Страница 6: СНиП РК 2.03-04-2001. Пособие по расчету и конструированию стальных сейсмостойких каркасов многоэтажных зданий (32563)

(3-10)

Рисунок 3.18 - Рамный узел каркаса

где = 1,2; по СНиП РК 5-04-23-2002 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

Если в стенке рамного узла не допускается развитие пластических деформаций, то сечение стенки колонны в узле проверяется на прочность по формуле:

(3-11)

Если в стенке рамного узла предусматривается развитие пластических деформаций, то проверка прочности производится по формуле:

(3-12)

где - предел текучести стали, определенный на основании результатов испытаний образцов на заводе-изготовителе конструкций.

В обоих случаях для обеспечения устойчивости стенки рамного узла должно быть выполнено условие ,(3-13)

где - расчетное сопротивление стали в МПа.

Горизонтальные ребра жесткости колонн изготавливаются из той же стали, что и пояса ригеля, при этом их общая ширина принимается равной ширине пояса колонны, а толщина на больше, чем у пояса ригеля.

Для упрощения монтажа к поясам колонны привариваются по две пластины сечением - 80 х 80х 6мм, на которые устанавливаются ригели. После монтажа пластины срезаются шлифмашинкой.

Все заводские сварные швы выполняются полуавтоматической сваркой в среде защитных газов в соответствии с СНиП РК 5.04-23-2002 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

Монтажная сварка должна, как правило, производиться полуавтоматом и только в исключительных случаях вручную с соблюдением требований СНиП РК 5.04-23-2002 «Стальные конструкции. Нормы проектирования» и СНиП РК 5.04-18-2002 «Металлические конструкции. Правила производства и приемки работ».

Гофрированная стенка ригеля приваривается к поясу колонны двусторонними угловыми швами Ш1, Ш2, размеры которых принимаются по расчету, полагая, что касательные напряжения распределяются по их длине равномерно.

Стенка рамного узла приваривается к поясам колонны и ребрам двусторонними угловыми швами Ш3, Ш4 с катетами не менее толщины стенки - tw.

Сварные швы, прикрепляющие пояса ригелей и ребра колонны к ее поясам, должны выполняться с разделкой кромок и полным проваром в соответствии с ГОСТ 5264-80*, ГОСТ 8713-79*, ГОСТ14771-76*.

При этом толщина швов по грани поясов колонны - tшо должна назначаться из условия прочности стали поясов в направлении толщины проката Rth согласно указаниям главы СНиП РК 5.04-23-2002 «Стальные конструкции. Нормы проектирования»:

(3-14)

где: - максимальное усилие в поясе ригеля у грани колонны,

- ширина пояса ригеля у грани колонны (Рис. 3.18).

Если каркас запроектирован таким образом, что пластические шарниры возникают только в стенке рамных узлов, то пластические сдвиговые деформации при тех же конструкциях будут равны для i-го этажа:

Предельный упругий сдвиг стенки рамного узла для стали С255

и соответственно уровень пластических сдвиговых деформаций:

, что значительно меньше расчетного (см. рис. 3.16).

Таким образом малоцикловая прочность каркаса в пределах i - го этажа будет обеспечена.

Расчет рамного узлового соединения ригелей с колонной квадратного трубчатого сечения (Рис. 3.8, 3.9) отличается от приведенного выше расчета для двутавровой колонны только тем, что две стенки колонны работают в пределах рамного узла, как правило, в упругой стадии. В этом случае стенки узлов каркаса не выполняют роль энергопоглощающих элементов, а развитие пластических деформаций можно допустить только в поясах ригелей.

Расчет на прочность стенок колонны в рамном узле производится по приведенным напряжениям в месте соединения диафрагмы с поясом

(3-15)

где: , (3-16)

где: , - максимальный изгибающий момент в колонне в пределах рамного узла и соответствующая нормальная сила;

, , - площадь поперечного сечения, момент инерции и статический момент пояса колонны;

- толщина стенки колонны в узле.

Изображенная на рис. 3.11 база колонны двутаврового сечения рассчитывается с учетом развития сдвиговых пластических деформаций в стенках траверс при горизонтальных сейсмических нагрузках расчетной интенсивности.

На рис. 3.19 приведена расчетная схема базы колонны.

Длина сжатой зоны бетона фундамента при ширине опорной плиты - d определяется по формуле:

(3-17)

Если ?? , то следует увеличить ширину опорной плиты; - см. рис. 3.19.

Усилие на фундаментные болты (два болта на каждой траверсе):

, (3-18)

где R?? - расчетное сопротивление бетона фундамента при сжатии определяется по СНиП 2.03.01-84 «Бетонные и железобетонные конструкции».

По усилению подбирается фундаментный болт в соответствии с СНиП РК 5.04-23-2002 «Стальные конструкции. Нормы проектирования». Размеры траверс колонны назначаются из конструктивных соображений hw ?? (0,5 ?? 0,75) , аw ?? (1,0??1,5)hw .

Толщина стенки траверсы принимается по формуле:

, (3-19)

где: - расчетное сопротивление стали стенки траверсы.

Толщина стенки округляется до ближайшего целого числа с соответствующим уменьшением высоты стенки - .

Площадь поясов траверсы определяется по формуле:

(3-20)

Рисунок 3.19 - Расчетная схема базы колонны двутаврового сечения.

Толщина центральной опорной плиты определяется из условия работы пластинки опертой на три канта, загруженной равномерно распределенной нагрузкой - на длине /2.

Центральное ребро траверсы рассчитывается на усилие Nцр = ?? d ?? 0,5hk

Крайние опорные плиты траверс рассчитываются как консольные пластинки нагруженные равномерно распределенной нагрузкой . При этом размеры этой плиты определяются из условия: . (3-21)

На рис. 3.12 приведена база колонны квадратного трубчатого сечения с фиксированными зонами передачи вертикальных нагрузок на фундамент. Расчет такой базы в особом сочетании нагрузок производится по главным осям здания. При этом в запас прочности не учитывается работа траверс перпендикулярного направления, за исключением такого варианта загружения, при котором колонна отрывается от фундамента. В этом случае учитывается работа всех четырех траверс базы колонны. При расчете допускается развитие сдвиговых пластических деформаций в стенках траверс.

При расчете базы исходят из того, что изгибающий момент М воспринимается двумя траверсами, нормальная сила N – наиболее сжатым участком центральной опорной плиты, а сдвигающая сила Qw передается на фундамент за счет трения и через закладные детали (шпоры).

Ширина сжатого участка центральной опорной плиты определяется по формуле:

, (3-22)

где ?? расстояние между центрами тяжести поясов колонны.

Ширина центральной опорной плиты будет равна во = +

Толщина центральной опорной плиты колонны:

, (3-23)

где , - расчетные сопротивления бетона при сжатии и стали опорной плиты при изгибе.

Усилие растягивающее два фундаментных болта:

, (3-24)

где - расстояние между фундаментными болтами.

Ширина опорной плиты траверсы Zт:

, (3-25)

где - длина опорной плиты траверсы.

Толщина стенки траверсы высотой hт назначается по формуле:

.(3-26)

Толщина округляется до целого числа в мм, при этом соответственно корректируется высота стенки траверсы hТ.

Площадь поперечного сечения поясов траверс назначается по формуле:

, (3-27)

где - длина пояса, - площадь поперечного сечения пояса траверсы.

Ширина и толщина пояса траверсы определяется из условия устойчивости в соответствии с требованиями СНиП РК 5.04-23-2002 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

3.6 Пример расчета и конструирования стального рамного каркаса

12-этажного ширококорпусного сейсмозащищенного здания

Основные исходные данные:

1 Шаг колонн в поперечном и продольном направлениях - .

2 Высота этажа –

3 Размеры в плане 18 х

4 Перекрытия железобетонные монолитные (нормативная нагрузка 260 кгс/м2)

5 Полы (нормативная нагрузка 100 кгс/м2)

6 Ограждающие конструкции – легкие панели, витражи (нормативная нагрузка ?? 60 кгс/м2)

7 Сейсмичность района строительства – 9 баллов.

8 Грунты второй категории по сейсмическим свойствам

9 Снеговая нагрузка - ???? район по СНиП

10 Ветровая нагрузка - ?????? район по СНиП

11 Временная нормативная нагрузка - 150 кгс/м2

12 Огнезащита - вермокулитовая штукатурка ?? =

Уровень ответственности здания - нормальный, коэффициент надежности по ответственности ??n = 0,95 (СНиП 2.01.07-85*«Нагрузки и воздействия).

Расчет и конструирование стального каркаса выполнен только на особое сочетание нагрузок. Принятые конструктивные формы элементов и узлов каркаса не являются обязательными при реальном проектировании.

На рис.2.1 приведены схемы только несущих конструкций каркаса здания.

Массы в узлах каркаса для любого перекрытия

- угловая колонна Q1 = 0,7 ?? 9 + 1,17 + 0,1 ?? 9 = 8,37т ?? 8,4т;

- колонна крайнего ряда Q2= 0,7 ?? 18 + 1,17 + 0,1 ?? 18 = 15,57т ?? 15,6 т;

- средняя колонна Q3 = 0,7 ?? 36 + 0,1?? 36 =28,8т.

Для покрытия верхнего этажа принимаем те же массы, что и для рядового этажа, так как они мало отличаются друг от друга.

Таблица нагрузок

Выполняем расчет пространственного каркаса по программе «SCAD office» на вертикальные нагрузки особого сочетания и горизонтальные сейсмические нагрузки. При этом учитываем три первые формы собственных колебаний.

Жесткости элементов назначаются по аналогам для каждого яруса каркаса или по приближенному расчету.

Подбор сечений ригелей из сварных двутавров с поперечно гофрированной стенкой.

1 Нижний ярус каркаса.

Расчетный изгибающий момент в ригеле на расстоянии от оси колонны: Мр = 56,6 тс.м, поперечная сила Q = 24,9 тс. При высоте гофрированной стенки ригеля , выполненной из стали С245 требуемая ее толщина должна быть не менее

Необходимую площадь сечения поясов ригеля из стали С345 определяем по формуле:

где - расчетная величина предела текучести стали пояса.

Принимаем сечение поясов - 180 х . Проверяем отношение свеса пояса к толщине

где - ширина пояса, - высота гофров стенки.

2. Второй ярус каркаса.

Мр = 52,26 тс.м, Qp = 23,32 тс. Пояса ригеля из стали С345, гофрированная стенка – из С245

Принимаем сечение поясов - 170 х . Толщина стенки tw = , так как поперечная сила в ригеле чуть меньше, чем в нижнем ярусе каркаса.

3. Третий ярус каркаса

Мр = 43,57 тс.м Q = 20,18 тс. Пояса ригеля из стали С255, гофрированная стенка - из С245.

А= = 28,64 см2. Принимаем сечение поясов - 180 х .

Проверяем отношение

Толщину гофрированной стенки принимаем .

4. Верхний ярус каркаса

Мр = 30,19 тс.м Q = 15,34 тс. Пояса ригеля из стали С255, стенка - из С235.

Аf, = = 19,84 см2. Принимаем сечение поясов - 160 х .

Проверяем отношение

. Принимаем tw =

Подбор сечений колонн квадратного трубчатого сечения из четырех уголков:

1. Нижний ярус

Действующие в нижнем сечении колонны (верх траверс) усилия:

крайняя колонна М = Мв + Мс = -2,5 – 49,1 = -51,6 тс.

N = NВ + NC = -201,43 ?? 129,0 = - 330,43 тс (-72,43 тс),

Q = 2,2+ 23,2 = 25,4 тс.

Здесь МВ, МС, NВ, NC – изгибающие моменты и нормальные силы в колонне соответственно от вертикальной и горизонтальной сейсмической нагрузок;

Средняя колонна: М =МВ + МС = - 0,24 - 56,36 = -56,6 тс.м

N = -331,36 - 2,88 = - 334,24 тс.

Q = 0,2+ 30,8 = 31,0 тс.

Подбираем сечение наиболее нагруженной средней колонны. Расчетная длина колонны ??НК, где ?? - коэффициент расчетной длины, определяемый по таблице 17,а СНиП РК 5.04-23-2002 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

;

при =

Гибкость колонны

Относительный эксцентриситет

Величины и взяты по предварительно подобранному сечению колонны.

?? =(1,75-0,1 ?? 1,36) – 0,02 (5 – 1,36) ?? 1 = 1,75 – 0,136 – 0,073 = 1,54.

Приведенный относительный эксцентриситет mef = ?? m = 1,54 ?? 1,36 = 2,1.