Катюшин В. В.

Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, cтроительство)

Стройиздат, 2005

Катюшин В.В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, строительство). — М.: ОАО «Издательство «Стройиздат», 2005. — 656 с: ил.

ISBN 5-274-02030-5

Рассмотрено проектирование каркасов зданий и сооружений с применением стальных рам из сварных двутавров переменного сечения.

Изложены вопросы подбора сечений рамных конструкций, расчета их элементов на прочность; местную и общую устойчивость; расчет фланцевых соединений при действии изгибающих моментов, продольных и поперечных сил, а также с учетом низких температур и динамического нагружения. Приведены расчеты элементов каркаса (прогонов стен покрытия, стоек фахверка и т.д.) с учетом особенностей работы рамных конструкций переменного сечения.

Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.

ББК 38.708

ISBN 5-274-02030-5

© ОАО «Издательство «Стройиздат», 2005

© Катюшин В.В., 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

Эта книга, как и любая другая, посвященная прикладным задачам, содержит множество ошибок, в том числе: орфографические; математические; ошибки при построении моделей; ошибки при интерпретации результатов расчетов, ошибки вычислений, etc...

Так как автор не только набирал текст, но и выполнял всю остальную работу, связанную с написанием этой книги, он несет ответственность за перечисленные ошибки. Оправданием ему служит то, что, если затронутые в книге вопросы, окажутся интересными, то другие исследователи несомненно обнаружат и исправят эти ошибки. Если же эти вопросы будут неинтересны, то все ошибки, кроме, пожалуй, орфографических, окажутся незамеченными.

Предлагаемая вниманию читателей книга появилась в результате длительной работы автора и его коллег в области расчетов, проектирования и строительства зданий со стальными рамными каркасами из сварных двутавров переменного сечения и, в какой-то степени, является собранием вопросов и проблем, с которыми приходилось и приходится сталкиваться инженеру при проектированию таких зданий.

Содержание книги основано на известных научных и нормативных источниках а также включает существенную долю собственных работ автора.

Некоторые представленные в книге результаты имеют специфический характер и относятся непосредственно к зданиям с каркасами из рамных сплошностенчатых конструкций. Другие результаты имеют более общий характер и могут быть использованы при расчетах и проектировании других металлических конструкций.

Рамные конструкции из сварных двутавров обладают рядом преимуществ по сравнению с решетчатыми конструкциями. К очевидным преимуществам можно отнести высокую технологичность этих конструкций по всем заготовительным и сборочным операциям, возможность глобальной автоматизации производства, исключительную надежность, в том числе при воздействии динамических нагрузок и низких температур, повышенную коррозионную стойкость, малую строительную высоту, позволяющую существенно уменьшить строительный объем зданий и практически исключить дополнительную монтажную сборку, присущую фермам больших пролетов и др.

К дополнительным, неявным преимуществам сплошностенчатых конструкций, следует отнести следующее:

1. Использование ограниченного, по сравнению с другими конструкциями, сортамента исходных материалов. Так, использование листа 4+6 толщин позволяет практически полностью заменить весь сортамент прокатных двутавров (около 100 позиций). Использование листа для производства второстепенных конструкций каркаса (прогонов кровли и стен, легких ригелей и т.д.) из гнутых профилей позволяет исключить жесткую зависимость производителя от поставщиков при выпуске самых разнообразных зданий и сооружений.

2. Производство элементов рамных конструкций зданий различных размеров очертаний и сечений имеет одну технологическую базу, что делает возможным выпускать каркасы зданий различных размеров и конфигураций на одном наборе оборудования.

3. Применение элементов из сварных двутавров позволяет получать при проектировании наиболее оптимальные по носовым показателям сечения, параметры которых могут непрерывно меняться в широких пределах, в отличии от дискретного изменения параметров прокатных профилей. Это позволяет широко использовать при проектировании методы оптимизации, а отсутствие жесткой зависимости от поставок исходных материалов и гибкость производства, реализовывать полученные оптимальные решения на практике.

Перечисленные выше положительные качества сплошностенчатых конструкций позволяют создавать конструкции, обладающие превосходными технико-экономическими качествами, архитектурной выразительностью и позволяющие гибко, точно и эффективно действовать в условиях динамически изменяющегося рынка. Примером этому могут служить многочисленные фирмы, успешно действующие на строительном рынке. В числе зарубежных фирм следует отметить такие фирмы, как BUTLER, ARMCO STEEL Corp, Robertson System, CONDOR и др. В России к таким фирмам относятся ВЕНТАЛЛ, МАЯК и УНИКОН.

Научно-исследовательской и проектно-строительной фирмой УНИКОН, где работает автор, за 25 лет работы было спроектировано и построено более 350 индивидуальных зданий и сооружений, а также разработаны серийные конструкции типа РКС, УНИКОН-РК, УНИМАК-PI и др. с применением рамных конструкций переменного сечения. В процессе работы приходилось сталкиваться со множеством задач, которые не представлены в расчетно-нормативной и технической литературе или представлены неполно. Перечню этих вопросов примерно соответствует оглавление данной книги.

При решении задач расчета и проектирования каркасов со стальными рамами переменного сечения, автор, в основном, использовал приближенные методы, которые, за отсутствием лучшего, позволяли хотя бы в какой-то степени учесть тот или иной фактор или получить приемлемое решение конкретной инженерной задачи. Естественно, что многое из представленного материала вызовет заслуженную и справедливую критику. По большому счету, проявленный критический интерес и будет являться мерой успеха автора (на что он в душе надеется). Поэтому, при чтении книги автор просит постоянно помнить начало введения «Эта книга...содержит... множество ошибок...».

В заключении хочу принести благодарность людям, принявшим большое участие в исследованиях и массовом распространении зданий с каркасами из стальных рамных конструкций переменного сечения.

Особую благодарность выражаю В.А. Черноиваненко, заразившего идеями автора и его коллег; своим учителям в области металлических конструкций В.П. Силенко и В.В. Бирюлеву; прекрасному специалисту по строительной механике, автору непревзойденного программного комплекса МАКШ А.П. Маслову; постоянному коллеге и партнеру В.А. Гамму.

Выражаю благодарность сотрудникам всех подразделений научно-исследовательской и проектно-строительной фирмы УНИКОН за длительное и плодотворное сотрудничество.

Специальную благодарность выражаю руководителям промышленной компании ВЕНТАЛЛ: генеральному директору А.А. Шухардину и главному инженеру А.Б. Акопяну, поверившим, в свое время, в перспективность таких конструкций и непосредственно автору этой книги.

В. Катюшин

Кемерово, 2004 г.

1. ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ С КАРКАСАМИ ИЗ РАМНЫХ СПЛОШНОСТЕНЧАТЫХ КОНСТРУКЦИЙ

История развития металлических строительных конструкций в строительстве насчитывает несколько веков и достаточно подробно изложена в различных источниках, например, [1], [2], [3] и др.

Первоначально металлические конструкции выполнялись из отдельных стержней, объединенных в плоские или пространственные решетчатые конструкции (фермы, арки, купола и т.д.) и были во многом аналогичны давно известным конструкциям из дерева. Элементы таких конструкций работали, в основном, на осевые нагрузки. При этом пояса ферм или арок воспринимали усилия от изгибающего момента, а решетка — от перерезывающей силы. Широкое распространение решетчатых конструкций было обусловлено массовым производством кованных и прокатных профилей, удобством соединения этих элементов при помощи заклепок и болтов в единую конструкцию, достаточно простыми методами расчета этих конструкций. Не случайно, наибольшее развитие в XIX веке получили методы строительной механики, связанные с расчетом именно стержневых конструкций, включая статические расчеты, расчеты на устойчивость и т.д.

Сплошностенчатые конструкции, сечения которых составлялось из отдельных плоских листов, начали применяться несколько позже и в гораздо меньших объемах, чем решетчатые. Очевидно, одним из первых примеров использования сплошностенчатых конструкций, является железнодорожный мост «Британия», построенный Стефенсоном в 40-х годах IX века в Англии (рис. 1 а). Сечение моста выполнено в виде прямоугольный трубы, полки и стенки которой были выполнены из листовой стали и воспринимали изгибающие моменты и перерезывающие силы [1]. В качестве другого примера, можно привести конструкции балок перекрытия Зимнего дворца, разработанные архитектором В.П. Стасовым и инженером М.Е. Кларком Балки имеют пролет от 3,4 до 15,4 м при высоте сечения 0,53—0,62 м. Стенки балок выполнены из двух листов толщиной всего 0,8 мм и объединены в эллиптическое сечение при помощи поясов и стяжных винтов, установленных в средней части балок, (рис. 1 б) [2].

В конструкциях балок Зимнего дворца, уже в то время, использовалось изменение сечение по длине балки и задание строительного подъема на величину 0,018 пролета.

Использование сплошностенчатых конструкций первоначально сдерживалось технологической сложностью и высокой трудоемкостью объединения отдельных листов в единое сечение при помощи большого числа заклепок и дополнительных уголков, а также отсутствием достаточно разработанных методов расчета таких элементов. Однако, ряд положительных качеств сплошностенчатых конструкций, а именно: малые габариты, высокая жесткость, возможность сопряжения элементов друг с другом в любом месте и так далее, постепенно расширяли область их применения. В качестве примера можно привести многоэтажные здания котельных, построенные в 1920—1930 годы в Германии (рис. 2) [2]. Здания вы- полнены из многоярусных П-образных рам, выполненных из клепаных двутавров и поставленных одна на другую.

Пролет рам равен 32 м, а общая высота здания 48,85 м. Высота сечения элементов рам при этом составляла от 1,5 до 1,86 м. Широкое применение сплошностенчатых конструкций, в основном двутаврового сечения, началось после внедрения электросварки, особенно автоматизированной. Сварные двутавры начали использоваться в качестве подкрановых балок, элементов каркаса зданий, в пролетных строениях мостов и т.д. Сплошностенчатые сварные конструкции из листовой стали позволили отказаться от большого количества мелких конструктивных и соединительных элементов, присущих решетчатым конструкциям.

Соединение элементов сечения из листовой стали непосредственно друг к другу и встык обеспечило высокую статическую и вибрационную прочность этих конструкций.

Сплошностенчатые конструкции позволили в наибольшей степени механизировать и автоматизировать процессы обработки, сборки и сварки. Как отмечалось ранее [4], многие металлические конструкции, традиционно выполняемые в виде решетчатых, стали с успехом осуществляться в сплошностенчатых. При этом некоторое увеличение массы их основного сечения зачастую с избытком компенсируется исключением массы соединительных элементов, возможностью использования стенки для восприятия одновременно продольной и поперечной сил и уменьшением общей высоты сечения, а следовательно и строительного объема здания.

Широкое применение начинают находить каркасы зданий в виде сплошностенчатых рам постоянного или переменного сечения. Наибольших успехов в этом достигла фирма BUTLER (США), разработавшая в 1940-х годах систему стандартизированных зданий, основным элементом каркаса в которых являлись сварные рамы переменного сечения из двутавров [5].

К настоящему времени сплошностенчатые рамные конструкции постоянного и переменного сечения нашли самое широкое применение в мировой практике строительства одноэтажных зданий. К числу ведущих зарубежных фирм относятся такие фирмы, как BUTLER, ARMCO STEEL Corporation, Robertson System, CONDOR, POLINORM, SPACE и др.

В России широкое применение сплошностенчатых рамных конструкций началось сравнительно поздно, по сути дела с начала 1980-х годов, когда на Канском заводе легких металлических конструкций было налажено производство одно- и многопролетных рам серии «Канск». В настоящее время рамные конструкции переменного сечения по индивидуальным проектам выпускаются многими заводами металлических конструкций. Одним из основных разработчиков зданий с каркасами из рамных конструкций переменного сечения является научно-исследовательская и проектно-строительная фирма УНИКОН (центр находится в городе Кемерово), по проектам и разработками которой было спроектировано и построено более 1 млн. квадратных метров зданий различных размеров и назначения — от небольших объектов до ангаров для тяжелых самолетов. Исследования, проведенные специалистами фирмы УНИКОН или с их участием, позволили разработать достаточно эффективные и надежные методики расчета и проектирования элементов и узлов зданий с каркасами из рамных конструкций переменного сечения [6—9] и др.

Основными предприятиями в России, специализирующимися на выпуске зданий с рамами переменного сечения являются завод ВЕНТ АЛЛ (Калужская область), выпускающий около 0,3 млн. м2 зданий в год и Канский ЗЛМК «МАЯК». Здания, поставляемые этими заводами, полностью комплектуются несущими и ограждающими конструкциями, включая ворота, окна, метизы и т. д. Наличие современных автоматизированных систем проектирования, производства и комплектации после намеченной модернизации позволят заводу ВЕНТАЛЛ в ближайшее время увеличить выпуск зданий до 2 млн. м2.

1.1. ТИПЫ КАРКАСОВ ИЗ РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Рамные конструкции отличаются большим разнообразием статических схем, количеством пролетов, конфигурацией и т. д., что позволяет строить здания самого различного назначения и размеров. В общем, рамные конструкции и каркасы зданий, выполненные с их применением, можно классифицировать следующим образом:

1. По принципу работы каркаса: каркасы из плоских (рис. 3 а) или пространственных (рис. 3 б) рам; пространственные каркасы из плоских рам и специальных силовых пространственных связей (рис. 3 в).