Структурный анализ и оценка количества стали для пятиэтажного стального каркаса

Ниже приведен структурный анализ и оценка тоннажа стали для описанной пяти-этажной стальной каркасной конструкции.

---

 

 

 

Для проведения значимого анализа нагрузки принимаются следующие разумные допущения (типичные для опорных конструкций легкой промышленности или коммунальных предприятий):

Собственная нагрузка пола (DL): 1,0 кН/м²
(Включает настил, отделку, механическую/электрическую часть, если таковая имеется, а также собственный-вес второстепенных элементов-собственный вес основной балки-будет добавлен отдельно.)

Постоянная нагрузка (LL): 2,0 кН/м²
(Типично для легкого хранения или доступа для технического обслуживания; отрегулируйте, если предполагается другое использование.)

Собственная нагрузка крыши: 0,8 кН/м²

Временная нагрузка на крышу / снеговая нагрузка: 1,0 кН/м²

Ветровая нагрузка: Здесь не распределяется по этажам; боковое сопротивление, компенсируемое распорками (анализируется отдельно).

 

Геометрия залива:

Каждая поперечная рамка1,6 м в ширину.

Продольное расстояние между рамами: 5 пролетов → [5,6 м, 5,6 м, 2,8 м, 5,6 м, 5,6 м].

Таким образом, каждая «панель перекрытия», поддерживаемая главными балками, имеет площадь =.1,6 м × ширина пролета.

Дальние лучи (W10×22)бегатьпродольно, соединяя по 6 поперечных рам на каждом уровне. Таким образом, каждая балка поддерживает половину ширины притока от соседних пролетов-, но поскольку конструкция представляет собой толькоОбщая ширина 1,6 м, существуют эффективнодве краевые балкиопора на всю ширину 1,6 м (или одну центральную балку с консолями). Для простоты мы предполагаемдве продольные балки, каждый несущийШирина притока 0,8 м.

Однако, учитывая небольшую ширину (1,6 м), более практично смоделировать систему пола какодна полоскагде две продольные балки W10×22 действуют каккраевые балкиподдерживающая платформу шириной 1,6 м.

Таким образом,площадь притока на балку на пролет = 0,8 м × длина пролета.

Но длярасчет нагрузки на колонну, мы рассматриваемобщая нагрузка на поперечную раму.

---

 

Каждая поперечная рама (в заданном продольном положении) поддерживает:

Половина площади залива слева + половина площади справа.

Для внутренних рамок (рамы 2–5):

Длина притока=(левый отсек + правый отсек) / 2

Для конечных кадров (Кадр 1 и Кадр 6):

Длина притока=соседнего залива / 2

Рамка #	Левая бухта (м)	Правая бухта (м)	Длина притока (м)	Площадь притока на этаж (м²)=1.6 × Lₜ
1	–	5.6	2.8	4.48
2	5.6	5.6	5.6	8.96
3	5.6	2.8	4.2	6.72
4	2.8	5.6	4.2	6.72
5	5.6	5.6	5.6	8.96
6	5.6	–	2.8	4.48

Примечание: Общая площадь=(4.48 + 8.96 + 6.72 + 6.72 + 8.96 + 4.48) =40.32 m²
Площадь полного плана=1.6 м × 25,2 м =40.32 m²→ ✔️ Последовательный.

---

 

 

Мертвая нагрузка (DL)= 1.0 кН/м²

Динамическая нагрузка (LL)= 2.0 кН/м²

Общая неучтенная нагрузка= 3.0 кН/м²

Рамка #	Площадь (м²)	ДЛ (кН)	LL (кН)	Общая нагрузка на этаж (кН)
1,6	4.48	4.48	8.96	13.44
2,5	8.96	8.96	17.92	26.88
3,4	6.72	6.72	13.44	20.16

Кроме того,собственный-вес главных балокдолжны быть включены в нагрузки на колонну.

W10×22 вес=32.7 кг/м=0.321 кН/м

Каждый кадр соединяется сдва сегмента балки(слева и справа)

Длины сегментов балки=фактические длины пролетов

Пример для кадра 3:

Левый пролет=5.6 м → вес балки=0.321 × 5.6=1.80 кН

Правый пролет=2.8 м → вес балки=0.321 × 2.8=0.90 кН

Общий собственный вес балки-зависит от каркаса 3 ≈(1.80 + 0.90)/2?→ На самом деле,вес балки полностью поддерживается колоннами на концах, поэтому каждый столбец в кадре содержитполовина веса каждой соседней балки.

Таким образом,дополнительная вертикальная нагрузка от балок на раму на этаж:=0.5 × (левый отсек + правый отсек) × 0,321 кН/м

Вычислить для каждого кадра:

Рамка	Соседние бухты (м)	Общая прилегающая длина (м)	Собственная масса балки-(кН)
1	[5.6]	5.6	0.5 × 5.6 × 0.321 = 0.90
2	[5.6, 5.6]	11.2	0.5 × 11.2 × 0.321 = 1.80
3	[5.6, 2.8]	8.4	0.5 × 8.4 × 0.321 = 1.35
4	[2.8, 5.6]	8.4	1.35
5	[5.6, 5.6]	11.2	1.80
6	[5.6]	5.6	0.90

Добавьте это к предыдущим результатам:

 

Общая вертикальная нагрузка на раму типичного этажа (уровни 1–4):

Рамка	Площадь нагрузки (кН)	+ Вес балки (кН)	Всего на этаж (кН)
1,6	13.44	0.90	14.34
2,5	26.88	1.80	28.68
3,4	20.16	1.35	21.51

---

 

 

Крыша DL=0.8 кН/м²

Крыша LL=1.0 кН/м²

Всего=1.8 кН/м²

Нагрузка на крышу-в зависимости от площади на раму:

Рамка	Площадь (м²)	Крыша DL (кН)	Крыша LL (кН)	Итого (кН)
1,6	4.48	3.58	4.48	8.06
2,5	8.96	7.17	8.96	16.13
3,4	6.72	5.38	6.72	12.10

Добавьте тот же собственный-вес балки (балки все еще присутствуют на крыше):

Общая нагрузка на крышу на раму:

Рамка	Нагрузка на крышу (кН)	+ Вес балки (кН)	Общая крыша (кН)
1,6	8.06	0.90	8.96
2,5	16.13	1.80	17.93
3,4	12.10	1.35	13.45

---

 

 

Предполагая, что все этажи идентичны (уровни 1–4), а крыша соответствует уровню 5:

Рамка	Нагрузка/пол (кН)	×4 этажа	Крыша (кН)	Общая нагрузка на колонну (кН)
1,6	14.34	57.36	8.96	66,3 кН
2,5	28.68	114.72	17.93	132,7 кН
3,4	21.51	86.04	13.45	99,5 кН

Примечание: Этонефакторизованные сервисные нагрузки. Для проектирования используйте комбинации LRFD (например, 1.2DL + 1.6LL).

---

 

 

Гравитационные нагрузкипереносят с настила шириной 1,6 м на продольные балки Ш10х22, затем на колонны Ш8х24 на каждом из 6 шпангоутов.

Пиковая осевая нагрузка колонныпроисходит в кадрах 2 и 5 (~133 кН без учета фактора).

Боковая устойчивостьобеспечивается:

Вертикальная распорка X- (L3×3×1/4) как минимум в одном пролете (например, центральном пролете высотой 2,8 м).

Горизонтальные связи (C9×20) на крыше (и, возможно, на других уровнях) для создания диафрагмы боковых сил к раскосам рам.

Структурастатически определен в гравитации, иповедение закрепленного-фреймауправляет боковой реакцией.

Рекомендация: Выполните трехмерный структурный анализ (например, с использованием SAP2000, ETABS или STAAD.Pro) для проверки несущей способности элементов, смещения и сил соединения при комбинированной нагрузке в соответствии с AISC 360 и местными строительными нормами.

---

Конец анализа.

 

Адаптируемые регионы:Чили, Филиппины, Новая Кредония, Тонга, Виргинские острова, остров Реюньон, Перу...

Приложения: Конструктивные элементы для складирования, хранения, логистики, стеллажей для машин и других специальных целей.

Количество историй: 5

Общая высота: 12,2 м → средняя высота этажа=12.2 / 5 ≈ 2,44 м

Ширина здания (короткое направление): 1.6 m

Длина здания (длинное направление): 25.2 m

Пролеты рамы (поперечные рамы): 6 рамок, расположенных на расстоянии [5,6 м, 5,6 м, 2,8 м, 5,6 м, 5,6 м] по длине 25,2 м.
→ Суммарное расстояние между отсеками=5.6 + 5.6 + 2.8 + 5.6 + 5.6=25.2 м (постоянно)

Основные члены:

Колонки: W8×24 (в соответствии с ASTM A992 или эквивалентом)

Главные балки (балки): W10×22

Горизонтальная связь: С9×20 (сечение швеллера)

Вертикальные (этажные) связи: L3×3×1/4 (равный-угол стоек)

 

Конструкция представляет собой момент-сопротивляющуюся раму, боковую стабилизацию с помощью диагональных распорок как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Путь гравитационной нагрузки:
Нагрузки на перекрытие (постоянные + действующие) передаются через систему перекрытий (здесь не подробно описано) на главные балки (W10×22), а затем на колонны (W8×24). Учитывая небольшую ширину (1,6 м), вполне вероятно, что главные балки расположены в поперечном направлении (1,6 м) и поддерживаются колоннами, выровненными вдоль направления 25,2 м. Однако, учитывая типичную практику и назначение членов, более вероятно, что:

главные балки проходят продольно(направление 25,2 м), поддерживаемая поперечными рамами, расположенными через каждые ~5–6 м.

Но при ширине всего 1,6 м это предполагаетодно-узкая конструкция с одним отсеком, возможно, мост, навес или опорная рама для оборудования.

Учитывая геометрию (ширина 1,6 м, длина 25,2 м, высота 12,2 м), это выглядит каклинейная рамка(например, опорная конструкция для инженерных коммуникаций или пешеходной дорожки) с 6 поперечными рамами (шириной 1,6 м каждая), расположенными по длине 25,2 м.

Таким образом:

Каждыйпоперечная рамасостоит из двух колонн (высота=2.44 м на этаж × общая 5=12.2 м) и соединительных балок на каждом уровне.

Дальние лучи(W10×22), скорее всего, будет работатьпродольно, соединяя поперечные рамы на каждом уровне этажа.

Распорка:

Горизонтальное крепление(C9×20) на крыше и, возможно, на промежуточных уровнях для передачи боковых нагрузок на раскосы.

Вертикальные (этажные) связи(L3×3×1/4) в одном или нескольких пролетах для обеспечения боковой жесткости от ветровых/сейсмических нагрузок.

 

 

Вес единицы (из руководства AISC):

Ш8×24: 24 фунта/фута=35.7 кг/м

Ш10×22: 22 фунта/фута=32.7 кг/м

C9×20: 20 фунтов/фут=29.8 кг/м

L3×3×1/4: вес ≈ 4,9 фунта/фута=7.3 кг/м (рассчитано на основе площади ≈ 1,44 кв. дюйма)

---

А. Столбцы

Количество поперечных рамок: 6

Каждый кадр имеет 2 столбца (при условии, что кадр прямоугольный).

Всего столбцов=6 × 2=12

Высота на колонну=12.2 м

Общая длина колонны=12 × 12.2=146.4 м

Вес стали колонны=146.4 м × 35,7 кг/м ≈5226 кг

 

B. Главные балки (продольные балки)

Предполагая, что балки на каждом из 5 уровней пола имеют полную длину 25,2 м, идве балки на уровень(плюс 6 по 1,6 м шириной):

Балки на уровень=2

Уровни=5

Общая длина балки=2 × 5 × 25.2 + 1.6 x 6 x 5=300 м

Вес стали балки=300 м × 32,7 кг/м ≈9810 кг

Примечание. Если в конструкции используется только одна центральная балка или другая конфигурация, отрегулируйте ее соответствующим образом. Это предполагает обрамление периметра.

 

C. Горизонтальная распорка (C9×20)

Обычно устанавливается на уровне крыши и, возможно, на промежуточных этажах. Предполагать:

Один горизонтальный слой связи на крыше (план связи, образующий X или одну диагональ на панель)

Панели между рамами: 5 панелей (между 6 рамами)

Длина по диагонали панели ≈ √(5,6²+ 1.6²) ≈ 5,82 м (для ячеек 5,6 м); для пролета 2,8 м: √(2,8² + 1.6²) ≈ 3,22 м

ПредполагатьX-раскос только в одном отсеке(минимум для остойчивости), например, в центральной бухте длиной 2,8 м:

Диагонали на крыше: 2 × 3.22=6.44 м.

Возможно также на уровне земли или промежуточном уровне: предположим, что 3 уровня с распорками → 3 × 6.44=19.3 м

Общая длина C9×20 ≈ 20 м (консервативный)

Вес=20 м × 29,8 кг/м ≈596 кг

Если на каждом уровне используются полные горизонтальные фермы, количество значительно увеличивается. Это минимальная оценка. на самом деле в каждом отсеке есть горизонтальные распорки, поэтому фактическое использование будет намного больше.

 

D. Вертикальные (этажные) связи (L3×3×1/4)

Предполагатьодин укрепленный отсекпо длине (например, между рамой 3 и 4, поперек пролета шириной 2,8 м) с X-раскосами на каждом этаже.

Этажность=5 → 5 панелей крепления

Высота панели=2.44 м, ширина=2.8 м.

Длина по диагонали панели=√(2,44² + 2.8²) ≈ 3,71 м

Две диагонали на панель (X-раскос) → 2 × 3.71=7.42 м на этаж.

Общая длина=5 × 7.42=37.1 м

Вес=37.1 м × 7,3 кг/м ≈271 кг

Если скреплены несколько отсеков, умножьте их соответствующим образом.

---

 

 

Компонент	Вес (кг)
Колонны (Ш8×24)	5,226
Главные балки (Ш10×22)	9,810
Горизонтальная распорка (C9×20)	596
Вертикальная распорка (L3×3×1/4)	271
Всего (приблизительно)	15 903 кг

≈ 15,9 метрических тонн

Примечание. Сюда не входят соединения, опорные плиты, второстепенные элементы или настил. Фактический вес изготовления может быть на 10–15 % выше из-за деталей подключения и отходов.

---

 

 

Стройность: Колонны W8×24 (d ≈ 8 дюймов, A ≈ 7,08 дюймов²) высотой без раскосов более 12,2 м могут быть тонкими. Коэффициент эффективной длины (K) зависит от конечных условий. При закреплении-прикреплении KL/r может превышать пределы, если не закреплено.Вертикальная фиксация обязательнадля уменьшения эффективной длины столбца.

Пролет луча: Ширина 10×22 более 5,6 м (если балки проходят между рамами в поперечном направлении) подходит для легких нагрузок. Но если балки пролетят непрерывно 25,2 м, прогиб и прочность будут недостаточными,-таким образом, предполагаемая конфигурация (балки в виде продольных поясов между поперечными шпангоутами) является более правдоподобной.

Боковая устойчивость: Обеспечивается комбинацией вертикальных X-распорок (устойчивых к ветру/сейсмике) и горизонтальных распорок (диафрагменного действия).

Предполагаемая нагрузка: без учета конкретных статических/постоянных/ветровых нагрузок, это предварительная оценка. Требуется детальное проектирование по стандарту AISC 360.

---

 

Заключение
Описываемый стальной каркас представляет собой узкий многоэтажный каркас с распорками, расчетный тоннаж стали которого составляетпримерно 15,9 метрических тонн. Конструктивная система опирается на диагональные связи для обеспечения поперечной устойчивости, а размеры элементов кажутся достаточными для легкой---умеренной нагрузки при условии, что правильное крепление уменьшает эффективную длину колонны. Перед началом строительства рекомендуется провести полный структурный анализ, включая сочетания нагрузок, расчет соединений и проверку работоспособности.