3 Расчет и конструирование поперечной рамы каркаса с ферменным ригелем

Расчетная схема поперечной рамы каркаса центрального пролета 108 метров с ферменным ригелем и затяжкой ригеля длиной 84 метра представлена на рисунке 4, она содержит 100 узлов и 167 стержней. Каркас состоит из плоских рам, состоящих из двухветвевых решетчатых колонн и ферменного ригеля с затяжкой. Ферменный ригель разбит на 8 секций заводского изготовления пролётом по 12 м (рядовые) и 2 крайние секции по 6 м. Ферменный ригель после укрупнительной сборки на стендах секций с затяжками состоит из 4-х монтажных единиц (ферм): пролётом по 24 м (2 рядовые) и по 30 м (2 крайние). Тогда монтаж ригеля потребует установки 3-х промежуточных монтажных опор через 30+24+24+30 метров.

Из плоскости рамы раскреплены связевым каркасом в шатре и по колоннам. Горизонтальные связевые фермы установлены в торцах двух связевых блоков в осях (1-2) и (15-16), (16-17) и (29-30): по верхним поясам – ГС-1, по нижним поясам – ГС-2. Шаг связевых распорок по нижним поясам рам составляет 3, 6 и 12 метров (3×8+6+12×4+6 +3×8=108 м). Шаг вертикальных связевых ферм и связевых распорок по верхним поясам (помимо прогонов) составляет 6 и 12 метров (6×3+12×6+6×3=108 м). Шаг прогонов стенового каркаса не превышает 4,8 м по высоте.

Конструктивная высота рамы решетчатого типа в коньке составляет 24,3 м; по уровню затяжки – 16 м. Сечения стержней, подобранные из условий прочности и устойчивости при соблюдении требований унификации профилей и доступного сортамента горячекатаных профилей представлены на рисунке 5. Рама имеет жёсткую схему сопряжения ригеля с колоннами, ригель разбит на монтажные элементы длиной 12 м с поясами одного сечения (возле колонн их длина принята 6м). Ветви колонн также разбиты по высоте на 2 секции, а пересекающий отметку их стыка раскос монтируется на площадке целиком как отдельная сборочная единица. Ригель рамы работает совместно с затяжкой.

Монтажные стыки поясов секций ферм и затяжек, стык нижнего пояса ригеля с колоннами – болтовые фланцевые, стыки ветвей колонн и растянутый стык верхнего пояса ригеля – болтовые на накладках (рисунок 7). Разработанные нами детально вопросы подбора кранов, оснастки, укрупнительной стендовой сборки секций ферм, затяжек и колонн, подготовительных и основных монтажных операций здесь не рассматриваются.

Наиболее неблагоприятные нагрузки действуют на рамы, примыкающие к связевым блокам покрытия. Суммируем все постоянные нагрузки с грузовой площади рам. Окончательно принимаем полную нагрузку на раму q_экв= 300 кг/м² (таблица 4) и распределяем её в 39 узлов верхнего пояса при шаге прогонов 3 м.

Ветровая нагрузка для II-го ветрового района составляет: W₀=30 кг/м², тип местности – В; k(5)=0,5; k(10)=0,65; k(20)=0,85.

Статические расчёты усилий и перемещений в стержнях поперечных рам выполнялись при помощи учебно-исследовательской программы МИИТа «Intab13», наиболее подходящей для многовариантных компоновочных диалоговых расчетов плоских стержневых систем. Рассмотрено 3 загружения поперечной рамы и их наихудшие комбинации: (1) постоянные нагрузки + полезные нагрузки на ригель перекрытия между ветвями колонн; (2) ветер слева; (3) снеговая временная нагрузка 180кг/м².

Таблица 4 - Таблица сбора нормативных и расчетных нагрузок на покрытие (кг/м²)

№	Наименование конструкций	Сечение	Погонная масса, кг/м	Длина, м	Шаг, м	Привед. нормат. нагрузка	γf	Привед. расчет. нагрузка
1	Рама каркаса*			114	6	50,6	1,1	55,7
2	Прогоны	□ 100х220х4,5	21,56	6	3	7,2	1,1	7,9
3	Связи по НП	□ 100х3	9,2	2,2х6=13,2	3	6,74	1,1	7,4
4	ВС	□ 100х3	9,2	22	12	2,8	1,1	3,1
5	Оборудование					6,25	1,2	7,5
6	Сэндвич-панели	150х1000				32	1,2	38,4
Итого						105,6		120
7	Снег					129	1,4	180
Итого						235 кг/м2		300 кг/м2

* Масса рамы получена умножением массы стержней на конструктивный коэффициент, равный 1.2

Таблица 5 - Результирующая таблица напряжений и коэффициентов запаса в наиболее нагруженных стержнях однопролетной рамы каркаса Arena108-202

Вид к-ции	№ стержня	Тип сечения	λ	Расчетные усилия		φ( λ)	F, см2	Wx, см	Напряжения, кг/см2			Коэффици­енты запаса
				N, т	M, тм				σ0 = N/F	σu = Mu/Wx	σmax = σ0 +σu	n1 = Rу/σmax	n2 = φRу/σ0
К1 опоры	12	I 40Ш2		107,8+1,02= 109			136	1983
	13			131,5+3= 134,5
	14			-240-3= -243
К2	4	I 35К1	55	-241-3,8	9,79-0,68 -9,03+0,13	0,828	139	1827	-1761	499	2260	1,08	1,15
К-3 Низ	8	I 35К1	55	-44,17	9,01 -6,38	0,828	139	1827	-318	493	811	3,0
	9		52	-41,1	-2,47 1,21	0,843			-296	135	431	5,6
К-3 верх	10	I 35К2 09Г2С	51	-349	11,3 -29,4	0,847	174	2302	-2006	1273	3279	0.976*	1.3
	11		48	-224	-25,5 12,5	0,861			-1287	1108	-2394	1.33*
К-3 верх	17	I 35К2 09Г2С	51	-349-0,3	-11,3 29,4	0,847	174	2302	-2007	1277	-3284	0.974*
	18		48	-224-0,2	25,6 -12,5	0,861			-1287	1108	-2394	1.33*
К2	19	I 35К1	55	-241-3	-9,8 9	0,828	139	1827	-1755	536	2291	1,07
Р1	23	┐┌ 200х12	87	189,4	0,57 -0,46	0.634	94,2	249,22	2011	229	2240	1,09
	27			189,4+1,7	-0,57 0,46				2029	229	2258	1,08
Р4	26	┐┌ 220х14 09Г2С		286	-1,3 -0,4		120,8	350,4	2364	371	2735	1.17*
	30			285,6	1,3 0,39				2364	371	2735	1.17*
Р2	24	┐┌ 220х14	79	-194	-0,59 0,64	0.693	120,8	350,4	-1603				1.05
	28			-194-1,3	0,59 -0,64				-1614	183	1797	1,36	1,05
Ф4 нп	31	I 35К1	34	-274	5,4 -7,4	0,916	139	1827	-1971	405	2376	1.03	1.13
Ригель	34	I 35Б1		4,0	-11,2 3,92		52,68	641,3	75	1747	1822	1,34
Ф6 нп	48	□160х8	96/48	-70,8-31	-0,23-0.12 0,21	0,86	48,64	235	-1456 -2093	98 150	-1554 -2243	1.6 1.09	1.44 1.006
Затяж.	158-165	□160х8		82,5+0,2	-0,09 0,26		48,64	234,7	1700	110	1810	1.35
Ф4 вп	63	I 35Ш2		185	-1,12 -6,1		101,5	1275	1822	478	2300	1.065
Ф5 вп	65	I 35Ш1		93,5	1,89 -3,61		83,17	1024	1124 (1774)	353 (563)	1477 (2337)	1.66 (1.048)
Ф5 вп	68	I35Б1	77	-75-7	-4,1+2.14 3,7-0.26	0,706	52,7	641	-1423 -1556	640 537	-2063 -2093	1.18 1.17	1.21 1.11
Ф6 вп	72	I 35Ш2	50	-201,5	-2,46 4,65	0,852	101,5	1275	-1985	365	2350	1.042	1.051
Ф4 р	99	┐┌ 160х12	110	-86-0,07	0,49 -0,52	0,478	74,8	157,2	-1150	331	-1481	1.65	1.02
	100	┐┌ 110х8		69+0,13	0,03 -0,06		34,4	49,54	2006	121	2127	1.15
Ф5 р	101	┐┌ 160х12	104	-84,3-0,16	0,3 -0,5	0,51	74,8	157,2	-1127	318	-1445		1.10
	102	┐┌ 110х8		66,4+0,43	0,04 -0,06		34,4	49,54	1930	121	2051	1.19
Ф7 р	109		124	-27-10	0,1 -0,05	0,398			-685 -939	77			1.42 1.038
	111	┐┌ 110х8	146	-10,2-13.5	0,03 0,02	0,292	34,4	49,54	-296 -689	60			2.41 1.038
Ф8 р	114	┐┌ 110х8	139	-14,5-10.5	-0,01 0,05	0,32	34,4	49,54	-422 -726				1.85 1.08
	116	┐┌ 125х8	126	-21,3-8.42	0,11 -0,17	0,386	39,4	64,4	-540 -754				1.75 1.25

* Коэффициенты запаса получены для стали 09Г2С с расчетным сопротивлением R_y =3200кг/см².

Результаты расчёта поперечной рамы проекта А202 следующие: относительный горизонтальный прогиб верха колонн высотой 18м составил 1/426, относительный вертикальный прогиб ригеля пролетом 108м составил 1/264 от расчетных нагрузок и 1/341 от нормативных нагрузок. Расчетные вертикальные усилия на фундаменты составили 253,7 т от наружной ветви колонны (сжатие), 160,9т от внутренней ветви (растяжение), расчетное горизонтальное усилие распора составило 108,7т (с учетом ветра).

В таблице 5 приведены расчетные усилия, напряжения и коэффициенты запаса в наиболее нагруженных стержнях. Исследовано влияние строительного подъёма затяжки величиной Δу = 0,4 м на усилия в наиболее нагруженных стержнях рамы; это может привести к незначительному увеличению усилий в ветвях колонн (до 5%) и уменьшению усилий в затяжке до 3%.

Программа «Intab13» содержит аппарат построения линий влияния, позволяющий определить невыгоднейшие загружения верхнего пояса снеговой нагрузкой в различных зонах. Коэффициенты надежности n [ед] в стержнях рамы с ферменным ригелем (проект А202) показаны на рисунке 6 с учетом невыгоднейшего загружения снегом покрытия.

В стержнях наиболее нагруженных растянутых раскосов колонн № 26, 30, сечением ┐┌ 220х14, а также в стержнях 10-11, 17-18 верха средних колонн сечением I35К2 коэффициенты запаса получены для стали 09Г2С с расчетным сопротивлением R_y =3200 кг/см².

В стержнях с двухзначными линиями влияния и с коэффициентами запаса n < 1.2 расчетные усилия рассчитаны с помощью линий влияния (стержни № 4, 46-49, 52, 68, 103, 104, 105, 106, 107, 109, 111, 114, 115, 116, 117) от невыгоднейшего загружения узловыми силами от временной снеговой нагрузки q_вр=180кг/м² при шаге узлов верхнего пояса фермы 3 м.

Для уменьшения гибкости в плоскости ферм сжатых стержней нижних поясов ферм Ф4, Ф5 и Ф6 необходимо установить дополнительные стойки (сечением ┐┌ 63х5) из узлов верхнего пояса в середину 4-х панелей с номерами узлов № 45-48, 59-62, а также установить распорки между всеми узлами нижних поясов ферм в этих панелях с шагом 3 метра.

Расчетное сопротивление стали принято R_y =2450 кг/см².

Расчетные нагрузки составляют:

1) на покрытие q_экв=300 кг/м², в том числе расчетная снеговая 180×1=180кг/м²; расчетная постоянная 120кг/м², ветровой отсос не учитывался.

2) Распределенная нагрузка на ригели № 34, 38 составила 900 кг/м², или 5,4 т/м.

3) Ветровая нагрузка на колонны w₀=30 кг/м² с коэффициентами +0.8 и минус 0.45 вошла во второе загружение (добавки продольных сил от ветровой нагрузки учтены в стойках и раскосах правой колонны, максимальная добавка для стержня № 19 составила минус 3 т, или 1,2%).

3) Собственный вес навесных стен и окон q_стен=50 кг/м², q_окон=20 кг/м².

4) Собственный вес 4-х высоких колонн H=17,65÷18 м, связей по колоннам, навесных стен и окон составил 3 т на одну колонну в узлах 5, 11, 93, 99, всего 12 т.