автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Пространственная жесткость одноэтажных многопролетных легких зданий с применением профилированного настила с высотой гофр 153 мм

004610092

ГИМРАНОВ ЛИНУР РАФАИЛЕВИЧ

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЖЕСТКОСТЬ ОДНОЭТАЖНЫХ МНОГОПРОЛЕТНЫХ ЛЕГКИХ ЗДАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОФИЛИРОВАННОГО НАСТИЛА С ВЫСОТОЙ ГОФР 153мм.

Специальность 05.23.01 - "Строительные конструкции, здания и сооружения"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 ОКТ 2010

Казань-2010

004610082

Работа выполнена на кафедре металлических конструкций и испытан сооружений ФГОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно строительный университет».

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Кузнецов Иван Леонидович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Молев Игорь Васильевич Кандидат технических наук, доцент Столбов Александр Васильевич

Ведущая организация:

ЗАО "Казанский Гипронииавиапром'

.4

Защита состоится 27 октября 2010г. в 13.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 при Казанском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 3, в ауд. 3 -203 (зал заседания Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «2.2*.» сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор

Л. А. Абдрахманова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В настоящее время востребованы одноэтажные легкие многопролетные здания, в частности, торгово-развлекательные комплексы, логистические узлы и др. Указанные здания имеют значительную протяженность в обоих направлениях, увеличенный шаг расстановки колонн н эффективное покрытие, включающее подстропильные и стропильные фермы из гнуто-сварных профилей (ГСП), по которым уложен профилированный стальной настил. Специфика эксплуатации рассматриваемых зданий требует обеспечения свободной планировки, поэтому, несмотря на увеличенный шаг установки колонн, максимально исключается устройство специальных элементов связей,

обеспечивающих пространственную жесткость стального каркаса. Анализ конструктивных схем многопролетных зданий зарубежных разработок показывает, что их пространственная жесткость обеспечивается комплексным включением профилированного настила в совместную работу стального каркаса здания и жесткой заделкой колонн в фундаменте в обоих направлениях. При этом для повышения эффективности покрытия используется профилированный настил с увеличенной высотой гофр 153 мм и выше. Из отечественных разработок наиболее конструктивно близкими к данному типу зданий являются здания, выполненные по серии «Молодечно», но отличающиеся однонаправленной заделкой колонн в фундаменте, наличием системы вертикальных связей по фермам и колоннам, распорок по нижним поясам стропильных ферм и профилированным настилом с максимальной высотой гофр П4мм. Таким образом, по всем качественным и количественным параметрам обеспечения пространственной жесткости отечественные здания отличаются от рассматриваемых, поэтому применение существующих методик и подходов к расчету и обеспечению пространственной жесткости не представляется возможным при проектировании многопролетных легких зданий с жесткой заделкой колонн в обоих направлениях. Следовательно, для успешного строительства и оценки технического состояния уже существующих многопролетных легких зданий необходимо проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований по обеспечению пространственной жесткости многопролетных легких зданий с использованием в покрытии нового тина профилированного настила с высотой гофр 153мм. Цель и задачи работы:

Целью диссертационной работы является исследование вопросов расчета и обеспечения пространственной жесткости одноэтажных многопролетных легких зданий, имеющих жесткую заделку колонн в обоих направлениях, с применением в покрытии стального настила нового типа с высотой гофр 153мм.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: -выполнить анализ зарубежных и отечественных подходов к способам обеспечения пространственной жесткости легких одноэтажных многопролетных зданий и методикам по учету профилированного настила в пространственной работе их каркаса;

-определить расчетные геометрические характеристики нового типа профилированного настила повышенной жесткости с высотой гофр 153мм из стали по ГОСТ 52246-2004;

-определить параметры сдвиговой жесткости профилированного настила с высотой гофры 153мм и разработать рекомендации по ее учету в обеспечении пространственной жесткости здания;

-разработать рекомендации по проверке вертикального положения стропильных ферм покрытия, выполненных из ГСП, при наличии диска жесткости по их верхнему поясу;

-исследовать влияние конструктивных и нагрузочных факторов на пространственную жесткость многопролетных зданий с колоннами, имеющими жесткую заделку на фундаменте в обоих направлениях.

Научная новизна работы состоит в следующем;

- впервые определены расчетные редуцированные геометрические характеристики профилированного настила с высотой гофр 153мм из стали по ГОСТ52246-2004;

- впервые численно и экспериментально исследована сдвиговая жесткость профилированного настила с высотой гофры 153мм и даны рекомендации по ее учету в пространственной работе каркаса многопролетных легких зданий с заделкой колонн в обоих направлениях;

- предложена методика проверки вертикального положения ферм с опиранием в уровне верхнего пояса в покрытиях зданий с диском жесткости из рассматриваемого профилированного настила, позволяющая оценить необходимость установки связей и распорок;

- исследована специфика влияния перепада температур в рассмотренных многопролетных легких зданиях, и предложена методика оценки несущей способности профилированного настила и его креплений на данное воздействие;

Достоверность результатов: степень достоверности научных результатов обеспечена проведением исследований с применением научно обоснованных методик, современных приборов и оборудования, а также экспериментальной проверкой результатов, полученных по рекомендуемым конечно-элементным моделям.

Практическая значимость:

- получены расчетные геометрические параметры нового типа профилированного настила с высотой гофры 153мм из стали по ГОСТ52246-2004, позволяющие определить его несущую способность и жесткость;

- Определены параметры сдвиговой жесткости профилированного настила с высотой гофры 153мм и разработаны рекомендации по ее учету в обеспечении пространственной жесткости;

- даны рекомендации по расчету креплений профилированного настила с учетом температурного воздействия;

- разработаны новые конструктивные решения, защищенные патентами РФ, элементов каркаса и покрытия, по обеспечению пространственной жесткости многопролетных зданий.

Реализация результатов исследований.

Результаты исследований нашли свое отражение в Рекомендациях по применению стального профилированного настила с высотой гофра 153мм, производства ООО «Завод кровли и фасадов " Эстель" г. Казань, 2007г., а также в

4

технических решениях по возможной дальнейшей эксплуатации Торгово-развлекательного центра «Мега-Казань» (х/д № 21/11-05 от 29.11.05) и несущих конструкций здания ледового дворца спорта «ТАТНЕФТЬ-АРЕНА» (х/д №22/8-09/197/09-п от 28.09.2009). На защиту выносятся:

- обзор и систематизация зарубежного и отечественного опыта учета пространственной работы в многопролетных легких зданиях с применением в покрытиях профилированного настила;

- численные и экспериментальные исследования несущей способности и сдвиговой жесткости настила с высотой гофры 153мм;

- методика оценки деформативности стального каркаса одноэтажных многопролетных легких зданий с применением в покрытой настилов с высотой гофр 153мм;

- методика оценки необходимости установки связей, обеспечивающих вертикальное положение стропильных ферм из ГСП, с опиранием в уровне верхнего пояса;

- методика определения усилий в элементах крепления профилированного настила к несущим конструкциям, зависящих от перепада температур в многопролетных зданиях, с жесткой заделкой колонн в обоих направлениях.

Апробация работы.

Основные результаты выполненных исследований доложены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава КГ АСУ, 59,60,61,62 научных конференциях 2007-2010 годов, 10-й юбилейной научной международной научно-технической конференции «Строительство, коммунальное хозяйство», Уфа, 2006, на всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи регионам», Вологда, 2009. Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе три изобретения, защищенных патентом РФ. Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложения. Работа изложена на 153 листах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 105 рисунков в виде графиков, схем, фотографий. Список литературы включает 125 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе описаны и исследованы зарубежные и отечественные конструктивные подходы, а также методики по обеспечению пространственной жесткости каркасов зданий из легких металлических конструкций и покрытий с применением стального профилированного настила. Основы в оценке пространственной жесткости на примере промышленных зданий в нашей стране были заложены Е.И. Беленя, М.М. Бердичевским, Н. С. Стрелецким, ИЛ Белоцерковским, А.Н. Гениевым, М.С. Владовским. В данных работах пространственная жесткость каркаса здания обеспечивалась системой горизонтальных и вертикальных связей, распорок по колоннам и покрытию, а

5

также сплошным диском, образованным железобетонными плитами покрытия. Профилированный настил в покрытиях данных зданий не рассматривался как сплошной диск покрытия. Впервые в нашей стране рассматривать покрытие из профилированного стального настила в качестве сплошного диска покрытия конечной жесткости одноэтажных промышленных зданий предложил Э.Л. Айрумян. Результатом его исследований стали Рекомендации по учету жесткости диафрагм из стального профилированного настила в покрытиях одноэтажных производственных зданий при горизонтальных нагрузках, которые и по сей день используются проектными организациями. В данной работе диафрагма из стального профилированного настила перераспределяет горизонтальные нагрузки между несущими конструкциями каркаса для дальнейшей их передачи на фундамент, т.е. выполняет функцию горизонтальных связей по покрытию. Для определения деформативности диска используется понятие эталонной сдвиговой жесткости, которая определяется экспериментальным путем. Прочность диска характеризуется достаточной несущей способностью элементов крепления настила к несущим конструкциям. Рассматривается два варианта диафрагм- продольные и поперечные. В продольных диафрагмах возможны следующие два случая: это распределение локальной нагрузки с одной рамы каркаса на соседние и равномерная передача горизонтальной нагрузки через диск из профнастила на каркас. Оба случая подразумевают совместную работу каркаса, обладающего определенной жесткостью, в направлении действия нагрузки и диска из стального профилированного настила. Деформативность каркаса в целом определяется с помощью аналитических формул, представленных в соответствующих рекомендациях. В поперечных диафрагмах, где направление действия горизонтальных нагрузок происходит из плоскости рамы (каркас не работает совместно с диафрагмой), диафрагма из профнастила заменяется системой фиктивных стержней, обладающих той же деформативностью, что и сплошной диск (рис.1.).

Рис.1. Отечественные подходы в учете пространственной работы каркаса с покрытием из стального профилированного пастила.

л

Исследования в области пространственной жесткости зданий с покрытием из стального профилированного настила велись также и за рубежом. Первые исследования провели W. Bates, Е. Bryan, S.B. Barnes, А.Н. Nilson, L.D. Luttrell. Особую роль в отработке расчетной методики также сыграли Steel Deck Institute (SDI) Illinois и Canadian Sheet Steel Building Institute (CSSBI). Результатами этих исследований стали методики определения прочности и деформативности диафрагм из стального профилированного настила в покрытиях зданий. В основе данных методик лежат эмпирические зависимости, полученные в ходе полномасштабных экспериментов. Прочность диафрагм характеризуется достаточной несущей способностью элементов креплений, а также исключением возможности потери устойчивости диафрагмы из своей плоскости. Деформативность диафрагмы определяется ее жесткостью, выраженной либо через параметр отношения усилия к единице перемещения, либо через параметр перемещения, отнесенного к единичной силе.

I

\м

Uli

Lotofiil Lorui <<

i I

t 1

1 ' ' ^ ' 1 ' ' r i '

<5f

nsz;

У

Roof or Floor ОицэПгпэл* A' Portmeier iTittmbui ueclion art»u

v

¡*h*tal' Diagrem

8

1 384EJ

vLF

AB =

5 q L4

ь 8 В G'

" 384 Е1

Рис.2 Расчетные схемы диска жесткости покрытия в зарубежных методиках.

Диафрагма рассматривается как свободно-опертая балка с гофрированной стенкой, перемещения которой складываются из изгибной и сдвигающей составляющих (рис.2). Деформативность каркаса с определенными характеристиками сдвиговой жесткости настила оценивается программными комплексами. Стоит отметить, что в зарубежной практике понятие сплошного диска из профнастила более широкое, т.е. диском считается как настил, прикрепленный в каждой волне, так и через волну и даже через две волны, а также имеющий шаг креплений листов настила между собой от 100 до 1000м, меняются лишь его деформативные характеристики. В отечественной практике диафрагмой жесткости считается настил, прикрепленный в каждой волне и имеющий шаг креплений настила между собой не более 500мм. Высота гофров варьируется от 35 до 114мм, а в зарубежной - от 35 до 200мм.

Как показано выше, профилированный настил играет ключевую роль в обеспечении пространственной жесткости здания как в зарубежных, так и в отечественных методиках. Поэтому кроме совершенствования методики учета профилированного настила в пространственной работе многопролетных легких

зданий необходимо также проведение исследований по определению расчетных характеристик в случае применения новых типов профилированного настила.

Исходя из проведённого анализа существующих методик и подходов в обеспечении пространственной жесткости, сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

Во второй главе описываются численные и экспериментальные исследования нового типа профилированного настила с высотой гофры 153мм из стали по ГОСТ 52246-2004, производство которого налажено ООО «Эстель» в г. Казани. Геометрические параметры данного профилированного настила приведены на рис.3 а

22 OQ

'II"

f ^ У iV\ - /

Рис.З.Профилированный настил Н153-840. а) геометрические параметры сечения, б) эпюра напряжений в настиле при закритической работе.

Геометрические характеристики, а именно, Jx и Wx нового профилированного настила толщиной от 0,8 до 1,5мм из стали по ГОСТ 52246-2004, для групп поставки стали 250, 280, 320, 350, определяются с учетом выключения части сечения, работающего в закритической стадии (рис.Зб), из восприятия действующих напряжений по методике Я.Брудка. В зависимости от толщины и I расчетного сопротивления стали зоны выключения участков сечения уменьшались или увеличивались. Численные исследования несущей способности производились на ПК Ansys и Лира, расчетная модель настила приведена на рис. 4.

Type: Nonfat Stress (У Axis >-Top/Bottom

Untt: MPa

Globst Cooidinaw System , .■.

"П{ие:1 / / / . ■

25.04.2010 17:27 ./■ • /

. 335.95 Max

150.00 450,00

Рис.4. Расчетная модель профилированного настила Н153-840.

Максимальные напряжения возникают в узких полках настила вследствие его несимметричного сечения. Для подтверждения численных данных были проведены экспериментальные исследования, результаты которых отражены на рис.5.

Зависимость прогиба от погонной

а гру ЗКИ 1 ш.п. веер X)

• Численные данные j

а) б)

Рис.5 Экспериментальные исследования несущей способности настила Н153-840-1,5 а) настал в процессе загружения, б) график зависимости прогиба от нагрузки

Анализируя эти результаты, можно сделать вывод, что принятые теоретические положения и результаты численных исследований подтвердились в ходе эксперимента (рис.5б). По результатам дальнейших исследований несущей способности и деформативности нового профилированного настила было выявлено, что возникает необходимость определения рациональной прочности применяемой стали. Например, при однопролетной схеме опирания предельное состояние настила определяется его жесткостью и при типовом составе мягкой кровли, а также в IV снеговом районе не целесообразно применение настилов с расчетным сопротивлением больше 280 МПа.

Для определения сдвиговой жесткости панели эталона настила Н153-840 была выполнена отработка в ПК «Лира» численных моделей настилов отечественного сортамента, для которого известны значения сдвиговой жесткости. Предложенная модель включала не только настил, но и узлы крепления его к несущим конструкциям. На рис.66 и приведен сравнительный график численных и нормативных данных для настилов отечественного сортамента на примере настилов с толщиной 0,8мм.

Высота гофра (мм)

Тип настила Сдвиговая жесткость С о (Н/мм) эталонного участка 3x6м

СТ00043- РПСП ПК

2005 ННС Лира

НС35-1000-0.8 2600 - -

Н57-750-0.8 1900 2100 3124

Н60-845-0.8 1800 1900 2700

Н75-750-0.8 1400 1800 Е060

HI 14-750-0.8 1000 1500 1650

HI 14-600-0.8 1200 2300 2040

а) б)

Рис.6. Сопоставление численных результатов и нормативных данных, а) график зависимости сдвиговой жесткости от высоты гофра; б) сравнение данных нормативных источников с результатами, полученными на ПК «Лира»

Результатом данных исследований стало определение коэффициента расхождения между численно определенной сдвиговой жесткостью панели эталона, полученной в ПК Лира, и нормативными данными. После отработки

подходов в создании расчетной модели они были созданы в виде эталонного участка настила Н153 в ПК Лира (рис.7а) и АшуБ (рис.7б). Эталонный участок настила представляет собой раму 6x6м, к которой прикреплен профнастил, один конец рамы закреплен неподвижно, а к свободному концу рамы прикладывается усилие. Усилие, вызывающее единичное смещение свободного конца рамы, и

Рис.7. Деформированные модели настила Н153-840 в ПК Лира и Алвуя »реформированная модель ПК Лира; б)деформированная модель ПК Ашув. Результаты численных исследований на данных расчетных комплексах приведены в табл. 1. Крепления в расчетной модели панели эталона в ПК АшуБ больше соответствует креплениям в виде сварных заклепок, а не винтов различного типа. Податливость креплений из винтов выше, чем у сварных заклепок, что учитывается в «Рекомендациях по учету пространственной работы профилированного настила в покрытиях одноэтажных промышленных зданий.» увеличением сдвиговой жесткости панели эталона с креплениями из сварных заклепок на величину коэффициента, равного 1,2. Следовательно, сдвиговая жесткость панели эталона, полученная на ПК АшуБ с креплениями из винтов, меньше на 20%.** Таблица 1.

Значение сдвиговой жесткости настила Н153 в различных ПК

Марка Сдвиговая жесткость Со(Н/мм)

настила ПК Лира ПК Лира* ПК Апвув ПК Амуэ**

Н153-840-0.8 870 530 960 800

Н153-840-0.9 1060 640 1140 950

Н153-840-1.0 1243 750 1315 1090

Н153-840-1.1 1415 860 1470 1220

Н153-840-1.2 1570 951 1640 1360

Н153-840-1.3 1710 1035 1800 1500

Н153-840-1.4 1840 1115 1970 1640

Н153-840-1.5 1960 1190 2140 1780

*- значения эталонной сдвиговой жесткости с учетом коэффициента расхождения. **-значения эталонной сдвиговой жесткости с учетом данных нормативной литературы.

Также были проведены испытания на сдвиг самосверлящих винтов. Марка стали в образцах для испытаний была аналогична марке стали профилированного настила при эксперименте на сдвиговую жесткость, В момент исчерпания несущей способности соединения его деформация может достигать от 1 до 1,3мм. В составе диафрагмы усилия среза в креплениях достигают 200кг, при этом деформация составляет 0,15-0,2мм в каждом креплении. По этой причине уменьшение

10

сдвиговой жесткости панели эталона при использовании самосверлящих винтов подтверждается и экспериментальными исследованиями элементов крепления. Для подтверждения численных исследований сдвиговой жесткости была проведена серия экспериментов с размерами эталонной панели 6x6м из настила Н153-840-1,5.

б)

Рис.8 Схема испытательной установки и процесс испытаний а) настил в процессе испытаний на сдвиговую жесткость; б) схема испытательной установки, где 1 - металлическая рама из четырех швеллеров, 2-шарниры, 3-жесткое крепление к силовому полу, 4- упор, 5- гидравлический цилиндр, 6- насосная станция, 7-катковые опоры, 8- прогибомер дистанционного типа, 9- профилированный пастил 153840-1,5.

Испытательная установка представляет собой стальную раму, собранную из четырех швеллеров №16 (Рис. 8). Швеллеры-1 длиной 6м в узлах соединены между собой шарнирами-2, а один из швеллеров жестко прикреплен к силовому полу-3, другой же опирается на катковые опоры -7. Между упором-4 и незакрепленным от горизонтального перемещения концом панели эталона установлен гадроцилиндр-5. Гидроцилиндр -5 подключен к насосной станции-6, снабженной манометром с ценой одного деления -38,8 кг. К раме в месте крепления гидроцилиндра присоединена струна, которая другим концом соединена с блоком дистанционного индикатора перемещения (цена деления индикатора 0,1мм). На раму укладывается семь профилированных листов Н153-840-1,5 длиной 6м. Профилированные листы крепятся к противоположно расположенным швеллерам при помощи самосверлящих винтов 6,3x25, установленных в каждой волне. Между собой профилированные листы объединены внахлест и соединены комбинированными заклепками диаметром 4 мм, установленными с шагом 300мм. Приложение нагрузки к панели-эталону размером 6x6 м осуществляется поперек направления гофр при помощи гидроцилиндра, соединенного с насосной станцией. При этом регистрируется как величина прикладываемого сосредоточенного усилия, так и перемещение рамы в месте приложения нагрузки. Загружение выполнялось этапами до достижения перемещения в 10, 20, 30, 40 и 50 мм, при этом нагрузка перед каждым последующим этапом загружения сбрасывалась до 0, и по индикатору производилось определение остаточного прогиба. После определения сдвиговой жесткости эталонного участка настила 6x6м, состоящего из 7 листов производились испытания участков настила с меньшим количеством листов. Результаты эксперимента приведены на рис.9.

Рис.9. Графики зависимости перемещения от усилия при испытании настила на сдвиг

а)график зависимости перемещении от усилия сдвига при поэтапном нагружении; б) график зависимости перемещения от усилия сдвига для различных размеров панели.

Экспериментальные данные показывают, что эталонная жесткость настила Н153-840-1,5 составляет 1200 Н/мм, что соответствует результатам, полученным в ПК Лира, с учетом коэффициента расхождения.

В третьей главе рассмотрено влияние конструктивных элементов, их взаимосвязи и расположения на пространственную жесткость каркаса многопролетного здания, имеющего заделку колонн в обоих направлениях.

Здания подобного типа теоретически могут быть реализованы без каких-либо вертикальных связей по колоннам. Однако после исследования жесткости , ряда колонн каркаса со связями и без связей (с жесткой заделкой колонн) было выявлено, что их значения будут сопоставимы лишь при очень большой протяженности последних, что не удовлетворяет требованиям норм допустимых размеров температурного блока. По этой причине установка связей в крайних рядах колонн представляется наиболее рациональным решением. Исследуемые здания имеют большую протяженность в обоих направлениях и тяготеют к квадратной или близкой к ней форме в плане. Следовательно, учет заделки колонн в обоих направлениях при оценке совместной работы каркаса и диафрагмы является актуальной задачей, которая была решена в ПК Лира. Исследовалась модель многопролегного каркаса с диафрагмой, которая моделировалась плоскими элементами с такой толщиной, чтобы ее сдвиговая жесткость была эквивалентна сдвиговой жесткости профилированного настила. Деформативность каркаса оценивается с помощью коэффициента ¡Зга, который характеризует вклад диафрагмы в общую деформацию каркаса в середине пролета диафрагмы, т.е. выражает отношение максимального перемещения каркаса с диафрагмой к максимальному перемещению каркаса без диафрагмы. Построены зависимости (Зш от соотношения жесткости участка диафрагмы между соседними рамами и единичной жесткости каркаса в направлении действия нагрузки, а также жесткости каркаса из плоскости действия нагрузки (рис. 10). Приведены также табличные значения (5т, которые могут быть использованы для определения

деформативности здания с наличием диафрагмы путем умножения на ¡Зт перемещения его каркаса без диафрагмы.

а) при ЬЛВ=6; б) при 17В=1

С- сдвиговая жесткость диафрагмы (Н/мм), К- жесткость каркаса (Н/мм) в плоскости действия

нагрузки, Ь -ширина колонны квадратного сечения с жесткостью эквивалентной жесткости каркаса из плоскости действия нагрузки. Проверка вертикального положения стропильных ферм из ГСП.

Еще одним важным вопросом является исследование вертикального положения стропильных ферм из гнуто-сварных профилей с опиранием в уровне верхнего пояса. Актуальность данного вопроса продиктована тем, что в некоторых зданиях зарубежного образца отсутствуют вертикальные связи по фермам и распорки по их нижним поясам, поэтому для обоснования необходимости установки данных элементов требуется разработка соответствующей методики. Вертикальное положение ферм обеспечивается крутильной жесткостью верхнего пояса, а также жесткостью узла сочленения верхнего пояса и профилированного настила. Учет крутильной жесткости верхнего пояса в исследовании вычислен методами строительной механики, а жесткость узла сопряжения верхнего пояса фермы и профилированного настила исследовалась на ПК Апвуз (рис. 11).

а) б)

Рис.11. Расчетная модель узла сопряжения настила и верхнего пояса фермы а) конечно-элементная разбивка узла; б) деформированная схема узла.

13

Варьировались различные параметры данного узла, такие как ширина и толщина элемента верхнего пояса фермы, способ и количество точек крепления, а также величина плеча передачи силы. После обработки результатов были выведены эмпирические зависимости жесткости узла от описанных выше параметров, что позволило разработать методику оценки необходимости установки вертикальных связей. В качестве параметра, ограничивающего перемещение нижнего пояса фермы, из плоскости был взят случайный эксцентриситет. Методика заключается в следующем:

-определяется прочность элементов крепления.

Под прочностью подразумевается допустимое усилие на нижний пояс фермы

N^, (1)

где h- высота фермы, Ьвп - ширина верхнего пояса, F- горизонтальное усилие на нижний пояс, п- количество элементов крепления; - определяется деформативность.

Под деформативностью D (кг/см) понимается усилие, которое необходимо приложить к нижнему поясу, чтобы получить его единичное перемещение

D = Q3*D (2)

* 472 1147 v '

=269Л2-1051А + 1062; (3)

Db =3.13b2 -42.1^ + 690; (4)

D, =361.4/-16.4?2-1106, (5)

здесь h- высота фермы (м), b-ширина верхнего пояса (см), t-толщина стенки

элемента верхнего пояса (мм):

-допустимая распределенная горизонтальная нагрузка на нижний пояс:

{кг! м) £ (D*Lm + (6)

1 h2LJa + b) V

-допустимая сосредоточенная горизонтальная нагрузка на нижний пояс:

У H/ic V 100 А £.,„(а + Ь) 750 W

здесь

Qflc = 7,15 • 10"6 (233Q~EIRyWNI<p, (8)

где — сумма продольных усилий во всех сжатых раскосах фермы; ср - коэффициент продольного изгиба, определяемый для расчетной длины сжатых раскосов при коэффициенте свободной длины ц=2; LBn и L„„ длина верхнего и нижнего пояса соответственно (см); D - жесткость заделки верхнего пояса в настиле (кг/см); iJlm- момент инерции нижнего пояса фермы в горизонтальной плоскости (см); a,b,t- ширина, высота, толщина замкнутого сечения верхнего пояса, G- модуль сдвига стали; h- расчетная высота фермы.

Дня подтверждения численно и аналитически определенной величины D был проведен эксперимент (рис.12). Модель состояла из участка настила Н153-840-1.5 шириной 840 и длиной 600мм. В качестве верхнего пояса фермы длиной 900мм и стойки 500мм использовался ГСП 100x100x4. Жесткость узла оценивается

температурных воздействиях.

В многопролетных и протяженных в обоих направлениях зданиях с применением в покрытиях профилированного настила встает вопрос возникновения дополнительных усилий в настиле и его креплениях, от перепада температур ( например, на стадии возведения). Для исследования данного вопроса в ПК Лира была смоделирована расчетная модель нескольких блоков каркаса здания ТРК МЕГА Икеа Казань, размерами в плане 80x48м, блоки состояли из стропильных и подстропильных ферм, а также колонн. Поскольку влияние усилия

Загружайте с разгрузкой при наличии шайб

120

10 20 30

перемещения (мм)

усилием, которое требуется приложить к концу стойки, чтобы получить единичное перемещение.

а) б)

Рис.12. Экспериментальные исследования ума сочленения верхнего пояса фермы и

профнастила.

»Экспериментальная установка, б)график зависимости перемещения от усилия.

Результаты эксперимента показали достаточную сходимость с результатами численно-аналитических исследований.

Учет влияния неразрезности опирания профилированного настила на его сдвиговую жесткость.

В отечественных нормах неразрезность опирания профнастила учитывается увеличением сдвиговой жесткости настила на 20%, при этом сдвиговая жесткость обратно пропорциональна длине и прямо пропорциональна ширине диафрагмы. Например, при увеличении ее ширины (стороны, вдоль которой действует нагрузка) в два раза при неизменной длине сдвиговая жесткость увеличится в два раза. При проведении численных исследований на ПК Лира с учетом отработанных расчетных моделей было установлено, что при двухпролетной схеме опирания настила сдвиговая жесткость увеличивается на 80%, при трехпролетной -от 2.2 до 2.6 раза в зависимости от типа профиля, при четырехпролетной - от 3.3 до 3.6 раза. Таким образом, при расчетах не учитывается существенный резерв сдвиговой жесткости настила при его неразрезном опирании. Для более точной оценки деформативности диафрагмы жесткости, используя существующую отечественную методику необходимо увеличить сдвиговую жесткость на величины, указанные выше, а высоту панелей для системы фиктивных стержней принимать равной длине профилированного листа, а не шагу несущих конструкций.

Влияние протяженности и многопролетности здания на его жесткость при

от перепада температур на каркас профнастила будет происходить лишь вдоль гофр, роль сплошного диска покрытия играла стержневая система, в которой каждый гофр моделируется отдельным стержневым элементом (рис. 13а).

б)

Рис.13. Исследования влияния перепада температур на жесткость каркаса а)расчетная модель каркаса; б) Распределение усилий в настиле от перепада температур.

Максимальные усилия сжатия в профлисте возникают над рядами колонн, вследствие их большей жесткости по сравнению с жесткостью ферм из плоскости, где усилия компенсируются смещением верхних поясов ферм (рис13б). Очевидно, что ширина сжатой зоны настила будет зависеть от жесткости стропильных ферм из плоскости, для оценки этого влияния получен параметр:

v R 384EJ . . ,

У=7=~ШГ( 1 (9)

где R- опорная реакция стропильной фермы от действия горизонтальной нагрузки; f - перемещение в середине пролета; Е - модуль упругости стали, J - момент инерции сечения верхнего пояса фермы из плоскости; L- пролет стропильной фермы.

В ходе численных исследований для определения ширины сжатой зоны настила над рядом колонн выведена следующая эмпирическая формула

В = 3.113 ln(F) +0.51 (10)

После определения ширины сжатой зоны можно вычислить площадь ее сечения, для определения усилия в самом настиле. А т.к. усилие зависит как от длины ригеля, так и от изгибной жесткости ряда колонн, введен параметр, учитывающий оба данных условия

F = K*L/m^-3EJkL", (11)

10000я3 v '

где

= (т/см). (12)

Здесь, L - (см) общая длина ригеля каркаса; JK - (см4) момент инерции сечения колонны; Н - (см) высота колонн каркаса, п - количество колонн в каркасе. Используя данный параметр, были построены графики зависимости усилия N от параметра F, для площади сжатой зоны настила, равной 23.5, 45, 90, 180, 360, 720см2 (рис. 14) и выведены следующие эмпирические зависимости:

'N«3.5 =0.0337Р3-6*10 ^" -6.7791Р2 + 628.09Р +774.31 N А45 = 0.0264Р3 - 4 * Ю 05 Р4 - 6.1168Р2 + 757.08Р + 489.62 МА90 = 0.0054Р3 -3.0809Р2 + 765.68Р + 590.97 NAш =745.66Р-1.1937Р2 +957.52 = 794.71 Р - 0.8449Р2 +616.81 (ЫА720 = 813.78Р-0.5334Р2 +478.19 1ромежуточные значения с достаточной степенью точности определяются шнейной интерполяцией.

.Зависимость N о: А и Г

I СО р ' _

г » о м ь

О в « « Ь- со Ю I

Р=КЧЛ00 «о ^ « г-

й и* :

□ 140000-16000С Я 120000-14000С О 100000-12000С ■ 80000-100000 обоооо-аоооо

О 40000-60000 ■ 20000-40000

□ 0-20000

Рис. 14. Зависимость усилия в настиле от параметров Г и А

Т.к. подстропильные фермы параллельны гофрам настила и находятся над рядами колонн, то распределение усилий между верхним поясом фермы и настилом тоже стало предметом исследований, в ходе которых установлены зависимости соотношения усилия в элементе фермы Н к усилию в ригеле N5 от соотношения площади настила Ай к площади ригеля А,. С увеличением соотношения А</А5, т.е. увеличением доли площади настила в общей площади ригеля доля усилия воспринимаемая элементом фермы ЭД в общем усилии N5, уменьшается нелинейно, а описывается квадратичной зависимостью:

\2

—= 1 - 0.4942-2- - 0.4752

Л ,

. . ... - (14)

N Л Л

£ £ \ 5 У

В четвертой главе рассматриваются новые конструктивные решения и способы повышения пространственной жесткости исследуемых зданий. Например, мероприятия по обеспечению вертикального положения ферм из ГСП и уменьшению расчетной длины колонн. Повышение боковой устойчивости ферм обеспечивается путем увеличения жесткости узла сопряжения верхнего пояса фермы и профилированного настила. Это может быть достигнуто как изменением характера установки элементов крепления (в шахматном порядке или в два ряда), так и установкой дополнительных силовых шайб между головкой винта и настилом. При расчете отработанных моделей в программных комплексах были получены следующие сравнительные данные жесткости сопряжения верхнего пояса фермы и настила (рис. 15а).

варианты узлов

I м ст-т ■ сил. шайбы о шахм. порядок ■ 2 ряда |

б)

Рис.15. Мероприятия по обеспечению устойчивости из плоскости ферм из ГСП а)сравнение вариантов крепления настила; б) раскосная система при недостаточной жесткости узла сочленения настила и пояса фермы.

Из этих диаграмм следует, что способ установки элементов крепления в два ряда увеличивает жесткость узла сопряжения в 3,2 раза, соответственно, в шахматном порядке - в 2,1 раза, а установка шайб - в 1,3 раза. Если в ходе расчета, указанного выше, выясняется, что жесткости узла недостаточно и вертикальность положения фермы не обеспечивается, то следует применить установку раскосной системы, защищенной патентом РФ (рис.15б). Другим способом повышения пространственной жесткости является дополнительное увеличение сдвиговой жесткости настила путем укладки по его верхним поясам усиливающих элементов. Такое решение повышает сдвиговую жесткость участка настила между соседними фермами на 18 %, а несущую способность верхнего пояса - на 22%, (рис.16 а).

Tctil Oufonnstloo

Typs» Totol Dofoirwxron

Urtfcm

Т«Чв 1

OJ.t 1.2009 16.33

Рие.16. Мероприятия по повышению пространственной жесткости а) повышение сдвиговой жесткости покрытия и несущей способности фермы; б) сокращение расчетной длины колонны 1-колонна, 2-подстропильная ферма, 3-стропильная ферма, 4-профшшрованный настил, 4-гибкие связи с устройством натяжения.

Сравнение жесткости узла

Поскольку в многопролетных легких зданиях согласно действующим нормам коэффициент приведения расчетной длины колонны составляет |д.=2, то целесообразны мероприятия по уменьшению их расчетной длины. Они заключаются в установке гибких предварительно напряженных связей между нижними поясами подстропильных ферм и колоннами (рис.166). При этом установка гибких связей может быть выполнена не на каждой колонне, а лишь в центральной части здания, которая будет являться ядром жесткости, благодаря этому расчетная длинна всех остальных колонн здания в плоскости, где установлены гибкие связи, будет уменьшена. На данный способ сокращения расчетной длины колонн выдан патент РФ. Также разработан способ крепления профилированного настила к несущим конструкциям, защищенный патентом РФ, необходимый для компенсации усилия от перепада температур над рядами колонн, где несущая способность креплений профнастила недостаточна.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Произведена оценка зарубежных и отечественных методик расчета и подходов к обеспечению пространственной жесткости многопролетных легких зданий, и показано, что ключевую роль в этом вопросе играет сдвиговая жесткость диска покрытия, образованного стальным профилированным настилом.

2. Численно и экспериментально определены расчетные редуцированные геометрические характеристики и сдвиговая жесткость панели эталона размерами 6x6 м, из нового типа профилированного настила Н153-840 толщиной от 0,8 до 1,5мм из стали по ГОСТ52246-2004.

3. Получены численные данные по деформативности стального каркаса многопролетного легкого здания, с учетом изгибной жесткости колонн, защемленных в фундаменте в обоих направлениях, при различном соотношении длины здания к его ширине и с учетом диска жесткости в покрытии из настила с высотой гофр 153мм.

4. Исследована жесткость сопряжения верхнего пояса стропильных ферм и профилированного настила с высотой гофры 153мм, и предложена методика ее оценки, позволяющая определить необходимость установки вертикальных связей по фермам и распорок по их нижним поясам.

5. Исследования сдвиговой жесткости профилированных настилов отечественного сортамента, а также нового типа настила с высотой гофр 153 мм показали, что она увеличивается в 1,8, 2,5 и 3,6 раза, при двух-, трех- и четырехпролетных схемах опирания, соответственно.

6. Предложена методика по оценке влияния перепада температур в мяогопролетных зданиях, протяженных в обоих, направлениях, на прочность элементов крепления профилированного настила к несущим конструкциям и новое конструктивное решение, позволяющее при необходимости компенсировать усилия от перепада температур на эти крепления.

7. Исследованы пути и предложены решения по включению профилированного настила в совместную работу с верхним поясом стропильных ферм, что позволяет увеличить его несущую способность на

19

22%, а сдвиговую жесткость диафрагмы из профилированного настила - на 18%.

8. Предложено новое конструктивное решение, позволяющее за счет соединения нижних поясов ферм и колонн гибкими элементами повысить жесткость каркаса в продольном и поперечном направлениях и сократить расчетную длину колонн на 30%.

Основное содержание работы опубликовано в 10 работах, из которых [1] в

журналах, включённых в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК:

1. Гимранов Л.Р. Исследование жесткости узла опирания профилированного настила на верхний пояс ферм из ГСП.//Известия КазГАСУ,- Казань, 2009. - №1 - С. 79-82.

2. Исаев A.B., Кузнецов И.Л., Гимранов Л.Р. Вопросы обеспечения пространственной жесткости легких многопролетных зданий. И Проблемы строительного комплекса России том. 1: Материалы 10-ой международной научно-технической конференции.- Уфа, 2006.-С.128-129.

3. Кузнецов И.Л., Гимранов Л.Р. Численное определение сдвиговой жесткости профилированного настила высотой гофры 153 мм. // Материалы Республиканской научной конференции: Сб. научных трудов докторантов и аспирантов.- Казань, 2007. - С. 41-43.

4. Кузнецов И.Л., Гимранов Л.Р. Исследование несущей способности профилированного настила с высотой гофры 153 мм. // Эффективные строительные конструкции: Теория и практика.- Пенза, 2008. - С. 42-44.

5. Кузнецов ИЛ., Гимранов Л.Р.Численные и экспериментальные исследования несущей способности и сдвиговой жесткости стального профилированного настила с высотой гофры 153 мм.// Сб. научных докторантов и аспирантов.- Казань, 2008.-С.13-15.

6. Кузнецов ИЛ., Гимранов Л.Р. Уменьшение расчетной длинны колонн многопролетных зданий из легких металлических конструкций.// Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов: Межвузовский сб. научных статей,- Йошкар-Ола, 2009,- С. 46-49.

7. Кузнецов И.Л., Гимранов Л.Р. Уменьшение расчетной длинны колонн многопролетных зданий из легких металлических конструкций.// Молодые исследователи - регионам: Материалы всероссийской научной конференции студентов и аспирантов том.1 - Вологда, 2009,- С. 230-232.

8. Патент РФ№ 2301307RU МПК Е04Д 3/36 Покрытие/ Кузнецов И.Л., Хисамов Р.И., Гимранов Л.Р., «Бюлютень» №17 от.20.06.2007.

9. Патент РФ №2303110 RU МПК Е04ДО/36 Узел крепления профилированного настила к несущим конструкциям/ Кузнецов И.Л., Исаев A.B., Гимранов Л.Р., «Бюлютень» №20 от.20.07.2007.

10. Патент РФ№ 2387759RU МПК Е04В 1/24 Каркас многопролетного здания/ Кузнецов И.Л., Гимранов Л.Р., «Бюлютень» №12 от.27.04.2010.

Корректура автора Подписано в печать Z0.09. /О.

Формат 60x84/16 Заказ № SÔ/.

ПМО КазГАСУ, 420043, Казань, ул. Зеленая, 1 20

Печать RISO Тираж 100 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Существующие подходы к обеспечению-пространственной жесткости каркасов зданий1 из легких металлических конструкций.

1.2". Обеспечения пространственной жесткости в зданиях зарубежного образца на примере существующих объектов вт. Казани.

1.3. Теоретические исследования в области проектирования и расчета пространственной жесткости каркаса зданий.

1.3.1. Зарубежные подходы к расчету пространственной жесткости зданий с диском из профилированного настила.

1.3.3. Отличия зарубежных и отечественных подходов.

1.4.Выводы по главе.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОФИЛИРОВАННЫХ НАСТИЛОВ С ВЫСОТОЙ ГОФРЫ 153 мм.

2.1. Геометрические характеристики профилированного настила с высотой гофры 153 мм.

2.2. Численное определение прочности и жесткости профилированного настила с высотой гофры 153мм.

2.3. Экспериментальная проверка прочности и жесткости профилированного настила с высотой гофры 153 мм.

2.4.Численные исследования эталонной сдвиговой жесткости профилированных настилов отечественного сортамента.

2.5.Численное определение сдвиговой жесткости профилированного настила с высотой гофры 153мм.

2.6. Экспериментальное определение сдвиговой жесткости профилированного настила с высотой гофры 153 мм.

2.7. Экспериментальные исследования прочности и деформативности креплений настила.

2.8. Выводы по главе.

Результатами исследований, изложенными в данной главе, явилось:.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИХ ВЗАИМОСВЯЗИ И ВЗАИМОПОЛОЖЕНИЯ НА ПРОСТРАНСТВЕННУЮ ЖЕСТКОСТЬ КАРКАСА МНОГОПРОЛЕТНОГО ЗДАНИЯ.

3.1. Исследование влияния заделки колонн в обоих направлениях и роль профилированного настила на пространственную жесткость здания.

3.2. Влияние жесткости сопряжения конструкций покрытия.

3.4. Оценка вертикального положения стропильных ферм из ГСП с опиранием в уровне верхнего пояса.

3.5.Влияние неразрезности опирания настила на сдвиговую жесткость.

3.6. Влияние протяженности и многопролетности здания на его жесткость при температурных воздействиях.

3.7. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ ПРОТЯЖЕННЫХ В ОБОИХ НАПРАВЛЕНИЯХ ЗДАНИЙ ИЗ ЛМК.

4.1. Способы повышения жесткости покрытия в вертикальной плоскости.

4.2. Мероприятия по повышению сдвиговой жесткости настила и несущей способности стропильных ферм.

4.3. Мероприятия по повышению эффективности компенсации температурных деформаций в протяженных в обоих направлениях зданиях из ЛМК.

4.4. Мероприятия по сокращению расчетной длины колонн в многопролетных зданиях.

4.5. Выводы по главе.

Актуальность проблемы. В настоящее время востребованы одноэтажные легкие многопролетные здания, в частности, торгово-развлекательные комплексы, логистические узлы и др. Указанные здания имеют значительную протяженность в обоих направлениях, увеличенный шаг расстановки колонн и эффективное покрытие, включающее подстропильные и стропильные фермы из гнуто-сварных профилей (ГСП), по которым уложен профилированный стальной настил. Специфика эксплуатации рассматриваемых зданий требует обеспечения свободной планировки, поэтому, несмотря на увеличенный шаг установки колонн, максимально исключается устройство специальных элементов связей, обеспечивающих пространственную жесткость стального каркаса. Анализ конструктивных схем многопролетных зданий зарубежных разработок показывает, что их пространственная жесткость обеспечивается комплексным включением профилированного настила в совместную работу стального каркаса здания и жесткой заделкой колонн в фундаменте в обоих направлениях. При этом для повышения эффективности покрытия используется профилированный настил с увеличенной высотой гофр 153мм и выше. Из отечественных разработок наиболее конструктивно близким к данному типу зданий являются здания выполненные по серии «Молодечно», но отличающиеся однонаправленной заделкой колонн в фундаменте, наличием системы вертикальных связей по фермам и колоннам, распорок по нижним поясам стропильных ферм и профилированным настилом с максимальной высотой гофр 114мм. Таким образом, по всем качественным и количественным параметрам обеспечения пространственной жесткости отечественные здания отличаются от рассматриваемых, поэтому применение существующих методик и подходов к расчету и обеспечению пространственной жесткости не представляется возможным при проектировании многопролетных легких зданий с жесткой заделкой колонн в обоих направлениях. Следовательно, для успешного строительства и оценки технического состояния уже существующих многопролетных легких зданий необходимо' проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований по обеспечению пространственной жесткости многопролетных легких • зданий с использованием в покрытии нового » типа профилированного; настила с высотой гофр 153мм.

Цель, и. задач и работы:,

Целью диссертационной работы, является, исследование вопросов расчета и- обеспечения пространственной жесткости одноэтажных многопролетных легких зданий,' имеющих, жесткую заделку колонн в г обоих направлениях, с применением в покрытии стального настила нового типа с высотой гофр 153мм.

Для достижения, поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-выполнить анализ зарубежных и отечественных подходов к способам обеспечения пространственной < жесткости легких одноэтажных многопролетных зданий и методикам по учету профилированного'настилав. ' ; пространственной работе их каркаса;

-определить расчетные геометрические характеристики нового типа профилированного настила повышенной жесткости с высотой гофр 153 мм из стали по ГОСТ 52246-2004;

-определить параметры сдвиговой жесткости профилированного настила с высотой гофры 153мм и разработать рекомендации по ее учету в обеспечении пространственной жесткости здания;

-разработать рекомендации по проверке вертикального положения стропильных ферм покрытия, выполненных из ГСП, при наличии диска жесткости по их верхнему поясу;

-исследовать влияние конструктивных и нагрузочных факторов на пространственную жесткость многопролетных зданий с колоннами, имеющими жесткую заделку на фундаменте в обоих направлениях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые определены расчетные редуцированные геометрические характеристики профилированного настила с высотой гофр 153мм из стали по ГОСТ52246-2004;

- впервые численно и экспериментально исследована сдвиговая жесткость профилированного настила с высотой гофры 153мм и даны рекомендации по ее учету в пространственной работе каркаса многопролетных легких зданий с заделкой колонн в обоих направлениях;

- предложена методика проверки вертикального положения ферм с опиранием в уровне верхнего пояса в покрытиях зданий с диском жесткости из рассматриваемого профилированного настила, позволяющая оценить необходимость установки связей и распорок;

- исследована специфика влияния перепада температур в рассмотренных многопролетных легких зданиях, и предложена методика оценки несущей способности профилированного настила и его креплений на данное воздействие;

- предложены новые конструктивные решения элементов каркаса и покрытия, защищенные патентами РФ по обеспечению пространственной жесткости многопролетного здания.

Достоверность результатов: степень достоверности научных результатов обеспечена проведением исследований с применением научно обоснованных методик, современных приборов и оборудования, а также экспериментальной проверкой результатов, полученных по рекомендуемым конечно-элементным моделям.

Практическая значимость:

- получены расчетные геометрические параметры нового типа профилированного настила с высотой гофры 153мм из стали по ГОСТ52246-2004, позволяющие определить его несущую способность и жесткость;

- Определены параметры сдвиговой жесткости> профилированного-настила^ с высотой гофры 153мм и разработаны рекомендации по ¡ее учету в обеспечении пространственной жесткости;

- даны рекомендации по расчету креплений профилированного настила с учетом.температурного воздействия;

- разработаны новые конструктивные решения элементов каркаса и покрытия по обеспечению пространственной жесткости многопролетных зданий.

Реализация результатов исследований:.

Результаты исследований нашли свое отражение в Рекомендациях по применению стального профилированного настила с высотой гофры 153мм, г. Казань, 2007г., выпущенных фирмой ООО " Эстель", а также в, технических решениях по возможной! дальнейшей эксплуатации Торгово-развлекательного центра «Мега-Казань» (х/д № 21/11-05 от 29.11.05) и несущих конструкций здания ледового дворца спорта «ТАТНЕФТЬ-АРЕНА» (х/д №22/8-09/197/09-п от 28.09.2009).

На защиту выносятся:

- обзор и систематизация зарубежного и отечественного опыта учета пространственной работы в многопролетных легких зданиях с применением в покрытиях профилированного настила;

- численные и экспериментальные исследования несущей способности и сдвиговой жесткости настила с высотой гофры 153мм;

- методика оценки деформативности стального каркаса одноэтажных многопролетных легких зданий с применением в покрытии настилов с высотой гофр 153мм;

- методика оценки необходимости установки связей, обеспечивающих вертикальное положение стропильных ферм из ГСП, с опиранием в уровне верхнего пояса;

- методика определения усилий в элементах крепления профилированного настила к несущим конструкциям, зависящих от перепада температур в многопролетных зданиях, с жесткой заделкой колонн в обоих направлениях.

Апробация работы.

Основные результаты выполненных исследований доложены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава КГ АСУ, 59,60,61,62 научных конференциях 2007-2010 годов, 10-й юбилейной научной международной научно-технической конференции «Строительство, коммунальное хозяйство», Уфа, 2006, на всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи регионам», Вологда, 2009.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе три изобретения, защищенных патентом РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и одного приложения. Работа изложена на 173 листах машинописного текста, содержит 3 таблицы, 105 рисунков в виде графиков, схем, фотографий. Список литературы включает 125 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Произведена оценка зарубежных и отечественных методик расчета и подходов к обеспечению пространственной жесткости многопролетных легких зданий, и показано, что ключевую роль в этом вопросе играет сдвиговая жесткость диска покрытия, образованного стальным профилированным настилом.

2. Численно и экспериментально определены расчетные редуцированные геометрические характеристики и сдвиговая жесткость панели эталона размерами 6x6 м, из нового типа профилированного настила Н153-840 толщиной от 0,8 до 1,5мм из стали по ГОСТ 52246-2004.

3. Получены численные данные по деформативности стального каркаса многопролетного легкого здания, с учетом изгибной жесткости колонн, защемленных в фундаменте в обоих направлениях, при различном соотношении длины здания к его ширине и с учетом диска жесткости в покрытии из настила с высотой гофр 153мм.

4. Исследована жесткость сопряжения верхнего пояса стропильных ферм и профилированного настила с высотой гофры 153мм, и предложена методика ее оценки, позволяющая определить необходимость установки вертикальных связей по фермам и распорок по их нижним поясам.

5. Исследования сдвиговой жесткости профилированных настилов отечественного сортамента, а также нового типа настила с высотой гофр 153 мм показали, что она увеличивается в 1,8, 2,5 и 3,6 раза, при двух-, трех- и четырехпролетных схемах опирания, соответственно.

6. Предложена методика по оценке влияния перепада температур в многопролетных зданиях, протяженных в обоих направлениях, на прочность элементов крепления профилированного настила к несущим конструкциям и новое конструктивное решение, позволяющее при необходимости компенсировать усилия от перепада температур на эти крепления.

7. Исследованы пути и предложены решения по включению профилированного настила в совместную работу с верхним поясом стропильных ферм, что позволяет увеличить его несущую способность на 22%, а сдвиговую жесткость диафрагмы из профилированного настила - на 18% .

8. Предложено новое конструктивное решение, позволяющее за счет соединения нижних поясов ферм и колонн гибкими элементами повысить жесткость каркаса в продольном и поперечном направлениях и сократить расчетную длину колонн на 30%.

1. Айрумян Э.Л. Оценка жесткости диска жесткости профилированного, настила в покрытиях' промышленных зданий: Дис. Канд. техн. наук: М., 1972. 185 с.

2. Айрумян, Э.Л. Беляев В.Ф. Эффективность применения профилированных настилов с высотой гофров 114мм в беспрогонных покрытиях./ Тез. Доклад Всесоюзного совещания «Комплектные здания из ЛМК»- Молодечно 1988-С. 18-23.

3. Беленя Е.И. Исследование влияния продольных связей наIпространственную работу поперечных рам цеха: Дис. Канд. техн. наук: 1939.

4. Беленя Е.И. Действительная работа и расчет поперечных рам стальных каркасов одноэтажных промзданий: Дис. Докт. техн. наук: 1959г.

5. Беляев В.Ф. Стальные каркасные конструкции одноэтажных промышленных зданий: Обзорная информация. Сер. Строительные конструкции. М: ВНИИНТПИ Госстроя СССР, 1989. Вып.7. С.68.

6. Бирюлев В.В. Бобров В.А. Работа креплений' профилированного настила на сдвигающие циклические усилия.// Изв. вузов. Стр-во №2 1993.

7. Богданова E.H. Легкие металлические конструкции полносборных зданий (Канада, Финляндия, ФРГ): Экспресс-информ. Зарубежный и отечественный опыт. Сер. Строительные конструкции и материалы -М.:ВНИИНТПИ Госстроя СССР, 1991. Вып. 13. С.2-7.

8. Брудка Я., Лубински М. Легкие стальные конструкции. М., Стройиздат, 1974.

9. Ю.Брудка Я. Гранцарек Р., Милачевски К. Стальные- складчатые конструкции в строительстве. Киев Будивельник 1989.

10. П.Ведяков И.И. Арменский М.Ю. Соловьев» Д.В. Теоретические и экспериментальные исследования новых марок профилированного настила. Строительная механика и расчет сооружений №2 М. 2007.

11. Галустян Ю.Л. Солоденников Л.Д. Разработка и массовое внедрение новой системы строительства зданий модульного типа из легких металлических конструкций комплексной поставки с инженерным оборудованием: М.- ЦБНТИ Минмонтажспецстроя, 1993.

12. Галустян Ю.Л. Применение легких металлических конструкций для строительства зданий М.- ЦБНТИ.Минмонтажспецстроя, 1993.

13. Гимранов Л.Р. Исследование жесткости узла опирания профилированного настила на верхний пояс ферм из ГСП.// Известия КазГАСУ.- Казань, 2009. №1 - С. 79-82.

14. ГОСТ 24045-94(2002) Профили стальные листовые гнутые с трапециевидными гофрами для строительства. — Взамен ГОСТ 2404586; введ. 01.09.1995 М. Изд.стандартов, 1995. - 17 с.

15. ГОСТР 52246-2004 Прокат листовой горячеоцинкованный. введ. 9.03.2004 - М. Изд.стандартов, 2004. - 20 с.

16. Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В. и др. Металлические конструкции. Том 1. Элементы конструкций. — М.: Высшая школа, 2004.-551с.

17. Дмитриев П.Н, Работа на сдвиг креплений стального профилированного' настила к элементами деревянных конструкций. // Изв. Вузов Строительствог№9; 10 1992.- С.13-16.

18. Ендижевский- Л.В. Наделяев В.Д. Петухова И.Я. Каркасы зданий из легких металлических конструкций. М. 1998г.

19. Жербин M.Mi,' Билых СИ., Тихоновский A.B. Эффективные стальные каркасы массовых однопролетных производственных зданий./Совершенствование сварных металлических конструкций; Под ред. М.М.Жербина.- Киев: Наукова думка, 1993. С.94-103.

20. Жербин М'.М-., Владимирский В.А. Металлические конструкции. -Киев: Высшая школа, 1986. 215 с.

21. Ищенко И.И. Кутухин Е.Г. Спиридонов В.М, Хромонец Ю.Н, Легкие металлические конструкции одноэтажных производственных зданий. Справочник проектировщика — М. Стройиздат, 1987.

22. Каминский A.M. Основные направления дальнейшего развития легких металлических конструкций в Минмонтажспецстрое СССР М. Монтажные и специальные работы в строительстве 1988-№9.-С.9-13.

23. Каталог металлопродукции. Справочник проектировщика. Концерн Раутаруукки. — Otava, Keuru 1996.- 272с.с

24. Ким И.В., Александров Д.В. Использование унифицированных объемно-планировочных элементов в одноэтажных промышленных зданиях из ЛМК //Промышленное строительство. 1987.№1 O.G.35-37.

25. Кузин Н.Я. Проектирование и расчет стальных ферм покрытий промышленных зданий.: М. АСВ' 1999.

26. Кузнецов И-JL, Гимранов Л.Р: Численное определение сдвиговой жесткости профилированного настила высотой гофры 153 мм. // Материалы Республиканской» научной конференции: Сб. научных трудов докторантов и аспирантов.- Казань, 2007. С. 41-43.

27. Кузнецов' И.Л., Гимранов JI.P. Исследование несущей способности профилированного^ настила с высотой гофры 153 мм. // Эффективные строительные конструкции: Теория и практика.- Пенза, 2008. С. 42-44.

28. Кузнецов И.Л., Гимранов Л.Р .Численные и экспериментальные исследования несущей способности и сдвиговой жесткости стального профилированного настила с высотой! гофры 153 мм:// Сб. научных докторантов и аспирантов.- Казань, 2008.-С. 13-15.

29. Кузнецов И.Л., Гимранов Л.Р. Уменьшение расчетной длинны колонн многопролетных зданий- из легких металлических конструкций.// Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов: Межвузовский сб. научных статей.- Йошкар-Ола, 2009.- С. 46-49:

30. Кутухин Е.Г., Гольденгерш А.Ф. Перспективы развития легких металлических конструкций комплектной поставки. // Промышленное строительство, 1987, № 7.

31. Кутухин Е.Г., Спиридонов В.М., Хромец Ю.Н. Легкие конструкции одноэтажных производственных зданий: Справочник проектировщика.-М: Стройиздат, 1988. 263 с.

32. Лихтарников Л.М., Ладыженский Д.В., Клыков В.М. Расчет стальных конструкций. Киев : Будивельник, 1983. 336 с.

33. Легкие металлические конструкции, выполняемые с применением рациональных тонкостенных профилей (Финляндия, Италия,

34. ГДР): Экспресс-информ. Зарубежный и отечественный, опыт. Сер. Строительные конструкции и материалы. -М.: ВНИИНТПИ Госстроя СССР, 1989. Вып.7. С.10-18.

35. Малышкина1 И.Н. Анализ конструктивных решений промзданий комплектной поставки из легких металлических конструкций для зданий комплектной поставки: Сб. науч.тр. /Красноярский ПромстройНИИ проект. - Красноярск, 1987. С.7-23.

36. Мартынов Ю.С. Шевченко C.B. Натурные испытания однопролетного производственного здания из легких стальных конструкций.// Изв. Вузов. Строительство 1994№3

37. Мельников Н.П. Металлические конструкции: Справочник проектировщика Т.1-3 - М. Стройиздат. 1998.

38. Мельников Н.П. Пути прогресса в области металлических конструкций М. Стройиздат. 1974.

39. Металлические конструкции: Общий курс: Учебник для вузов / Е.И.Беленя, В.А.Балдин, Г.С.Веденников и др.; Под общ.ред. Е.И.Беленя 6-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1985. 560 с.

40. Нилов A.A., Пермяков В.А., Прицкер А.Я. Стальные конструкции производственных зданий: Справочник Киев: Будивельник, 1986. С-272.

41. Научно-исследовательский отчет «Исследование несущей способности профилированного настила с высотой гофры 153 мм.» // Казанский Государственный Архитектурно-Строительный Университет. Казань 2007.-С-66.

42. Научно-исследовательский отчет «Исследование сдвиговой жесткости и геометрических параметров профилированного настила с высотой гофры 153 мм». Казанский Государственный Архитектурно-Строительный Университет. Казань. 2007. 39с.

43. Патент № 2301307RU Покрытие. МПК Е04ДЗ/36 Кузнецов И.Л: Хисамов Р.И. Гимранов Л.Р. «Бюлютень» №17 от.20.06.2007.

44. Патент №2303110RU Узел крепления профилированного настила к несущим конструкциям. МПК Е04ДЗ/36 Кузнецов И.Л. Исаев A.B. Гимранов Л.Р. «Бюлютень» №20 от. 20.07.2007.

45. Патент №SU 1036870А Покрытие здания МПК Е04В 7/00 Хисамов Р.И. Шумилин А.Б. «Бюлютень» №31 от. 23.08.1983.

46. Попова О.М. Состояние производства полносборных зданий из легких металлических конструкций (США): Экспресс-информ. Зарубежный и отечественный опыт. Сер. Строительные конструкции и материалы.-М: ВНИИНТПИ Госстроя СССРД991. Вып.5. С.15-17.*

47. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП И-23-81 *) Москва 1989.-212 с.

48. Почка В.И. Пространственные блоки покрытий с верхним поясом из стальных профилированных листов: Дис. . канд. техн. наук. -Новосибирск, 1988. 212 с.

49. Проектирование металлических конструкций: Специальный курс: Учеб. пособие для вузов. / Бирюлев В.В., Кошин И.И., Крылов И.И., Сильвестров A.B. JL: Стройиздат, 1990. - 432 с.

50. Рекомендации по учету жесткости диафрагм из стального профилированного настила в покрытиях одноэтажных производственных зданий при горизонтальных нагрузках./ «ЦНИИПСК им. Мельникова» Москва 1980. - 25с.

51. Рекомендации по применению стальных профилированных настилов нового сортамента в утепленных покрытиях производственных зданий./ «ЦНИИПСК им. Мельникова» Москва 1985. - 35с.

52. Рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу конструкций каркаса малоэтажных зданий и мансард из холодногнутых стальных оцинкованных профилей производства- конструкций ООО «Балт-Профиль»./ «ЦНИИПСК им. Мельникова» -М 2004. -69с.

53. Рекомендации по проектированию стальных конструкций с применением круглых труб /ЦНИИСК- М: Стройиздат, 1973. 95 с.

54. Решетников Б.Н. Цетлин Б.С. Фермы из одиночных уголков гнутосварных профилей. Новые формы легких металлических конструкций. М., Издю ЦБНТИ 1993 С.98-108

55. Ржаницын А.Р Пологие оболочки и волнистые настилы некоторые вопросы теории и расчета. Госстройиздат Москва 1960. — 176с.65 .Руководство по проектированию стальных конструкций из гнутосварных замкнутых профилей. ЦНИИпроектстальконструкция. М.,1987.

56. Сахновскин М:М: Легкие конструкции- стальных каркасов зданий и-сооружений. Киев. Будивельник, 1983.

57. Сварные- двутавровые балки с профилированной стенкой- для большепролетных покрытий (Швеция): Экспресс-информ. Зарубежный-опыт. Сер. 8. Строительные конструкции. М.: ВНИИНТПИ; 1983. Вып.З. С.20-23.

58. Система покрытия «Трасскон» концерн КиикМ 2006.

59. СНиП П-23-81* Стальные конструкции.- взамен. СНиИ II-B.3-72; СНиП П-И.9-62; Сй 376-67; введен 01.01.1982 М., Госстрой СССР 1982. - 125с:

60. Солоденников Л. Д. Двадцать лет отрасли легких металлических конструкций. Промышленное строительство -1992-№5

61. Солоденников Л. Д. Заводское производство и монтаж легких и облегченных металлических конструкций и комплектная поставка .-М.: Стройиздат, 1978-С.214

62. Солдатенков Л. Д. Двадцать лет легким металлическим.конструкциям (ЛМК) //Промышленное строительство. 1990. N 5. С.30-33.

63. Стальные двутавровые балки с волнистой стенкой для одноэтажных зданий (НРБ): Экспресс-информ. Зарубежный опыт. Сер. 8. Строительные конструкции. М.: ВНИИНТПИ, 1985. Вып. 5. С.8-11.

64. Стальные профилированные листы фирмы "Zeman" в ограждающих конструкциях зданий (Австрия)/ Строительные конструкции и материалы вып. 7. ВНИИНТПИ Госстроя СССР. 1990 г.

65. Стальные конструкции»покрытий производственных зданий с фермами* из прокатных профилей (экспериментальная серия, шифр 883665-КМ) ЦНИИСК им. Кучеренко.

66. Стальные конструкции покрытий производственных зданий-пролетами 18, 24 и 30 М1 с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения» типа «Молодечно». Чертежи« КМ. Серия 1.460.3-14/90. Выпуск 3. М.-1982-136с.

67. Стальные конструкции покрытий с применением стропильных ферм из гнуто-сварных профилей с шагом 6м и стального профилированного настила Н114 (беспрогонное решение): Чертежи шифр 9109 км./Ленпроектстальконструкция Л., 1986-83с.

68. Стальные конструкции каркасов типа «Канск» одноэтажных производственных зданий' с применением несущих рам из прокатных широкополочных и сварных двутавровых балок с шагом 12 м. Чертежи1 КМ. Шифр 11-2537 КМ.

69. Стальные конструкции покрытий производственных зданий с применением грутосварных профилей пролетом 18, 24, 30 с уклоном кровли 10%. Серия 1.460.3-23.98. Вып.1 ОАО" ПИ Ленпректстальконструкция. — 2000.- 78с.

70. СТ00043-2005 Стандарт Организации. Настилы стальные профилированные для покрытий зданий и сооружений / «ЦНИИПСК им. Мельникова» М. 2005.-37с.

71. Тришевский И.С. Клепанда В.В„ Металлические облегченные конструкции : Справочное пособие Будивильник 1978.

72. Трофимов В.И. Одно из направлений развития отечественных легких металлических конструкций. Монтажные и специальные работы в строительстве -1992-№9-с.20

73. Трофимов В.И. Каменский А.М, «Легкие металлические конструкции зданий и сооружений» М. издательство АСВ 2002

74. Унифицированные, конструкции- стальных ферм для покрытий зальных помещений общественных зданий серия. Серия 1.263.2-3. Выпуск 3. 1984.

75. Унифицированные здания из легких металлических конструкций здания из рамных конструкций коробчатого сечения типа "Орск. Серия 400-0-26.83.

76. Шалашилин В.И. К расчету оболочек выполненных из гофрированного материала. Известия АН СССР «Механика и машиностроение» №3 1964.

77. Шкловский Е.И. Исследование стальных профилированных настилов «Промышленное строительство» №6 1968.

78. Шумицкий О.И. Опыт применения гнутосварных профилей и рациональные области* их применения в строительных металлоконструкциях ЦНИИ по строительству и архитектуре Госстроя СССР. Серия 7. Проектирование металлических конструкций Вып.7 М.1969.

79. Analytical study to investigate the seismic performance of single story tilt-up structures OMRI OLUND P. Eng, B.Sc. Civil Engineering, University of British Columbia, 2009 a thesis for the degree of master of applied science.

80. Bates W. Full-scale test of on portal frame shed "Structural Engineer" v.43 №3 1965.

81. Bryan, E.R. Research into the structural behavior of sheeted buildings "Proceedings of CIE" 1970

82. Bryan, E.R. and Davies, J.M., Manual of Stressed Skin Diaphragm Design, Granada Publishing, 1983.

83. Cold Formed Steel Design Manual, 2002 Edition, American'Iron and Steel Institute, Washington, D.C.

84. Canadian Sheet Steeli Building Institute (CSSBI), 2006, "CSSBI B13-06, Design of Steel,Deck Diaphragms, 3rd Edition", CSSBI, Canada

85. Design Manual1 for Composite Decks, Form Decks and Roof Decks, Publication No. 30, Steel Deck Institute, Fox River Grove, Illinois.

86. Diaphragm Design Manual, 3rd edition, Steel Deck Institute, September 2003.

87. Diaphragm Design Bruce Burr P.E. & Gargi Talati1 P.E. Burr and Cole Consulting Engineers, Inc. 2000

88. Easley, J.T., Mc.Farland, D.E. (1969), "Buckling of Light-Gage Corrugated Metal Shear Diaphragms," J. Struct. Div., ASCE, 95(7), 1497-1516.

89. Essa, H.S., Tremblay, R., and'Rogers, C.A. (2003), "Behaviour of Roof Deck Diaphragms under Quasi-Static Cyclic Loading," Journal of Structural Engineering, 129(12), 1658-1666.

90. Eurocode 3. Design of steel structures Part 1.3 Supplementary rules for cold formed thin gauge member and sheets. ENV 1996.

91. Heagler, R.B., Luttrell, L.D., "How to Fasten Steel Deck Update and Review", Modern Steel Construction Number 1, 1988,American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

92. Hilti Corporation (2006), "Help Manual, Hilti Profis DF Diaphragm Design for Steel Decks Program, Version 1.0", Document Version 1.0.7, Schaan, Liechtenstein.

93. Hilti Corporation (2008), "Steel Deck Diaphragms Attached with Hilti X-EDNK22 THQ12, XEDN19THQ12 or X-ENP-19 L15 Power-Driven Fasteners and Hilti S-MD 12-14x1 HWH Stitch Sidelaps Connectors Draft Report", Schaan, Liechtenstein.

94. Hilti Corporation (2008), Technical Guide, 2008 Edition.

95. Hilti Corporation (2009) Steel Deck Fastening Systems. Suplement to Hilti North American Product. Technical Guide, 2008 Edition108.1nryco Lateral Diaphragm Data Manual 20-3.

96. International Code Council (ICC), 2006, "International Building Code", ICC, USA

97. Klingler, C.J. (1986), "The Strength and Flexibility of Mechanical Connectors in Steel Shear Diaphragms," MSc Thesis, West Virginia Univ., Morgantown, W. Va.

98. Luttrell, L. D/ «Designing Roof And Floor Diaphragms a primer on floor and roof decks» National Steel Construction Conference 1996

99. Luttrell, L.D. and Ellifritt, D.S., "The Strength and Stiffiiess of Steel Deck Subject to In-Plane Loading',' Report No. 2011, Department of Civil Engineering, West Virginia University, 1970.

100. Luttrell, L.D., and Ellifritt, D.S. (1970), "Behaviour of Wide, Narrow, and Intermediate Rib Roof Deck Diaphragms," Preliminary Rep,-Phase II, West Viginia Univ, Morgantown,W.Va.

101. Manual of Steel Construction, Thirteenth Edition, American Institute of Steel Construction, Inc., Chicago, Illinois.

102. National Research Council of Canada (NRCC), 2005, "National Building Code of Canada (NBCC), Part 4", NBCC 2005, NRCC, Canada.

103. Nilson, A.H. (1960), "Shear Diaphragms of Light-Gage Steel", J. Struct. Div.ASCE, 86(11), 111-139.

104. Ruukki projekteerimisjuhend Kandvad profiilplekid 2008 Ruukki Products AS, Turba 7, 80010 Parnu.

105. SDI Manual of construction with steel deck. 2nd edition SDIMOC2 2006.119. "Standard for Steel Roof Deck", Canadian Sheet Steel Building Institute, Willowdale, Ontario, Canada.

106. Steel deck diaphragm. Boucherville Canam Group Inc., 2007.

107. Steel deck-shear diaphragm Design manual from Vicwest june 2004

108. Structural Welding Code—Steel, ANSI/AWS D1.1-2006, American Welding Society, Miami, Florida.

109. Structural Welding Code—Sheet Steel, ANSI/AWS D 1.3-98, American Welding Society, Miami, Florida.

110. Tremblay, R., Martin, E., and Yang., W., (2003), "Analysis, Testing and Design of Steel Roof Deck Diaphragms for Ductile Earthquake Resistance", Journal of Structural Engineering, Vol. 129, No. 12, December, 2003, pp. 1658-1666

111. VULCRAFT «Steel roof & floor deck» «5 steel deck» 2008