Новый ОПСК. Определение нагрузок и расчетных усилий в поперечной раме одноэтажного производственного здания
 Скачать 5.78 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный Федеральный университет имени М.К. Аммосова» Определение нагрузок и расчетных усилий в поперечной раме одноэтажного производственного здания Учебное пособие Составители: Аржаков В.Г., профессор, канд. техн. наук; Рыков А.В., доцент, канд. техн. наук; Якутск 2012 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………2
ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………57 Приложения Приложение 1. Исходные данные к выполнению расчетно-графических работ ………………………………………………………………………59 Приложение 2. Схемы ферм. …………………………………………….63 Приложение 3. Карты районирования …………………………………..65 Приложение 4. Объемные, насыпные и удельные веса материалов ….67 Приложение 5. Веса листовых и рулонных материалов ………………71 Приложение 6. Плотность строительных материалов ………………...72 Приложение 7. Мостовые опорные краны типа Н (ГОСТ 25711-83, ГОСТ 6711-81) ……………………………………………………………76 ВВЕДЕНИЕ При проектировании строительных конструкций следует учитывать нагрузки и воздействия, возникающие при возведении и эксплуатации зданий и сооружений, а также при изготовлении, хранении, монтаже и перевозке конструкций [1]. При расчете строительных конструкций постоянно приходится иметь дело с ситуациями, когда точно неизвестны не только механические характеристики материалов, из которых эти конструкции изготовлены, но и будущие воздействия на конструкции, т.е. иметь дело с числами (величинами), имеющими случайную природу. Сложность назначения нагрузок состоит в том, что для каждой нагрузки необходимо предсказать наибольшее ее значение за весь период эксплуатации здания или сооружения. А это можно сделать только с той или иной степенью вероятности на основе законов математической статистики и теории вероятностей. В данном учебном пособии приводятся примеры определения основных нагрузок, действующих на каркас одноэтажного производственного здания: постоянных, снеговых, ветровых и крановых. Эти примеры представлены в виде образцов выполнения расчетно-графических работ №2 и №3. Но прежде, чем определять нагрузки, необходимо скомпоновать конструктивную схему рамы каркаса, а затем принять соответствующую расчетную схему рамы. Эти вопросы рассматриваются в расчетно-графической работе №1. После сбора нагрузок выполняется статический расчет принятой расчетной схемы рамы. По данным статического расчета необходимо определить расчетные сочетания усилий (нагрузок) в характерных узлах (сечениях) рамы, по которым, в дальнейшем, осуществляется подбор сечений и соответствующие проверки прочности, устойчивости и жесткости элементов конструкций каркаса. Методика решения этих вопросов приведена в расчетно-графической работе №4. Отметим, что результаты вычислений всех четырех РГР будут использованы студентами при изучении расчетно-конструкторских дисциплин соответствующих специальностей направления «Строительство». 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ С 20 мая 2011 года введен в действие новый нормативный документ – «Свод правил СП 20.1330.2011. Нагрузки и воздействия (актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*)». Данный свод правил устанавливает требования по назначению нагрузок, воздействий и их сочетаний, учитываемых при расчетах зданий и сооружений по предельным состояниям первой и второй групп, в соответствии с положениями ГОСТ 27751-88*. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету. Пересмотр норм связан с необходимостью соблюдения обязательных требований технических регламентов, отраженных в федеральных законах от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании» и от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». В указанном нормативном документе приняты следующие термины и определения: воздействия: Нагрузки, изменения температуры, влияния на строительный объект окружающей среды, действия ветра, осадка оснований, смещение опор, деградация свойств материалов во времени и другие эффекты, вызывающие изменения напряженно-деформированного состояния строительных конструкций; коэффициент надежности по нагрузке: Коэффициент, учитывающий в условиях нормальной эксплуатации сооружений возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную (большую или меньшую) сторону от нормативных значений; коэффициент сочетаний нагрузок: Коэффициент, учитывающий уменьшение вероятности одновременного достижения несколькими нагрузками их расчетных значений; нагрузки: Внешние механические силы (вес конструкций, оборудования, снегоотложений, людей и т.п.), действующие на строительные объекты; нагрузки длительные: Нагрузки, изменения расчетных значений которых в течение расчетного срока службы строительного объекта пренебрежимо малы по сравнению с их средними значениями; нагрузки кратковременные: Нагрузки, длительность действия расчетных значений которых существенно меньше срока службы сооружения; особые нагрузки: Нагрузки и воздействия (например, взрыв, столкновение с транспортными средствами, авария оборудования, пожар, землетрясение и отказ работы несущего элемента конструкций), создающие аварийные ситуации с возможными катастрофическими последствиями; нормативное (базовое) значение нагрузок: Основная базовая характеристика, устанавливаемая соответствующими нормами проектирования, техническими условиями или заданием на проектирование; расчетное значение нагрузки: Предельное (максимальное или минимальное) значение нагрузки в течение срока эксплуатации объекта; расчетные сочетания нагрузок: Все возможные неблагоприятные комбинации нагрузок, которые необходимо учитывать при проектировании объекта. По своей природе нагрузки и воздействия подразделяют на:
Все эти нагрузки и воздействия вызывают в конструкциях усилия и перемещения и могут быть отнесены к прямым воздействиям [4, 5]. Собственный вес несущей конструкции и вес поддерживаемых ею неподвижных элементов и деталей относятся к постоянным нагрузкам. Основным отличием постоянной нагрузки является то, что она считается неизменной во времени. Постоянная нагрузка определяется по размерам сооружения, полученным в результате расчета и конструирования, т.е. после проектирования конструкции, и на эту нагрузку проверяется прочность, устойчивость и жесткость сооружения. Для учета же постоянной нагрузки в процессе проектирования ее задают на основании общих соображений, эмпирических формул, справочных данных или путем предварительного приближенного расчета. Технологические нагрузки – нагрузки, восприятие которых составляет целевое назначение сооружения. Эти нагрузки относятся к временным. Основным отличием временной нагрузки является то, что она не постоянна во времени и в некоторые периоды может отсутствовать. Кроме того, она может занимать различные положения в сооружении, а ее численные значения могут быть различны в разные периоды работы сооружения, так как они зависят от условий эксплуатации и внешних условий, переменных во времени. Полезная нагрузка определяется назначением здания и сооружения. Для промышленных зданий полезной является нагрузка от оборудования, материалов и произведенной продукции. К ней относятся крановые нагрузки и их вертикальные и горизонтальные воздействия. Для перекрытий гражданских зданий и складов полезной нагрузкой является вес оборудования и материалов, а иногда и подвижная нагрузка от движения людей или транспорта. Ввиду крайнего многообразия полезных нагрузок на перекрытия зданий и сооружений, они в нормах обычно задаются весьма осредненными в виде равномерно распределенных нагрузок различной интенсивности. Для мостов полезной нагрузкой является вес подвижного состава и людей; для опор ЛЭП и радиомачт – натяжения проводов и антенн и т.д. Все численные значения полезных нагрузок, приведенные в нормах, по возможности приближаются к наибольшим фактическим, имеющим место при нормальной эксплуатации зданий и сооружений. В наших климатических условиях регулярной атмосферной нагрузкой является снег. В действующих нормах в нормативных значениях снеговой нагрузки учитывают различие снеговых покровов в разных районах России, а также условия залегания снега на кровле. На неровных кровлях снег располагается неравномерно из-за впадин и зон сдувания. В некоторых местах возможно снегонакопление и образование, так называемых, «снеговых мешков». Для сооружений, имеющих пологие, ровные кровли и расположенных в районах с открытым рельефом и большими ветрами, учитывается сдувание снега ветром, позволяющее уменьшить снеговые нагрузки. Методология нормирования заключается в следующем: 1. Нормативные значения веса снегового покрова на поверхности земли определяются для конкретной местности, где по проекту располагается здание или сооружение. 2. Переход от снеговой нагрузки на земле к нагрузке на покрытии осуществляется с учетом профиля покрытия, возможного сноса снега ветром при низких температурах, термических условий покрытия. Вес снегового покрова Sgна 1 м2 горизонтальной поверхности земли для площадок, расположенных на высоте более 1500 м над уровнем моря, принимается в зависимости от снегового района Российской Федерации по данным таблицы 10.1 [1]. Схемы распределения снеговой нагрузки и значения коэффициента μ на поверхности покрытий следует принимать в соответствии с приложением Г [1], при этом промежуточные значения коэффициента μ определяются линейной интерполяцией. Расчетные значения снеговых нагрузок определяются путем умножения нормативных значений на коэффициент надежности по снеговой нагрузке (gf=1,4). Все здания и сооружения в той или иной мере подвергаются ветровой нагрузке. Ветровая нагрузка на здания по действующим нормам определяется как сумма средней и пульсационной составляющих. Основное внимание при проектировании уделяется средней составляющей ветровой нагрузки. Средняя составляющая ветровой нагрузки (wm) зависит от: нормативного значения ветрового давления (wо); коэффициента, учитывающего изменения ветрового давления по высоте (k) и аэродинамических коэффициентов (с). Нормативное значение ветрового давления (wо) устанавливается в зависимости от географического района строительства на основе статистического анализа климатологических данных по скорости ветра. Скорость ветра определяется на уровне 10 метров над открытой поверхностью земли (тип А), соответствующей 10-минутному интервалу осреднения и превышаемой в среднем один раз в 50 лет. Нормативное значение ветрового давления принимается по карте районирования в зависимости от района строительства. Коэффициенты к и с назначаются по соответствующим таблицам норм. Расчетные значения ветровых нагрузок определяются путем умножения нормативных значений на коэффициент надежности по ветровой нагрузке (gf=1,4). На карте 1 [1] выделены районы, названные «горными и малоизученными». В п.10.2 свода правил отмечается, что в этих районах и иных случаях вес снегового покрова допускается определять в установленном порядке на основе данных ближайших метеостанций Росгидромета. При этом значение Sg следует принимать как превышаемый в среднем один раз в 25 лет ежегодный максимум веса снегового покрова, определяемый на основе данных маршрутных снегосъемок о запасах воды на защищенных от прямого воздействия ветра участках за период не менее 20 лет. В п.4.4 [1] «Общих требований» указывается: «Расчетные значения климатических нагрузок и воздействий (снеговые…, воздействие ветра…) допускается назначать в установленном порядке на основе анализа соответствующих климатических данных для места строительства». Отметим, многолетние исследования сотрудников кафедры Строительных конструкций и проектирования Инженерно-технического факультета Северо-Восточного Федерального университета (СКиП ИТФ СВФУ) позволили разработать территориальные строительные нормы и правила Республики Саха (Якутия) ТСН 20-301-97 «Нагрузки и воздействия. Снеговые нагрузки», 1998. Территориальные строительные нормы утверждены в соответствии с действующей на то время в Российской Федерации системой нормативных документов в строительстве, зарегистрированы Управлением главтехнормирования Госстроя РФ. Данные нормы распространяются на проектирование строительных конструкций зданий и сооружений и устанавливают основные правила определения снеговых нагрузок на территории Республики Саха (Якутия). Практика применения ТСН на территории республики показала их научную, техническую и экономическую целесообразность. Положения территориальных строительных норм разработаны на основе результатов длительных исследований снеговых нагрузок на покрытиях зданий и сооружений в различных регионах Якутии, проведенных Якутским государственным университетом совместно с ЦНИИСК им. Кучеренко. Разработанная методика в части непосредственного назначения расчетных значений веса снегового покрова на поверхности земли была в дальнейшем применена в общероссийских нормах СНиП 2.01.07-85*«Нагрузки и воздействия». В территориальных строительных нормах карта районирования по весу снегового покрова на поверхности земли не приводится ввиду значительной неточности зонирования для такой обширной и сложной по географическому расположению территории при недостаточном количестве метеостанций. Неточность карт районирования также заключается в градации интервальных параметров при назначении снеговых районов. В территориальных нормах для 225 населенных пунктов Якутии, в табличном виде, даны нормативные и расчетные значения веса снегового покрова на земле. За нормативные значения веса снегового покрова на земле приняты значения годовых максимумов с повторяемостью 1 раз в 2 года. В СП 20.13330.2011 нормативные значения определяются путем деления расчетных значений на коэффициент равным 0.7, что приводит к определенной неточности. Расчетные значения веса снегового покрова на поверхности земли определены непосредственно по статистическим моделям годовых максимумов с определенной обеспеченностью. В результате анализа различных законов распределения для описания данных годовых максимумов метеостанций установлена наилучшая сходимость у первого предельного распределения Гумбеля с поправками на длину ряда. Обеспеченность при определении расчетных значении веса снегового покрова на поверхности земли принять равной 0.96, или вероятность появления расчетных значений 1 раз в 25 лет. При проектировании особо ответственных зданий и сооружений возможно применение расчетных значении веса снегового покрова на поверхности земли с обеспеченностью 0.98, 0.99 или вероятностью появления расчетных значений 1 раз в 50, 100 лет, которые дополнительно вычислены сотрудниками кафедру СКиП ИТФ СВФУ. Для удобства работы проектировщиков все пункты приведены в таблице в алфавитном порядке. В случае отсутствия в таблице данных для рассматриваемого населенного пункта нормативные и расчетные значения веса снегового покрова земли принимаются равными данным близлежащего пункта при соответствии климатических условий местности. Основные схемы распределения снеговых нагрузок на покрытиях зданий в территориальных строительных нормах приняты в соответствии с общероссийскими нормами. Однако имеется ряд уточнений. Основным уточнением является повышенный снос снега с покрытий в условиях низких температур, при помощи коэффициентов в зависимости от скорости ветра и температуры окружающей среды, для пологих покрытий однопролетных и многопролетных зданий без фонарей. Для определенных местностей возможно снижение снеговой нагрузки до 20%. Это объясняется тем, что в условиях Якутии структура снега имеет весьма простое строение, поэтому перенос и снос снега с покрытий происходит при незначительных ветрах. При определении снеговой нагрузки в местах перепадов высот в территориальных нормах дополнительно учитываются климатические особенности района строительства (скорость ветра, температура воздуха), а также различия высоты и ширины нижнего и верхнего покрытий. В данной схеме длина зоны повышенных снегоотложений определяется с учетом расчетных значений веса снегового покрова на поверхности земли, увеличено предельное значение длины повышенного снегонакопления. На покрытиях с парапетами, в территориальных нормах длина повышенного снегонакопления у парапетов увеличена в 3 раза по сравнению со СП [1]. При определении коэффициентов перехода от веса снегового покрова земли к нагрузке на покрытии (m) учитываются расчетные значения веса снегового покрова на поверхности земли. Применение единых значений коэффициентов надежности для определенных нагрузок, при переходе от нормативных к их расчетным значениям, не позволяет учитывать разброс переменных значений коэффициентов вариаций, что в итоге, приводит к неравной надежности проектируемых сооружений. При высокой изменчивости случайных величин расчетные значения нагрузок, определяемые по [1], имеют высокую повторяемость, т.е. заниженные значения. Данное несовершенство действующих норм относится ко всем нагрузкам, за исключением снеговой. В пособии приводятся примеры определения снеговых нагрузок для районов Якутии по ТСН 20-301-97, в том числе для малоизученных районов республики. В настоящее время для назначения нормативных и расчетных значений ветрового давления на территории РС(Я) применены методы теории вероятности. Сотрудниками кафедры СКиП ИТФ СВФУ рассчитаны значения ветровых давлений по наиболее согласующим законам распределения с повторяемостью 1 раз в 5, 25, 50 и 100 лет. Расчетные значения ветрового давления можно назначать непосредственно от срока службы здания. Материалы статистического исследования показали, что свыше 60 % территории Якутии не соответствуют по уровню ветрового давления карте районирования действующих норм. В настоящей работе в приложении 3 приведены карты районирования по скорости и давления ветра на территории РС(Я), полученные на основе статистических расчетов. |