Госстрой СССР

ГЛАВПРОМСТРОЙ ПРОЕКТ
СОЮЗМЕТАЛЛОСТРОЙНИИПРОЕКТ

Ордена Трудового Красного Знамени
Центральный научно-исследовательский и проектный институт
строительных металлоконструкций

ЦНИИПРОЕКТСТАЛЬКОНСТРУКЦИЯ

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО УЧЕТУ ЖЕСТКОСТИ ДИАФРАГМ ИЗ СТАЛЬНОГО
ПРОФИЛИРОВАННОГОНАСТИЛА В ПОКРЫТИЯХ
ОДНОЭТАЖНЫХПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ ПРИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ НАГРУЗКАХ

МОСКВА - 1980

Настоящие Рекомендации содержат требования к стальному профилированному настилу, который способен частично или полностью заменить горизонтальные связи в покрытиях одноэтажных производственных зданий, методику расчетной оценки его сдвиговой жесткости и ее учета в пространственной работе легких металлических конструкций этих зданий при горизонтальных нагрузках, включая сейсмические.

Основным требованием к такому настилу является расчетная проверка прочности соединений профилированных листов между собой и с несущими конструкциями при сдвигающих нагрузках в плоскости его закрепления на опорах. Это требование относится только к тем участкам покрытия, на которых настил должен выполнять функцию исключенных горизонтальных связей, а на остальной части покрытия прочность соединений настила на срез проверять не требуется.

Первая редакция Рекомендаций разработана в отделе стандартизации и исследования профилей ЦНИИпроектстальконструкции под руководством к.т.н. Айрумяна Э.Л. при участии к.т.н. Беляева В.Ф., инженеров Парчевского Н.М., Григорьевой И.А., Усачевой Т.М. Были использованы результаты исследований, проведенных в ЦНИИПСК, Казахском Промстройниипроекте и ВНИПИпромстальконструкции.

Рекомендации предназначены для проектировщиков и инженерно-технических работников строительно-монтажных организаций.

Отзывы и предложения направлять по адресу: 117393, г. Москва, Новые Черемушки, квартал 28, корпус 2.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Предлагаемые рекомендации распространяются на проектирование легких металлических конструкций одноэтажных производственных зданий с покрытием, включающим стальной профилированный настил. При проектировании этих зданий учитывается, что профилированный настил кроме основных функций ограждающей конструкции выполняет функцию горизонтальных связей на отдельных участках покрытия, называемых диафрагмами жесткости.

Примечание. Данные рекомендации не распространяются на здания с уклоном кровли более 10°.

1.2. Проектирование конструкций каркаса и покрытия осуществляется в соответствии с главами СНиП II-В.3-72 "Стальные конструкции. Нормы проектирования", СНиП II-А.12-69 "Строительство в сейсмических районах. Нормы проектирования", требованиями "Руководства по применению гофрированных профилей (стального оцинкованного профилированного настила) в утепленных покрытиях производственных зданий" и "Руководства по проектированию одноэтажных и многоэтажных производственных зданий со стальным каркасом в сейсмических районах" с учетом публикуемых Рекомендаций.

1.3. Диафрагмы жесткости должны воспринимать приходящуюся на них часть расчетных горизонтальных нагрузок, действующих на здание в продольном и поперечном направлениях и заменять (частично или полностью) горизонтальные связи покрытия.

В связи с этим в пределах диафрагмы должны соблюдаться следующие требования:

а) расчет соединения профилированных листов настила между собой и с несущими элементами покрытия с учетом срезающих усилий, определяемых в соответствии с указаниями пп. 4.2 - 4.5;

б) узлы опирания прогонов, к которым крепится профилированный настил, должны обладать повышенной жесткостью на кручение и проектироваться с учетом указаний по п. 5.3;

в) расчет несущих элементов покрытия (прогонов, ригелей, верхних поясов ферм) с учетом дополнительных продольных усилий, вызванных в результате совместной работы этих элементов и профилированного настила при горизонтальных нагрузках.

Эти требования не распространяются на конструкции покрытия, расположенные за пределами диафрагм жесткости.

1.4. Поперечные диафрагмы жесткости располагаются в крайних шагах стропильных ферм или поперечных рам здания (отсека) длиной не более 72 м. При длине здания (отсека) более 72 м между крайними диафрагмами равномерно располагаются промежуточные диафрагмы аналогичной конструкции через каждые 36 - 60 м.

Продольные диафрагмы жесткости в зданиях с числом пролетов не более трех располагаются вдоль крайних рядов колонн, в зданиях с числом пролетов более трех, также и вдоль средних рядов колонн с таким расчетом, чтобы расстояние между смежными диафрагмами не превышало двух пролетов.

1.5. Вертикальные связи в зданиях (отсеках) с диафрагмами жесткости проектируются так же, как в зданиях с горизонтальными связевыми фермами.

Поперечные и продольные связевые фермы по верхним поясам стропильных ферм или ригелей поперечных рам, а также по фонарям в зданиях (отсеках) с диафрагмами жесткости не предусматриваются.

Поперечные и продольные связевые фермы по нижним поясам стропильных ферм в зданиях (отсеках) с диафрагмами жесткости устанавливаются в следующих случаях:

а) при опирании фахверковых стоек стен в уровне нижних поясов стропильных ферм;

б) в зданиях (отсеках) с подвесными кранами;

в) при крановых горизонтальных нагрузках, превышающих допустимое значение (см. п. 1.9).

1.6. Размеры поперечных диафрагм жесткости в плане рекомендуется принимать с учетом условия

где L и В - пролет и ширина диафрагмы соответственно.

Пролет поперечных диафрагм равен пролету стропильных ферм или поперечных рам, ширина этих диафрагм принимается кратной шагу стропильных ферм или поперечных рам (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема здания (отсека) с продольными и поперечными диафрагмами.

Продольные диафрагмы, ширина которых принимается кратной пролету настила, но не менее 6 м, следует выполнять на всю длину здания (отсека). Настил покрытия фонарей выполняется с учетом требований к продольным диафрагмам жесткости.

1.7. Применение диафрагм жесткости из профилированного настила можно предусматривать в тех случаях, когда технически и экономически целесообразно выполнять следующие условия:

а) повышать жесткость здания (отсека) при горизонтальных нагрузках, объединяя несущие конструкции каркаса в единую пространственную систему;

б) уменьшать количество элементов горизонтальных связей в составе шатра здания;

в) обеспечивать устойчивость конструкций в процессе их монтажа без применения дополнительных связей;

г) повышать надежность эксплуатации зданий в особых условиях.

1.8. Примерами зданий, в которых применяют диафрагмы жесткости из профилированного настила, являются:

а) здания с типовыми конструкциями покрытия, в том числе предусматривающими конвейерную сборку и блочный монтаж;

б) здания с каркасом из поперечных рам типа "Плауэн";

в) здания с вертикальными поперечными диафрагмами в виде стенового заполнения или связей, расположенными не более, чем через 72 м;

г) здания с покрытием из пространственных решетчатых плит (структур).

1.9. Диафрагмы жесткости из профилированного настила можно предусматривать для восприятия следующих горизонтальных нагрузок:

а) сил торможения кранов легкого и среднего режимов работы, если значения этих сил составляют не более 50 % от полной расчетной нагрузки в том же направлении;

б) ветровых нагрузок для I - V районов;

в) сейсмических нагрузок при расчетной сейсмичности 7 - 9 баллов;

г) монтажных нагрузок, в том числе при крупноблочном монтаже;

д) любой местной нагрузки, вызывающей взаимный сдвиг несущих элементов в плоскости закрепления настила.

При расчете диафрагм принимается, что эти нагрузки действуют на конструкции покрытия статически и независимо друг от друга.

1.10. Горизонтальные нагрузки, действующие в плоскости закрепления настила в продольном или поперечном направлении здания (отсека), распределяются между параллельными диафрагмами жесткости равномерно.

1.11. В зданиях (отсеках) со свободными торцами совместная работа поперечных рам, связанных продольными диафрагмами, учитывается при сосредоточенной или неравномерной горизонтальной нагрузке в поперечном направлении.

При равномерно распределенной горизонтальной нагрузке в поперечном направлении совместная работа поперечных рам, связанных продольными диафрагмами, учитывается только в зданиях (отсеках), отвечающих требованиям п. 1.8в. В утепленных покрытиях взаимный сдвиг соседних несущих элементов, к которым крепится профилированный настил, не должен превышать 10 мм в пределах диафрагмы жесткости.

2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НАСТИЛА И ЕГО СОЕДИНЕНИЙ В ДИАФРАГМАХ

2.1. В диафрагмах жесткости допускается применять настил из стальных гофрированных профилей, выпускаемых по ТУ 67-199-78, ТУ 36-1929-76 и ТУ 34-13-5914-79.

2.2. Применение гофрированных профилей разной высоты или толщины в составе одной диафрагмы не допускается.

2.3. В диафрагмах крепление профилированного настила к несущим конструкциям покрытия рекомендуется выполнять самонарезающими болтами по ОСТ 34-13-016-77 или ТУ 269-79. Между собой профили соединяются вдоль гофров комбинированными заклепками по ОСТ 34-017-73 или ТУ 67-74-75.

2.4. В диафрагмах покрытия зданий в несейсмических районах допускается пристрелка профилированного настила дюбелями типа ДГПШ 4,5×30Ц×р (по ТУ 14-4-794-77) к несущим элементам из стали класса С38/23 толщиной не менее 5 и не более 12 мм.

2.5. Применение сварки для крепления настила на опорах и укрупнения настилов в карты разрешается в соответствии с "Инструкцией по сварке стального оцинкованного профилированного настила для облегченной кровли" .

Сварные соединения настила в диафрагмах рекомендуется применять только при заводском изготовлении панелей покрытия и конвейерной сборке монтажных блоков, осуществляя при этом повышенный контроль качества соединений.

3. РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖЕСТКОСТИ ДИАФРАГМ ИЗ ПРОФИЛИРОВАННОГО НАСТИЛА

3.1. Жесткость диафрагмы из профилированного настила характеризуется величиной сдвигающей силы, вызывающей единичное смещение рассматриваемого прямоугольного участка настила по линии ее действия. Эта жесткость называется сдвиговой, обозначается С и имеет размерность кгс/мм или тс/см (рис. 2а).

Рис. 2. К расчету параметров жесткости диафрагмы (а) и поперечной рамы (б)

3.2. Расчетная сдвиговая жесткость профилированного настила определяется при следующих допущениях:

а) значение С изменяется прямо пропорционально расчетной длине рассматриваемого участка настила, параллельной направлению сдвигающей силы, и обратно пропорционально его ширине;

б) сдвиговая жесткость настила не зависит от направления действия сдвигающей силы (вдоль или поперек гофров);

в) настил, прогоны и их соединения работают упруго при одновременном и раздельном действии сдвигающих сил в плоскости диафрагм и вертикальных нагрузок на покрытие;

г) поперечная нагрузка на настил не влияет на его сдвиговую жесткость.

3.3. Сдвиговую жесткость участка настила рекомендуется рассчитывать по формуле

где С₀ - сдвиговая жесткость прямоугольной панели-эталона из профилированных листов рассматриваемого настила (см. п. 3.4);

b₀ и a₀ - соответственно ширина и длина эталонных панелей, на которые разбивается рассматриваемый участок диафрагмы;

a и b - расчетные размеры рассматриваемого участка настила, параллельные сторонам панели-эталона a₀ и b₀ соответственно и определяемые с учетом п. 5.5;

K₀ - коэффициент, учитывающий тип опорных креплений настила: для самонарезающих болтов и дюбелей - K₀ = 1; для сварных электрозаклепок - K₀ = 1,2;

α₀ - коэффициент, учитывающий характер сдвигающей силы: при ветровых нагрузках α₀ = 1,0; при крановых и сейсмических нагрузках α₀ = 0,8;

β₀ - коэффициент, учитывающий конструкцию покрытия и принимаемый по табл. 1.

Таблица 1

3.4. Значения сдвиговой жесткости С₀ для панелей-эталонов рекомендуется определять экспериментальным путем по "Методике экспериментального исследования сдвиговой жесткости дисков из профилированных металлических листов и их соединений", приведенной в приложении 2.

По результатам испытаний, выполненных по этой методике, значение С₀ определяется как

где Т и Δ_ср - соответственно сдвигающая сила и среднее значение перемещения по линии ее действия в пределах упругой работы панели-эталона при испытаниях знакопеременной нагрузкой.

Расчетные значения эталонной сдвиговой жесткости настилов из стандартных гофрированных профилей отечественного производства приводятся в табл. 1 приложения 3.

4. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

4.1. В соединениях листов настила на опорах и между собой распределение продольной силы между крепежными элементами принимается равномерным.

4.2. Прочность соединений настила с поперечными опорами проверяется по формуле (рис. 3)

Рис. 3. Расчетные усилия в соединениях настила на опорах и в пролете.

где N_x и N_y - расчетные срезающие усилия на один крепежный элемент или сварную точку, направленные соответственно параллельно и перпендикулярно горизонтальной нагрузке;

Р - расчетное растягивающее (отрывающее) усилие на один крепежный элемент или сварную точку при ветровом отсосе;

[N₁] и [P₁] - допускаемые усилия на один крепежный элемент или сварную точку соответственно при срезе и растяжении (отрыве).

Значения [N₁] и [P₁] определяются экспериментальным путем по методике, приведенной в приложении 2 и получены для стандартных крепежных элементов (метизов) отечественного производства (приложение 3, таблицы 3; 4).

4.3. Прочность соединений профилированных листов настила между собой в пролете проверяется по формуле

где N - расчетная продольная сила, действующая на соединение;

n - число крепежных элементов или сварных точек в соединении;

m - коэффициент условия работы, принимаемый равным 0,9 для заклепочных соединений и 0,8 для соединений на самонарезающих винтах или точечной сварке.

Допускаемое срезающее усилие [N₂] на одну стандартную комбинированную заклепку в соединениях листов приводится в таблице 2 приложения 3.

4.4. В поперечных диафрагмах расчетные срезающие усилия на соединения можно определять как в однопролетной балке двутаврового сечения с гофрированной стенкой из профилированного настила и поясами в виде верхних поясов стропильных ферм или ригелей поперечных рам, расположенных по продольным краям этих диафрагм.

При изгибе диафрагм в своей плоскости допускается, что стенка из профилированного настила воспринимает только сдвигающие усилия, а верхние пояса ферм или ригелей испытывают дополнительное сжатие или растяжение (рис. 4а).

Рис. 4. Расчетная схема поперечной диафрагмы:

а - при определении усилий в соединениях настила,
б - при расчете изгибной жесткости в своей плоскости

Погонное сдвигающее усилие в настиле от равномерно распределенной горизонтальной нагрузки q_r в плоскости диафрагмы определяется по формуле

Расчетная продольная сила, действующая на соединения листов настила между собой в поперечных диафрагмах имеет вид

где е - шаг крепежных элементов или сварных точек.

Максимальное дополнительное усилие в верхних поясах ферм или ригелей на продольных краях этих диафрагм от нагрузки q_r равно

4.5. В продольных диафрагмах расчетные срезающие усилия на соединения настила определяются с учетом взаимных перемещений поперечных рам в направлении нагрузки согласно принятой расчетной схеме (рис. 5). По этой схеме каждая продольная диафрагма здания (отсека) рассматривается как неразрезная равнопролетная балка на упруго-податливых опорах, которыми являются поперечные рамы.

Рис. 5. Расчетная схема продольной диафрагмы:

а - в здании (отсеке) со свободными торцами,
б - при действии сосредоточенной силы на одну раму

При нагрузках, указанных в пп. 1.9 и 1.11 поперечные рамы неравномерно смещаются в своей плоскости.

В зданиях (отсеках) со свободными торцами при действии горизонтальной нагрузки в плоскости одной из поперечных рам перемещение любой из них на уровне ригеля определяется по формуле

где f_ij - перемещение ригеля любой поперечной рамы i при нагружении рамы j эквивалентной силой Q, приложенной на уровне ее ригеля (см. рис. 5а);

в₁ и в₂ - произвольные постоянные, определяемые по приложению 6;

x₂ = x₁^-1;

K - параметр единичной жесткости поперечных рам, равный горизонтальной силе на уровне ригеля, вызывающей его единичное перемещение в плоскости рамы (см. рис. 2б);

С - сдвиговая жесткость участка продольной диафрагмы между смежными поперечными рамами, определяемая по указаниям раздела 3;

j и i - порядковые номера нагруженной и рассматриваемой рамы при нумерации от одного торца здания (отсека) к другому, начиная с i = 0.

При действии силы Q на поперечную раму, расположенную в середине длины здания (отсека), взаимное смещение нагруженной и ближайшей к ней поперечных рам можно записать как

где β₁ и β₂ - коэффициенты, определяемые по табл. 1 в приложении 4.

Расчетные срезающие усилия в соединениях настила продольной диафрагмы принимаются в зависимости от значения максимальной сдвигающей силы

В зданиях (отсеках), отвечающих требованиям п. 1.8 в, при действии сил Q на каждую поперечную раму смещение ригеля любой из них можно вычислить по формуле

где а₁ и а₂ - произвольные постоянные, определяемые по приложению 6.

В этом случае перемещение ригеля поперечной рамы в середине длины здания (отсека) является наибольшим и имеет вид

где β_m - коэффициент, определяемый по табл. 2 приложения 4.

4.6. Для расчетной оценки горизонтального прогиба диафрагм с профилированным настилом при изгибе в своей плоскости рекомендуется прямоугольные участки настила между несущими элементами, к которым он прикреплен, заменить крестовой решеткой из фиктивных стержней-связей, шарнирно соединенных с этими элементами (см. рис. 4б).

Условная площадь сечения этих стержней определяется из условия равенства сдвиговых жесткостей каждой связевой панели и соответствующего ей участка настила

где С и а - обозначения те же, что в формуле (2);

 - длина рассматриваемого участка настила по диагонали;

Е - модуль упругости стали.

При односторонней нагрузке крестовая решетка из фиктивных связей может быть заменена раскосной, у которой условная площадь растянутого раскоса равна F = 2 F_ус, (см. рис. 4б).

Прогиб диафрагм в середине пролета от расчетных горизонтальных нагрузок может быть определен как прогиб эквивалентной связевой фермы с бесконечно жесткими поясами и деформируемой раскосной решеткой по формуле

где N_р - усилия в элементах решетки эквивалентной связевой фермы от расчетной нагрузки;

N₁ - усилия в тех же элементах от единичной нагрузки, приложенной в середине пролета фермы;

F - площадь сечения элементов решетки.

Замена диафрагм из профилированного настила эквивалентными по жесткости связевыми фермами может использоваться также для расчета пространственных систем покрытия и здания в целом на ЭВМ с помощью стандартных программ, типа PACK, МАРС и др.

5. КОНСТРУКТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

5.1. Профилированный настил в составе диафрагм жесткости крепится на всех опорах в каждой волне.

5.2. Шаг точечных соединений профилированных листов настила между собой в пролете рекомендуется принимать постоянным, но не более 500 мм.

5.3. Конструкция опирания прогонов, поддерживающих настил в составе диафрагмы, должна практически исключать возможное закручивание их опорных сечений (варианты конструктивных решений жесткого узла опирания прогонов приводятся в приложении 5).

5.4. В монтажных блоках покрытия с фонарями горизонтальные связи на уровне верхних поясов стропильных ферм рекомендуется ставить только в подфонарном пространстве.

В данных блоках горизонтальные связи по фонарю и на скатных участках можно не ставить, если профилированный настил и его соединения удовлетворяют требованиям, предъявляемым к диафрагмам жесткости.

В бесфонарных блоках покрытия горизонтальные связи на уровне верхних поясов стропильных ферм рекомендуется не ставить, включив профилированный настил в диафрагму жесткости по всей площади блока.

5.5. В диафрагмах не рекомендуется выполнять отверстия с размерами более 1,0 м. Расстояние от краев диафрагмы до отверстия должно быть не менее в/4. Если размеры отверстия в диафрагме превышают 1 м, то при определении ее сдвиговой жесткости С по формуле (2) расчетная длина а снижается пропорционально соотношению площадей этого отверстия и рассматриваемого участка настила.

Приложение 1

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Примеp 1. Расчет диафрагм жесткости из профилированного настила в покрытии одноэтажного здания на сейсмические нагрузки

Требуется рассчитать диафрагмы жесткости из профилированного настила марки Н60-845-1,0, выполняющего функцию горизонтальных связей в плоскости верхних поясов стропильных ферм покрытия одноэтажного трехпролетного здания с расчетной сейсмичностью в 9 баллов.

Конструктивные схемы каркаса здания и нагрузки приняты из примера 1 Руководства по проектированию одноэтажных и многоэтажных производственных зданий со стальным каркасом в сейсмических районах (ЦНИИпромзданий, Москва, Стройиздат, 1977).

В отличие от этого Руководства в данном примере связевые фермы в плоскости верхних поясов стропильных ферм исключены во всех пролетах.

А. Расчет поперечных диафрагм

1. В плоскости верхних поясов стропильных ферм в пролетах А-Б и В-Г без фонарей учитываем три поперечные диафрагмы - у торцов и в середине длины здания, так как она превышает 72 м (рис. 1). Размеры каждой диафрагмы в плане принимаем равными L = 24 м, В = 12 м, в соответствии с условием (1)

Продольная сейсмическая сила, передаваемая на всю диафрагму в пределах длины здания, принимается такой же, как в расчете поперечных связевых ферм по Руководству

ΣS₁ = 59 тс.

Эта нагрузка равномерно распределяется между диафрагмами. Торцевую диафрагму, на которую кроме заданной нагрузки действует сила от веса части торцевой стены и парапета можно рассчитать таким образом

ΣS₂ = 2,2 тс.

Расчетная схема торцевой диафрагмы показана на рис. 2а. Представим нагрузку на эту диафрагму как равномерно распределенную с интенсивностью, равной

Погонное сдвигающее усилие в продольных соединениях настила определяем по формуле (6)

Рис. 1. Схема диафрагм и связей по верхним поясам ферм:

1 - поперечные диафрагмы, 2 - продольная диафрагма

Рис. 2. Расчет поперечной диафрагмы:

а - расчетная схема диафрагмы в одном пролете,
б - усилия в опорных соединениях настила по продольным краям диафрагмы,
1 - прогон, 2 - ферма, 3 - настил

2. Соединения листов настила между собой выполняются в данном случае с помощью комбинированных заклепок типа 3К4,8×8. Допускаемый шаг заклепок определяем из формул (5) и (7)

[N₂] = 120 кгс - из таблицы 2 приложения 3.

В пределах поперечных диафрагм шаг заклепок принимаем равным 100 мм.

Сдвигающее усилие по продольному краю торцевой диафрагмы определяем по формуле (8)

Это усилие воспринимается самонарезающими болтами типа М6×20, прикрепляющими настил к девяти прогонам по продольным краям диафрагмы (см. рис. П2б). Требуемое количество болтов на каждом прогоне определяем по формуле (5)

Таким образом, по продольным краям диафрагм настил должен крепиться к каждому прогону двумя самонарезающими болтами. На каждый из этих болтов действует срезающее усилие, направленное перпендикулярно нагрузке и равное

По поперечному краю диафрагмы на каждый из болтов, крепящих настил к крайнему прогону в каждой волне через 211 мм (для гофрированных профилей Н60-845-1,0) действует усилие, параллельное нагрузке и равное

где  - число самонарезающих болтов на крайнем прогоне.

Так как в углах диафрагмы установлено по два болта, усилие на каждый из них снижается вдвое, т.е. N_к1 = 96 кгс.

Проверяем прочность наиболее напряженных соединений настила в углах диафрагмы по формуле (4) без учета ветровой нагрузки

где [N₁] = 320 кгс по таблице 3 приложения 3.

Б. Расчет продольных диафрагм

1. Две продольные диафрагмы предусмотрены в плоскости верхних поясов стропильных ферм (вдоль крайних рядов колонн). Допуская, что стропильные фермы обладают бесконечной жесткостью при продольном сжатии, передадим сейсмическую нагрузку от собственного веса мостовых кранов в плоскость продольных диафрагм шириной В₂ = l_р = 12 м каждая, которые распределяют эту нагрузку между всеми поперечными рамами здания.

На колонну в рядах Б и Г действует сосредоточенная нагрузка S₁^кр = 3,55 т, на колонну ряда В - S₂^кр = 7,1 т (рис. 3).

Рис. 3.

Заменяем все стойки поперечной рамы одной, эквивалентной по жесткости (см. рис. 3б).

Реакцию неподвижной опоры на уровне ригеля можно определить по известной формуле

R₀ = -K₃ΣS,

где K₃ - коэффициент определяем в зависимости от

В данном случае при

K₃ = 0,461^*); R₀ = 0,461 × (2 × 3,55 + 7,1) = -6,55 тс.

_______________

*⁾ Справочник проектировщика под ред. А.А. Уманского, ч. 1, Стройиздат, 1972 г.

Сосредоточенная сила, приложенная в уровне ригеля средней поперечной рамы имеет вид

Q = -R₀ = 6,55 тс.

Жесткость поперечной рамы на уровне ригеля можно записать

где

Расчетную сдвиговую жесткость продольных диафрагм определяем по формуле (2)

где K₀ = 1 - для самонарезающих болтов;

α₀ = 0,8 - при сейсмической нагрузке;

β₀ = 1,0 - при неразрезном настиле по прогонам, закрепленным от кручения на опорах;

С₀ = 3,6 т/см - для панели настила Н60-845-1,0 размерами а₀ = 6 м и в₀ = 3 м (см. приложение 3 табл. 1);

в = а = 12 м - ширина и длина сдвигаемого участка диафрагмы между соседними рамами.

Сдвиговая жесткость двух диафрагм равна

2C = 2 × 1,52 = 3,04 т/см.

Для отношения  находим по табл. п. 4.1 приложения значения коэффициентов

β₁ = 0,527 и β₂ = 0,162.

Максимальное взаимное смещение соседних поперечных рам определяется по формуле (10)

Максимальная сдвигающая сила в плоскости продольной диафрагмы по формуле (11) имеет вид

Т_max = СΔ_max = 1,52 × 0,55 = 0,84 т.

2. Наиболее нагруженными в пределах сдвигаемого участка диафрагмы являются угловые самонарезающие болты, крепящие настил к прогонам (см. рис. 2б). На каждый из этих болтов действуют усилия:

Проверяем прочность углового самонарезающего болта по формуле

Погонное сдвигающее усилие в соединениях профилей настила между собой равно

Шаг заклепок в соединениях настила не должен превышать

Принимаем шаг заклепок е =500 мм в соответствии с п. 5.2.

Таким образом, профилированный настил без дополнительного крепления к прогонам может выполнять в данном случае функцию продольной диафрагмы, воспринимающей часть сейсмической нагрузки от собственного веса мостовых кранов, при отсутствии горизонтальных связевых ферм.

Пример 2. Расчет рам типа "Плауэн" с учетом диафрагмы жесткости из профилированного настила в покрытии одноэтажного здания.

Рассматривается однопролетное бесфонарное здание длиной 54 м с поперечными рамами типа "Плауэн", расположенными с шагом 6 м и мостовым краном грузоподъемностью 5,0 т.

Покрытие здания выполняется из профилированного настила марки Н60-845-1,0 по прогонам через 3 м.

Расчетные нагрузки на каждую раму и эпюра расчетных моментов приводятся на рис. 4. При этом снеговая нагрузка принимается для I-го района, а ветровая - для IV-го.

Рис. 4.

Размеры рам приняты по типовому проекту "Стальные конструкции типа "Плауэн" одноэтажных производственных зданий с применением легких ограждающих конструкций", разработанному ЦНИИПСК. Материал - сталь класса С46/33.

Требуется определить расчетные напряжения в рамах при следующих допущениях:

а) профилированный настил и прогоны образуют диафрагму жесткости в уровне ригелей рам по всей площади покрытия;

б) крайние рамы не смещаются в своей плоскости (благодаря вертикальным связям или стеновому заполнению).

I. Определение перемещений рам от поперечной горизонтальной нагрузки

При равномерно распределенной ветровой нагрузке на каждую раму действует эквивалентная сила Q, приложенная на уровне ригеля (рис. 5)

Рис. 5.

Перемещение ригеля рамы по направлению силы Q без учета жесткости продольной диафрагмы равно

где

Сдвиговая жесткость продольной диафрагмы из профилированного настила по прогонам определяется по формуле (2)

Перемещения рам в своей плоскости на уровне ригелей от ветровой нагрузки с учетом жесткости продольной диафрагмы можно определить по формуле (12)

для 1-й рамы от торца здания

где

для 2-й рамы от торца здания

для 3-й рамы от торца здания

для 4-й рамы от торца здания

Учитывая симметричность, нагрузки перемещения остальных рам равны соответственно:

f₅ = f₄ = 2,19 см;

f₆ = f₃ = 1,958 см;

f₇ = f₂ = 1,544 см;

f₈ = f₁ = 0,914 см;

Линия горизонтальных перемещений продольной диафрагмы показана на рис. 5.

II. Определение максимальных расчетных напряжений в рамах

Эпюра расчетных моментов в плоской раме определяется в соответствии с типовым проектом.

При совместной работе рам и продольной диафрагмы на ветровую нагрузку горизонтальное перемещение каждой рамы уменьшается по сравнению с плоской схемой благодаря отпорному усилию, приложенному на уровне ригеля и равному

Эпюра моментов в раме от этого усилия дана на рис. 4.

Результаты расчета напряжений в наиболее опасном сечении стойки в месте пересечения ее оси с осью ригеля даны в таблице.

Таблица

Напряжения в упругой стадии определялись по формуле:

III. Проверка прочности соединений настила в составе диафрагмы

Ветровая нагрузка на торец здания на уровне покрытия равна

q_r = 0,8 × 55 × 4,1 = 180 кг/м.

Ширина торцевой диафрагмы, воспринимающей эту нагрузку имеет вид

Продольное сдвигающее усилие в соединениях листов настила между собой определяем по формуле (6)

Допускаемый шаг комбинированных заклепок можно записать

Дополнительное нормальное усилие в ригеле крайней рамы по формуле (8) равно

Требуемое количество самонарезающих винтов В6×25, воспринимающих это усилие в местах крепления настила к прогонам над крайней рамой, получаем из формулы (5)

где [N₁] =500 кгс - для винта В6×25 при однозначной нагрузке (табл. П3.3).

Таким образом, над крайней рамой настил достаточно крепить к каждому из семи прогонов одним винтом. На каждый из этих винтов действует срезающее усилие

По длине прогона настил крепится в пределах диафрагмы в каждой волне винтами, общее число которых равно

Эти винты воспринимают на крайнем прогоне торцевой диафрагмы усилие

Предельное усилие на винт настила в пределах торцевой диафрагмы от ветрового отсоса равно

Таким образом, при ветровой нагрузке на торец здания самонарезающие винты в углах диафрагмы должны воспринять следующие усилия:

N_к = 87 кгс; N_y = 175 кгс; P₁ = 18 кгс.

Проверяем прочность этих винтов по формуле (4)

При поперечной ветровой нагрузке максимальная сдвигающая сила действует на участки диафрагмы между крайней и первой от торца рамами, взаимное смещение которых по направлению нагрузки является наибольшим Δ_mах = 0,914 см. Эта сила определяется по формуле (11)

Т = С·Δ_mах =5,44 × 0,914 = 4,95 т,

и передается на ряд самонарезающих винтов крепящих настил на поперечных краях продольной диафрагмы жесткости. Если настил крепится к прогонам одним винтом, то в каждой волне срезающее усилие на него в направлении нагрузки равно

где n_x = 7 - число прогонов на рассматриваемом участке диафрагмы;

[N₁] = 500 кгс - для винтов В6×25 при односторонней нагрузке (табл. 3 приложения 3).

В связи с этим число винтов, крепящих настил к прогонам над торцевыми рамами, увеличиваем вдвое (см. рис. 5 основного текста).

Усилия на винты, расположенные в углах диафрагмы, будут равны:

Р₁ = 18 кгс;

n_у = n = 28 - число винтов на каждом прогоне при креплении настила в каждой волне.

Проверяем прочность угловых винтов по формуле (4)

Таким образом, учет диафрагм из профилированного настила покрытия позволил без применения горизонтальных связей повысить пространственную жесткость здания (горизонтальные перемещения ригелей в плоскости рам снизились более, чем в 1,7 раза) и снизить расчетные напряжения в стойках рам на 9 - 16 %.

Приложение 2

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТМЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СДВИГОВОЙ
ЖЕСТКОСТИ ДИСКОВ ИЗ ПРОФИЛИРОВАННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ЛИСТОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ

Настоящая методика разработана в результате научно-технического сотрудничества институтов ВУПС Министерства строительства ЧССР и ЦНИИпроектстальконструкции Госстроя СССР в соответствии с рабочей программой по теме 2.1.4 «Разработка новых металлических, пластмассовых многослойных конструкций, развитие методов их расчета и расширение области их применения».

1. Цель исследования

1.1. Исследование проводится с целью экспериментальной оценки жесткости и несущей способности дисков из профилированного стального или алюминиевого настила при сдвигающих нагрузках в его плоскости.

1.2. Экспериментальное исследование включает два вида испытаний:

- испытания на сдвиг фрагментов профилированных настилов;

- испытания на срез соединений профилированных листов, образующих настил, между собой и с элементами каркаса здания.

2. Испытания профилированного настила на сдвиг

2.1 Испытания проводятся на прямоугольной силовой раме с размерами в осях 3×6 м, выполненной из жестких стальных элементов. Одна длинная сторона горизонтально расположенной рамы закрепляется неподвижно, остальные стороны свободны. Длинные стороны соединяются в середине или третях длины соответственно одним или двумя поперечными элементами (рис. 1). Поперечины и короткие стороны рамы крепятся к ее длинным сторонам с помощью цилиндрических шарниров (на штифтах).

Рис. 1. Схема силовой установки

- подвижная сторона
- поперечина
- неподвижная сторона

2.2. Испытываемый образец в виде участка настила с размерами не более 3×6 м должен крепиться к элементам силовой рамы таким же способом, как предусмотрено в реальной ограждающей конструкции. Все соединения настила с силовой рамой должны быть расположены в одной плоскости.

Для изготовления образцов можно использовать профилированные металлические листы с различной формой гофров и разные способы крепежа.

Листы располагаются на раме гофрами вдоль или поперек ее длинных сторон.

2.3. Испытательная сдвигающая нагрузка прикладывается горизонтально, вдоль длинной свободной стороны силовой рамы. До закрепления настила на раме производится ее тарировка, т.е. оценивается собственное сопротивление рамы сдвигу.

2.4. Каждый тип настила следует испытать на трех одинаковых образцах, квадратной или прямоугольной формы в плане. Длинные стороны прямоугольных образцов должны располагаться параллельно направлению сдвигающей нагрузки.

Первый образец испытывается постоянно возрастающей нагрузкой до потери несущей способности.

Второй образец нагружается ступенями, равными 1/10 предела прочности первого образца, но не более 2,0 кН. На каждой ступени нагрузку выдерживают в течение 5 мин, затем производится полная разгрузка, и нагрузка увеличивается вновь до следующей ступени.

Третий образец испытывается знакопеременной нагрузкой, равной 0,4 среднего значения предела прочности, полученного по результатам испытаний 1-го и 2-го образцов.

2.5. В процессе испытаний определяются: перемещения свободной длинной стороны силовой рамы по направлению сдвигающей силы, возможные случайные перемещения закрепленной длинной стороны рамы и нагрузка, соответствующая потере несущей способности образца настила.

3. Испытания соединений профилированного настила

3.1. Для соединений профилированных листов настила применяются разные по конструкции и материалам винты, болты и заклепки.

Рис.2. Образец для испытаний соединений настила

t₁ - толщина профилированного листа
t₂ - толщина полок конструкций, несущих настил

3.2. Для определения прочностных и жесткостных характеристик соединений настилов, работающих на сдвигающие нагрузки, следует проводить самостоятельные испытания на срез простых образцов (рис. 2). Толщина и качество листов, из которых изготовлены образцы, должны соответствовать настилу и поддерживающим его элементам каркаса.

3.3. Каждый вид соединения испытывают не менее, чем на 10 образцах. Первый образец испытывают постоянно возрастающей нагрузкой до разрушения. Остальные образцы нагружают ступенями, равными 1/10 полученной разрушающей нагрузки, но не более 0,5 кН. На каждой ступени нагрузку выдерживают 5 мин., затем производится полная разгрузка, и нагрузка увеличивается вновь до следующей ступени.

3.4. Испытания соединений на знакопеременную нагрузку необходимы только при аналогичном характере сдвигающих нагрузок, действующих на профилированный настил.

3.5. В процессе испытаний образцов соединений определяются взаимное смещение соединенных элементов в зависимости от испытательной нагрузки и ее величина соответствующая пределу несущей способности соединения.

4. Обработка и применение результатов испытаний

4.1. Отчет о результатах испытаний профилированного настила на сдвиг должен включать: размеры гофров испытанного настила; марку металла листов; схему расположения листов на раме; тип и шаг соединений листов между собой и с элементами рамы; график зависимости перекоса настила от сдвигающей нагрузки; данные о предельной несущей способности настила и характере его разрушения.

4.2. Отчет о результатах испытаний соединений на срез должен содержать график зависимости сдвига соединяемых элементов от величины срезающей силы, среднее значение предела прочности и данные о характере разрушения соединений.

4.3. Результаты испытаний могут быть использованы при проектировании каркаса и систем связей в зданиях с ограждающими конструкциями, включающими панели или настил из профилированных металлических листов.

Приложение 3

Таблица 1

Значение "эталонной" жесткости С₀ для испытанных диафрагм из профилированных листов

Примечания:

1. Настил № 1, 4, 5 изготовляется заводом "Электрощит" (г. Куйбышев), настилы № 2 и № 3 - Челябинским заводом профилированного стального настила. Метизы для крепления настилов изготовляют те же заводы.

2. Настилы № 1 - 3 крепились на опорах самонарезающими винтами, настилы № 4 - 5 - дюбелями (по одному в каждой волне).

Таблица 2

Допускаемое срезающее усилие [N₂] на одну комбинированную заклепку в соединениях настила

Примечания:

1. Значения [N₂] даны для соединений профилей настилов из табл. 1 (в числителе - при знакопеременной нагрузке, в знаменателе - при однозначной).

2. По технологии изготовления отверстие в корпусе заклепки № 3 сверлится.

Таблица 3

Допускаемое срезающее усилие [N₁] на один метиз крепления настала на опорах

Примечания:

1. Значения [N₁] даны для креплений настилов из табл. 1 к опорным полкам толщиной не менее 5,0 мм из стали класса С38/23 (в числителе - при знакопеременной нагрузке, в знаменателе - при однозначной).

2. В комплект винтов № 3 должны входить уплотнительные шайбы.

Таблица 4

Допускаемое выдергивающее усилие [Р₁] на один метиз крепления настила на опорах

Приложение 4

Таблица 1

Таблица 2

Приложение 5

Варианты решения опорных узлов прогонов в составе диска покрытия

Примечания:

1. Болты принимать диаметром не менее d_б = 20 мм

2. Высота сварных швов не менее h_шв = 4 мм.

Приложение 6

Формулы для определения произвольных постоянных а₁; а₂; в₁ и в₂

где

m - порядковый номер рамы в середине блока

где X₁ = X₂^-1

Q - эквивалентная горизонтальная сила, приложенная на уровне ригеля рамы с порядковым номером ''j''

C и K - параметры жесткости в плоскостях диафрагмы покрытия и поперечной рамы соответственно (см. п. 4.5)

ОПЕЧАТКИ