Основы проектирования и расчета стальных конструкций большепролетных  зданий

БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ  ЗДАНИЙ

 

 

 

 

Нижний Новгород

2016

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

 

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ  ЗДАНИЙ

 

Утверждено редакционно-издательским советом университета

В качестве учебного пособия

 

 

Нижний Новгород

ННГАСУ

 2016 г.

УДК 624.014 (075.8)

Колесов А.И. Основы проектирования и расчета стальных конструкций большепролетных зданий: учеб. пособие / А.И. Колесов, А.А. Лапшин, Д.А. Морозов, И.А. Ямбаев, Е.А. Кочетова, О.В. Колотов; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н.Новгород: ННГАСУ, 2016. – 132 с.

        

 

Приведен краткий обзор проектирования стальных каркасов и покрытий большепролетных зданий:

– плоских: балочных, рамных, арочных;

– пространственных: оболочек в форме куполов, сводов, двояковыпуклой кривизны, структур;

– висячих: однопоясных гибких и изгибно-жестких, двухпоясных, тросовых ферм и седловидных сеток, комбинированных (стержневые плоские или пространственные в совместной работе с вантами).

Изложены основы выбора КЭ-моделей для статического расчета на ЭВМ, основы конструктивного расчета с указанием формул [15], а также примеров расчета из списка литературы, приведенного в пособии.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 271101.65 по учебной дисциплине С.3.24 «Металлические конструкции высотных и большепролетных зданий и сооружений» как при освоении лекционного курса, так и курсовом проектировании и выборе тем для дипломного проектирования. Пособие может быть также полезно студентам, обучающимся по направлению 08.03.01 «Строительство» (профиль «ПГС»).

 

	ã А.И. Колесов, А.А. Лапшин, Д.А. Морозов, И.А. Ямбаев, Е.А. Кочетова, О.В. Колотов
	ã ННГАСУ, 2016

СОДЕРЖАНИЕ

1.	Историческая справка о проектировании и строительстве большепролетных зданий в металлическом каркасе…………………...	5
2.	Общие вопросы компоновки, проектирования и строительства большепролетных зданий с применением стальных несущих конструкций…………………………………………………………	7
3.	Большепролетные здания с плоскими балочными несущими стальными покрытиями……………………….….………………….	8
4.	Большепролетные здания с плоскими рамными стальными каркасами………………………………………………………..........	17
5.	Большепролетные здания с покрытиями стальными арками……	24
6.	Большепролетные здания с пространственными стержневыми покрытиями в форме куполов………………………………………	31
7.	Большепролетные здания с покрытиями пространственными оболочками нулевой кривизны (однослойные и двухслойные своды)…………………………………………………………………	40
8.	Большепролетные здания с покрытиями пространственными стержневыми оболочками двояковыпуклой кривизны………….	46
9.	Большепролетные здания с покрытиями из плоских пространственных стержневых конструкций…………………………………	57
10.	Большепролетные здания с висячими покрытиями из несущих гибких нитей………………………………………………………..	68
	10.1. О висячих покрытиях В.Г. Шухова………………………...	68
	10.2. Возрождение проектирования и строительства зданий с висячими покрытиями после окончания второй мировой войны. Общая классификация висячих покрытий...…………………….	79
	10.2.1. Группа 1 – однопоясные системы с гибкими нитями……	79
	10.2.2. Группа 2 – однопоясные системы с изгибно-жесткими нитями……………………………………………………………..	86
	10.2.3.Группа 3 – двухпоясные висячие покрытия зданий…….	87
	10.2.4. Группа 4 – большепролетные здания с покрытиями из тросовых ферм…………………………………….......................	95
	10.2.5. Группа 5 – висячие покрытия большепролетных зданий седловидными напряженными сетками………………………….	95
	10.2.6. Группа 6 – здания с комбинированными несущими конструкциями покрытий (стержневые балки или фермы и ванты)	97
	10.2.7. Группа 7 – большепролетные здания с покрытиями из висячих мембранных оболочек……………….……………………...	100
11.	Основы статического и конструктивного расчетов покрытий большепролетных зданий ………………………………….………	108
	11.1. Общие рекомендации………………………………………..	108
	11.2. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов балочных, рамных и арочных конструкций……………..	110
	11.3. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов купольных конструкций…………………………………..	113
	11.4. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов сводов………………………………………………………	116
	11.5. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов стержневых оболочек двояковыпуклой кривизны……..	123
	11.6. Основы и особенности аналитического и конструктивного расчетов плоских пространственных стержневых конструкций («структур»)…………………………………………………………..	126
	11.7. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов покрытий с гибкими висячими нитями и вантами……	127
	11.8. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов висячих мембранных оболочек…………………………..	128
	Список литературы………………….……………………………..	129

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О ПРОЕКТИРОВАНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ В МЕТАЛЛИЧЕСКОМ КАРКАСЕ

В рамках специальности 271101.65 «Строительство уникальных зданий и сооружений» [1] специализация №1 предусматривает проектирование и строительство высотных и большепролетных уникальных зданий и сооружений.

Согласно [2] к уникальным объектам относятся объекты капитального строительства, в проектной документации которых предусмотрена хотя бы одна из следующих характеристик (в редакции Федерального закона    № 337-ФЗ от 28.11.2011):

– высота > 100 м;

– пролеты > 100 м;

– наличие консоли > 20 м;

– заглубление подземной части ниже планировочной отметки земли > 15 м.

В части уникальных объектов пролетами > 100 м, видимо, целесообразно деление на:

– большепролетные здания, имеющие замкнутый контур;

– большепролетные сооружения – открытые полностью или полузакрытые каркасные объекты.

В настоящем учебном пособии рассмотрены большепролетные здания, которые в части уникальности могут быть пролетами как м, так и м. При этом их уникальность может быть в форме разового неповторяемого здания в зависимости от примененных материалов, конструкций, технологического или функционального назначений, специальных расчетов и исследований [18, c. 13].

В историческом плане началу развития проектирования и строительства большепролетных зданий послужил накопленный опыт строительства мостов. В распространении этого опыта на металлические конструкции промышленных, гражданских и общественных зданий внесли вклад       Ф.С. Ясинский, В.Г. Шухов, И.П. Прокофьев [3] и другие выдающиеся ученые и проектировщики того времени.

Так, в конце XIX в. стали применять рамно-арочные конструкции, которые наибольшего совершенства достигли в конструкциях дебаркадера Киевского вокзала в Москве пролетом» 48 м (рук. проекта В.Г. Шухов). Ф.С. Ясинский разработал большепролетные складчатые конструкции покрытий зданий. И.П. Прокофьев, используя накопленный опыт по строительству мостов, запроектировал ряд уникальных по тому временибольшепролетных покрытий (Мурманские и Перовские мастерские Московско-Казанской железной дороги, Московский почтамт, дебаркадер Казанского вокзала в Москве).

К концу 40-х годов XX в. существенно расширилась номенклатура металлических конструкций и многообразие их конструктивных форм. Задачи по проектированию металлических конструкций решались усилиями ведущих проектных, научных и производственных коллективов:    ЦНИИПСК, Промстройпроект, ЦНИИСК с привлечением вузовских коллективов. Сформировалась советская школа проектирования, которая приближала конструктивные схемы к условиям эксплуатации и требованиям высоких темпов строительства. Большой вклад в развитие советской школы металлических конструкций внесли выдающиеся ученые и проектировщики: Н.С. Стрелецкий, Н.П. Мельников и др.

В 50…70-е годы XX в. строительство большепролетных зданий в металлическом каркасе развивалось с соблюдением основных принципов: экономия стали, упрощение изготовления и ускорение монтажа. Были построены такие уникальные промышленные здания, как сборочный цех для судостроительного эллинга (рис. 4.5), пролетом 120 м с многоопорными кранами [3], подвешенными к стропильно-подкрановым фермам на  отм. +56 м. Из зданий общественного и спортивного назначения можно выделить большепролетные выставочные павильоны в Москве, дворец спорта в Лужниках, спортивные здания с уникальными пролетами и конструкциями к олимпиаде 1980 г.

Сформировался метод расчета стальных и других конструкций по предельным состояниям.

Металлические конструкции применяются сегодня во всех видах зданий и инженерных сооружений, особенно если необходимы значительные пролеты и сжатые сроки возведения зданий. Потребность в металлических конструкциях чрезвычайно велика (олимпиада в Сочи 2014 г., Международные спортивные мероприятия в Казани, подготовка к чемпионату мира по футболу в 2018 г.).

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОМПОНОВКИ, ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ  СТАЛЬНЫХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Как отмечено в [3; 18], большепролетными зданиями принято называть здания, пролет которых равен или превышает 42 м (заметим, что типовые пролеты ограничены в 36 м). Большие пролеты имеют здания общественного назначения, в которых скапливается большое число людей. К таким зданиям можно отнести: стадионы (крытые), спортивные залы, спортивные манежи, концертные залы, выставочные павильоны, крытые рынки, вокзалы. Здания промышленного назначения с большими пролетами строят для технологических процессов, выпускающих весьма крупную продукцию: судостроительные эллинги, авиасборочные цеха, экспериментальные испытательные лаборатории, - или предназначены для хранения и текущего ремонта такой продукции: ангары, троллейбусные парки и т.п.

Требования к несущим конструкциям большепролетных зданий существенно зависят от назначения здания: для общественных зданий, строящихся в центральной части города, доминируют архитектурно-композиционные требования; для зданий промышленного назначения основные требования определяются технологией производства.

Общее сходство большепролетных зданий в их уникальности: они не являются объектами массового строительства, для них применяются индивидуальные архитектурные и конструктивные решения.

Разнообразие функционального и технологического назначения большепролетных зданий обусловило применение в них металлических конструкций разных конструктивных схем (систем): балочных, рамных, арочных, висячих и т.п. Для повышения их эффективности применяют предварительные напряжения. Выбор конструктивного решения в каждом конкретном случае делают на основе вариантного проектирования, сравнения технико-экономических показателей, оценки архитектурно-композиционных достоинств вариантов с целью выбора наиболее рационального решения из рассмотренных. Для значительной части большепролетных зданий основной нагрузкой является собственный вес несущих и ограждающих конструкций покрытия. Снижение этой нагрузки уменьшает усилия в ее элементах, материалоемкость самой конструкции покрытия и нагрузку на колонны и фундаменты каркаса. Поэтому применение высокопрочных сталей и легких кровельных конструкций дает существенную экономию в силу эффекта обратной связи [3].

Различают большепролетные здания с плоскими несущими конструкциями стального каркаса, к которым относят: балочные, рамные, арочные, висячие-плоские; и с пространственными несущими конструкциями стального каркаса, к которым относят: структуры – плоские, своды – цилиндрические, оболочки – стержневые (сетчатые), оболочки – мембранные, купола, висячие – пространственные.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федеральный государственный образовательный стандарт ВПО по специальности 271101.65 «Строительство уникальных зданий и сооружений» [Электронный ресурс]: утв. М-вом образования и науки России 24.12.2010 № 2055: [ред. от 31.05.2011]. – Режим доступа: Консультант-Плюс. Законодательство. ВерсияПроф.

2. Градостроительный кодекс Российской Федерации [Электронный ресурс]: [федер. закон Рос. Федерации от 29.12.2004 № 190-ФЗ]: [ред. от 19.10.2015]. – Режим доступа: КонсультантПлюс. Законодательство. ВерсияПроф.

3. Металлические конструкции: учебник для студентов высш. учеб. заведений / Ю. И. Кудишин, Е. И. Беленя, В. С. Игнатьев [и др.]; под ред. Ю. И. Кудишина. – 9-е изд. cтер. – Москва: Академия, 2007. – 688 с.

4. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 3. Специальные конструкции и сооружения: учеб. для строит. вузов / под ред. В. В. Горева. – Москва: Высш. шк., 1999. – 544 с.: ил.

5. Металлические конструкции: спец. курс: учеб. пособие для строит. вузов / Е. И. Беленя, Н. С. Стрелецкий, Г. С. Ведеников [и др.]; под ред.   Е. И. Беленя. – 3-е изд., перераб. и доп. – Москва: Стройиздат, 1991. – 687 с.

6. Файбишенко, В. К. Металлические конструкции: учеб. пособие для вузов / В. К. Файбишенко. – Москва: Стройиздат, 1984. – 336 с.: ил.

7. Кирсанов, Н. М. Висячие и вантовые конструкции: учеб. пособие для вузов / Н. М. Кирсанов. – Москва: Стройиздат, 1981. – 158 с.: ил.

8. Трофимов, В. И. Легкие металлические конструкции зданий и сооружений: учеб. пособие / В. И. Трофимов, А. М. Каминский. – Москва: АСВ, 2002. – 576 с.

9. Кутухтин, Е. Г. Легкие конструкции одноэтажных производственных зданий / Е. Г. Кутухтин, В. М. Спиридонов, Ю. М. Хромец [и др.]. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва: Стройиздат, 1988. – 263 с.: ил. – (Справочник проектировщика).

10. Металлические конструкции: учеб. для строит. вузов. В 3 т. Т. 2. Конструкции зданий / В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов [и др.]; под ред. В. В. Горева. – Москва: Высш. шк., 1999. – 528 с.: ил.

11. Петропавловская, И. А. Летопись инженерной и научной деятельности почетного академика В.Г. Шухова / И. А. Петропавловская; отв. ред. Ю. М. Батурин; Ин-т истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова РАН; комиссия РАН по разработке научного наследия почет. акад. В. Г. Шухова; Междунар. Шухов. фонд. – Москва: Фестпартнер, 2014. – 416 с.

12. Трущев, А. Г. Пространственные металлические конструкции: учеб. пособие для вузов / А. Г. Трущев. – Москва: Стройиздат, 1983. – 215 с.: ил.

13. Металличекие конструкции: учеб. для вузов / под общ. ред. Е. И. Беленя. – Изд. 4-е, перераб. – Москва: Стройиздат, 1973. – 688 с.

14. Металлические конструкции. Спец. курс: учеб. пособие для вузов / Е. И. Беленя, Н. Н. Стрелецкий, Г. С. Ведеников [и др.]; под общ. ред. Е. И. Беленя. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва: Стройиздат, 1982. –    472 с.

15. СП 16.13330 – 2011. Стальные конструкции: актуализир. ред. СНиП II-23-81*: утв. 27.12.10: введ. в д. 20.05.2011 / Минрегион России. – Изд. офиц., актуализир. ред. – Москва: ЦПП, 2011. – 172 с.: ил.

16. ГОСТ 27751-2014. Межгосударственный стандарт. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения [Электронный ресурс]. – Введ. 11.12.14. – Режим доступа: КонсультантПлюс. Технические нормы и правила. Строительство.

17. Металлические конструкции: учеб. для строит. вузов. В 3 т. Т. 1. Элементы стальных конструкций / В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов [и др.]; под ред. В. В. Горева. – Москва: Высш. шк., 1997. – 527 с.: ил.

18. Еремеев, П. Г. Современные стальные конструкции большепролетных покрытий уникальных зданий и сооружений: монография / П. Г. Еремеев. – Москва: АСВ, 2009. – 336 с.: ил.

19. Проектирование металлических мостов / Е. Е. Гибшман. – Москва: ТРАНСПОРТ, 1969. – 416 с.

20. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. В 2 кн. Кн.1 / под ред. А. А. Уманского. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – Москва: Стройиздат, 1972. – 600 с.

21. Расчет стальных конструкций: справ. пособие / Я. М. Лихтарников, Д. В. Ладыженский, В. М. Клыков. – 2-е изд. перераб. и доп. – Киев: Будивельник, 1984. – 368 с.

22. Москалев, Н. С. Конструкции висячих покрытий / Н. С. Москалев. –Москва: Стройиздат, 1980. – 331 с.: ил.

23. Металлические конструкции. Специальный курс / под общ. ред. Н. С. Стрелецкого. – Москва: Стройиздат, 1965. – 367 с.

24. Еремеев, П. Г. Справочник по проектированию современных металлических конструкций большепролетных покрытий / П. Г. Еремеев. – Справ. изд. – Москва: АСВ, 2011. – 256 с.

25. Колесов, А. И. Металлические висячие мембраны-оболочки: учеб. пособие для вузов / А. И. Колесов, А. А. Лапшин, Д. А. Морозов. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2015. – 57 с.

26. СП 20.13330.2011. – Нагрузки и воздействия: актуализир. ред. СНиП 2.01.07–85* / Минрегион России. – Изд. офиц., актуализир. ред. – Москва: ЦПП, 2011. – 78 с.

27. Катюшин, В. В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, строительство) / В. В. Катюшин. – Москва: Стройиздат, 2005. – 656 с.: ил.

Колесов Александр Иванович

Лапшин Андрей Александрович

Морозов Дмитрий Александрович

Ямбаев Иван Анатольевич

Кочетова Елена Анатольевна

Колотов Олег Васильевич

 

Учебное пособие

 

Редактор Фетюкова Д.М.

 

 

Подписано в печать____________, бумага газетная, формат ___________,  печать____________. Уч.изд.л._______      Усл. печ.л.______      Тираж 150 экз.         Заказ № _____.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

 «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»  603950, г. Нижний Новгород, ул.Ильинская, 65.

Полиграфцентр ННГАСУ, 603950, г. Нижний Новгород, ул.Ильинская, 65

БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ  ЗДАНИЙ

 

 

 

 

Нижний Новгород

2016

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

 

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ  ЗДАНИЙ

 

Утверждено редакционно-издательским советом университета

В качестве учебного пособия

 

 

Нижний Новгород

ННГАСУ

 2016 г.

УДК 624.014 (075.8)

Колесов А.И. Основы проектирования и расчета стальных конструкций большепролетных зданий: учеб. пособие / А.И. Колесов, А.А. Лапшин, Д.А. Морозов, И.А. Ямбаев, Е.А. Кочетова, О.В. Колотов; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н.Новгород: ННГАСУ, 2016. – 132 с.

        

 

Приведен краткий обзор проектирования стальных каркасов и покрытий большепролетных зданий:

– плоских: балочных, рамных, арочных;

– пространственных: оболочек в форме куполов, сводов, двояковыпуклой кривизны, структур;

– висячих: однопоясных гибких и изгибно-жестких, двухпоясных, тросовых ферм и седловидных сеток, комбинированных (стержневые плоские или пространственные в совместной работе с вантами).

Изложены основы выбора КЭ-моделей для статического расчета на ЭВМ, основы конструктивного расчета с указанием формул [15], а также примеров расчета из списка литературы, приведенного в пособии.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 271101.65 по учебной дисциплине С.3.24 «Металлические конструкции высотных и большепролетных зданий и сооружений» как при освоении лекционного курса, так и курсовом проектировании и выборе тем для дипломного проектирования. Пособие может быть также полезно студентам, обучающимся по направлению 08.03.01 «Строительство» (профиль «ПГС»).

 

	ã А.И. Колесов, А.А. Лапшин, Д.А. Морозов, И.А. Ямбаев, Е.А. Кочетова, О.В. Колотов
	ã ННГАСУ, 2016

СОДЕРЖАНИЕ

1.	Историческая справка о проектировании и строительстве большепролетных зданий в металлическом каркасе…………………...	5
2.	Общие вопросы компоновки, проектирования и строительства большепролетных зданий с применением стальных несущих конструкций…………………………………………………………	7
3.	Большепролетные здания с плоскими балочными несущими стальными покрытиями……………………….….………………….	8
4.	Большепролетные здания с плоскими рамными стальными каркасами………………………………………………………..........	17
5.	Большепролетные здания с покрытиями стальными арками……	24
6.	Большепролетные здания с пространственными стержневыми покрытиями в форме куполов………………………………………	31
7.	Большепролетные здания с покрытиями пространственными оболочками нулевой кривизны (однослойные и двухслойные своды)…………………………………………………………………	40
8.	Большепролетные здания с покрытиями пространственными стержневыми оболочками двояковыпуклой кривизны………….	46
9.	Большепролетные здания с покрытиями из плоских пространственных стержневых конструкций…………………………………	57
10.	Большепролетные здания с висячими покрытиями из несущих гибких нитей………………………………………………………..	68
	10.1. О висячих покрытиях В.Г. Шухова………………………...	68
	10.2. Возрождение проектирования и строительства зданий с висячими покрытиями после окончания второй мировой войны. Общая классификация висячих покрытий...…………………….	79
	10.2.1. Группа 1 – однопоясные системы с гибкими нитями……	79
	10.2.2. Группа 2 – однопоясные системы с изгибно-жесткими нитями……………………………………………………………..	86
	10.2.3.Группа 3 – двухпоясные висячие покрытия зданий…….	87
	10.2.4. Группа 4 – большепролетные здания с покрытиями из тросовых ферм…………………………………….......................	95
	10.2.5. Группа 5 – висячие покрытия большепролетных зданий седловидными напряженными сетками………………………….	95
	10.2.6. Группа 6 – здания с комбинированными несущими конструкциями покрытий (стержневые балки или фермы и ванты)	97
	10.2.7. Группа 7 – большепролетные здания с покрытиями из висячих мембранных оболочек……………….……………………...	100
11.	Основы статического и конструктивного расчетов покрытий большепролетных зданий ………………………………….………	108
	11.1. Общие рекомендации………………………………………..	108
	11.2. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов балочных, рамных и арочных конструкций……………..	110
	11.3. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов купольных конструкций…………………………………..	113
	11.4. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов сводов………………………………………………………	116
	11.5. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов стержневых оболочек двояковыпуклой кривизны……..	123
	11.6. Основы и особенности аналитического и конструктивного расчетов плоских пространственных стержневых конструкций («структур»)…………………………………………………………..	126
	11.7. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов покрытий с гибкими висячими нитями и вантами……	127
	11.8. Основы и особенности статического и конструктивного расчетов висячих мембранных оболочек…………………………..	128
	Список литературы………………….……………………………..	129

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О ПРОЕКТИРОВАНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ В МЕТАЛЛИЧЕСКОМ КАРКАСЕ

В рамках специальности 271101.65 «Строительство уникальных зданий и сооружений» [1] специализация №1 предусматривает проектирование и строительство высотных и большепролетных уникальных зданий и сооружений.

Согласно [2] к уникальным объектам относятся объекты капитального строительства, в проектной документации которых предусмотрена хотя бы одна из следующих характеристик (в редакции Федерального закона    № 337-ФЗ от 28.11.2011):

– высота > 100 м;

– пролеты > 100 м;

– наличие консоли > 20 м;

– заглубление подземной части ниже планировочной отметки земли > 15 м.

В части уникальных объектов пролетами > 100 м, видимо, целесообразно деление на:

– большепролетные здания, имеющие замкнутый контур;

– большепролетные сооружения – открытые полностью или полузакрытые каркасные объекты.

В настоящем учебном пособии рассмотрены большепролетные здания, которые в части уникальности могут быть пролетами как м, так и м. При этом их уникальность может быть в форме разового неповторяемого здания в зависимости от примененных материалов, конструкций, технологического или функционального назначений, специальных расчетов и исследований [18, c. 13].

В историческом плане началу развития проектирования и строительства большепролетных зданий послужил накопленный опыт строительства мостов. В распространении этого опыта на металлические конструкции промышленных, гражданских и общественных зданий внесли вклад       Ф.С. Ясинский, В.Г. Шухов, И.П. Прокофьев [3] и другие выдающиеся ученые и проектировщики того времени.

Так, в конце XIX в. стали применять рамно-арочные конструкции, которые наибольшего совершенства достигли в конструкциях дебаркадера Киевского вокзала в Москве пролетом» 48 м (рук. проекта В.Г. Шухов). Ф.С. Ясинский разработал большепролетные складчатые конструкции покрытий зданий. И.П. Прокофьев, используя накопленный опыт по строительству мостов, запроектировал ряд уникальных по тому временибольшепролетных покрытий (Мурманские и Перовские мастерские Московско-Казанской железной дороги, Московский почтамт, дебаркадер Казанского вокзала в Москве).

К концу 40-х годов XX в. существенно расширилась номенклатура металлических конструкций и многообразие их конструктивных форм. Задачи по проектированию металлических конструкций решались усилиями ведущих проектных, научных и производственных коллективов:    ЦНИИПСК, Промстройпроект, ЦНИИСК с привлечением вузовских коллективов. Сформировалась советская школа проектирования, которая приближала конструктивные схемы к условиям эксплуатации и требованиям высоких темпов строительства. Большой вклад в развитие советской школы металлических конструкций внесли выдающиеся ученые и проектировщики: Н.С. Стрелецкий, Н.П. Мельников и др.

В 50…70-е годы XX в. строительство большепролетных зданий в металлическом каркасе развивалось с соблюдением основных принципов: экономия стали, упрощение изготовления и ускорение монтажа. Были построены такие уникальные промышленные здания, как сборочный цех для судостроительного эллинга (рис. 4.5), пролетом 120 м с многоопорными кранами [3], подвешенными к стропильно-подкрановым фермам на  отм. +56 м. Из зданий общественного и спортивного назначения можно выделить большепролетные выставочные павильоны в Москве, дворец спорта в Лужниках, спортивные здания с уникальными пролетами и конструкциями к олимпиаде 1980 г.

Сформировался метод расчета стальных и других конструкций по предельным состояниям.

Металлические конструкции применяются сегодня во всех видах зданий и инженерных сооружений, особенно если необходимы значительные пролеты и сжатые сроки возведения зданий. Потребность в металлических конструкциях чрезвычайно велика (олимпиада в Сочи 2014 г., Международные спортивные мероприятия в Казани, подготовка к чемпионату мира по футболу в 2018 г.).

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОМПОНОВКИ, ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ  СТАЛЬНЫХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Как отмечено в [3; 18], большепролетными зданиями принято называть здания, пролет которых равен или превышает 42 м (заметим, что типовые пролеты ограничены в 36 м). Большие пролеты имеют здания общественного назначения, в которых скапливается большое число людей. К таким зданиям можно отнести: стадионы (крытые), спортивные залы, спортивные манежи, концертные залы, выставочные павильоны, крытые рынки, вокзалы. Здания промышленного назначения с большими пролетами строят для технологических процессов, выпускающих весьма крупную продукцию: судостроительные эллинги, авиасборочные цеха, экспериментальные испытательные лаборатории, - или предназначены для хранения и текущего ремонта такой продукции: ангары, троллейбусные парки и т.п.

Требования к несущим конструкциям большепролетных зданий существенно зависят от назначения здания: для общественных зданий, строящихся в центральной части города, доминируют архитектурно-композиционные требования; для зданий промышленного назначения основные требования определяются технологией производства.

Общее сходство большепролетных зданий в их уникальности: они не являются объектами массового строительства, для них применяются индивидуальные архитектурные и конструктивные решения.

Разнообразие функционального и технологического назначения большепролетных зданий обусловило применение в них металлических конструкций разных конструктивных схем (систем): балочных, рамных, арочных, висячих и т.п. Для повышения их эффективности применяют предварительные напряжения. Выбор конструктивного решения в каждом конкретном случае делают на основе вариантного проектирования, сравнения технико-экономических показателей, оценки архитектурно-композиционных достоинств вариантов с целью выбора наиболее рационального решения из рассмотренных. Для значительной части большепролетных зданий основной нагрузкой является собственный вес несущих и ограждающих конструкций покрытия. Снижение этой нагрузки уменьшает усилия в ее элементах, материалоемкость самой конструкции покрытия и нагрузку на колонны и фундаменты каркаса. Поэтому применение высокопрочных сталей и легких кровельных конструкций дает существенную экономию в силу эффекта обратной связи [3].

Различают большепролетные здания с плоскими несущими конструкциями стального каркаса, к которым относят: балочные, рамные, арочные, висячие-плоские; и с пространственными несущими конструкциями стального каркаса, к которым относят: структуры – плоские, своды – цилиндрические, оболочки – стержневые (сетчатые), оболочки – мембранные, купола, висячие – пространственные.