Ключевая сложность в рассматриваемом проекте — высокая сейсмичность площадки строительства, оцениваемая в 9 баллов. Такие условия предъявляют повышенные требования к надежности и жесткости несущей конструкции. Ниже рассмотрим, какое инженерное решение было принято проектировщиком.
Исходные данные
- Здание сортировочного комплекса для ТБО (твердых бытовых отходов).
- Площадка строительства расположена в Казахстане.
- Сетка колонн здания — 18х6 м.
- Высота по карнизу — 9 м.
- Сейсмичность площадки строительства 9 баллов.
- Расчет по СП РК EN (Еврокод).
Выбор расчетной схемы
Проектировщик решил применить стальной каркас на основе портальных рам. Схема работы — рамно-связевая.
Узел соединения ригеля и колонны — жесткий, с вутами. Крепление колонн к фундаменту выполнено жестким, в обоих направлениях.
Рисунок 1 — Изометрический вид каркаса здания
Почему выбран рамный каркас, а не классическое решение с шарнирно опертыми фермами?
Поперечные рамы с жестким коленом выбраны из-за высокой сейсмичности площадки строительства. Жесткий диск в уровне покрытия имеет бóльшую жесткость в случае рамного каркаса здания, в сравнении со стропильными фермами, где связи располагаются в 2-х уровнях — по верхнему и нижнему поясам. Это позволяет уменьшить перемещения от кручения при сейсмической нагрузке.
Колонны жестко крепятся к фундаменту в обоих направлениях по той же причине — для снижения перемещений при сейсмической нагрузке. Для сравнения, изменение статической схемы рамы (замена шарнирного опирания стоек на жесткое в плоскости рамы) позволяет уменьшить горизонтальные деформации в 4-6 раз. Однако, это приводит к увеличению нагрузок на фундаменты и их удорожанию.
Преимущества рамных конструктивных систем при сейсмических нагрузках
- Высокая степень статической неопределимости.
Портальная рама является статически неопределимой системой. Это означает, что образование одного или нескольких пластических шарниров (обычно на концах балок) не приводит к обрушению системы, а позволяет перераспределить нагрузки. - Повышенное сопротивление кручению.
Жесткие рамы, особенно симметричные, обеспечивают сбалансированное распределение жесткости в плане, что снижает риск возникновения крутильных колебаний в числе первых форм колебаний.
Рамно-связевый каркас из прокатного двутавра
Поперечные рамы приняты из прокатных двутавров. Прокатный двутавр позволяет выполнить элементы постоянной жесткости по длине сечения. Переменная жесткость создается благодаря введению локальных элементов усиления — вутов. Вуты используются для колена рамы и конькового узла. Благодаря местному увеличению поперечного сечения ригеля, узлы способны воспринять изгибающий момент.
Вуты могут выполняться как из сварных тавров, так и из распущенного прокатного двутавра (обычно используют тот же типоразмер двутавра, что и в ригеле).
В рассматриваемом проекте принято развитое сечение ригеля, поэтому не было необходимости в большой длине вута в зоне колена (в зоне наибольшего изгибающего момента в раме). Его длина составляет всего лишь 1/20 от пролета рамы. Мы рекомендуем принимать длину вута не менее 1/10 пролета, это позволит использовать меньшее сечение для ригеля (как, например, в этом проекте Завод по производству стальных конструкций в Московской области).
Рисунок 2 — Поперечная рама (вуты условно не показаны)
Рисунок 3 — Узел колена
Рисунок 4 — Коньковый узел
Применение прокатного двутавра обусловлено несколькими причинами:
- Широкое распространение прокатных профилей в регионе строительства.
- Заказчик был заинтересован в минимальных сроках строительства, и применение прокатных профилей обеспечило сокращение времени на изготовление металлического рамного каркаса.
Результаты
Применение рамного каркаса позволило сократить деформации от сейсмической нагрузки и реализовать этот проект в сжатые сроки.
Поперечные рамы из прокатного двутавра просты в производстве — имеют меньшую трудоемкость изготовления каркаса. Также, по нашей оценке, монтаж здания с портальными рамами в 4-5 раз быстрее относительно варианта с фермами покрытия, такой эффект достигается за счет меньшего числа элементов и соединений, а также упрощенной схемы монтажа. В результате сроки реализации объекта для заказчика были существенно уменьшены.
