Раскосы в каркасном доме: Установка раскосов в каркасном доме — КАРКАС ИНФО

Распорки и траектория передачи нагрузки

Требуются как минимум три вертикальные плоскости крепления (не менее одной плоскости в каждом ортогональном направлении) для обеспечения сопротивления в обоих направлениях в плане и сопротивления кручению вокруг вертикальной оси. На практике обычно предусмотрено более трех, например, в местах, схематично показанных на рисунке ниже.

Типовое расположение вертикальных связей

Если предположить, что перекрытия действуют как диафрагмы для обеспечения горизонтальных связей, силы, воспринимаемые каждой плоскостью вертикальных связей, зависят от их относительной жесткости и местоположения, а также от положения центра давления горизонтальной силы (см. дальнейшее обсуждение расположения вертикальных плоскостей связей ниже).

Вертикальные связи в виде диагональных стальных элементов, обеспечивающие устойчивость многоэтажного здания, показаны на рисунке ниже.

Устойчивость здания также может быть частично или полностью обеспечена одним или несколькими железобетонными ядрами.

[вверх]Расположение плоскостей вертикальной связи

Вертикальные связи в многоэтажном здании

Предпочтительно размещать связи на краях конструкции или рядом с ними, чтобы противостоять любым эффектам кручения. См. рисунок справа.

Если наборы связей идентичны или аналогичны, достаточно предположить, что горизонтальные силы (ветровые нагрузки и эквивалентные горизонтальные силы, каждая из которых, при необходимости, увеличена для эффектов второго порядка, см. обсуждение ниже) распределяются поровну между системами связей в рассматриваемом ортогональном направлении.

Если жесткость вертикальных систем связей различается или системы связей расположены асимметрично в плане, как показано на рисунке ниже, не следует предполагать равное распределение сил. Силы, воспринимаемые каждой системой связей, можно рассчитать, предположив, что пол представляет собой жесткую балку, а системы связей — пружинные опоры, как показано на рисунке ниже.

Определение сил связей при асимметричном расположении связей

Жесткость каждой системы связей следует рассчитывать путем приложения горизонтальных сил к каждой системе связей и расчета прогиба. Затем жесткость пружины (обычно в мм/кН) можно использовать для расчета распределения силы на каждую систему крепления.

[вверх]Вертикальные связи

В многоэтажном здании со связями плоскости вертикальных связей обычно обеспечиваются диагональными связями между двумя рядами колонн, как показано на рисунке ниже. Как показано, предусмотрены либо одиночные диагонали, и в этом случае они должны быть рассчитаны либо на растяжение, либо на сжатие, либо предусмотрены скрещенные диагонали, и в этом случае могут быть предусмотрены тонкие элементы жесткости, воспринимающие только растяжение.

Консольная ферма

Обратите внимание, что при использовании скрещенных диагоналей и допущении, что только растянутые диагонали обеспечивают сопротивление, балки перекрытий участвуют как часть системы связей (фактически создается вертикальная ферма Пратта с растянутыми диагоналями и стойки — балки перекрытий — на сжатие).

Вертикальные распорки должны быть рассчитаны на сопротивление силам, возникающим вследствие следующего:

• Ветровые нагрузки
• Эквивалентные горизонтальные силы, представляющие эффект начальных несовершенств
• Эффекты второго порядка из-за раскачивания (если рама чувствительна к эффектам второго порядка).

Также доступно руководство по определению эквивалентных горизонтальных сил и учету эффектов второго порядка, обсуждаемых в разделах ниже, а также средство расчета устойчивости рамы.

Силы в отдельных элементах системы связей должны быть определены для соответствующих комбинаций действий. Для элементов связи расчетные усилия в ULS из-за комбинации, в которой ветровая нагрузка является ведущим действием, вероятно, будут наиболее обременительными.

Там, где это возможно, рекомендуется использовать раскосы под углом примерно 45°. Это обеспечивает эффективную систему с относительно небольшими усилиями на стержни по сравнению с другими конструкциями и означает, что детали соединения, где раскосы встречаются с соединениями балки/колонны, компактны. Узкие системы связей с крутыми наклонными внутренними элементами увеличивают чувствительность конструкции к раскачиванию. Широкие системы раскосов приведут к более устойчивым конструкциям.

В приведенной ниже таблице показано, как максимальное отклонение зависит от расположения раскосов при постоянном размере поперечного сечения раскосов.

Эффективность крепления

Высота этажа	Ширина раскоса	Угол от горизонтали	Отношение максимального прогиба (по сравнению с раскосом при 34°)
ч	2ч	26°	0,9
ч	1,5 ч	34°	1,0
ч	ч	45°	1,5
ч	0,75ч	53°	2. 2
ч	0,5ч	63°	4,5

[верх]Горизонтальная распорка

Горизонтальные связи (в крыше) в одноэтажном здании

Система горизонтальных связей необходима на уровне каждого этажа для передачи горизонтальных сил (главным образом сил, передаваемых от колонн по периметру) на плоскости вертикальных связей, которые обеспечивают сопротивление к горизонтальным силам.

Существует два типа системы горизонтальных связей, которые используются в многоэтажных каркасных конструкциях:

• Мембраны
• Распорка дискретная треугольная.

Обычно системы пола достаточно, чтобы действовать как диафрагма без необходимости в дополнительных стальных распорках. На уровне крыши может потребоваться раскос, часто известный как ветровая балка, для восприятия горизонтальных сил на вершине колонн, если нет диафрагмы. См. рисунок справа.

[вверх]Горизонтальные диафрагмы

Все решения для перекрытий, включающие в себя несъемную опалубку, такую ​​как металлический настил, приваренный шпильками к балкам, с бетонным заполнением на месте, обеспечивают превосходную жесткую диафрагму для передачи горизонтальных усилий на раскосы система.

Системы перекрытий, включающие сборные железобетонные плиты, требуют надлежащего рассмотрения для обеспечения адекватной передачи сил, если они должны действовать как диафрагма. Коэффициент трения между досками и стальными конструкциями может составлять всего 0,1 и даже ниже, если сталь окрашена. Это позволит плитам двигаться относительно друг друга и скользить по металлоконструкциям. Заливка швов между плитами лишь частично решит эту проблему, а для больших сдвигов потребуется более эффективная система связывания между плитами и между плитами и металлоконструкциями.

Соединение между плитами может быть обеспечено усилением в верхней части. Это может быть сетка, или вдоль обоих концов набора досок могут быть размещены связи, чтобы весь пол действовал как единая диафрагма. Как правило, достаточно 10-миллиметрового стержня на половине толщины начинки.

Соединение со стальной конструкцией может быть выполнено одним из двух способов:

• Плиты обнести стальным каркасом (на уголках полок или специально предусмотренном скреплении) и заполнить зазор бетоном.
• Обеспечьте связи между верхним слоем досок и верхним слоем стальной конструкции на месте (известным как «краевая полоса»). Обеспечьте стальную балку соединителями на сдвиг в той или иной форме для передачи усилий между краевой полосой на месте и стальной конструкцией.

Если усилия плоской диафрагмы передаются на стальную конструкцию через непосредственную опору (обычно плита может опираться на поверхность колонны), необходимо проверить способность соединения. Емкость обычно ограничивается локальным дроблением доски. В любом случае зазор между планкой и сталью должен быть заполнен монолитным бетоном.

Деревянные полы и полы, состоящие из сборных железобетонных перевернутых тавровых балок и заполненных блоков (часто называемых «балками и чашками») не считаются достаточными для обеспечения надлежащей диафрагмы без специальных мер.

[верх] Дискретная треугольная распорка

Типовое расположение распорок пола

Там, где нельзя полагаться на действие диафрагмы от пола, рекомендуется горизонтальная система стальных распорок треугольной формы. В каждом ортогональном направлении может потребоваться система горизонтальных связей.

Как правило, системы горизонтальных связей располагаются между «опорами», которые являются местами расположения вертикальных связей. Такое расположение часто приводит к тому, что ферма охватывает всю ширину здания с глубиной, равной центрам пролетов, как показано на рисунке слева.

Связи перекрытий часто устраивают как фермы Уоррена, или как фермы Пратта, или с поперечными элементами, действующими только на растяжение.

[вверх]Влияние несовершенств

В структурный анализ необходимо включить соответствующие допуски, чтобы учесть влияние несовершенств, включая геометрические несовершенства, такие как отсутствие вертикальности, отсутствие прямолинейности, отсутствие плоскостности, отсутствие прилегания и любые незначительные эксцентриситеты, присутствующие в соединениях ненагруженной конструкции.

Необходимо учитывать следующие дефекты:

• Общие дефекты для рам и систем связей
• Локальные несовершенства отдельных элементов.

Общие несовершенства могут быть учтены путем моделирования рамы по отвесу или с помощью ряда эквивалентных горизонтальных сил, приложенных к раме, смоделированной вертикально. Рекомендуется последний подход.

В раскосной раме с номинально штифтовыми соединениями при общем расчете не требуется допуск на локальные дефекты элементов, поскольку они не влияют на общее поведение и учитываются при проверке сопротивлений элементов в соответствии со Стандартом проектирования. Если в конструкции рамы предполагаются соединения с сопротивлением моменту, возможно, потребуется учесть местные несовершенства (BS EN 1993-1-1 ^[1] , 5.3.2(6)).

[вверх]Дефекты для общего анализа раскосных рам

Эквивалентные несовершенства раскачивания (из BS EN 1993-1-1 рис. 5.2)

Влияние несовершенств рамы учитывается посредством начального несовершенства раскачивания. См. рисунок справа.

Основным допустимым дефектом является отклонение от вертикальности Φ ₀ 1/200. Этот допуск больше, чем обычно указанные допуски, потому что он учитывает как фактические значения, превышающие указанные пределы, так и остаточные эффекты, такие как несоответствие. Допуск на проектирование в BS EN 1993-1-1 ^[1] , 5.3.2 определяется по формуле:

Φ = Φ ₀ α _h α _m = 1/200 α _h α _m

where α _h is коэффициент уменьшения общей высоты и α _м является коэффициентом уменьшения, который согласно Еврокоду зависит от количества столбцов в ряду. (Подробное определение см. в 5.3.2(3).) Это предполагает, что каждый ряд имеет раскосы. В общем α _м следует рассчитывать по количеству колонн, стабилизированных системой связей – как правило, из нескольких рядов.

Для простоты значение Φ может быть консервативно принято равным 1/200, независимо от высоты и количества столбцов.

Если для каждого этажа приложенная извне горизонтальная сила превышает 15 % общей вертикальной силы, несовершенствами раскачивания можно пренебречь (поскольку они мало влияют на деформацию раскачивания).

[вверх] Эквивалентные горизонтальные силы

BS EN 1993-1-1 ^[1] , 5.3.2(7) утверждает, что несовершенства вертикального раскачивания могут быть заменены системами эквивалентных горизонтальных сил, введенных для каждой колонны. Гораздо проще использовать эквивалентные горизонтальные силы, чем вводить в модель геометрическое несовершенство. Это потому что:

• Несовершенство должно быть испытано в каждом направлении, чтобы найти больший эффект, и легче прикладывать нагрузки, чем изменять геометрию
• Изменение геометрии конструкции может быть затруднено, если основания колонн находятся на разных уровнях, поскольку несовершенство раскачивания варьируется между колоннами.

В соответствии с 5.3.2(7) эквивалентные горизонтальные силы имеют расчетное значение Φ Н _Ed вверху и внизу каждого столбца, где Н _Ed — сила в каждый столбец; силы на каждом конце направлены в противоположные стороны. При проектировании рамы и, в частности, сил, действующих на систему распорок, гораздо проще учитывать результирующую эквивалентную силу на каждом уровне пола. Таким образом, эквивалентная горизонтальная сила, равная Φ -кратное суммарное вертикальное расчетное усилие, приложенное к этому уровню пола, должно быть приложено к каждому уровню пола и крыши.

[top]Дополнительные расчетные варианты для систем связей

Система связей должна воспринимать внешние нагрузки вместе с эквивалентными горизонтальными силами. Кроме того, раскосы должны быть проверены для двух дополнительных расчетных ситуаций, которые являются локальными по отношению к уровню пола:

• Горизонтальные силы от диафрагм пола
• Силы из-за несовершенства мест соединения.

В обеих этих расчетных ситуациях систему связей проверяют локально (учитывая этажи выше и ниже) на сочетание усилий, вызванных внешними нагрузками, с усилиями, вызванными любым из указанных выше недостатков. Эквивалентные горизонтальные силы, смоделированные для учета раскачивания рамы, не включены ни в одну из этих комбинаций. Необходимо учитывать только одно несовершенство за раз.

Учитываемые горизонтальные силы представляют собой совокупность всех сил на рассматриваемом уровне, разделенных между системами крепления.

В Великобритании проверка этих сил без сопутствующих сдвигов балки является обычной практикой. Обоснование состоит в том, что вероятность максимального сдвига балки плюс максимальные несовершенства вместе с минимальным сопротивлением соединения выходит за пределы расчетной вероятности проектных норм.

[вверх]Дефекты для анализа систем крепления

Эквивалентная стабилизирующая сила

При анализе систем связей, которые необходимы для обеспечения поперечной устойчивости в пределах длины балок или сжатых элементов, следует учитывать влияние несовершенств посредством эквивалентного геометрического несовершенства элементов, подлежащих закреплению, в виде начального лукового несовершенства:

e ₀ = α _м L /500

где:

L   пролёт системы связей

в котором м — количество членов, подлежащих сдерживанию.

Для удобства влияние первоначальных несовершенств изгиба элементов, удерживаемых системой связей, можно заменить эквивалентной стабилизирующей силой, как показано на рисунке справа.

где

δ _q   – отклонение системы связей в плоскости из-за q плюс любые внешние нагрузки, рассчитанные на основе анализа первого порядка.

Рекомендуется использовать эквивалентные стабилизирующие усилия.

[top]Влияния второго порядка

Влияние деформированной геометрии конструкции (влияния второго порядка) необходимо учитывать, если деформации значительно увеличивают силы в конструкции или если деформации значительно изменяют поведение конструкции. Для глобального эластичного анализа эффекты второго порядка значимы, если α _cr меньше 10.

Критерий следует применять отдельно для каждого этажа, для каждой рассматриваемой комбинации действий. Как правило, это будет включать вертикальные и горизонтальные нагрузки и КВЧ, как показано на схеме. В раскосных рамах боковая устойчивость обеспечивается только раскосами; номинально шарнирные соединения не вносят вклада в устойчивость рамы.

В большинстве случаев нижний этаж дает наименьшее значение α _кр .

Горизонтальные силы, приложенные к системе связей

[top] Допуск на эффекты второго порядка

Там, где эффекты второго порядка значительны и должны быть учтены, наиболее распространенным методом является усиление упругого анализа первого порядка с использованием начального геометрия конструкции. Использование этого метода ограничено тем, что α _cr > 3. Если α _cr меньше 3, необходимо использовать анализ второго порядка.

В раскосной раме, где соединения балки с колонной номинально штифтовые и, таким образом, не вносят вклад в поперечную жесткость, усиливаются только осевые силы в элементах раскосов и силы в колоннах, обусловленные их функцией как часть брекет-системы

Коэффициент усиления приведен в BS EN 1993-1-1 ^[1] , 5. 2.2(5)B как:

Необходимо усилить только воздействие горизонтальных сил (включая эквивалентные горизонтальные силы).

Анализ второго порядка

Доступен ряд программного обеспечения для анализа второго порядка. Использование любого программного обеспечения даст в некоторой степени приблизительные результаты в зависимости от используемого метода решения, типов рассматриваемых эффектов второго порядка и допущений моделирования. Как правило, программное обеспечение второго порядка автоматически учитывает дефекты рамы, поэтому проектировщику не нужно рассчитывать и применять эквивалентные горизонтальные силы. Эффекты деформированной геометрии (эффекты второго порядка) будут учтены в анализе.

[наверх]Краткий процесс проектирования систем раскосов

Для типичного здания средней этажности, использующего раскосные рамы, рекомендуется следующий простой процесс проектирования.

1. Выберите соответствующие размеры сечения балок.
2. Выберите подходящие размеры сечения для колонн (которые могут быть первоначально рассчитаны только на осевую силу, оставляя некоторые условия для номинальных изгибающих моментов, которые будут определены на более позднем этапе).
3. Рассчитайте эквивалентные горизонтальные силы (EHF) по этажам и ветровые нагрузки.
4. Рассчитайте общий сдвиг в основании распорки, добавив общую ветровую нагрузку к общей EHF и распределив ее соответствующим образом между системами раскосов.
5. Размер распорок. Самый нижний раскос (с наибольшей расчетной силой) может быть рассчитан на основе сдвига, определенного на шаге 4. Меньший размер сечения может использоваться выше по конструкции (где распорка подвергается меньшим усилиям) или может использоваться тот же размер. использоваться для всех членов.
6. Оценить устойчивость рамы по параметру α _cr , используя комбинацию КВЧ и ветровых нагрузок в качестве горизонтальных сил на раму в сочетании с вертикальными нагрузками.
7. При необходимости определите усилитель (например, если α _cr < 10). Если рама чувствительна к эффектам второго порядка, все боковые силы должны быть усилены. В этом случае может потребоваться повторная проверка элементов жесткости на повышенные усилия (шаг 5).
8. На каждом уровне этажа убедитесь, что соединение с диафрагмой может воспринимать 1% осевой силы в колонне в этой точке (очевидно, что наиболее обременительная расчетная сила приходится на нижний поддерживаемый этаж).
9. Убедитесь, что диафрагмы пола эффективно распределяют все силы на системы распорок.
10. На уровне стыка определите общую силу, которой будет сопротивляться распорка локально (обычно это сумма нескольких столбцов). Убедитесь, что раскосы, расположенные рядом с соединением, могут воспринимать эти силы в дополнение к силам, вызванным внешними нагрузками (при выполнении этой проверки EHF не учитываются).
11. Убедитесь, что раскосы, расположенные на каждом этаже, могут воспринимать ограничивающие силы от этого этажа в дополнение к силам, вызванным внешними нагрузками (при выполнении этой проверки EHF не учитываются).

При ручном проектировании можно использовать проектные данные в SCI P363 для выбора подходящих размеров сечения.

Доступен инструмент для определения стабильности рамы, помогающий в расчете EHF и α _cr .

[наверх]Номер по каталогу

1. ↑ ^{1.0 1.1 1.2 1.3} BS EN 1993-1-1:2001+4A1:20 Общие нормы и правила для зданий, BSI

[наверх]Дополнительная литература

• Руководство конструктора стали, 7-е издание. Редакторы Б. Дэвисон и Г. В. Оуэнс. Институт стальных конструкций 2012 г., Глава 5, Многоэтажные здания
• Архитектурный дизайн из стали, Lawson M & Trebilcock P, SCI and Spon. Глава 3.

[наверх] Ресурсы

• SCI P365 Проектирование стальных зданий: каркасы средней высоты, 2009
• SCI P363 Steel Building Design: Design Data, 2013
  Также доступна интерактивная веб-версия «Синей книги».
• Steel Buildings, 2003 г. (публикация № 35/03), BCSA, глава 4
• Инструмент для расчета устойчивости рамы

[вверх] См.

• Многоэтажные офисные здания
• Фермы
• Напольные системы
• Моделирование и анализ
• Учет влияния деформированной геометрии рамы
• Простые соединения

Каркасные конструкции — Проектирование зданий

Мы используем файлы cookie, чтобы обеспечить максимальное удобство пользования нашим веб-сайтом. Вы можете узнать о наших файлах cookie и о том, как отключить файлы cookie, в нашей Политике конфиденциальности. Если вы продолжите использовать этот веб-сайт без отключения файлов cookie, мы будем считать, что вы довольны их получением. Закрывать.

Редактировать эту статью

Последняя редакция 14 ноя 2022

См. вся история

Раскосная рама представляет собой очень прочную конструкционную систему, которая обычно используется в конструкциях, подверженных боковым нагрузкам, таким как ветер и сейсмическое давление. Элементы раскосного каркаса обычно изготавливаются из конструкционной стали, которая может эффективно работать как на растяжение, так и на сжатие. Балки и колонны, образующие каркас, несут вертикальные нагрузки, а система связей — боковые нагрузки. Однако расположение скоб может быть проблематичным, поскольку они могут мешать дизайну фасада и расположению проемов. Здания, выполненные в стиле хай-тек или постмодернизм, отреагировали на это, выразив распорки как внутреннюю или внешнюю архитектурную особенность.

Сопротивление горизонтальным силам обеспечивается двумя системами связей; вертикальные и горизонтальные связи:

[править] Вертикальные раскосы

Распорки между линиями колонн (в вертикальных плоскостях) обеспечивают пути передачи нагрузки для передачи горизонтальных сил на уровень земли. Каркасные здания требуют как минимум трех плоскостей вертикальных связей, чтобы скрепить оба направления в плане и противостоять кручению вокруг вертикальной оси.

[править] Горизонтальные связи

Распорки на каждом этаже (в горизонтальных плоскостях) обеспечивают пути передачи нагрузки для передачи горизонтальных усилий на плоскости вертикальных связей. Горизонтальные распорки необходимы на каждом уровне пола, однако сама система пола может обеспечить достаточное сопротивление. Крыши также могут потребовать крепления.

Некоторые из наиболее распространенных форм крепления перечислены ниже.

[править] Одинарные диагонали

Фермы, или треугольники, образуются путем вставки диагональных конструктивных элементов в прямоугольные области конструктивной рамы, помогая стабилизировать раму. Если используется одиночный бандаж, он должен быть достаточно устойчивым к растяжению и сжатию.

В поперечной (или Х-образной) связи используются два диагональных элемента, пересекающих друг друга. Они должны быть только устойчивыми к натяжению, одна распорка за раз должна противостоять боковым силам, в зависимости от направления нагрузки. В результате стальные тросы также могут использоваться для поперечных связей. Однако поперечные распорки на внешней стороне здания могут мешать расположению и функционированию оконных проемов. Это также приводит к большему изгибу балок перекрытия.

К-образные распорки соединяются с колоннами на средней высоте. Эта рама имеет большую гибкость для обеспечения проемов в фасаде и приводит к наименьшему изгибу балок перекрытий. К-образные распорки обычно не рекомендуются в сейсмических регионах из-за возможности разрушения колонны, если сжимающая распорка деформируется.

Два диагональных элемента, образующих V-образную форму, проходят вниз от двух верхних углов горизонтального элемента и встречаются в центральной точке нижнего горизонтального элемента (рисунок слева). Перевернутая V-образная связь (правая схема, также известная как шевронная связь) включает в себя два элемента, встречающихся в центральной точке на верхнем горизонтальном элементе.

Обе системы могут значительно снизить способность к продольному изгибу расчалки на сжатие, так что она будет меньше, чем способность растяжки на растяжение. Это может означать, что, когда раскосы достигают своей несущей способности, нагрузка вместо этого должна сопротивляться изгибу горизонтального элемента.

Центровые связи обычно используются в сейсмических районах. Это похоже на V-образную связь, но элементы связи не встречаются в центральной точке. Это означает, что в верхнем соединении между ними есть пространство. Элементы связи соединяются с отдельными точками на горизонтальных балках. Это связано с тем, что «связь» между распорками поглощает энергию сейсмической активности за счет пластической деформации. Эксцентриковые одинарные диагонали также можно использовать для крепления рамы.

• Двухосный изгиб.
• Бетонный каркас.
• Бетон и сталь.
• Балка.
• Сетка.
• Косынка.
• Боковые нагрузки.
• Конструкция в предельном состоянии.