Свод правил СП 494.1325800.2020 Конструкции покрытий пространственные металлические. Правила проектирования.
СП 494.1325800.2020
СВОД ПРАВИЛ
КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
Правила проектирования
Metal spatial structures of roofs. Design requirements
ОКС 91.080.10
Дата введения 2021-06-30
Предисловие
Сведения о своде правил
1 ИСПОЛНИТЕЛЬ - АО "НИЦ "Строительство" - ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 "Строительство"
3 ПОДГОТОВЛЕН к утверждению Департаментом градостроительной деятельности и архитектуры Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации (Минстрой России)
4 УТВЕРЖДЕН Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 29 декабря 2020 г. N 892/пр и введен в действие с 30 июня 2021 г.
5 ЗАРЕГИСТРИРОВАН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт)
6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего свода правил соответствующее уведомление будет опубликовано в установленном порядке. Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте разработчика (Минстрой России) в сети Интернет
Введение
Настоящий свод правил разработан с учетом положений федеральных законов от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", от 30 декабря 2009 г. N 384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений" и содержит требования к расчету и проектированию металлических пространственных конструкций покрытий.
Свод правил разработан авторским коллективом АО "НИЦ "Строительство" - ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко (руководитель темы - д-р техн. наук П.Г.Еремеев, д-р техн. наук И.И.Ведяков, канд. техн. наук Д.Б.Киселев).
1 Область применения
1.1 Настоящий свод правил распространяется на проектирование стержневых, вантовых (висячих), тонколистовых, комбинированных металлических пространственных конструкций покрытий зданий и сооружений промышленного, гражданского и сельскохозяйственного строительства.
1.2 Требования настоящего свода правил не распространяются на проектирование транспортных сооружений (мосты, путепроводы, эстакады, виадуки, подвесные переходы трубопроводов и т.п.).
2 Нормативные ссылки
В настоящем своде правил использованы нормативные ссылки на следующие документы:
ГОСТ 977-88 Отливки стальные. Общие технические условия
ГОСТ 1050-2013 Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия
ГОСТ 2246-70 Проволока стальная сварочная. Технические условия
ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики
ГОСТ 3090-73 Канаты стальные. Канат закрытый несущий с одним слоем зетобразной проволоки и сердечником типа ТК. Сортамент
ГОСТ 3241-91 Канаты стальные. Технические условия
ГОСТ 4543-2016 Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия
ГОСТ 4784-2019 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки
ГОСТ 5582-75 Прокат тонколистовой коррозионно-стойкий, жаростойкий и жаропрочный. Технические условия
ГОСТ 7062-90 Поковки из углеродистой и легированной стали изготавливаемые ковкой на прессах. Припуски и допуски
ГОСТ 7675-73 Канаты стальные. Канат закрытый несущий с одним слоем клиновидной и одним слоем зетобразной проволоки и сердечником типа ТК. Сортамент
ГОСТ 7676-73 Канаты стальные. Канат закрытый несущий с двумя слоями клиновидной и одним слоем зетобразной проволоки и сердечником типа ТК. Сортамент
ГОСТ 8479-70 Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали. Общие технические условия
ГОСТ 13726-97 Ленты из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия
ГОСТ 18899-73 Канаты стальные. Канаты закрытые несущие. Технические условия
ГОСТ 18901-73 Канаты стальные. Канат закрытый несущий с двумя слоями зетобразной проволоки и сердечником типа ТК. Сортамент
ГОСТ 19281-2014 Прокат повышенной прочности. Общие технические условия
ГОСТ 19903-2015 Прокат листовой горячекатаный. Сортамент
ГОСТ 21631-2019 Листы из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия
ГОСТ 23118-2019 Конструкции стальные строительные. Общие технические условия
ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения
ГОСТ 27772-2015 Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия
ГОСТ 32484.1-2013 (EN 14399-1:2005) Болтокомплекты высокопрочные для предварительного натяжения конструкционные. Общие требования
ГОСТ Р 53628-2009 Опорные части металлические катковые для мостостроения. Технические условия
ГОСТ Р 55374-2012 Прокат из стали конструкционной легированной для мостостроения. Общие технические условия
ГОСТ Р 58033-2017 Здания и сооружения. Словарь. Часть 1. Общие термины
ГОСТ Р 58064-2018 Трубы стальные сварные. Для строительных конструкций. Технические условия
СП 14.13330.2018 "СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах" (с изменением N 1)
СП 16.13330.2017 "СНиП II-23-81* Стальные конструкции" (с изменениями N 1, N 2)
СП 20.13330.2016 "СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия" (с изменениями N 1, N 2)
СП 28.13330.2017 "СНиП 2.03.11-85 Защита строительных конструкций от коррозии" (с изменениями N 1, N 2)
СП 35.13330.2011 "СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы" (с изменениями N 1, N 2)
СП 128.13330.2016 "СНиП 2.03.06-85 Алюминиевые конструкции"
СП 294.1325800.2017 Конструкции стальные. Правила проектирования (с изменением N 1)
СП 296.1325800.2017 Здания и сооружения. Особые воздействия (с изменением N 1)
Примечание - При пользовании настоящим сводом правил целесообразно проверить действие ссылочных документов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте федерального органа исполнительной власти в сфере стандартизации в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный документ, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого документа с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого документа с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего свода правил в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку. Сведения о действии сводов правил целесообразно проверить в Федеральном информационном фонде стандартов.
3 Термины и определения
В настоящем своде правил применены термины по ГОСТ 27751, ГОСТ Р 58033, СП 16.13330, а также следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 болт-шарнир: Крепежная деталь в виде цилиндрического стержня, предназначенная для обеспечения свободного вращения узла.
3.2 большепролетное металлическое покрытие: Покрытие пролетом свыше 36 м.
3.3 пространственная стержневая конструкция: Система из коротких прямых металлических стержней, объединенных в узлах, для плоских и криволинейных покрытий, в которых возникают в основном усилия сжатия и растяжения.
3.4 структурная плита: Плоская пространственная стержневая конструкция, состоящая из многократно повторяющихся пирамидальных элементов.
3.5 "Тенсегрити"-система: Совокупность взаимосвязанных элементов, работающих только на растяжение или сжатие, устойчивость и жесткость которой обеспечивается предварительным напряжением и самоуравновешиванием этих элементов.
3.6 трос-подбор: Гибкие растянутые элементы опорных конструкций вантовых систем.
4 Основные положения
4.1 Металлические пространственные системы различаются:
- по принципу работы:
а) жесткие системы (структуры, своды, купола, оболочки);
б) гибкие системы (тросовые, тонколистовые);
- по типу конструкции:
а) плоские системы регулярной структуры;
б) своды-оболочки;
в) стержневые оболочки;
г) купола;
д) вантовые конструкции;
е) мембранные (тонколистовые) конструкции;
ж) комбинированные системы;
- по конфигурации плана:
от простейших геометрических фигур (квадрат, прямоугольник, треугольник, круг, овал и т.д.) до более сложного комбинированного очертания;
- по форме поверхности:
а) плоские покрытия;
б) нулевой гауссовой кривизны (цилиндрическая);
в) положительной гауссовой кривизны (сферическая, в виде эллиптического параболоида);
г) отрицательной гауссовой кривизны (седловидная, шатровая);
д) составные, в виде комбинации оболочек с одинаковой или различной формой поверхности.
4.2 При проектировании следует учитывать, что форма поверхности и очертание плана покрытия должны быть взаимоувязаны и выбор их тщательно проанализирован.
4.3 Применение металлических пространственных конструкций в средах с агрессивным воздействием допускается при выполнении требований, установленных в СП 28.13330.
4.4 Выбор конструктивных решений пространственных конструкций покрытий зданий и сооружений следует проводить, исходя из технико-экономической целесообразности их применения в конкретных условиях строительства с учетом архитектурных, технологических и производственных требований, максимального снижения их материало-, трудо-, энергоемкости и стоимости.
4.5 Благодаря малому весу, относительно небольшому количеству элементов, технологичности монтажа пространственные металлические конструкции следует, в том числе, применять при строительстве в труднодоступных и северных районах, а также в районах с повышенной сейсмичностью.
5 Требования к материалам и изделиям
5.1 Основные положения
5.1.1 Несущие конструкции, включая узлы соединений и элементы крепления, следует выполнять из материалов, обладающих необходимыми эксплуатационными и технологическими свойствами для обеспечения их долговечности согласно расчетному сроку службы сооружения или межремонтному сроку его эксплуатации, а также удовлетворяющих противопожарным требованиям.
5.1.2 Стали следует выбирать в зависимости от уровня ответственности конструкций, условий эксплуатации, расчетных температур, воздействия динамических или вибрационных нагрузок, технологии изготовления и монтажа конструкций.
5.1.3 Материалы для несущих конструкций из прокатного металла следует принимать в соответствии с требованиями СП 16.13330. Допускается использовать стали по СП 35.13330. Расчетные сопротивления проката, физические характеристики материалов, применяемых для стальных конструкций, следует принимать согласно СП 16.13330.2017 (приложение Г).
5.1.4 Для сварных соединений следует применять материалы, соответствующие свариваемым сталям и обеспечивающие необходимые свойства сварных швов при должной технологии их выполнения. Материалы для сварных соединений следует применять в соответствии с СП 16.13330, качество сварных швов должно соответствовать требованиям ГОСТ 23118.
5.1.5 Материалы и требования для болтовых соединений, в том числе высокопрочных, следует принимать в соответствии с СП 16.13330 или применять метизы комплектной поставки с термодиффузионными и ламельными защитными покрытиями в дополнение к горячему цинковому покрытию по ГОСТ 32484.1.
5.1.6 Требования к материалам шарниров, болтов-шарниров, катков и валков приведены в 5.4.
5.2 Материалы для несущих конструкций и соединений
5.2.1 Стальной прокат и трубы, применяемые для изготовления стальных конструкций пространственных покрытий, должны удовлетворять требованиям СП 16.13330.2017 (приложение В) для стальных конструкций группы 1, ГОСТ 23118. Требования к приемке и подготовке металлопроката приведены в [1].
5.2.2 Для изготовления конструкций следует применять стальной прокат по ГОСТ 27772 и сварные трубы по ГОСТ Р 58064.
5.3 Дополнительные требования к материалам для металлических тонколистовых (мембранных) конструкций
5.3.1 Тонколистовые металлические конструкции покрытия следует выполнять из углеродистой, низколегированной или нержавеющей стали, из алюминиевых сплавов.
5.3.2 Для стальных мембран рекомендуется использовать:
- сталь С255 по ГОСТ 27772, поставляемую в листах или рулонах по ГОСТ 19903;
- низколегированную сталь марки С355 категории 6 по ГОСТ 27772, поставляемую в листах или рулонах по ГОСТ 19903;
- низколегированную атмосферостойкую сталь С345К и С355К по ГОСТ 27772.
Допускается применять атмосферостойкую сталь марки 14ХГНДЦ категории поставки 3 по ГОСТ Р 55374.
При высокой степени агрессивного воздействия среды рекомендуется применять нержавеющие стали марки 08X18Т1 толщиной до 2 мм и марки 12Х18Н10Т толщиной до 4 мм, поставляемые в листах и рулонах по ГОСТ 5582.
5.3.3 Для алюминиевых тонколистовых конструкций по СП 128.13330 следует применять алюминиевые сплавы системы Al-Mg по ГОСТ 4784, поставляемые толщиной от 1 до 3 мм в рулонах по ГОСТ 13726.
5.4 Основные требования к материалам для отливок и поковок
5.4.1 Материалы для отливок (опорные части, шарниры, сложные узлы и специальные детали) следует принимать по ГОСТ 977 из легированной конструкционной стали. В соответствии с требованиями СП 16.13330 для отливок следует применять сталь марок 15Л, 25Л, 35Л и 45Л, удовлетворяющую требованиям ГОСТ 977 для групп II или III.
5.4.3 В соответствии с требованиями СП 35.13330 для осевых элементов (болтов-шарниров) следует применять поковки группы IV по ГОСТ 8479 следующих категорий прочности и марок сталей:
- КП315 сталь марки 40Х по ГОСТ 4543 в нормализованном состоянии;
- КП345 сталь марки 40Х по ГОСТ 4543, закалка плюс отпуск;
- КП590, КП640, КП785 сталь марки 40ХН2МА по ГОСТ 4543, закалка плюс отпуск.
5.5 Стальные канаты и анкерные устройства
5.5.1 Стальные канаты различаются по конструкции, форме поперечного сечения, физико-механическим характеристикам проволок. Технические характеристики стальных канатов приведены в приложении А.
5.5.2 Для несущих элементов висячих и вантовых систем следует применять канаты по ГОСТ 3241 следующих типов:
- однопрядные спиральные канаты, состоящие из круглой проволоки по ГОСТ 3064;
- закрытые спиральные канаты, состоящие из одного (полузакрытый) по ГОСТ 18899, или более внешних слоев фасонной проволоки и внутренних слоев круглой проволоки, по ГОСТ 3090; ГОСТ 7675, ГОСТ 7676, ГОСТ 18901;
- пучки, формируемые из параллельных проволок или прядей, скрепленных между собой с определенным шагом.
5.5.3 Тип и параметры каната следует выбирать в зависимости от особенностей эксплуатации сооружения, конструктивных решений и значений расчетных усилий, наличия узлов сопряжений, требований по коррозионной стойкости, технологии монтажа.
5.5.4 По условиям защиты от коррозии не следует применять канаты с проволокой диаметром менее 2,4 мм. Это ограничение не относится к проволокам заполнения и сердечника.
5.5.5 Сокращенные технические данные по модулю упругости стальных канатов приведены в приложении А. Для достижения максимального модуля упругости спиральных канатов, следует использовать канаты с большим шагом свивки и малым числом проволок.
5.5.6 Канаты должны быть многократно предварительно вытянуты на натяжных стендах, пока кривые нагрузка/удлинение для двух последовательных циклов нагружения не совпадут. Значение предварительного усилия вытяжки следует принимать равным 1,2 максимальных расчетных усилий или половине разрывного усилия каната в целом. При многократной предварительной вытяжке канатов следует одновременно определять модули упругости в диапазоне усилий, соответствующих постоянной и полной нагрузке на конструкцию для учета этих значений в расчетах.
5.5.8 Канаты должны поставляться с антикоррозионной защитой. Выбор типа и толщины антикоррозионного покрытия следует производить в зависимости от степени агрессивного воздействия окружающей среды.
5.5.9 В строительных конструкциях следует применять канаты полной заводской готовности комплектной поставки, которая предусматривает вытяжку каната троса, его разметку и разрезку, постановку концевых стальных анкеров. На канат следует наносить продольную ось - для исключения кручения каната при навеске и поперечную маркировку, обеспечивающую проектное положение сжимов.
5.5.10 Диаметр канатов и их количество следует определять исходя из требуемой несущей способности, с учетом ограничений по габаритам элементов, в которых анкеруются канаты.
5.5.11 Концы канатов следует оснащать анкерными устройствами, равнопрочными разрывному усилию каната, обеспечивая надежную заделку канатов на этапах монтажа и эксплуатации сооружения.
5.5.12 Тип анкерного устройства следует принимать в зависимости от типа и диаметра каната; конструкции, с которой они должны соединяться; с учетом исключения усталостных явлений. На одном из концов каната следует предусмотреть анкерное устройство с возможностью регулировки длины каната при монтаже. При необходимости эти устройства используют для предварительного натяжения канатов.
5.5.13 Для изготовления деталей анкеров стальных канатов следует использовать сталь по ГОСТ 19281 или ГОСТ 1050 в нормализованном состоянии. Анкеры следует оцинковывать горячим способом минимальной толщиной 150 мкм.
5.5.14 Для передачи усилий с подвесок на основные канаты следует применять сжимы и прижимные накладки из литой стали. Прижимные накладки следует крепить к сжиму болтами с контролируемым натяжением. Сжимы и прижимные накладки должны быть оцинкованы горячим способом толщиной до 150 мкм. В желобах толщину слоя цинка следует увеличивать напылением до 1 мм.
5.5.15 У торцов муфт, анкеров, сжимов (в месте выхода каната) следует выполнять скругления, а продольный желоб в сжимах и прижимных накладках выполнять криволинейным. Радиус желоба должен быть в 30 раз больше диаметра каната. Если канат расположен по оси симметрии сжима, имеет мягкий металлический сердечник или цинковое покрытие толщиной не менее 1 мм, допускается уменьшение радиуса желоба до величины в 20 раз больше диаметра каната. Перегибы канатов из пучков параллельных проволок не допускаются.
5.5.16 Между канатом и деталями анкеров, отклоняющих устройств, сжимов, хомутов подвесок и других элементов следует использовать прокладки из алюминия марок АД и АД1 по ГОСТ 4784, в виде листов по ГОСТ 21631 или лент по ГОСТ 13726 толщиной не менее 1 мм. Для исключения электрохимической коррозии, контактирующие с алюминием стальные канаты и стальные детали указанных выше устройств защищают покрытиями из цинка или кадмия толщиной не менее 20 мкм.
6 Основные требования к расчетам
6.1 Общие положения
6.1.1 Надежность, прочность и устойчивость металлических пространственных конструкций должны быть обеспечены соответствием ГОСТ 27751, СП 16.13330, СП 20.13330, СП 35.13330 с учетом выполнения требований к расчетам и конструированию.
6.1.3 Расчеты металлических пространственных конструкций следует проводить по предельным состояниям первой (по полной непригодности к эксплуатации вследствие потери несущей способности) и второй (по непригодности к нормальной эксплуатации вследствие появления недопустимых деформаций) групп. Прогибы пространственных конструкций не должны превышать предельно допустимых значений, приведенных в СП 20.13330.
6.1.4 Расчеты металлических пространственных конструкций по предельным состояниям следует проводить для всех воздействий на конструкции или их элементы на стадии изготовления, транспортирования, возведения и эксплуатации. При определении расчетных величин напряжений и перемещений конструкций с учетом сочетаний нагрузок и воздействий следует руководствоваться СП 20.13330.2016 (раздел 6).
Предельные усилия, воспринимаемые элементами, следует определять с учетом начальных несовершенств (искривления и местные погиби).
6.1.5 Конструкции с предварительным напряжением следует проверять расчетом по прочности и устойчивости на всех этапах выполнения этих работ. Коэффициенты условий работы, коэффициенты надежности по нагрузке, потери напряжений от релаксации, трения и податливости анкеров напрягаемых элементов следует принимать в соответствии с требованиями СП 35.13330.
6.1.6 Расчеты следует производить численными методами с применением программных комплексов, допущенных к применению при расчетах в порядке, установленном действующим законодательством Российской Федерации, с учетом геометрической, а при необходимости - физической нелинейности работы конструкции.
6.1.7 После окончания строительства особо сложных уникальных объектов с пространственными покрытиями следует проводить дополнительные поверочные расчеты. Расчетная модель должна быть максимально приближена к реальной с учетом результатов мониторинга на стадии монтажа после раскружаливания конструкции покрытия в части соответствия проектным решениям (геометрия, сечения, материалы и т.п.).
6.2 Нагрузки и воздействия
6.2.1 Пространственные конструкции должны воспринимать любые виды нагрузок. К ним могут добавляться монтажные нагрузки, вызывающие дополнительные усилия, суммирующиеся с эксплуатационными нагрузками.
6.2.2 Величины нагрузок от собственного веса несущих конструкций следует определять автоматически в программном комплексе по фактически принятым в расчетах сечениям элементов с учетом коэффициента, зависящего от веса узлов их сопряжений, который следует принимать равным 1,05-1,15 в зависимости от конструкции узла. Величины нагрузок от собственного веса ограждающих конструкции следует принимать в соответствии с проектными решениями.
6.2.3 Величины технологических нагрузок на покрытие следует принимать в соответствии с заданием на проектирование. В первом приближении нормативные величины этих нагрузок следует принимать в пределах от 0,3 до 0,6 кПа. Задание на нагрузки от оборудования должно включать их величины с учетом возможного увеличения в процессе длительной эксплуатации, реконструкции или модернизации сооружения.
6.2.4 При расчетах узлов следует учитывать возможность приложения в любой узловой точке конструкции покрытия на стадии монтажа сосредоточенных сил величиной не менее 5 кН.
6.2.5 Климатические нагрузки и воздействия следует принимать по СП 20.13330. Для пространственных большепролетных покрытий с нестандартной формой поверхности обязательна разработка рекомендаций по определению снеговых и ветровых нагрузок на основании продувок модели сооружения в специализированной аэродинамической трубе.
6.2.6 При проектировании следует учитывать:
- возможность образования зон повышенных снегоотложений на поверхности пространственных покрытий, нагрузка от которых может в несколько раз превышать нормативное значение веса снегового покрова по СП 20.13330;
- эффект сползания скользящего по гладким поверхностям снега во впадины оболочки или обрушивающегося с покрытия;
- неравномерные снеговые нагрузки, которые могут вызывать большие локальные, в том числе кинематические, деформации покрытия, приводить к потере его устойчивости или к расстройству кровли.
6.2.8 При определении аэродинамических коэффициентов для сооружений с нестандартной формой поверхности покрытия, ветровые нагрузки следует определять в соответствии с 6.2.5 на основании продувок модели сооружения в аэродинамической трубе.
6.2.9 Температурные воздействия следует учитывать в соответствии с СП 20.13330.
6.2.10 Требования к учету сейсмической нагрузки в расчетах на особые сочетания нагрузок для сейсмоопасных районов приведены в СП 14.13330, [2].
6.2.11 В расчетах необходимо учитывать следующие нагрузки и воздействия:
- обусловленные деформациями основания;
- обусловленные последовательностью монтажа, в том числе с предварительным напряжением;
- аварийные в соответствии с СП 296.1325800.
6.3 Особенности проведения расчетов
6.3.1 При выборе архитектурно-конструктивных решений размеры основных элементов следует принимать исходя из существующего опыта с проверкой инженерными методами для определения в первом приближении сечений, необходимых для выполнения расчетов на следующих этапах проектирования с применением численных методов.
6.3.2 При проектировании следует выполнять многовариантные расчеты численными методами различных конструктивных схем для нахождения оптимальной системы, обеспечивая максимальную экономичность и эксплуатационную надежность сооружения.
6.3.3 Для сооружений класса КС-3 следует выполнять независимые поверочные расчеты с применением иного, чем в основных расчетах, программного комплекса. По расчетам следует осуществлять сопоставительный анализ, при этом разница между результатами не должна превышать 10%.
6.3.4 Расчетную схему сооружения с пространственным покрытием необходимо принимать в виде конечно-элементной модели, как единую пространственную систему, в ряде случаев с учетом геометрической и физической нелинейности, согласно 6.3.7 и 6.3.8 соответственно. Расчетная схема должна включать основание, фундаменты, каркас сооружения, пространственное покрытие. Расчетную схему конструкции следует принимать в соответствии с ее проектной геометрией, с учетом продольных, изгибных и крутильных жесткостей элементов; их проектных связей, узловых эксцентриситетов, граничных условий, строительного подъема и перемещений при раскружаливании и т.п.
6.3.5 Расчетные модели следует назначать в соответствии со схемой деформирования или возможного разрушения сооружения, иметь надежное теоретическое обоснование, подтвержденное практикой строительства, в противном случае требуется экспериментальное доказательство их пригодности. Для сооружений класса КС3 необходимо использовать нескольких расчетных схем, дополняющих друг друга.
6.3.6 Проверку прочности, пространственной неизменяемости, общей и местной устойчивости конструкции, отдельных элементов, их частей, деталей и соединений следует выполнять на возможные неблагоприятные сочетания статических и динамических нагрузок и воздействий.
6.3.7 Расчеты необходимо выполнять в геометрически нелинейной постановке, если ее учет вызывает изменение усилий или перемещений в элементах пространственной конструкции более чем на 10% и для численной проверки устойчивости пространственных систем.
6.3.8 Расчеты наиболее сложных узлов металлических конструкций следует выполнять МКЭ (метод конечных элементов) в физически нелинейной постановке с учетом СП 294.1325800.2017 (подраздел 4.4). Моделирование элементов узловых фасонок и примыкающих стержней следует выполнять пластинчатыми или объемными конечными элементами, с учетом нелинейной диаграммы материала для определения зоны пластических деформаций и относительных удлинений на этих участках. Оценку несущей способности соединения следует выполнять по одному из двух (более строгому) варианту:
6.3.9 В системах с элементами, работающими только на растяжение, или с односторонними связями необходимо учитывать конструктивную нелинейность.
6.3.10 При монтаже или раскружаливании конструкций покрытия на временных опорах, следует учитывать нелинейность, определяемую поэтапным изменением расчетной схемы. При этом расчеты должны выполняться с запоминанием и накоплением величин перемещений и усилий, полученных на каждой стадии монтажа или раскружаливания конструкций.
6.3.11 В расчетах следует учитывать динамическую реакцию пространственных конструкций на воздействия ветра, с учетом статических, квазистатических и резонансных вкладов. Для определения собственных частот элементов покрытия и коэффициента динамичности пульсационной составляющей ветровой нагрузки динамические расчеты следует выполнять с повышенными и пониженными величинами постоянных и временных нагрузок.
6.3.13 Вантовые и висячие конструкции следует проверять расчетом на аэродинамическую устойчивость и на резонанс колебаний элементов в направлении, перпендикулярном ветровому потоку. В случае необходимости - проводить расчет на выносливость для исключения усталостных разрушений элементов. Для предотвращения резонансного вихревого возбуждения или аэродинамической неустойчивости следует использовать конструктивные мероприятия.
6.3.14 Конструкции сооружений с пространственными металлическими покрытиями, проектируемыми для строительства в сейсмических районах, должны удовлетворять расчетам на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмических воздействий в соответствии с СП 14.13330.
7 Стержневые пространственные системы
7.1 Основные положения
7.1.1 Пространственные стержневые конструкции из коротких прямых металлических стержней, объединенных в узлах, применяют для плоских и криволинейных покрытий сооружений, как уникальных, так и в массовом строительстве.
7.1.2 Пространственные стержневые конструкции подразделяют на три основные группы: стержневые плиты (перекрестные системы и структуры), цилиндрические оболочки нулевой кривизны и оболочки двойной кривизны, в том числе купола.
7.1.3 При разработке архитектурно-конструктивных решений пространственных стержневых систем следует учитывать:
- выбор общей формы покрытия и типа пространственной системы, соответствующей этой форме, учет пролета конструкции;
- геометрию покрытия, в том числе количество слоев, форму и размеры регулярной ячейки, высоту конструкции (для двухслойных систем); кривизну поверхности, отношение подъема/провиса конструкции к пролету;
- расположение опор, тип ограждающей конструкции;
- технологию монтажа.
7.1.4 Оси стержней пространственных систем следует центрировать во всех узлах, а при наличии эксцентриситетов в узлах следует учитывать изгибающие моменты в примыкающих к узлу стержнях.
7.2 Перекрестные системы покрытий
7.2.1 Перекрестные системы покрытий состоят из линейных элементов (балок или ферм), пересекающихся в плане, соединенных между собой в местах пересечения и работающих совместно.
Различают перекрестные системы ортогональные, диагональные и треугольные (рисунок 7.1).
|
 |
а, б, д - с квадратными ячейками; в, г - с треугольными ячейками
Рисунок 7.1 - Перекрестные системы покрытий
7.2.2 Для покрытий на вытянутом прямоугольном плане следует применять перекрестные системы при диагональном расположении несущих элементов, под углом к сторонам контура. Перекрестные системы следует использовать в покрытиях, имеющих в плане форму квадрата, равнобедренного треугольника, круга или многоугольника.
7.2.3 Такие конструкции следует применять для пролетов от 18 до 60 м. Высоту плиты перекрестной системы следует назначать в интервале от 1/30 до 1/15 пролета, в зависимости от очертания в плане, условий опирания, требований по жесткости покрытия. Размер ячейки поясных сеток следует принимать от 1/15 до 1/7 пролета с учетом типа кровельного настила, для исключения применения прогонов.
7.2.4 Перекрестные системы для перекрытия большепролетных сооружений следует:
- опирать на колонны, расположенные по периметру, шагом от 6 до 12 м, без устройства контурных ферм;
- предусматривать разгружающие консольные свесы, вылет которых не должен превышать 0,25 размера основного пролета (рисунок 7.2, а) или в пять раз высоту плиты;
- устанавливать дополнительные опоры внутри плана покрытия, образуя многопролетную неразрезную систему, применяя колонны с развитыми капителями или пространственные опоры.
|
|
 |  |
а - большепролетные здания с консольными свесами; | б - многопролетные здания с сеткой колонн 18 18 или 24 24 м, с опиранием на колонны по углам каждого модуля |
Рисунок 7.2 - Варианты опирания перекрестных систем покрытия
7.2.6 Фермы в перекрестных одно- или двускатных покрытиях следует выполнять с параллельными поясами, решетку - треугольной, в ряде случаев со стойками.
Верхние пояса ферм следует выполнять из прокатных двутавров; нижние пояса - из прокатных двутавров, парных уголков или швеллеров; раскосную решетку - из парных уголков. Все элементы допускается выполнять из круглых или прямоугольных гнуто-сварных профилей. В балочных перекрестных покрытиях элементы следует принимать из двутавров прокатных или сварных.
7.2.7 Пояса перекрестных ферм следует располагать в одной плоскости, принимая длину ферм одинаковой в обоих направлениях, равной размеру ячеек.
Пояса ферм одного направления необходимо располагать над поясами ферм другого направления, при этом длину фермы одного направления принимают на весь пролет, а в ортогональном направлении - по размеру ячеек.
7.2.8 Варианты узлов сопряжения поясов ферм (рисунок 7.3):
- в монтажных узлах на рисунках 7.3, а, б, в, сходятся отправочные марки ферм длиной, равной размеру ячейки. В качестве основного соединительного элемента используют гнутый фланец при наличии или отсутствии диафрагмы жесткости (рисунок 7.3, а, б) или уголковые коротыши (рисунок 7.3, в) с накладками;
- в монтажных узлах на рисунке 7.3, г, прерываются фермы только одного направления, с поэтажным расположением пересекающихся поясных элементов.
Во всех вариантах следует применять болты класса точности В. Узлы пересечения перекрестных балок следует проектировать аналогично конструкциям балочных клеток.
|
 |
а - на гнутых фланцах с диафрагмами жесткости; б - на гнутых фланцах без элементов жесткости; в - на фасонках из уголков с листовыми накладками; г - с поэтажным расположением пересекающихся поясов
Рисунок 7.3 - Схемы узлов пересечения стальных перекрестных ферм
7.2.9 Жесткость и неизменяемость перекрестной системы покрытия следует обеспечивать системой перекрещивающихся элементов и связей, а также за счет крепления к верхним поясам покрытия прогонов или профилированного настила.
7.2.10 Расчет перекрестных систем следует выполнять МКЭ как упругой стержневой системы. В узлах соединения следует принимать шарнирными и недеформируемыми.
7.2.11 Для приближенного расчета распределенную нагрузку на перекрестные балки и фермы следует принимать равной 60% от нагрузки на линейные элементы. Податливость узловых соединений на болтах следует учитывать увеличением расчетного прогиба: при узлах на отогнутых фланцах - на 10%; на уголковых коротышах с накладками - на 15%.
7.3 Двухслойные стержневые (структурные) плиты
7.3.1 Структурные плиты состоят из двух плоских, параллельных друг другу поясных сеток, разнесенных по высоте, между которыми располагают стойки и раскосы. Конструкция включает повторяющиеся стержневые пирамиды с квадратным или треугольным основанием (рисунок 7.4).
|
 |
а - общий вид; б, в - повторяющаяся ячейка с квадратным или треугольным основанием
Рисунок 7.4 - Структурная плита
Наиболее характерные структурные стержневые системы (схемы стержневых структурных плит) показаны на рисунке 7.5.
|
|
 |  |
а - поясная сетка с ортогональными ячейками;
| б - поясная сетка с ортогональными ячейками;
|
 |  |
в - поясная сетка с треугольными ячейками; | г - сетка с поясами, сдвинутыми на половину ячейки; |
 |
|
д - смешанная сетка, в которой одна состоит из шестиугольников, а другая - из треугольников. |
|
Условные обозначения: верхние пояса - жирная сплошная линия; нижние пояса - тонкая сплошная линия; элементы решетки - пунктирная линия; верхние узлы - полые кружки; нижние - сплошные кружки
Рисунок 7.5 - Схемы стержневых структурных плит
7.3.2 Конструктивная схема структурной плиты определяется формой регулярной ячейки; способом опирания на нижележащие конструкции; конструкцией узловых соединений; членением на отправочные марки; типом кровельных конструкций (прогоны, настил, плиты).
7.3.3 Плиты регулярной структуры следует применять в покрытиях с разнообразной формой в плане с соотношением сторон до 1:1,5. Допустимо устройство подстропильной конструкции, разделяющей покрытие на квадратные или близкие к квадрату ячейки, с размещением внутри ее структурной плиты. Для покрытий на вытянутом прямоугольном плане следует применять структуры с расположением несущих элементов под углом в 45° к сторонам контура (рисунок 7.5, б).
7.3.4 Высоту плиты следует принимать равной от 1/25 до 1/15 пролета (от меньших к большим пролетам), угол наклона раскосов к поясам - в интервале от 30° до 60°, шаг модуля сетки - от 1/20 до 1/10 пролета.
7.3.5 Формообразование стержневых структур следует выполнять из отправочных марок заводского изготовления из:
- стержней размером на ячейку;
- короткоразмерных элементов решетки и длинноразмерных поясов;
- плоских или трехгранных ферм одного направления и доборных элементов другого направления;
- пространственных стержневых пирамид.
7.3.7 Опирание структурного покрытия на колонны следует осуществлять в узлы верхнего или нижнего пояса через капитель в виде стержневой пирамиды (рисунок 7.6, а), траверсы (рисунок 7.6, б) или с использованием развитой стержневой системы снизу или сверху плиты (рисунок 7.6, в, г).
|
 |
а - с капителью; б - с траверсой; в, г - с развитой стержневой системой
Рисунок 7.6 - Схемы опор
7.3.8 Устойчивость каркаса сооружения со структурным покрытием следует обеспечивать защемлением колонн в фундаментах, постановкой вертикальных связей между колоннами, жестким защемлением колонн в уровне покрытия. При проектировании следует предусматривать передачу горизонтальных воздействий (от ветра, торможения кранов, сейсмических воздействий) поясными сетками на все колонны каркаса.
7.3.9 Перекрытия больших пролетов (рисунок 7.7) следует осуществлять: трехслойными структурными конструкциями, при этом дополнительные ярусы достаточно располагать на отдельных участках покрытия (рисунок 7.7, а); структурными системами со шпренгелями (рисунок 7.7, б); подвеской плит вантами к колоннам, возвышающимися над кровлей (рисунок 7.7, в); подстропильными конструкциями.
|
 |
а - трехслойная структура; б - структура, усиленная шпренгелем; в - структура, подвешенная вантами к колоннам
Рисунок 7.7 - Схемы перекрытия больших пролетов
Подстропильные конструкции следует выполнять в виде плоских ферм, ригелей рамы или в виде пространственной конструкции. Для обеспечения необходимой жесткости подстропильной конструкции ее высоту следует принимать больше высоты структурной плиты.
7.3.10 Стержневые элементы следует изготавливать из открытых прокатных или замкнутых профилей. В структурах с короткоразмерными поясами следует применять круглые или квадратные трубы, а в конструкциях с длинноразмерными поясами - двутавры или швеллеры.
7.3.11 Расчет структурных плит следует выполнять МКЭ. В расчетах все узловые сопряжения следует учитывать как шарнирные, а стержневые элементы - как воспринимающие только сжимающие или растягивающие усилия в случае отсутствия внеузлового опирания элементов кровельных конструкций. В конструкциях, элементы которых соединяются на болтах, при определении прогиба следует учитывать коэффициент 1,2, за счет податливости болтовых соединений.
7.4 Цилиндрические оболочки (своды)
7.4.1 Цилиндрические сетчатые оболочки (своды), однослойные или двухслойные - стержневая конструкция с поверхностью нулевой кривизны (рисунок 7.8). Очертание свода следует принимать круговым. Основными элементами свода, кроме сетчатой оболочки, являются бортовые элементы, для покрытий, опертых на четыре колонны по углам (рисунок 7.8, а), а также торцевые диафрагмы - фермы, арки, стены. Своды по продольным сторонам опирают на промежуточные стойки (рисунок 7.8, б) или ленточные фундаменты (рисунок 7.8, в).
|
|
|
 |  |  |
а - опертые на колонны по углам; | б - опертые на дополнительные промежуточные стойки; | в - опертые на ленточные фундаменты |
Рисунок 7.8 - Цилиндрические сетчатые своды
7.4.2 Цилиндрические оболочки следует использовать в покрытиях пролетом L: однослойные до 30 м, двухслойные до 80 м, с соотношением пролета к длине до 1:1,5. Стрелу подъема сетчатого свода следует принимать в интервале от L/6 до L/2. Высоту сечения стержневых элементов однослойной сетки следует принимать от L/200 до L/80, а расстояние между поясами двухслойного сетчатого свода от L/50 до L/20.
7.4.3 Для образования свода следует использовать сетки с различными ячейками - треугольными (рисунок 7.9, а), квадратными с раскосами (рисунок 7.9, б, в), ромбическими (рисунок 7.9, г). Угол наклона стержней к цилиндрической образующей следует принимать от 30° до 60°.
|
 |
а - треугольная; б, в - квадратная с раскосами; г - ромбическая
Рисунок 7.9 - Системы сеток сводчатого покрытия
7.4.4 Для обеспечения устойчивости и пространственной работы длинных цилиндрических оболочек следует применять промежуточные диафрагмы в виде криволинейных ребер (арок) с затяжками. Диафрагмы (арки) с высотой поперечного сечения порядка L/40 следует устанавливать шагом от L до 1,5L (рисунок 7.8, б). Промежуточные диафрагмы следует опирать на стойки или фундамент.
7.4.5 Расчет цилиндрических сетчатых оболочек следует выполнять МКЭ. В расчетах однослойных оболочек узловые сопряжения следует учитывать как жесткие, а стержневые элементы - как воспринимающие продольные усилия и изгибающие моменты. В расчетах двухслойных оболочек все узловые сопряжения следует учитывать, как шарнирные, а стержневые элементы - как воспринимающие только сжимающие или растягивающие усилия при отсутствии внеузлового опирания элементов кровельных конструкций.
7.5 Сетчатые оболочки двойной кривизны
Сетчатые оболочки двойной кривизны следует проектировать из однотипных стержневых и узловых элементов однослойными или двухслойными соответственно с жесткими или шарнирными узлами с треугольными, квадратными или ромбическими ячейками.
Сочлененные оболочки образуют комбинациями различных поверхностей (рисунок 7.10). Каждый из секторов сочлененной оболочки по границе должен быть обрамлен бортовым элементом. Возможны варианты покрытий с плавным переходом от одной поверхности к другой, в том числе разной кривизны.
|
 |
а, б - нулевой гауссовой кривизны; в, г, д - положительной гауссовой кривизны; е, ж - отрицательной гауссовой кривизны
Рисунок 7.10 - Сочлененные оболочки с пересечением различных поверхностей
7.5.1 Сетчатые оболочки положительной гауссовой кривизны
7.5.1.1 Оболочки положительной гауссовой кривизны следует создавать высечкой из сферической или эллипсоидной поверхности покрытия на треугольном, квадратном, многоугольном или овальном плане (рисунок 7.11).
7.5.1.2 Оболочки следует использовать в покрытиях пролетом: однослойные до 30 м, а двухслойные до 150 м. Стрелу подъема оболочки следует принимать в интервале от 1/10 до 1/4 пролета, а расстояние между поясами двухслойной оболочки от 1/80 до 1/30 пролета.
|
 |
а - на треугольном плане; б - на квадратном плане; в - на многоугольном плане
Рисунок 7.11 - Сетчатые оболочки положительной гауссовой кривизны
7.5.1.3 По контуру оболочек необходимо предусматривать диафрагмы в виде арок, ферм или контурных криволинейных ребер (рисунок 7.12). Арки и фермы следует применять при опирании покрытия по углам на колонны. При частом расположении колонн по периметру здания или при опирании оболочки на стены следует применять контурные криволинейные ребра. Высоту поперечного сечения контурных ребер и арок следует назначать 1/60 пролета.
|
 |
Диафрагмы в виде: а - арок; б - ферм; в - криволинейных ребер со стойками
Рисунок 7.12 - Диафрагмы по контуру оболочек положительной гауссовой кривизны
7.5.2 Сетчатые оболочки отрицательной гауссовой кривизны
7.5.2.1 Оболочки отрицательной гауссовой кривизны следует создавать высечкой из поверхности гиперболического параболоида покрытия (рисунок 7.13) на квадратном, ромбическом, овальном или более сложном плане, в том числе сочлененные (рисунок 7.10).
|
 |
Рисунок 7.13 - Поверхность оболочки отрицательной гауссовой кривизны
7.5.2.3 По контуру оболочек необходимо предусматривать контурные ребра (рисунок 7.14). Горизонтальный размер сечения ребер следует принимать от L/60 до L/40 пролета, вертикальный - вдвое меньше, при наличии периметральных стоек. Нижние узлы контура покрытия необходимо соединять затяжкой или устанавливать в этих точках пилоны.
|
 |
1 - оболочка; 2 - контурные ребра
Рисунок 7.14 - Оболочка отрицательной гауссовой кривизны
7.6 Купольные конструкции
7.6.1 Купол представляет собой пространственную стержневую конструкцию в виде оболочки положительной кривизны, включающую три основных элемента: нижний растянутый опорный контур, собственно оболочку и верхний сжатый опорный контур. Конструктивная схема купола показана на рисунке 7.15.
7.6.2 Купола следует использовать пролетом от 30 до 250 м, с очертанием в плане круговым, овальным или в виде правильного многоугольника; с поверхностью сферической, эллиптической, стрельчатой, конической, зонтичной (разделенной на вспарушенные секторы).
Отношение высоты купола h к диаметру D, следует принимать от 1/8 до 1/2. Размер ячейки поясных сеток следует назначать с учетом конструкции кровли и наличия прогонов, которые следует опирать на верхний пояс радиальных или кольцевых элементов.
|
 |
1 - нижний опорный контур; 2 - оболочка; 3 - верхний опорный контур
Рисунок 7.15 - Конструктивная схема купола
7.6.3 Стержневые купола следует проектировать однослойными или двухслойными, диаметром D более 60 м, соответственно с жесткими или шарнирными узлами.
7.6.4 Очертание поверхности купола в радиальном направлении следует принимать круговым. Тороидальную или стрельчатую форму купола создают смещением центра окружности с оси.
7.6.5 Элементы однослойного купола следует проектировать сплошностенчатыми из прокатных или сварных профилей двутаврового сечения с жесткими узлами. Элементы двухслойного купола следует выполнять в виде ферм с параллельными поясами, объединенными решеткой из круглых или прямоугольных труб или других видов профилей, аналогичными плоским фермам покрытия.
7.6.7 Диаметр верхнего кольца d следует назначать с учетом размещения узлов крепления примыкающих элементов d/D от 1/20 до 1/7. При значительных размерах центрального кольца для повышения жесткости и устойчивости его следует развязывать внутренними распорками.
7.6.8 При редко установленных ребрах нижнее опорное кольцо в плане следует проектировать в виде многоугольника с жестким сопряжением в углах, с числом сторон равным числу ребер. При частом расположении ребер нижний опорный контур принимают в виде плоского круглого кольца.
7.6.9 Нижний опорный контур следует опирать шарнирно на качающиеся (маятниковые) колонны или на фундамент, обеспечивая возможность перемещений конструкции купола за счет подвижных в двух направлениях опорных частей (ОЧ).
7.6.10 Нижнее кольцо следует проектировать для однослойных куполов в виде горизонтально расположенного сварного двутавра или коробки и часто расположенных опорных стоек (рисунок 7.16, а), для двухслойных куполов - в виде решетчатой фермы, развитой по вертикали (рисунок 7.16, б). Оси стержней купола, примыкающих к кольцу, и ось вертикальной опорной реакции следует центрировать.
|
 |
а - для однослойных куполов; б - для двухслойных куполов
Рисунок 7.16 - Нижнее опорное кольцо
7.6.11 Узлы конструкции купола следует проектировать на болтах, сварке или комбинированными. Узловые соединения однослойных и двухслойных сетчатых куполов приведены в 11.2.
7.6.12 Расчет куполов следует выполнять МКЭ с учетом геометрической нелинейности. Проверку прочности и устойчивости необходимо выполнять с учетом последовательности монтажа и возможных начальных отклонений узлов от проектной геометрии купола и искривления стержней, возникающих из-за погрешностей изготовления и монтажа.
Полная версия документа доступна с 20.00 до 24.00 по московскому времени.
Для получения доступа к полной версии без ограничений вы можете выбрать подходящий тариф или активировать демо-доступ.