Технической инструкции по проектированию конструкций высотных зданий

• empty
• empty
• empty

СТО АРСС

В развитие СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции»

Настоящий стандарт организации составлен с учетом требований Федеральных законов от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», от 22 июня 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности», от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

Свод правил разработан авторским коллективом ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко – институт АО «НИЦ «Строительство»

Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1 Общие положения по проектированию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1 Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Выбор материалов конструкций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Сортамент. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4 Нагрузки и воздействия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5 Предельные деформации конструкций многоэтажных зданий, ускорения колебаний . . . . . . 27
1.6 Обеспечение общей устойчивости каркасов, разбивка зданий на температурные блоки. . . . 29
1.7 Наружные стены . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.8 Перегородки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.9 Перекрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.10 Конструкции из профилированного настила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2 Общие положения по расчётам конструкций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1 Расчетные сочетания усилий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Учет неточностей монтажа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Компьютерные модели зданий и расчет несущей системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Центрально-сжатые и центрально-растянутые элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 Изгибаемые элементы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.6 Сжато-изгибаемые элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7 Элементы, работающие на кручение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Проектирование колонн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 Проектирование стержня колонны из фасонного проката . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Базы колонн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Стыки колонн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Проектирование балок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1 Сечения балок и проектирование балочных клеток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Шарнирные узлы примыкания балок к колоннам. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Жесткие узлы примыкания балок к колоннам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.4 Узлы примыкания балок к балкам. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5 Узлы пропуска коммуникаций. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 Проектирование элементов связей и перехватных конструкций, ферм. . . . 53
5.1 Сечения связевых конструкций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Конфигурации вертикальных связей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3 Общие подходы к проектированию перехватных конструкций при изменении шага колонн. . . 54
6 Таблицы для подбора сечений прокатных двутавров и проектирования
узлов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.1 Сортамент сечений прокатных двутавров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.2 Подбор сечения элементов при центральном сжатии и растяжении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Пример 6.2.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Пример 6.2.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Пример 6.2.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Графики несущей способности центрально сжатых стержней для колонных двутавров,
сталь С255Б . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3 Подбор сечения элементов при действии продольной силы с изгибом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
СТО АРСС 11251254.001-018-3
7
Пример 6.3.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.4 Подбор сечения элементов при изгибе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Пример 6.4.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Графики предельной равномерно распределенной нагрузки для балок 2-го класса по изгибающему
моменту в середине пролета (M) и поперечной силе на опоре (Q) для широкополочных двутавров,
Графики предельной равномерно распределенной нагрузки
для балок 2-го класса по изгибающему моменту в середине пролета (M) и поперечной силе
на опоре (Q) для широкополочных двутавров, сталь С255Б. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7 Таблицы для подбора сечений стальных труб и проектирования узлов. . . 110
7.1 Сортамент сечений труб . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.2 Подбор сечения элементов при центральном сжатии и растяжении труб . . . . . . . . . . . . . . . 112
Таблица 6.1.1 – Номинальные размеры профилей и справочные величины для главных
осей в соответствии с ГОСТ Р 57837-2017. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Таблица 6.1.2 – Справочные величины для двутавров по ГОСТ Р 57837- 2017 . . . . . . . . . . . . . 121
Таблица 6.2.1а – Условная гибкость ( ) стержней двутаврового сечения в плоскости
с большей жёсткостью у-у для заданных расчетных длин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Таблица 6.2.1б – Условная гибкость ( ) стержней двутаврового сечения в плоскости
с меньшей жёсткостью х-х, для заданных расчетных длин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Таблица 6.2.2а – Несущая способность элементов двутаврового сечения при центральном
сжатии для заданных расчетных длин в плоскости с большей жёсткостью N, кН . . . . . . . . . . . . . . . 198
Таблица 6.2.2б – Несущая способность элементов двутаврового сечения при центральном
сжатии для заданных расчетных длин в плоскости с меньшей жёсткостью N, кН. . . . . . . . . . . . . . . 228
Таблица 6.2.3 – Проверка устойчивости стенки центрально-сжатых элементов двутаврового
сечения в соответствии с 7.3 СП 16.13330 [12] для заданных расчетных длин, uw . . . . . . . . . . . . . . 258
Таблица 6.2.4 – Несущая способность элементов двутаврового сечения при центральном
растяжении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Таблица6.3.1 – Коэффициенты для расчёта элементов конструкций с учётом развития
пластических деформаций (по таблице Е.1 [12]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Таблица 6.3.2а – Предельные значения продольного усилия (N) внецентренно сжатого или
внецентренно растянутого стержня, в зависимости от заданного изгибающегомомента (Мх
),
действующего в плоскости с большей жёсткостью сечения у-у, при расчётах на прочность . . . . . 299
Таблица 6.3.2б – Предельные значения изгибающего момента (Мх
), действующего в плоскости
с большей жёсткостью сечения у-у внецентренно сжатого или внецентренно растянутого
стержня, в зависимости от заданного продольного усилия (N) при расчётах на прочность . . . . . . 323
Таблица 6.3.2в – Предельные значения продольного усилия (N) внецентренно сжатого или
внецентренно растянутого стержня, в зависимости от заданного изгибающего момента (М
y
),
действующего в плоскости с меньшей жёсткостью сечения х-х, при расчётах на прочность . . . . 347
Таблица 6.3.2г – Предельные значения изгибающего момента (М
y
), действующего в плоскости
с меньшей жёсткостью сечения х-х внецентренно сжатого или внецентренно растянутого
стержня, в зависимости от заданного нормального усилия (N) при расчётах на прочность . . . . . . 372
Таблица 6.3.3 – Результаты расчёта на устойчивость (значения N и М) элементов сплошного
сечения при сжатии с изгибом в плоскости наибольшей жесткости у-у в зависимости от заданной
расчётной длины (l
ef) и приведённого относительного эксцентриситета (mef) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
СТО АРСС 11251254.001-018-3
8
Таблица 6.4.1 – Предельная равномерно распределённая нагрузка (q) на балку по предельному
изгибающему моменту (Mmax) в середине пролета при расчётах на прочность шарнирно опёртых
балок 1-го класса (без учета развития пластических деформаций), при изгибе в плоскости с
наибольшей жёсткостью у-у . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
Таблица 6.4.2 – Предельная равномерно распределённая нагрузка (q) на балку по предельной
поперечной силе (Qmax) на опоре при расчётах на прочность шарнирно опёртых балок
1-го класса (без учета развития пластических деформаций), при изгибе в плоскости
с наибольшей жёсткостью у-у . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601
Таблица 6.4.3 – Предельная равномерно распределённая нагрузка (q) на балку по предельному
изгибающему моменту (Mmax) в середине пролета при расчётах на прочность шарнирно опёртых
балок 2-го класса (с учетом развития пластических деформаций) при изгибе в плоскости с
наибольшей жёсткостью у-у . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630
Таблица 6.4.4 – Предельная равномерно распределённая нагрузка (q) на балку по предельной
поперечной силе ( Qmax ) на опоре при расчётах на прочность шарнирно опёртых балок 2-го
класса (с учетом развития пластических деформаций), при изгибе в плоскости с наибольшей
жёсткостью у-у. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
Таблица 6.4.5 – Предельная нормативная равномерно распределённая нагрузка (q) на балку по
максимальному прогибу в середине пролёта f
max= fu при расчётах по деформациям шарнирно
опёртых балок 2-го класса (с учетом развития пластических деформаций), при изгибе в
плоскости с наибольшей жёсткостью у-у. Настоящая таблица действительна для сечений
любой стали по ГОСТ 27772. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681
Таблица 7.1.1 – Номинальные размеры профилей круглых труб и справочные величины
для главных осей сечения в соответствии ГОСТ Р 58064-2018 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687
Таблица 7.1.2 – Номинальные размеры профилей квадратных труб и справочные
величиныдля главных осей сечения в соответствии ГОСТ 30245-2012. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695
Таблица 7.1.3 – Номинальные размеры профилей прямоугольных труб и справочные
величины для главных осей сечения в соответствии ГОСТ 30245-2012 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 701
Таблица 7.2.1 – Несущая способность труб круглого сечения при центральном сжатии
для заданных расчетных длин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716
Таблица 7.2.2 – Несущая способность труб квадратного сечения при центральном сжатии
для заданных расчетных длин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732
Таблица 7.2.3а – Несущая способность труб прямоугольного сечения при центральном
сжатии для заданных расчетных длин в плоскости с большей жёсткостью у-у . . . . . . . . . . . . . . . . 743
Таблица 7.2.3б – Несущая способность труб прямоугольного сечения при центральном
сжатии для заданных расчетных длин в плоскости с меньшей жёсткостью х-х . . . . . . . . . . . . . . . . 773
Таблица 7.2.4 – Несущая способность труб круглого сечения при центральном растяжении . . 803
Таблица 7.2.5 – Несущая способность труб квадратного сечения при центральном
растяжении. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806
Таблица 7.2.6 – Несущая способность труб прямоугольного сечения при центральном
растяжении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806
Библиография. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813

Конструкции высотных зданий должны обладать необходимой жесткостью и прочностью, обеспечивающей безопасность здания на этапе строительства и эксплуатации согласно действующим нормам проектирования. Прочность конструкций должна обеспечивать безопасность здания на основании общих норм проектирования конструкций. Кроме этого в связи с особенностями высотного здания должны выполняться еще два важных условия:

• при предельной нагрузке должна быть обеспечена безопасность здания (как во время строительства, так и во время эксплуатации), в том числе при сейсмических воздействиях. При расчете на устойчивость, необходимо учитывать зависимость «нагрузка-прогиб», силовые и температурные деформации, а также меры по предупреждению обрушения здания;
• конструкции должны иметь необходимую жесткость, особенно жесткость на сдвиг, для предотвращения образования трещин в бетоне, обеспечивать комфортность внутренней среды при сейсмических воздействиях.

В этой главе рассматривается устойчивость, связь жесткости и комфортности, а также вопросы конструктивной безопасности высотных зданий.

Устойчивость высотных зданий

Устойчивость элементов здания

При воздействии предельных нагрузок и сочетаний различных воздействий необходимо выполнять подробный анализ напряженного состояния (см. главу 5). В анализ следует включать уровень нагружения конструкции (запас прочности), значения коэффициентов надежности по нагрузке и др.

Чтобы исключить опасность обрушения здания при дефектах в элементах конструкций, необходимо обратить внимание на определение предельных нагрузок для наиболее уязвимых элементов. Для каждого рассматриваемого случая, например, силовые деформации, температурные воздействия, рассчитываются дополнительные напряжения, учитывающие эти воздействия, которые необходимо также включать в анализ конструкций при проектировании.

В общем случае зависимость второго порядка нагрузки от перемещения имеет две составляющие:

1. зависимость нагрузки и вертикальных перемещений в изгибаемых элементах (зависимость Р-S). Внутренние напряжения зависят от формы изгибаемых элементов, часто в центре конструкции они имеют наибольшие значения, а по краям — минимальные или равные нулю;
2. под влиянием горизонтальных ветровых нагрузок и сейсмических воздействий появляются горизонтальные перемещения, которые обусловливают дополнительную зависимость от нагрузки (кривая Р-А). Анализ и расчеты показывают, что для высотных зданий зависимость Р-S носит незначительный характер, а горизонтальные перемещения и зависимость Р-А имеет большое значение, т.к. увеличение внутренних усилий происходит, когда перемещения ведут к большим деформациям элементов, что влечет за собой потерю устойчивости. Таким образом, следует при расчете устойчивости элементов здания уделять особое внимание зависимости Р-А.

Расчет устойчивости здания

При увеличении высоты и ширины здания увеличиваются внутренний объем и масса здания, а пространственная жесткость здания уменьшается. Поэтому необходимо уделять особое внимание проблемам устойчивости многоэтажного здания.

Вероятность потери устойчивости относительно невысоких зданий очень мала, так как критическое значение для несущих конструкций от вертикальных нагрузок не достигается. При воздействиях ветровых и сейсмических нагрузок появляются горизонтальные перемещения. Зависимость Р-А от собственного веса в этом случае приводит к увеличению внутренних усилий, а следовательно, к потере устойчивости. Такая потеря устойчивости гораздо вероятнее и больше, чем от вертикальных нагрузок при отсутствии горизонтальных смещений. Поэтому проектирование конструкции многоэтажных зданий, главным образом, ведут по устойчивости, а расчеты производят на потерю устойчивости согласно зависимости Р- А от ветровых и сейсмических воздействий. Ниже будут рассмотрены предельные нагрузки, зависимости Р- А от различных воздействий и коэффициенты потери устойчивости, вводимые в расчет.

Предельные нагрузки на конструкции высотных зданий

Высотные здания при расчетах рассматриваются как стойки при отношении высоты к ширине от 3-х до 8-ми. Существует три типа потери устойчивости здания: сдвиговая, изгибная и изгибно-сдвиговая. При каркасной конструктивной системе обычно происходит сдвиговая потеря устойчивости; при панельной — изгибная; при каркасно-панельной и каркасной с цилиндрическим ядром жесткости — изгибно-сдвиговая.

Предельные нагрузки при сдвиговой потере устойчивости

Обычно сдвиговая потеря устойчивости представляет собой потерю устойчивости целыми этажами. Это происходит из-за изгибных перемещений колонн и ригелей.

Для удобного анализа построены диаграммы зависимостей.