Назначения разрушающих усилий. Практическое занятие 2

1Компоновочная схема каркаса 4%
2 Назначения разрушающих усилий 20%
3 Расчет и конструирование колонны 22%
4 Расчет и конструирование сквозного ригеля 14%

Расчет конструкций и их элементов состоит из следующих этапов:
• составление (выбор) расчетной схемы;
• сбор нагрузок;
• определение перемещений узлов и усилий в элементах конструкций;
• подбор поперечных сечений;
• проверки подобранных сечений.
Первые три этапа называются статическим расчетом конструкций, а последние два — конструктивным расчетом.

Согласно: СП 20.13330.2016:
Приложение Д
Прогибы и перемещения Д.2
Предельные прогибы Д.2.1
Вертикальные предельные прогибы элементов конструкций
Вертикальные предельные прогибы элементов конструкций и нагрузки, от которых следует определять прогибы, приведены в таблице Д.1. Требования к зазорам между смежными элементами приведены в Д.1.6 приложения Д.1.

Расчетная схема — это условная модель конструкции или ее отдельного элемента, которая формируется путем упрощения и идеализации реального объекта.
В строительной механике обычно рассматривают два вида сопряжения элементов друг с другом — жесткое и шарнирное.
Жесткое соединение обеспечивает совместность перемещений элементов в узле, в том числе и совместный поворот элементов, а при шарнирном соединении элементы в узле могут поворачиваться относительно друг друга.
Узлы считаются шарнирными, если взаимный поворот возможен за счет податливости соединений и самих элементов в узле .

Шарнирные соединения применяются в расчетных схемах с разной целью.
Первая — уменьшение или исключение влияния на усилия в элементах конструкции осадок (разности осадок) фундаментов, температурных воздействий, изменения нагрузок в соседних пролетах. В этом случае конструкция узла должна обеспечивать требуемую свободу поворота элементов .
Вторая цель использования шарниров в расчетных схемах — это упрощение
расчета.
Чем больше жестких узлов в расчетной схеме, тем выше степень статической неопределимости схемы и, следовательно, сложнее расчет.
Введение шарниров в расчетную схему понижает степень статической неопределимости
и упрощает расчет. Такой подход можно применять, когда реальная жесткость
узлов не оказывает большого влияния на напряженно-деформированное состояние элементов конструкции.

Еще один параметр расчетной схемы — это жесткость элементов.
Различают
продольную жесткость EA,
изгибную жесткость EI
(для пространственных схем в двух направлениях Eix и EIy), жесткость на сдвиг GA,
жесткость при чистом кручение GIt,
секториальную жёсткость EIω,
где E — модуль упругости материала, A — площадь поперечного сечения,
Ix и Iy— моменты инерции сечения относительно главных осей,
G — модуль сдвига материал,
It — момент инерции при чистом кручении,
Iω— секториальный момент инерции.

Компоновка фахверка
Схема фахверка зависит от конструкции стен. Наиболее широко для производственных
зданий применяются:
сборные легкобетонные плоские стеновые панели со следующими характеристиками: толщина 0,16-0,30 м, длина 6,0 и 12,0 м, ширина 1,2 и 1,8 м;
сэндвич – панели: толщина 0,05-0,25 м, длина 2,5-12,0 м, ширина 1,2 и 1,8 м.
При навесной конструкции стен применяется обычно ленточное остекление. Панели ленточного остекления имеют такие же размеры, как и стеновые панели.
При шаге колонн поперечных рам, равном длине стеновых панелей, фахверк продольных стен не требуется.

В состав фахверка включают
стойки,
ригели,
ветровые фермы и балки,
связи.
Конструктивные решения фахверка зависят от :
типа стенового ограждения,
шага колонн,
наличия мостовых кранов,
типа конструкции покрытия,
наличия проемов,
высоты здания.
Стойки фахверка обычно опираются на фундамент шарнирно и крепятся к конструкциям
основного каркаса в уровне покрытия, к тормозным конструкциям крановых путей, переходным площадкам и ветровым фермам.

В практике строительства принято различать два типа ригелей фахверка:
несущие, воспринимающие нагрузку от веса стены и горизонтальные воздействия (ветер, сейсмические силы);
ветровые, воспринимающие только горизонтальные нагрузки.

Стеновые панели могут быть навесными и самонесущими.
В навесных стенах панели над оконными проемами и внизу ярусов на глухих участках опираются на консоли колонн.
Высота первого яруса в зависимости от собственной массы и несущей способности панели12–24 м, высота последующих ярусов 4,8–6 м.
Нижняя панель первого яруса опирается на фундаментную балку.

Стены проектируют несущими, самонесущими и навесными, - в зависимости от их статической работы и конструктивной схемы здания.
Навесные стены воспринимают вертикальные нагрузки от собственной массы только в пределах этажа в многоэтажных зданиях или в пределах одного шага колонн (одной панели) в одноэтажных каркасных зданиях, а также горизонтальные ветровые воздействия.
Все виды воздействий передаются на колонны каркаса через опорные столики или обвязочные балки.
Навесные стены выполняют из легких строительных материалов (легких и ячеистых бетонов, листовых материалов), в виде многослойных панелей с применением эффективного утеплителя.

Основные номинальные размеры элементов:
однослойные панели из легкого и ячеистого бетона навесных и самонесущих стен
длина 3; 6; 9 и 12 м;
высота 0,9; 1,2; 1,8 и 2,4 м;
толщина 200; 250; 300; 350 и 400 мм.
Навесные панели крепят к колоннам с помощью опорных столиков (стальных консолей) и крепежных элементов .

Профилированный настил изготовляют из оцинкованной рулонной стали толщиной
0,8; 0,9; 1,0 мм;
Высотой профиля 40; 60; 80 мм;
Шириной 680; 782 мм;
Длиной до 12 м.
Профилированные листы укладывают по прогонам, расположенным через 3-4 м. Листы соединяются комбинированными заклепками.
Масса настила 10-15 кг/ м²
Холодные кровли выполняют из стальных или алюминиевых листов, укладываемых по прогонам, расположенным через 1,25 – 1,5 м.
Стальные листы изготавливают из холоднокатанной стали толщиной от 1 до 1,8 мм.
Высота волны 30 и 35 мм.
Масса листов 15 - 20 кг/ м²
Алюминиевые листы - толщина 0,6 -1,2 мм; масса – 5 - 7 кг/ м², крепят с помощью специальных кляммеров.
Волнистые листы укладывают в нахлестку 150 – 200 мм.

Беспрогоные покрытия
I- гидроизоляционный ковер;
II – асфальтовая стяжка;
III – утеплитель;
IV- крупнопанельные плиты

В промышленных зданиях применяют, главным образом, типовые металлические (стальные) переплеты.
Металлические переплеты изготавливают из одинарных тонкостенных или спаренных прямоугольных труб, а также из гнутых сварных или тонкостенных замкнутых профилей
Широко используется более индустриальная конструкция - стальная оконная панель (с одинарным и двойным остеклением, с открывающимися створками и глухие). Размеры панели - длина 6 м и высота 1,2; 1,8 м — соответствуют размерам стеновых панелей.
Панели устанавливают одну на другую по высоте и крепят к колоннам в четырех точках.
Ими можно заполнить проем высотой до 20 м.

«Сэндвич-панель» имеет характерную трехслойную конструкцию, состоящую из двух внешних (облицовочных) слоев и слоя наполнителя (термоизоляционного материала) между ними.
Облицовка панелей в зависимости от назначения может быть выполнена из алюминия, оцинкованной и нержавеющей стали, а также из пластика, фанеры, дерева, гипсокартонной плиты, ДВП, ДСП и т.д.
Так например, если при возведении здания намечается последующая отделка стен обоями, целесообразно использовать сэндвич-панели, имеющие с внешней стороны стальную облицовочную панель, а с внутренней - гипсокартонную.
Для повышения рабочих характеристик материала для облицовки панелей рекомендуется использовать сталь толщиной не менее 0,5 мм. Применяют сталь с полимерным покрытиям, таким как PVF2, пурал, пластизоль, полиэстер и др. Металлические листы применяются как в гладком, так и в профилированном исполнении.

В роли наполнителя сэндвич панелей чаще всего используются минераловатные или пенополистироловые плиты, что наделяет такой строительный материал низкой теплопроводностью, хорошими гидро- и звукоизоляционными свойствами, а во втором случае, с применением антипиренов, еще и трудносгораемостью.
В качестве внутреннего слоя сэндвич-панелей применяется полиуретановая пена, что является не распространяющим огонь материалом, которая изготовлена по технологии впрыска смеси химических веществ между обшивками плит, и что наделяет такие панели повышенной пожароустойчивостью.
Для обеспечения надежного соединения утеплителя с облицовкой применяется клей на полиуретановой основе.

Делятся применяемые сэндвич панели на стеновые и кровельные.
Кровельные, соответственно, используются для устройства кровель и благодаря высокой звуконепроницаемости, теплоизоляции и надежности, а также устойчивости к воздействию внешних факторов считаются лучшим кровельным материалом.
Стеновые сэндвич панели, в свою очередь, используются как навесные конструкции при облицовке металлических каркасов и выполняются из стальных оцинкованных листов с шумо- и теплоизоляционным слоем и полимерным покрытием, что исключает необходимость последующего отделочного покрытия панелей с внутренней стороны здания.

Начинаем собирать постоянные нагрузки от собственного веса.
Нагрузки от собственного веса делим на три типа.
Тип 1. Собственный вес колонны
Нагрузку от собственного веса колонн принимаем как сосредоточенную продольную силу, приложенную к центру тяжести колонны.

Тип 2. Вес от ограждающих конструкций стен
Если стены являются несущими или самонесущими, то их вес не учитывается.
Если стены навесные, то их вес необходимо учесть.
Нагрузку от навесных стен прикладываем как сосредоточенную силу, приложенную к центру тяжести стенового ограждения с учетом эксцентриситета е1.

Численное значение этой сосредоточенной силы зависит от шага колонн, высоты колонн и веса стенового ограждения:
Gогр.кон. = вес ограждающих конструкций(кг/м2) × высота колонны (м.) × ширина грузовой площади (м.)
Вес ограждающих конструкций стен учитываем только в пределах высоты колонны, т.к. ограждающие конструкции выше колонн крепятся к фермам или ригелям.
Шаг колонн определяет ширину грузовой площади.
Пример. Если шаг колонн три метра, то ширина грузовой площади будет равна трем метрам.

Если шаг колонн разный,
то ширина грузовой площади подсчитывается путем сложения грузовых участков с каждой стороны колонны.
Пример. Допустим шаг колонн слева четыре метра, а шаг колонн справа два метра. Ширина грузового участка слева колонны получается три метра, а справа один метр. Следовательно, ширина грузовой площади этой колонны равняется четырем метрам.

Вес от конструкций покрытия
Вес от конструкции включает себя вес фермы (ригеля), прогонов кровли, кровли, стенового ограждения в уровне ферм.
Все эти нагрузки принимаются на стадии расчета фермы или ригеля и на основе этих расчетов принимается нагрузка на колонну.
Всегда следует обращать внимание на узел опирания фермы или ригеля на колонну, т.к. опирание может быть без эксцентриситета, а может иметь эксцентриситет, который создает момент в колонне. Этот момент также необходимо учитывать.

Для тех, кто немного подзабыл теорию, предлагаю почитать ниже подробное описание.
Рассмотрим прогоны кровли, уложенные по двутавровым балкам. На прогонах расположены конструкции покрытия. Конструкции покрытия имеют вес, равномерно распределенный по всей площади. Будем считать, что временная (снеговая) нагрузка тоже распределена по всей площади равномерно.

Посмотрим, как распределяется нагрузка от покрытия на каждый прогон. Для этого будем использовать понятие «грузовая» площадь, т.е. площадь покрытия, которая передает нагрузку на прогон.
Как видно из рисунка, у каждого прогона есть своя «грузовая площадь» в виде полосы вдоль всего прогона. Определим ширину грузовой площади. От ширины грузовой площади зависит равномерно распределенная нагрузка на прогон.

Если принять А, Б, В, Г – расстояние между прогонами, то ширина грузовой площади прогона П1 будет равна А/2.
Ширина грузовой площади прогона П2 будет равна (А/2)+(Б/2) и так далее.
Если шаг прогонов одинаковый, то ширина грузовой площади будет равна шагу прогона.
Равномерно распределенная нагрузка на прогон равна произведению ширины грузовой площади и нагрузки, которая на этой грузовой площади действует.

Рассмотрим прогон П1. Если у нас нагрузка на покрытие равняется g кг/ кв.м., а ширина грузовой площади равна (А/2) м., то нагрузка на прогон будет равна g(А/2).
Для прогона П2 g((А/2)+(Б/2)) и т.д.
При сборе нагрузок на прогон, необходимо учитывать также вес самого прогона.

Сбор нагрузок от веса утеплителя

Сбор нагрузок от веса пароизоляции

Сбор нагрузок на колонны
Рассмотрим колонну одноэтажного здания. Колонна воспринимает нагрузку от собственного веса, от веса ограждающих конструкций, от давления ветра и от конструкций покрытия.

Собственный вес колонны.
Нагрузки от собственного веса колонны считаем раздельно для верхней и нижней частей.
Нагрузку от собственного веса каждой части колонны принимаем как сосредоточенную продольную силу, приложенную к центру тяжести.

Для определения снеговых нагрузок потребуются следующие исходные данные:
1 Снеговой район строительства.
Снеговые районы принимаются по карте 1 (приложения Ж). Зная снеговой район, определяем вес снегового покрова Sg, кПа.
Принимается в зависимости от снегового района по таблице 10.1

КАРТА 1. РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЕСУ СНЕГОВОГО ПОКРОВА

Тип местности
Определяем тип местности. Он бывает трех типов:
Эти данные необходимы для расчета коэффициента Сe, который учитывает снос снега.

3 Тип схемы
Тип схемы выбираем в соответствии с приложением Г (СП 20.13330.2011). Существуют следующие типы схем:
Г.1 Здания с односкатными и двускатными покрытиями;
Г.2 Здания со сводчатыми и близкими к ним по очертанию покрытиями;
Г.3 Здания с продольными фонарями;
Г.4 Шедовые покрытия;
Г.5 Двух- и многопролетные здания с двускатными покрытиями;
Г.6 Двух- и многопролетные здания со сводчатыми и близкими к ним по очертанию покрытиями;
Г.7 Двух- и многопролетные здания с двускатными и сводчатыми покрытиями с продольным фонарем;
Г.8 Здания с перепадом высоты;
Г.9 Здания с двумя перепадами высоты;
Г.10 Покрытие с парапетами;
Г.11 Участки покрытий, примыкающие к возвышающимся над кровлей вентиляционным шахтам и другим надстройкам;
Г.12 Висячие покрытия цилиндрической формы;
Г.13 Здания с купольными круговыми и близкими к ним по очертанию покрытиями;
Г.14 Здания с коническими круговыми покрытиями.

4 Средняя скорость ветра
Средняя скорость ветра V за три наиболее холодных месяца принимается
по карте 2 обязательного приложения Ж.
Этот параметр необходим для выбора метода расчета коэффициента Сe, который учитывает снос снега.
5 Ширина покрытия
Ширина покрытия b принимается по схеме крыши, но не более 100 м. Этот параметр необходим для выбора метода расчета коэффициента Сe, который учитывает снос снега.
6 Высота крыши над землей
Высота крыши над землей Ze. Этот параметр необходим для выбора метода расчета коэффициента Сe, который учитывает снос снега.
7 Уклон кровли
Уклон кровли определяется по чертежам.
8 Наличие фонарей на крыше
Определяет тип схемы и влияет на выбор методики расчета коэффициента Сe.
9 Средняя температура января
Средняя температура января определяется по карте 5 прил. Ж.
Параметр влияет на снижение снеговой нагрузки по пункту 10.9.

Уточнения
1 Является ли покрытие здания, защищенным от прямого воздействия ветра соседними более высокими зданиями, удаленными менее чем на 10h1,
где h1 — разность высот соседнего и проектируемого зданий .
2 Рассматривается ли в данном случае участок покрытий длиной b, b1 и b2, у перепадов высот зданий и парапетов (см. схемы Г.8 — Г.11 приложения Г).
3 Проектируется здание с неутепленным покрытием с повышенными тепловыделениями при уклонах кровли свыше 3 % и обеспечении надлежащего отвода талой воды.

КАРТА 2. РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ ВЕТРА, М

КАРТА 4. РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО НОРМАТИВНЫМ ЗНАЧЕНИЯМ МИНИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА, 0С

КАРТА 5. РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СРЕДНЕЙ МЕСЯЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ ВОЗДУХА, °С, В ЯНВАРЕ

Согласно СП 20.13330.2016.
Ветровые районы: КАРТА 2 приложение Е

КАРТА 2. РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДАВЛЕНИЮ ВЕТРА

Для зданий и сооружений необходимо учитывать следующие воздействия ветра:
а) основной тип ветровой нагрузки (в дальнейшем — «основная ветровая нагрузка», см. раздел 11.1.);
б) пиковые значения ветровой нагрузки, действующие на конструктивные элементы ограждения и элементы их крепления (в дальнейшем — «пиковая ветровая нагрузка», см. раздел 11.2);
в) резонансное вихревое возбуждение (см. раздел 11.3 и приложение В.2.);
г) аэродинамически неустойчивые колебания типа галопирования, дивергенции и флаттера.
Основной тип ветровой нагрузки и пиковые ветровые нагрузки связаны с непосредственным действием на здания и сооружения максимальных для места строительства ураганных ветров и должны учитываться при проектировании всех сооружений.