Стальные рамы переменного сечения
Авиационные ангары строятся рядом при аэропорте и предназначены для обслуживания и стоянки и ремента авиатехники. Каркасом авиационного ангара являются шестнадцать поперечных рам переменного сечения пролётом 92 м. Длина ангара составляет 168м., а ширина 92м. Пролет достаточно большой поэтому для экономической целесообразности применяется в качестве несущей конструкции - рама переменного сечения, сварная. Пространственная жесткость покрытия обеспечивается системой горизонтальных и вертикальных связей в уровне нижних и верхних поясов ригеля, создающими жесткий диск. Отметка низа конструкции рамы + 30,500. В поперечном сечении рамы лежит сварной двутавр. Полки и стенка двутавра переменны. Сопряжение колонн ангара с ригелем принято жесткое. А к фундаменту рама крепится на болтах через опорную плиту, таким образом, место крепления рамы представляет собой шарнирный узел. По рамам устраиваются решетчатые прогоны ПР-16,5 по серии 1.462.3-17/85 из швеллеров. Шаг прогонов составляет 3,5 м и пролетом 12 м. В данной работе рассмотрено создание расчетной схемы рамной конструкции переменного сечения с помощью программном комплексе «SCAD».
1. Катюшин В. В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, строительство).-М.: ОАО «Издательство Стройиздат», 2005.-656 е.:ил.
2. СП 53-102-20 Общие правила проектирования стальных конструкций. -свод правил: утв. ЦНИИСК им.Кучеренко 10.09.2004: дата введ. 01.01.05. ЦНИИСК им.Кучеренко, -138с.
3. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*: свод правил: утв. Минрегион России 27.02.17: дата введ. 28.08.17.-М. :Минрегион Росиии, 2017.- 147 с.
4. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85**: свод правил: утв. Минрегион России 03.12.16: дата введ. 04.06.17. -М.: Минрегион Росиии, 2017. - 95 с.
Введение: Ангар в авиации – это специализированное помещение для стоянки, ремонта и техобслуживания самолетов, вертолетов, дирижаблей и других летательных аппаратов. Кроме этого, ангары могут быть приспособлены для иной техники крупных габаритов [1].
Несущей конструкцией ангара является поперечная рама пролетом 92 м, выполненная из стержней двутаврового сечения переменной жесткости. Отметка низа конструкции рамы + 30,500. К фундаменту рама крепится на болтах через опорную плиту, таким образом, место крепления рамы представляет собой шарнирный узел. По рамам устраиваются решетчатые прогоны ПР-16,5 по серии 1.462.3-17/85 с шагом 3,5 м, пролетом 12 м. Стальной профилированный настил Н 57-750-0,8 опирается на прогоны. По верхним и нижним поясам рам переменного сечения установлены связи, обеспечивающие жесткость покрытия и устойчивость сжатых элементов. (Рисунок 1-5).
Рисунок 1. Схема расположения сток и связей по стойкам
Рисунок 2. Схема связей по верхнему поясу
Рисунок 3. Разрез 1-1
Рисунок 5. Разрез 2-2
Расчётная схема - идеализированная модель конструкции, представленная в виде системы узлов, стержней, связей, задания жесткостей и нагрузок. Эта схема максимально отражает все особенности существующего объекта. Расчётная схема (РС) рамы выполнена с применением пакета прикладных программ "SCAD Office"[2].
В качестве модели принята пространственная конечно-элементная модель (КЭ-модель), учитывающая геометрические параметры и характер распределения нагрузок (собственный вес, вес кровли, крановая нагрузка, снеговая нагрузка, ветровая нагрузка). Переходим к выбору типа схемы. Тип схемы определяет состав и максимальное количество степеней свободы в узлах расчетной схемы. Для расчёта данной пространственной схемы принимаем 5-тый тип схемы – Система общего вида.
Следующим этапом приступаем к созданию геометрии расчетной схемы. В качестве РС рамы переменного сечения используется аппроксимация элементов рамы стержневыми элементами постоянного сечения. Как расчетная принимается ось, проходящая через центры тяжести двутавровых сечений элементов рамы. Это довольно трудоёмкая задача, так как рама переменного сечения имеет переменность по высоте стенки и по ширине полок, что тоже вносит определенные усложнения.
Задается рама с помощью функции «Ввод узлов» и «Ввод стержневых элементов» (подраздел «Узлы и элементы», вкладка «Узлы) и «Элементы» соответственно). Узлы создаются и соединяются отдельными стержневыми элементами. Колонны и балки разбиваются по 1 метру с помощью функции «Разбивка стержня».
Копируем раму в направлении y с помощью функции «Копирование схемы». Элементы решетчатых прогонов имеют сложные сечения. В качестве упрощения схемы можно задаться одним стержнем, имеющим сложное сечение из швеллеров. Для этого можно использовать «Конструктор сечений» в составе «SCAD Office». Эта программа позволяет создать любое произвольное составное сечение. Прогоны можно задать только между первыми двумя рамами и дальше просто размножить при помощи функции «Копирование схемы».
После таких сложных и трудоёмких операций рекомендуется проверить данную схему на корректность для дальнейшей успешной работы. Для этого необходимо:
1) найти и объединить совпадающие узлы и элементы;
2) произвести упаковку данных;
3) произвести экспресс-контроль РС.
После прохождения этих операций схема будет готова для последующих действий. В качестве конечных элементов принят 5-ый тип конечных элементов (пространственный стержень).
Следующим этапом задаём жёсткости элементов. Элементы каркаса металлической рамы имеют переменное сечение в виде сварных двутавров переменной жесткости, но SCAD не обладает возможностью задания таких сечений. Для выполнения расчета, используется метод разбиения элемента на более мелкие части постоянной жесткости.
После задания всех типов жесткостей (жёсткость колонн, балок, связей, прогонов) приступаем к назначению опорных связей. Сопряжение колонн ангара с фундаментами принято шарнирным. Таким образом, начальные узлы колонн принимаем шарнирными и закрепляем по направлениям X, Y, Z, Uy. [3]
Следующим шагом в задании РС рамного каркаса является назначение шарниров в узлах. Во вкладке «Установка шарниров» ставим галочки в узле 1 (начальный узел элемента относительно местных осей), или в узле 2 (конечный узел элемента относительно местных осей), или сразу в обоих по направлениям Uy, Uz. (эти направления соответствуют пространственной схеме). Этим самым мы освобождаем элементы от угловых связей. Важно, чтобы в каждом узле шарниров было не больше, чем (n-1), где n-количество соединяемых стержней в узле.
После выполнения всех действий в данной последовательности получаем готовую расчётную схему (Рисунок 6).
Последним шагом для создания полноценной расчётной схемы, готовой к последующему расчёту, является создание загружений. На раму переменного сечения действуют следующие виды нагрузок:
Постоянные нагрузки:
1 - собственный вес конструкции рамы (L1)
2 - нагрузка от веса покрытия (L2)
Рисунок 6. Расчётная схема рамного каркаса ангара
3 - снеговая нагрузка (L3, L4)
4 - ветровая нагрузка (L10, L11)
5 - давление крана (L5, L6, L12)
6 - торможение крана(L7, L8, L9)
Рассмотрим подробнее каждую из этого списка:
1. Собственный вес конструкций.
Подсчёт собственного веса конструкций, входящих в РС, выполняется автоматически в соответствии с объёмным весом. Для стали γn = 7850 кг/м3; γf = 1,05 – коэффициент надёжности по нагрузке (таблица 7.1) [4]. Нагрузка задаётся на каждый элемент распределённая.
2. Нагрузки от веса покрытия
Постоянная нагрузка от веса покрытия включает в себя вес кровельных сэндвич –панелей.
Расчетная линейная нагрузка от веса покрытия на прогон составляет 1,582кН/м. Коэффициент надежности по нагрузке составляет 1,05 [4]. Нагрузка задается на прогоны распределенной.
3. Снеговая нагрузка
Нормативное значение снеговой нагрузки принимаем согласно п. 10.1 СП 20.13330.2016. Нормативное значение снеговой нагрузки составляет S0=2,0 кН/м2. Коэффициент надёжности по нагрузке принимаем равным 1,4 [4]. Нагрузка задаётся распределённой на прогоны.
4. Ветровая нагрузка
Нормативное значение ветровой нагрузки w принимаем согласно п. 11.1.2 [4]. Аэродинамические коэффициенты выбираются по таблице В.2 приложения В [4]: с наветренной стороны: .
Пульсационная составляющая ветровой нагрузки автоматически задаётся в расчётном комплексе SCAD в зависимости от геометрических характеристик сооружения, типа местности, ветрового района и статического ветрового загружения.
Коэффициент надёжности по нагрузке для ветровой нагрузки составляет 1,4. Распределенная нагрузка задаётся на колонны с помощью функции «Нагрузка на стержни»[4].
5. Крановая нагрузка
Нагрузки от подвесных кранов следует определять в зависимости от групп режимов их работы, устанавливаемых ГОСТ 25546-82, от вида привода и от способа подвеса груза [4].
Полные нормативные значения вертикальных нагрузок, передаваемых колесами кранов на балки кранового пути, и другие необходимые для расчета данные следует принимать в соответствии с требованиями государственных стандартов на краны, а для нестандартных кранов - в соответствии с данными, указанными в паспортах заводов- изготовителей[5]. Коэффициент надежности по нагрузке для крановых нагрузок следует принимать равным 1,1. Наибольшее давление, действующее на раму: Dmax=56,44кН.
Горизонтальная сила, расположенная в плоскости поперечной рамы, возникает из-за перекосов крана, торможения тележки, распирающего воздействия колес при движении по рельсам, расстояние между которыми несколько меньше пролета крана и т. п. Расчетное значение силы, передаваемой на поперечную раму, составляет: Тmax=3,80кН. Сила Тmax прикладывается в уровне нижнего пояса рамы.
Все заданные загружения необходимо сохранить с помощью функции «Сохранить/Добавить загружение». После данного этапа расчётная схема полностью готова для выполнения статического расчёта в программном комплексе «SCAD Office».
Рама переменного сечения для каркаса
«АМК-Система» с самого основания занимается проектированием и строительством полнокомплектных быстровозводимых зданий с каркасом из легких металлических конструкций (ЛМК) в том числе из рамы переменного сечения. Почему заказчики выбирают раму переменного сечения? Потому, что это самая эффективная технология по металлоёмкости и функциональности среди других ЛМК.
Лучшее решение для промышленности, складирования, энергетики.
Проектирование каркасов по технологии ЛМК из рамы переменного сечения
Конструктив типовых каркасов рама переменного сечения проектировался с учетом многолетнего европейского и американского опыта производства и эксплуатации стальных каркасов ЛМК. Объемно-весовые характеристики этих каркасов быстровозводимых зданий прошли долгий путь расчетов и оптимизации. Здания могут быть однопролётными и многопролётными, одно и двухэтажными, свободной геометрии. Основные характеристики зданий с каркасом рама переменного сечения:
Ширина пролёта – от 12 до 60 м.
Длина – не ограничено.
Высота до низа несущих конструкций* - от 3 до 15 м.
Минимальный уклон кровли – 10 градусов.
Шаг между колоннами – 6 м.
(имеются ввиду колонны расположенные вдоль боковых стен, внутри здания – свободное пространство)
Каркас из рамы переменного сечения
Каркасная система рамы переменного сечения состоит из основных и торцевых рам, изготовленных из Ст.245. Сварные швы подвергаются дробеструйной обработке, после чего конструкции окрашиваются в два слоя грунтовкой ГФ-021. Мероприятия по антикоррозийной защите строительных конструкций приняты в соответствии со СНиП «Защита строительных конструкций». Поперечная устойчивость здания обеспечивается системой ветровых связей.
Прогоны стен и кровли изготавливаются из оцинкованных холодногнутых профилей.
Для монтажа металлоконструкций используются высокопрочные болты с контролируемым предварительным натяжением.
В рамках стандартного конструктива можно реализовывать нестандартные элементы: междуэтажное перекрытие, антресоли, грузоподъёмное оборудование, перегородки, светопрозрачные участки кровли, лестницы, парапеты и др.
Преимущества рамы переменного сечения
Оптимальная металлоёмкость в классе зданий из чёрного металлопроката.
- Металлоемкость наших зданий максимально снижена по сравнению с аналогичными проектами других производителей.
- Здания из рамы переменного сечения особенно эффективны при ширине пролёта более 30 м., высоте стены более 7 м. и необходимости оснащения здания грузоподъёмными механизмами
Однопролётные здания шириной до 60 м.
- Применение новейшего программного обеспечения позволяет проектировать и возводить большепролётные здания без установки промежуточных опор.
- Это даёт возможность архитекторам создавать оригинальные планировки и максимально эффективно распределять внутреннее пространство
Возможность размещения кран-балки на несущих конструкциях.
Типы каркасов из рамных конструкций переменного сечения
Рамные конструкции отличаются большим разнообразием статических схем, количеством пролетов, конфигурацией и т. д., что позволяет строить здания самого различного назначения и размеров. В общем, рамные конструкции и каркасы зданий, выполненные с их применением, можно классифицировать следующим образом:
1. По принципу работы каркаса: каркасы из плоских (рис. 3 а) или пространственных (рис. 3 б) рам; пространственные каркасы из плоских рам и специальных силовых пространственных связей (рис. 3 в).
2. По количеству пролетов: однопролетные и многопролетные (рис. 3 г, д);
3. По величине пролета: малые (до 15+18 м), средние (18+36 м) и большепролетные (от 36 до 100+120 м).
4. По конфигурации: П-образные рамы (рис. 3 е), рамы с уклоном стоек и ригелей (рис. 3 ж), рамы полигонального очертания (рис. 3 з).
5. По статическим схемам однопролетных рам:
— двухшарнирные рамы (рис. 4 а);
— трехшарнирные рамы (рис. 4 б);
— рамы с жестким опиранием стоек на фундаменты и жесткими узлами сопряжения ригеля со стойками (рис. 4 в);
— рамы с жестким опиранием стоек на фундаменты и шарнирными узлами ригель-стойка (рис. 4 г).
6. По статическим схемам многопролетных рам:
— рамы с шарнирно опертыми крайними и промежуточными стойками, жесткими узлами сопряжения ригелей с крайними стойками и шарнирным сопряжением со средними (рис. 4 д);
— рамы с разрезными или неразрезными ригелями, шарнирно-опорными на защемленные стойки (рис. 4 е, ж);
— рамы с развитыми средними стойками, выполняющими роль ядра жесткости (рис. 4 з);
— смешанные схемы (рис. 4 и, к).
7. По типам сечений рамных конструкций
— из сварных двутавров постоянного или переменного сечения с плоскими стенками (BUTLER, ROBERTSON SYSTEM, CONDOR, ВЕНТАЛЛ, МАЯК, УНИКОН и др.) (рис. 5 а);
— из прокатных двутавров без усиления и с усилением вутами (рис. 5 в);
— из прокатных двутавров переменной высоты, образованных из обычных путем диагонального роспуска и сварки (рис. 5 б);
— из сварных двутавров с гофрированной стенкой (тип «Алма-Ата») (рис. 5 г);
— коробчатого сечения (тип «Плауэн» или «Орск») (рис. 5 д).
Использование того или иного вида рам, их статической схемы и типа сечения определяется размерами и конфигурацией проектируемого здания, наличием соответствующего технологического оборудования для изготовления конструкций и другими факторами. Ниже будут рассмотрены рамы, сечение которых выполнено в виде сварных двутавров из листовой стали.
Рамы с конструкциями переменного сечения
Начал чуть-чуть осваивать новую версию свободно-распространяющейся версию для обучения ЛИРА САПР 2013. И выяснил случайно что она наконец-то может определять усилия конструкций рамы переменного сечения пояса и стенки двутавра. А уже в последней версии даже проверку сечений. Хоте мне и достаточно точно определить усилия и расчётные длины на торцах. Несколько лет назад я изучал работу такого вида каркаса — да это было возможно но приходилось разбивать элемент на несколько и давать им разные сечения. Это на столько трудоёмко — что я отказался от предложения которое было в прошлом году. Теперь это вполне можно выполнить, сочетание проги и своих расчётных наработок расчёта сварных конструкций
Каркас здания с металлоконструкциями с переменным сечением
Принцип конструирования весьма логичен:
- Высота сечения максимальная в месте с наибольшим изгибающим моментом;
- Толщина стенки толще в месте большей поперечных напряжений;
- Шарнирное крепление в области нулевых изгибающих моментов;
- Меньший объём здания для отопления.Прогоны внутри балок
- Заметно масса конструкций ниже чем у проката
- При небольших пролётах вполне хороши
- Скорость монтажа при больших объёмах
- Оптимальная работа каркаса рамы
- Сложность расчёта. Нет полностью автоматизированного расчёта
- Изготовить могут только крупные заводы. Требует оборудования.
- Эффективный пролёт до 23м
- Готовые типовые решения заводов
- Распор на фундаменты — что увеличивает его размеры
Виды и описание
Суть такая что балочный промежуточный элемент длиной до 18м. А жёсткая консоль колонны до 2,2м (из условия транспортировки). Итого общая ширина где-то 23м!
| Схема рамы | Область применения |
|---|---|
| Распространённый вид рамы, применяется с максимальным пролётом 24м | |
| Средняя часть выполняется из прокатного профиля для упрощения, следовательно ширина рамы до 13м | |
| В данном случае промежуточная стойка (минимального сечения) крепится шарнирно и к фундаменту и к балкам. Жёсткость воспринимается крайними колоннам. | |
| Такой вариант нигде не встречал ещё. Но вполне съедобно. колонны имеют жёсткое защемление к фундаменту. А верхняя а высота сечения верхней части меньше за счёт того что там момент нулевой. Если применять Колонну сварного сечения, а она легче чем из профиля прокатного. То в этом случае можно выполнить такой формы, при этом толщина листа останется прежней! Конечно же вместо балки можно установить и ферму. | |
| Многоэтажный вид каркаса рамы с конструкциями двутаврового переменного сечения. именно балки перекрытия весьма эффективны работают. В области меньшей её высоты удобно пропускать коммуникации. |
Интересный высокий навес, размерами 18×30м трапециевидной формы в плане. Изначально предполагалось сделать колонны двутаврового
На производственном участке произошла замена кран балки на другую с большей грузоподъёмностью. А именно
Читайте также: