Рекомендации по проектированию структурных конструкций

Рекомендовано к изданию решением секции новых форм  металлических конструкцнй Ученого совета ЦНИИСК им. Кучеренко.

Рекомендации по проектированию структурных конструкций/ Центр. н.-и ин-т строительных конструкций им. Кучеренко. — М.: Стройиздат, 1984. — 303 с.

Содержат положения по проектированию структурных  конструкций, в том числе возводимых в сейсмических районах и районах С низкими температурами, а также прн наличии вибрационных  нагрузок.

Даны рекомендации по выбору стержневых схем, узловых  сопряжений и назначению оптимальных параметров структурных плит.  Изложены способы приближенных расчетов стержневой системы, а  также расчетов с применением ЭВМ.

Приведены наиболее характерные конструктивные решения структур массового и индивидуального применения.

Освещены основные способы изготовления и монтажа, а также оценки экономической эффективности структурных конструкций.

Даны примеры расчетов, методика моделирования и натурного эксперимента, проводимых на стадии проектирования, а также сведения в области развития конструктивных форм и методов расчета за рубежом.

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

Табл. 32, ил. 473.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Структурные конструкции в силу ряда положительных качеств и в том числе универсальности, возможности изготовления на поточных высокопроизводительных технологических линиях, простоты транспортирования н удобства монтажа уже давно завоевали место в строительстве промышленных и гражданских зданий. Начало бурному развитию структурных конструкций положило постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 29 мая 1972 г. «Об организации производства и комплектной поставки легких металлических  конструкций промышленных зданий». В период 1972—1975 гг. была проделана большая работа в области проектирования, исследования и создания производственных мощностей по изготовлению легких структурных конструкций. В настоящее время эти конструкции выпускаются  массово в общей сложности около 2,5 млн. м2 перекрываемой площади в год и по плану Госстроя СССР к концу одиннадцатой пятилетки объем выпуска структур увеличится более чем в полтора раза. При столь быстрых темпах развития этих конструкций возникла необходимость выпуска рекомендаций по проектированию  структурных конструкций, отвечающих требованиям современного уровня промышленного и гражданского строительства.

Настоящие Рекомендация разработаны Отделением новых форм металлических конструкций ЦНИИСК нм. Кучеренко Госстроя СССР при участии ряда научно-исследовательских организаций, учебных институтов и отдельных специалистов на основе последних  экспериментально-теоретических исследований структурных конструкций, опыта их проектирования, изготовления и монтажа.

Отдельные разделы (главы) и подразделы настоящих Рекомендаций составили: главы 1, 2 и 3— д-р техн. наук, проф. В. И. Трофимов (ЦНИИСК), в том числе пп. 1.28—1.31 и пп. 3.33—3.41; канд. техн. наук Р. И. Хисамов (КИСИ); пп. 1.32—1.37—М. Л. Гринберг (ГПИ Укрпроектстальконструкцня); пп. 2.32—2.39 и 2.59—2.67 — канд. техн. наук В. К. Файбишенко (МАрхИ); пп. 2.73—2.89 — инж. Ю. А. Чернов (ЦНИИСК); пп. 3.17—3.22—ннж. О. И. Ефимов (КИСИ); пп 3.50—3.52 — канд. техн. наук Л. Ш. Килимник (ЦНИИСК).

При составлении пп. 1.18—1.21 использованы материалы канд. техн. наук Р. И. Хисамова; пп. 2.1—2.31, 2.117—2.121 и 2.157— 2.162 — канд. техн. наук В. К. (Файбишенко; пп. 2.46—2.52 — канд. техн. наук В. Н. Диденко (ЦНИИСК); пп. 2.53—2.58 и 2.157— 2.162 — инж. А. Н. Усанова н Н. Н. Тарасовой (Гнпроспецлегконструкция); пп. 2.90—2.103 — инж. Ю. А. Чернова; пп. 3.9—3.11 и 3.27— 3.32 — канд. техн. наук Г. Б. Бегуна (Харьковское отделепие Теплоэлектропроект) .

Глава 4 — канд. техн. наук Э. В. Третьякова (ЦНИИСК) в том числе пп. 4.22—4.23 — канд. техн. наук Л. Н. Лубо (ЛенЗНИИЭП); пп. 4.30- 4.31 — кандт техн. наук Н. Н. Демидов (МИСИ).

Глава 5 — канд. техн. наук Л. Ш. Килимник н канд. техн. наук К. Б. Абдурашндов (Инст. механики н сейсмостойкости АН Уз. ССР) при использовании материалов инж. Е. И. Наклоновой (ЦНИИСК) и ннж. К. И. Исобекова (МАрхИ)—пп. 5.1—5.29; д-р техн. наук А. И. Цейтлин, канд. техн. наук М. Н. Иванов (ЦНИИСК) пп. 5.30—5.42; канд. техн. наук В. Д. Насонкнн (ЦНИИСК) — пп. 5.43—5.57; канд. техн. наук Э. В. Третьякова — пп. 5.58—5.67.

Глава 6—ннж. Ю. А. Чернов с использованием материалов кандидата техн. наук В. К- Файбншенко.

Оптимизация параметров конвейерной сборки и крупноблочного монтажа структурных конструкций — написана проф. Трофимовым В И. по материалам каид. техн. наук Федоренко П. П. (НИИСП Госстроя УССР).

Глава 7—каяд. техн. наук Р. И. Хнсамоа и ннж. Л. А. Исаева (КИСИ) —пп. 7.1—7.6 н инж. М. Л. Грниберг пп. 7.7—7.17.

Приложение 1 — инж. М. Л. Грннберг; прил. 2 — инж. С. И. Аванесов (ЦНИИСК); прил. 3—канд. техн. наук Е- Р. Мацелинский (ЦНИИСК); прил. 4 — канд. техн. наук Л. Ш. Килннник; прил. 5 — д-р техн. наук, проф. В. И. Трофимов н инж. С. И. Аваиесов — Вопросы моделирования и * статические исследования в лабораторных условиях; д-р техн. наук И. Г. Рамоненко, канд. техн. наук В. С.  Сорокин (ЦНИИСК) — Методика проведения огневых испытаний  структурных конструкций на моделях; канд. техн. наук В. Н. Диденко — Основные положения и задачи статических испытаний в условиях строительной площадки; д-р техн. наук К. С.  Абдурашидон—Методы экспериментальных исследований натурных конструкций на  динамические воздействия типа сейсмических; прнл. 6 — д-р техн. наук, проф. В. И. Трофимов н ннж. С. А. Аванесов.

При составлении Рекомендаций были использованы материалы проектных институтов «Гипроспецлегконструкция», ЛШИИпромзданий, ЛенЗНИИЭПа, Московского архитектурного института ГПИ Укрпроектстальконструкцня, НИИСК Госстроя СССР, ЦНИЙпроектстальконструкция, Моспроект-2, ПИ Промстальконструкцня, ЦНИИЭП торговых зданий Главкрасноярскстроя, Свердловского политехнического института, Харьковского Промстройнинпроекта, институтов ГлавАПУ г. Москвы и др.

Работа осуществлялась под руководством заслуженного деятели науки н техники РСФСР, д-ра техи. иаук, проф. В. И. Трофимова.

Рекомендации рецензировались комиссией в составе:  заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д-ра техн. наук, проф. Е. И. Беленя (председатель МИСИ им. Куйбышева), д-ра техн. наук, проф. В. Н. Шнмановского н канд. техи. наук А. Я- Прицкера (ГПИ Укрпроектстальконструкция), Почетного строителя РСФСР, лауреата Государственной премии СССР А. П. Морозова н канд. техн. наук Б. А. Миронкова (ЛенЗНИИЭП), канд. техн. наук И. Л. Пнменова (ЦНИИСК), канд. техн. наук Е. Ю. Давыдова (Белорусский  политехнический институт), инженеров Ю. А. Маршева А. Н. Усаиова, Н. Н. Тарасовой (Гипроспецлегкоиструкция), инж. [А. П. Козленковой | (ВНИПИ Промстальконструкцнн).

Замечания н предложения просьба направлять по адресу: 109389,

Москва, 2-я Инстнтутскан ул., д. 6.

1. СТЕРЖНЕВЫЕ СХЕМЫ СТРУКТУР, ИХ УЗЛОВЫЕ СОПРЯЖЕНИЯ,

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО НАЗНАЧЕНИЮ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ХАРАКТЕРИСТИКА СТРУКТУР

1.1. Поиски современных архитектурных форм большей  выразительности и универсальности, образуемых на основе многократно повторяющихся элементов, привели к созданию стержневых систем нового типа, к так называемым структурам. Эти системы, имея в своей основе «кристаллическое> строение, сходны с некоторыми весьма прочными образованиями органической природы. Практика отечественного и зарубежного строительства имеет немало примеров применения структурных конструкций в виде оболочек, складок, куполов. Однако в подавляющем большинстве структурные  конструкции применяются в виде стержневых плит. Эти конструкции  изготавливаются из стали, алюминия, дерева, в некоторых случаях из пластмасс. В отечественном гражданском строительстве нашли  также применение плиты регулярного строения из армоцементных  элементов.

Однако массовое распространение в отечественном  строительстве получили стальные структурные плиты. Учитывая это, настоящее издание содержит рекомендации по проектированию стальных  структурных плит, работающих совместно с каркасом производственных или гражданских зданий с несущими стальными или  железобетонными колоннами, возводимых как в обычных, так и сейсмических районах. Помимо статической нагрузки в ряде случаев  предусматривается вибрационное воздействие на структуры от работы крышных вентиляторов.

1.2. Структуры обладают рядом преимуществ, правильное  использование которых позволяет повысить экономическую  эффективность конструкции по сравнению с традиционными решениями [1]. К преимуществам относятся: пространственность работы системы; повышенная надежность от внезапных разрушений; снижение строительной высоты покрытия (перекрытия); возможность  перекрытия больших пролетов; удобство проектирования линий  подвесного транспорта и подвесных потолков; возможность свободной расстановки оборудования (на перекрытиях); облегчение  ограждающих конструкций кровли благодаря частой сетке узлов;  максимальная унификация узлов и стержневых элементов; поточное  изготовление металлических конструкций на высокопроизводительных технологических линиях; снижение затрат на транспорт и возможность доставки в отдаленные и труднодоступные места; возможность использования совершенных методов монтажа-сборки на земле и подъема покрытия крупными блоками; сборно-разборность (при необходимости); архитектурная выразительность и возможность применения для здании различного назначения.

При этом экономическая целесообразность использования структур в полной мере достигается при их серийном изготовлении на специализированных заводах.

1.3. Структурные конструкции, сходные по своему  геометрическому строению с кристаллическими решетками металла, являются типичным примером пространственной системы. Сила, приложенная к любому узлу структуры и произвольно направленная, вызывает усилие в первую очередь в примыкающих к узлу пространственно расположенных стержнях, т. е. пространственную реакцию, сходную с сопротивлением сплошной системы (плиты или оболочки). 

Структурная система не имеет традиционных для металлических конструкций связей и в ряде случаев прогонов. Их функции выполняют  несущие стержни поясных сеток и наклонной решетки. Легко  убедиться, что даже структурная плита (рис. 1.1,о), поясные сетки" которой образуют квадратные ячейки и сами по себе геометрически  изменяемы, в целом является геометрически неизменяемой системой без каких-либо связей; роль связей выполняют наклонные раскосы.

1.4. Пространственная работа структур ярче проявляется при действии неравномерных нагрузок, при этом перегрузка большинства стержней, исключая стержни, выход которых из работы превращает систему в механизм, не нарушает нормальной работы  конструкции в целом благодаря способности системы к  перераспределению усилий.

1.5. Системы с геометрически неизменяемыми поясными сетками (треугольные ячейки сеток) (рис. 1.1,6), могут воспринимать  крутящие моменты. В меньшей степени жесткостью на кручение  обладают структуры, в которых одна сетка поясов геометрически  изменяема, например, одна из шестиугольников, другая из треугольников (рис. l.l.e). В случае когда обе поясные сетки являются геометрически изменяемыми, система не воспринимает крутящие моменты.

1.6. Работа структурных плит на кручение приводит к  уменьшению усилий в поясах от действия изгибающих моментов. Распределение усилий на диагональные направления вследствие кручения увеличивает общую жесткость системы, работа которой обычно соответствует расчетным моделям в интервале от ортотропной  пластинки с нулевой жесткостью на кручение до изотропной пластинки.

1.7. Помимо структурных систем с регулярной решеткой в  практике строительства нашли применение структурные системы с так называемой разреженной решеткой, когда определенные ячейки не заполняются поясами или раскосами. Подобные решения с точки зрения производства имеют достаточные обоснования, однако в  статическом отношении разрежение решетки способствует снижению как общей жесткости системы, так и работы системы на кручение.

1.8. Структурные плиты обладают повышенной жесткостью, обычно для них рекомендуется отношение высоты к пролету h/l = 1/16-1/25 (против 1/8-1/10 в традиционных плоских фермах). В  одноэтажных промышленных зданиях это позволяет значительно  уменьшить объем здания и связанные с ним эксплуатационные расходы.

1.9. Как конструкции большепролетного назначения  структурные плиты целесообразно применять с укрупненной сеткой колонн, переход к которой в большинстве случаев прогрессивен.  Преимущества таких схем известны — свободная планировка, гибкость при изменении технологии, а также экономия площади.

1.10. Проблема подвесного транспорта три структурах решается намного проще, чем в обычных покрытиях. Частая сетка узлов  допускает подвеску путей кранов, тельферов и конвейеров с  минимальными дополнительными затратами в любой зоне конструкции. Сокращение пролета между несущими элементами с 6 или 12 м до 2—3 м и структурах создает условия для применения  беспрогонных решении кровли.

1.11. В многоэтажных зданиях, когда помещения должны  удовлетворять требованиям произвольной установки оборудования, а  также при необходимости применять большепролетную сетку колонн, структуры являются весьма удачной конструкцией и для перекрытий.

1.12. Свойственная структурам однотипность узлов и  стержневых элементов позволяет перейти к поточному механизированному производству металлических конструкций применительно к зданиям различного назначения, значительно удешевив заводское изготовление.

Поточное производство, как известно, позволяет резко повысить  производительность и качество изготовления конструкций.

1.13. Структурные конструкции в большинстве случаев доставляют на место строительства в виде отдельных элементов или вкладываемых одна в другую стержневых пирамид, образующих в процессе транспортировки плотный штабель. Такие перевозки экономят транспортные средства. Структуры являются почти единственно возможной конструкцией заводского изготовления для  труднодоступных районов, куда строительные элементы можно доставлять лишь авиацией.

1.14. При конвейерно-блочном методе монтажа, несмотря на большое количество элементов, из которых на месте собирается  конструкция, монтаж ее в ряде случаев оказывается более быстрым и экономичным, чем при обычных конструкциях.

1.15. Структуры имеют ряд недостатков зачастую неразрывно связанных с достоинствами. Являясь по своему внутреннему  строению конструктивной схемой, заимствованной из природы, структуры уступают своим природным аналогам в том, что одновременно с пространственностью приобретают черты жесткой унификации, что ведет к некоторому увеличению расхода материала.

1.16. В наиболее развитых капиталистических странах, а также и странах народной демократии имеются достаточно мощные  производственные базы по изготовлению структурных конструкций. При этом структуры изготавливаются «на склад» под наиболее  распространенные сетки колони и полезные нагрузки. Наряду с этим  большую часть структур выполняют по индивидуальным заказам на  здания больших пролетов и часто сложной конфигурации.

1.17. В Советском Союзе, как уже отмечалось, бурное развитие структур положено постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 29 мая 1972 г. № 381 «Об организации производства и комплектной поставки легких металлических конструкций  промышленных зданий».

В системе Минмонтажспецстроя СССР, Мосгорисполкома, Монтажстроя СССР и других министерств и ведомств введены в эксплуатацию заводы по изготовлению структурных конструкций в общей сложности более чем на 2,5 млн. ы3 перекрываемой площади в год.

Серийно изготовляются структурные конструкция из прокатных  профилей системы «ЦНИИСК» и труб системы «МАрхИ» и  «Кисловодск» под наиболее распространенные для промышленных зданий сетки колонн 12X18, 12X24, 18X18, 24X24 м. Из унифицированных элементов структурных плит с включением в систему дополнительных элементов (шпренгелей, затяжек, тросов, капителей и пр.) или  сочлененных двухъярусных по высоте конструкций представляется  возможным перекрывать пролеты порядка 80 м. Помимо типовых решений в Советском Союзе разработан ряд оригинальных структурных  конструкций и узловых сопряжений, позволяющих перекрывать весьма большие пролеты и нашедших применение в индивидуальных  зданиях и сооружениях.

СХЕМЫ СТРУКТУРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИХ ЧЛЕНЕНИЕ НА ОТПРАВОЧНЫЕ МАРКИ

1.18. Формирование структур на строительной площадке в  большинстве случаев осуществляется из отдельных отправочных марок заводского изготовления. При этом в практике строительства нашли применение следующие способы формирования конструктивной  схемы: из стержней размером на одну ячейку; из короткоразмерных  элементов решетки и длиниоразмерных поясов; из плоскостных ферм; из пространственных стержневых пирамид и доборных линейных элементов.

В последнее время находят применение складные структуры, которые изготавливаются в заводских условиях целиком на определенную секцию здания. В табл. 1 приводятся стержневые схемы  структурных плит, нашедшие применение в отечественном и зарубежном строительстве, а также даются рекомендации в части членения их на отправочные марки [2].