СИСТЕМАТИЧЕСКАЯ МЕТОДОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ СБОРНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО КАРКАСА ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПК ЛИРА

Введение: Актуальность, цели и задачи автоматизированного проектирования

Современное промышленное строительство характеризуется высокой скоростью возведения и необходимостью обеспечения максимальной надежности при рациональном расходе материалов, поэтому одноэтажное многопролетное промышленное здание из сборного железобетона остается одним из наиболее востребованных типов сооружений, поскольку оно сочетает унификацию элементов с возможностью адаптации под конкретные технологические процессы. Проектирование таких объектов требует не только глубокого понимания строительной механики и материаловедения, но и строгого следования актуальной нормативной базе Российской Федерации.

Однако сложность пространственной работы многопролетных каркасов, вариативность нагрузок (особенно крановых и динамических) и необходимость оптимизации конструирования превращают ручной расчет в трудоемкий и потенциально рискованный процесс. Именно поэтому автоматизация является не роскошью, а критически важным условием повышения качества проекта.

Целью настоящей методологической инструкции является систематическое описание процедуры разработки конструктивных решений для данного типа зданий. Особое внимание уделяется роли средств автоматизированного проектирования (САЕ/CAD), в частности, программному комплексу ЛИРА, как инструменту, обеспечивающему высокую точность расчетов, учет физической нелинейности железобетона и автоматический подбор армирования в строгом соответствии с требованиями Сводов Правил (СП).

Структура работы построена на логической последовательности, отражающей реальный инженерный процесс: от нормативного обоснования и выбора конструктивной схемы до пошагового создания расчетной модели и анализа результатов в среде автоматизированного комплекса.

Нормативно-методологическая база и принципы расчета конструкций

Ключевым требованием к любому строительному проекту является его соответствие действующим техническим регламентам, которые служат гарантом безопасности и долговечности сооружения. Проектирование несущих конструкций промышленного здания — это, прежде всего, процесс принятия решений, основанных на нормах.

Регламентация проектных работ и выбора решений

Разработка конструктивных решений для производственных зданий строго регламентирована. Основным документом, определяющим объемно-планировочные и конструктивные требования, является СП 56.13330.2021 "Производственные здания. Актуализированная редакция СНиП 31-03-2001". Этот Свод Правил распространяется на проектирование зданий класса функциональной пожарной опасности Ф5.1 и Ф5.2, задавая критерии для обеспечения возможности реконструкции и исключения травматизма в процессе эксплуатации.

Процесс проектирования структурирован и включает несколько обязательных этапов: от составления задания на проектирование и инженерных изысканий до выпуска рабочей документации. Требования к содержанию самой Проектной Документации (ПД) регламентированы Постановлением Правительства РФ от 16.02.2008 № 87. В рамках этого документа критически важным является Раздел 4. "Конструктивные и объемно-планировочные решения", где должны быть детально описаны все принятые конструктивные схемы и обоснование их выбора. Таким образом, конструктор обязан не просто выполнить расчет, но и обеспечить интеграцию конструктивных решений с технологической частью проекта, а также их нормативное оформление.

Расчет по предельным состояниям

Фундаментальным принципом расчета железобетонных конструкций в российской практике является расчет по предельным состояниям, что закреплено в ГОСТ 27751 и детально описано в СП 63.13330.2018 "Бетонные и железобетонные конструкции". Этот подход позволяет обеспечить, чтобы конструкция, во-первых, не разрушилась (несущая способность), а во-вторых, сохранила свои эксплуатационные качества (пригодность к эксплуатации).

Расчетные состояния подразделяются на две основные группы:

1. Первая группа предельных состояний (По несущей способности)

   Эта группа предотвращает катастрофические события и необратимые деформации. Сюда относится предотвращение хрупкого или вязкого разрушения конструкции, потери общей устойчивости здания, устойчивости положения (например, опрокидывания) и усталостного разрушения при многократно повторяющихся нагрузках. На данном этапе расчеты выполняются на максимальные (расчетные) нагрузки, а прочность бетона и арматуры принимается с понижающими коэффициентами надежности по материалу.

2. Вторая группа предельных состояний (По пригодности к нормальной эксплуатации)

   Эта группа гарантирует, что здание будет функционировать должным образом. Основные критерии:

   • Трещиностойкость: Предотвращение образования чрезмерного или продолжительного раскрытия трещин, которое может привести к коррозии арматуры или нарушению герметичности.
   • Деформативность: Предотвращение чрезмерных перемещений (прогибов, углов поворота), которые могут затруднять нормальную эксплуатацию, повреждать не несущие элементы (перегородки, отделку) или нарушать работу технологического оборудования.

ПК ЛИРА позволяет проводить расчеты по обеим группам, при этом для второй группы необходимо учитывать такие сложные факторы, как физическая нелинейность (изменение жесткости сечения после образования трещин) и влияние длительной ползучести бетона, что практически невозможно выполнить вручную с достаточной точностью, следовательно, без специализированного ПО невозможно добиться полной экономической эффективности проекта.

Конструктивные особенности и ограничения сборного железобетонного каркаса

Выбор сборного железобетона для промышленных зданий обусловлен его экономичностью, скоростью монтажа и долговечностью. Однако эти преимущества достигаются при условии строгого соблюдения правил конструирования типовых элементов и узлов.

Элементы каркаса и их типология

Сборный железобетонный каркас представляет собой дискретную систему, состоящую из унифицированных элементов:

• Фундаменты: Чаще всего применяются фундаменты стаканного типа, обеспечивающие жесткую заделку колонн.
• Колонны: Являются ключевыми несущими элементами. Их сечение и конфигурация зависят от наличия и типа транспортного оборудования.
  • Колонны без мостовых кранов: Имеют постоянное сечение по высоте.
  • Колонны с мостовыми кранами: Требуют устройства консолей для опирания подкрановых балок. Такие колонны применяются при грузоподъемности кранов до 20 т.
  • Двухветвевые колонны: Применяются для тяжелых режимов работы или при большой грузоподъемности (до 50 т) и значительной высоте этажа (10,8–18 м), поскольку они обладают повышенной жесткостью и устойчивостью.
• Несущие элементы покрытия: Это могут быть сборные железобетонные фермы или балки (включая пролетные и подстропильные), которые воспринимают нагрузку от покрытия (снеговую, ветровую) и передают ее на колонны.
• Связи: Вертикальные и горизонтальные связи обеспечивают пространственную жесткость каркаса и устойчивость колонн из плоскости рамы.

Конструирование узлов и обеспечение устойчивости

Критическим аспектом в сборном железобетоне является надежность узловых сопряжений, которые обеспечивают монолитность и устойчивость всей системы. В каркасах зданий большой протяженности необходимо предусматривать деформационные (температурно-усадочные) швы для компенсации температурных колебаний и усадки бетона. Конструктивно это решается установкой сдвоенных колонн.

Согласно нормам, например, СП 27.13330.2016, максимальное расстояние между такими швами для отапливаемых сборных и сборно-каркасных одноэтажных железобетонных зданий может быть принято до 72 м без дополнительного расчета, если расчетная зимняя температура наружного воздуха не опускается ниже минус 40 °С. Как иначе можно смоделировать температурно-усадочные напряжения?

Жесткая заделка колонн в фундамент является обязательным условием для обеспечения работы рамы как единой системы. Нижние концы колонн заделываются в стакан фундамента, как правило, на глубину от 0,85 до 1,2 м. Глубина заделки ($h_{з}$) должна быть достаточной для обеспечения жесткости и анкеровки растянутой рабочей арматуры колонны.

Для прямоугольного сечения колонны ($h_{c}$ — высота сечения) глубина заделки чаще всего определяется эмпирическим правилом, основанным на обеспечении жесткой заделки:

hз = (1 ÷ 1.5) · hc

Соединение сборных железобетонных элементов между собой, например, подкрановых балок или ферм с колоннами, осуществляется с помощью сварки или болтовых соединений закладных деталей, с последующим омоноличиванием швов высокопрочным бетоном.

Роль и место средств автоматизации (ПК ЛИРА) в процессе проектирования

Внедрение систем автоматизированного проектирования (САЕ/CAD), таких как ПК ЛИРА, стало неотъемлемым условием для эффективного и безопасного проектирования сложных строительных конструкций. Действительно ли ручные расчеты могут обеспечить необходимый уровень экономической и технической оптимизации?

Функциональные возможности и интеграция

Использование ПК ЛИРА позволяет перейти от трудоемких и упрощенных расчетов к точному моделированию поведения конструкции. Ключевые преимущества автоматизации:

1. Высокая точность и минимизация ошибок: Программный комплекс работает с математической точностью, исключая арифметические ошибки и неточности, присущие ручному счету.
2. Повышение производительности: ЛИРА значительно сокращает время выполнения проекта за счет автоматизации многократно повторяющихся задач, таких как сбор нагрузок, формирование расчетных сочетаний усилий (РСУ) и подбор армирования.
3. Соответствие нормам: Программа содержит актуальную базу данных российских строительных норм и стандартов (СП 63.13330, СП 20.13330), автоматически выполняя проверки по предельным состояниям.

Особое значение имеют конструирующие системы, интегрированные в ЛИРА-САПР (например, КМ-САПР для стальных конструкций или САПФИР-ЖБК для железобетона). Эти модули способны по результатам конечно-элементного расчета формировать рабочие чертежи (РД), включая схемы армирования, спецификации и ведомости элементов, что обеспечивает полную автоматизацию от модели до готового чертежа.

Интеграция с BIM/CAD-системами реализуется через препроцессор САПФИР-КОНСТРУКЦИИ. Это позволяет инженеру создать аналитическую модель (геометрия, сечения, нагрузки) на основе физической BIM-модели (например, из Revit или Tekla) и обеспечить двусторонний обмен данными, что существенно экономит время и исключает ошибки, связанные с повторным вводом данных, что является ключевым для обеспечения высокого качества методического подхода.

Комплексные расчеты

Современное промышленное здание подвергается сложным динамическим и временным воздействиям. ПК ЛИРА предоставляет инструменты для учета этих факторов, выходящие за рамки простого статического анализа:

Тип расчета	Назначение и функционал в ПК ЛИРА
Статический расчет	Определение усилий и перемещений от постоянных и длительных нагрузок. Включает линейный и нелинейный расчет (учет физической нелинейности).
Динамический анализ	Расчет на сейсмические воздействия, ветровые пульсации и крановые нагрузки. Может включать прямое интегрирование уравнений движения для систем с изоляцией или гасителями колебаний.
Расчет устойчивости	Определение критических нагрузок и форм потери устойчивости для предотвращения внезапного разрушения сжатых элементов (колонн).
Модуль ГРУНТ	Использование 3D-модели грунтового массива для точного определения коэффициентов постели (C1, C2) под фундаментами, что критически важно для корректного расчета осадок и взаимодействия каркаса с основанием.
МОНТАЖ-плюс	Моделирование поэтапного возведения конструкций. Позволяет учесть изменение расчетной схемы, накопление деформаций и напряжений на каждом этапе строительства, что особенно важно для многопролетных систем.

Пошаговая методика создания расчетной модели и анализа в ПК ЛИРА

Процесс разработки конструктивных решений с использованием ПК ЛИРА должен быть строго алгоритмизирован, чтобы обеспечить надежность и проверяемость результатов.

Создание геометрии и назначение жесткостей

Первым шагом является создание адекватной конечно-элементной модели.

1. Задание исходных данных и схемы: В ПК ЛИРА (или через препроцессор САПФИР) задается геометрия каркаса. Критически важным является правильный выбор Признака схемы. Для одноэтажного многопролетного промышленного здания, работающего в пространстве, требуется расчет пространственной рамы.
   • Признак схемы "5": Шесть степеней свободы в узле (три линейных перемещения X, Y, Z и три угловых поворота вокруг X, Y, Z). Именно этот признак обеспечивает наиболее полное и точное моделирование пространственной работы каркаса, включая влияние связей и узлов.
2. Назначение жесткостей и материалов: В соответствии с архитектурными решениями и предварительным подбором сечений назначаются жесткостные характеристики колоннам, фермам, балкам и связям.
   • Материалы: Характеристики бетона (класс по прочности B) и арматуры (класс A) задаются в соответствии с СП 63.13330, включая их расчетные сопротивления ($R_{b}$, $R_{s}$) и модули упругости ($E_{b}$, $E_{s}$).

Сбор и задание нагрузок

Определение расчетных нагрузок производится в строгом соответствии с СП 20.13330.2016 "Нагрузки и воздействия". В ЛИРА нагрузки вводятся как сосредоточенные силы, распределенные по стержням, или поверхностные нагрузки, приложенные к плитам покрытия.

Тип нагрузки	Принципы задания в ЛИРА	Нормативная база
Постоянные	Собственный вес конструкций (автоматически), вес кровли, ограждающих конструкций.	СП 20.13330 (п. 5.1)
Снеговая	Равномерно распределенная нагрузка по горизонтальной проекции покрытия. Учитывается неравномерность распределения.	СП 20.13330 (Раздел 10)
Ветровая	Разделяется на статическую (среднюю) и динамическую (пульсационную) составляющие. Прикладывается как поверхностная нагрузка к вертикальным ограждающим конструкциям.	СП 20.13330 (Раздел 11)
Крановая	Вертикальные (давление колес), горизонтальные (торможение вдоль и поперек пролета). Динамические коэффициенты учитываются автоматически.	СП 20.13330 (Раздел 9)

Детализация расчета снеговой нагрузки:

Расчетная снеговая нагрузка ($S$) определяется по формуле:

S = Sg · μ · Ce · Ct

Где:

• $S_{g}$ — нормативное значение веса снегового покрова земли для данного снегового района.
• $\mu$ — коэффициент формы кровли (определяет изменение нагрузки из-за рельефа).
• $C_{e}$ — коэффициент сноса (учитывает возможность сдувания снега ветром; например, $C_{e} < 1.0$ для плоских кровель в ветреных районах).
• $C_{t}$ — термический коэффициент (учитывает тепловой режим здания; например, $C_{t} = 0.9$ для покрытий с положительной температурой, где происходит частичное таяние снега).

Расчетные сочетания и анализ результатов

1. Формирование РСУ: После задания всех видов нагрузок ПК ЛИРА автоматически формирует Расчетные Сочетания Усилий (РСУ), включая комбинации нагрузок по первой и второй группам предельных состояний, используя коэффициенты сочетаний и коэффициенты надежности по нагрузке. Например, комбинация "Постоянная + гололед + $0.6 \cdot$ Ветер" будет автоматически проверена на предмет самого неблагоприятного воздействия.
2. Расчет методом конечных элементов (МКЭ): Расчет выполняется с использованием МКЭ, что позволяет получить эпюры усилий (N, M, Q) для всех элементов каркаса при каждом РСУ.
3. Анализ по второй группе предельных состояний (Деформации и трещиностойкость):

   Ключевое преимущество ЛИРА — способность выполнять расчеты с учетом физической нелинейности. Расчет прогибов и ширины раскрытия трещин ведется на основании кривизны железобетонного элемента, которая определяется по формулам СП 63.13330.

   Полная кривизна элемента на участках с трещинами ($1/r$) определяется с учетом длительной ползучести бетона. ��асчетная жесткость ($D$) определяется для приведенного сечения с учетом физической нелинейности материала.

   Прогиб элемента ($\delta$) в ЛИРА определяется как двойное интегрирование кривизны, зависящей от изгибающего момента ($M$) и изгибной жесткости приведенного сечения ($D_{red}$):

   δ ≈ ∫0L (M / Dred) dx

   При этом, для учета длительной ползучести бетона, жесткость при расчете прогибов на длительную часть нагрузки уменьшается путем введения коэффициента, связанного с коэффициентом ползучести ($1 + \phi_{b,cr}$).

4. Подбор армирования: На основе полученных РСУ и результатов нелинейного расчета, конструирующие модули ПК ЛИРА (например, "Конструктор ЖБК") автоматически подбирают необходимую площадь рабочей арматуры ($A_{s}$) для каждого элемента в соответствии с требованиями по прочности (1-я группа) и трещиностойкости/деформативности (2-я группа).

Заключение

Систематическая методология разработки конструктивных решений для одноэтажного многопролетного промышленного здания из сборного железобетона требует от инженера глубокого синтеза нормативной базы, знаний строительной механики и уверенного владения инструментами автоматизированного проектирования.

Применение программного комплекса ЛИРА трансформирует процесс проектирования из серии приближенных ручных расчетов в высокоточный, оптимизированный анализ.

ПК ЛИРА позволяет не только обеспечить соответствие проекта всем ключевым нормативным требованиям (СП 56.13330.2021, СП 63.13330.2018), но и выполнить комплексные расчеты (динамика, нелинейность, грунт), которые являются критически важными для надежности многопролетных систем.

В рамках инженерного задания, представленная пошаговая методика — от выбора признака схемы "5" и точного сбора нагрузок по СП 20.13330 до анализа результатов с учетом физической нелинейности — гарантирует получение оптимальных и полностью обоснованных конструктивных решений, минимизируя проектные риски и подтверждая высокую квалификацию специалиста, что является залогом долгосрочной эксплуатации сооружения.

Список использованной литературы

1. Барабаш М.С., Гензерский Ю.В., Марченко Д.В., Титок В.П. Лира 9.2. Примеры расчета и проектирования: Учебное пособие. Киев: Факт, 2005. 138 с.
2. Боговис В.Е., Гензерский Ю.В., Гераймович Ю.Д., Куценко А.Н., Марченко Д.В., Медведенко Д.В., Слободян Я.Е., Титок В.П. ЛИРА 9.4. Примеры расчета и проектирования: Учебное пособие. Киев: Факт, 2008. 280 с.
3. Верюжский Ю.В., Колчунов В.И., Барабаш М.С., Гензерский Ю.В. Компьютерные тенологии проектирования железобетонных конструкций: Учебное пособие. Киев: Книжное издательство НАУ, 2006. 808 с.
4. Городецкий А.С., Евзеров И.Д. Компьютерные модели конструкций. 2-е изд., доп. Киев: Факт, 2007. 394 с.
5. Городецкий А.С., Шмуклер В.С., Бондарев А.В. Информационные технологии расчета и проектирования строительных конструкций: Учебное пособие. Харьков: НТУ ХПИ, 2003. 889 с.
6. Стрелец-Стрелецкий Е.Б., Боговис В.Е., Гензерский Ю.В., Гераймович Ю.Д., Марченко Д.В., Титок В.П. ЛИРА 9.4. Руководство пользователя. ОСНОВЫ: Учебное пособие. Киев: ФАКТ, 2008. 164 с.
7. ya.ru.
8. lira-soft.com.
9. cyberleninka.ru.
10. xn--4-9sbodh.xn--p1ai.
11. spokast.ru.
12. studfile.net.
13. cntd.ru.
14. meganorm.ru.
15. vols.expert.
16. roseco.net.
17. gusn.mosreg.ru.
18. lira.land.
19. rflira.ru.
20. bsatu.by.
21. buildingbook.ru.