Проектирование и расчет металлических конструкций, включая сварку. Часть 2. Проектирование и расчет металлических конструкций одноэтажного производственного здания

УДК 624.014 
ББК 38.54 
 
О-56 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор В.А. Огурцов,  
заведующий кафедры Промышленного и гражданского строительства 
Института архитектуры строительства и транспорта ФГБОУ ВО «ИВГПУ»; 
кандидат технических наук, доцент А.Н. Лопатин, 
доцент кафедры Промышленного и гражданского строительства 
Института архитектуры строительства и транспорта ФГБОУ ВО «ИВГПУ»; 
кандидат технических наук, доцент В.П. Вершинин, 
доцент кафедры металлических и деревянных конструкций НИУ МГСУ 
Ольфати, Р.С. 
О-56  
Проектирование и расчет металлических конструкций, включая сварку : [учебное пособие 
для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 Строительство и 08.05.01 Строительство уникальных зданий и сооружений]. В 2 частях / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный 
строительный университет, кафедра металлических и деревянных конструкций. — Москва : 
МГСУ, 2013— . 
ISBN 978-5-7265-0695-4. 
Часть 2. Проектирование и расчет металлических конструкций одноэтажного производственного здания [Электронный ресурс] / Р.С. Ольфати, И.М. Гаранжа. — Электрон. дан. и 
прогр. (6 Мб). Москва : Издательство МИСИ – МГСУ,  2020. —   Режим доступа: 
http://lib.mgsu.ru/Scripts/irbis64r_91/cgiirbis_64.exe?C21COM=F&I21DBN=IBIS&P21DBN=IBIS&
S21CNR=20&Z21ID=. — Загл. с титул. экрана. 
ISBN 978-5-7264-2130-8 (сетевое) (ч. 2) 
ISBN 978-5-7264-2129-2 (локальное) (ч. 2) 
 
Во второй части учебного пособия основные теоретические аспекты проектирования и общая характеристика металлических конструкций каркасов одноэтажных производственных зданий с мостовыми 
кранами. Показаны способы определения нагрузок на раму производственного здания согласно действующим нормативным документам. Рассмотрены принципы размещения колонн здания в плане, компоновки поперечной П-образной симметричной рамы и размещения системы связей. Приведены основные 
конструктивные решения несущих элементов каркаса (стропильных ферм покрытия, кровельных прогонов, сжато-изгибаемых колонн, подкрановой балки и тормозной системы), элементов фахверка, и их узлов, а также принципы их расчѐта и конструирования. 
Для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 Строительство и 08.05.01 Строительство 
уникальных зданий и сооружений. 
Учебное электронное издание 
© Национальный исследовательский 
Московский государственный 
строительный университет, 2020 

Редактор, корректор А.А. Космина 
Компьютерная верстка В.В. Дѐмкина 
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано: 
Microsoft Word 2013, ПО Adobe Acrobat 
Подписано к использованию 17.01.2020 г. Объем данных 6 Мб.  
 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования  
«Национальный исследовательский  
Московский государственный строительный университет» 
129337, Москва, Ярославское ш., 26 
Издательство МИСИ – МГСУ  
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95, 
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru 

ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КАРКАСОВ 
-
ОДНОЭТАЖНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ.
................................................................................   5
1.1. Общая характеристика каркасов производственных зданий.
......................................................................   5
1.2. Состав каркаса..................................................................................................................................................   6
1.3. Крановое оборудование...................................................................................................................................   8
1.4. Виды сопряжения элементов каркаса............................................................................................................   9
1.5. Действительная работа каркаса под нагрузкой............................................................................................. 12
1.6. Размещение колонн в плане............................................................................................................................ 14
1.7. Компоновка поперечной рамы (П-образной симметричной)...................................................................... 16
1.8. Связи каркаса.................................................................................................................................................... 19
1.9. Фахверк и конструкции заполнения проёмов............................................................................................... 22
1.10. Нагрузки на раму.
........................................................................................................................................... 24
1.11. Учёт пространственной работы каркаса при расчёте поперечных рам.
................................................... 37
1.12. Особенности расчёта рам при различных нагрузках................................................................................. 40
1.13. Проверка жёсткости поперечных рам.......................................................................................................... 40
1.14. Определение расчётных усилий в элементах рамы.
................................................................................... 40
2. КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЯ.
............................................................................................................................. 42
2.2. Фермы................................................................................................................................................................ 45
2.3. Действительная работа ферм.......................................................................................................................... 54
3. КОЛОННЫ............................................................................................................................................................... 56
3.1. Типы колонн.
..................................................................................................................................................... 56
3.2. Расчётные длины колонн................................................................................................................................. 56
3.4. Расчёт решётчатой нижней части колонны................................................................................................... 60
3.5. Узлы колонн...................................................................................................................................................... 64
4. ПОДКРАНОВЫЕ БАЛКИ.
...................................................................................................................................... 70
4.1. Характеристика подкрановых конструкций.................................................................................................. 70
4.2. Конструктивные решения.
............................................................................................................................... 70
4.3. Нагрузки на подкрановые балки.
.................................................................................................................... 71
4.4. Определение расчётных усилий в подкрановых балках.............................................................................. 72
4.5. Подбор сечения подкрановых балок.............................................................................................................. 78
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................................................................................ 80

1. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КАРКАСОВ 
-
ОДНОЭТАЖНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ
1.1. Общая характеристика каркасов производственных зданий
Современные производства размещаются в многоэтажных и одноэтажных зданиях, схемы и конструкции которых достаточно многообразны. 
По числу пролётов одноэтажные здания подразделяются на однопролётные и многопролётные (с 
пролётами одинаковой и разной высоты). 
Ограждающие конструкции, защищающие помещение от влияния внешней среды, пути внутрицехового транспорта, различные площадки, лестницы, трубопроводы и другое технологическое оборудование крепятся к каркасу здания. 
Каркас, т.е. комплекс несущих конструкций, воспринимающий и передающий на фундаменты 
нагрузки от массы ограждающих конструкций, технологического оборудования, атмосферные нагрузки и воздействия, нагрузки от внутрицехового транспорта (мостовые, подвесные, консольные 
краны), температурные технологические воздействия, может быть из железобетона, смешанным 
(т.е. частично — из железобетона, частично — из стали) и стальным. Выбор материала каркаса является важной технико-экономической задачей. 
Пример конструктивной схемы стального каркаса двухпролётного производственного здания показан на рис. 1.1.
По виду внутрицехового транспорта здания подразделяются на бескрановые, с мостовыми кранами, подвесными кранами, подвесными конвейерами. Выбор вида транспорта определяется массой грузов и траекториями их перемещения. 
Рис. 1.1. Конструктивная схема каркаса двухпролётного производственного здания:
1 — колонны; 2 — стропильные фермы; 3 — подкрановые балки; 
4 — светоаэрационные фонари; 5 — связи между колоннами
При стабильных, многократно повторяющихся траекториях наиболее удобны наземные и подвесные конвейеры. Для перемещения грузов с большой массой по разнообразным траекториям более целесообразными оказываются мостовые и подвесные краны, с помощью которых груз может 
быть доставлен в любую точку цеха. Такие же перемещения могут обеспечивать козловые и полукозловые краны, но их применение требует исключения части площади цеха из технологического 
процесса в целях безопасной эксплуатации. 
Многие современные производственные здания характеризуются большими пролётами, большой высотой помещений, большими нагрузками от мостовых кранов. Например, конверторный цех 
(с тремя конверторами объёмом 400 м3) занимает площадь около 3 га и представляет собой многопролётное многоэтажное здание с пролётами шириной 15–30 м и высотой до 80 м. Здание оборудовано мостовыми кранами грузоподъёмностью до 450 т. В машиностроительной промышленности 
есть здания высотой 40–60 м с мостовыми кранами грузоподъёмностью до 1200 т.
Конструкция здания должна полностью удовлетворять назначению сооружения, быть надёжной, 
долговечной и экономичной.
5

В промышленных зданиях по сравнению с другими наиболее существенно влияние технологии 
производства на конструктивную схему каркаса, поэтому конструктивная форма часто полностью 
определяется габаритными размерами и расположением оборудования, внутрицеховым транспортом, путями перемещения деталей и готовой продукции. Технологии производства различной продукции весьма разнообразны, а эксплуатационные требования почти всегда конкретны, специфичны именно для данного производства. Однако некоторые требования являются общими для всех 
производств. Это:
•
• удобство обслуживания и ремонта производственного оборудования, что требует соответствующего расположения колонн, подкрановых путей, связей и других элементов каркаса;
•
• нормальная эксплуатация кранового оборудования и других подъёмных механизмов, включая 
доступность его осмотра и ремонта; 
•
• необходимые условия аэрации и освещения зданий;
•
• долговечность конструкций, которая зависит, в основном, от степени агрессивности внутрицеховой среды;
•
• относительная безопасность при пожарах и взрывах.
1.2. Состав каркаса
Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проектируются так, что несущая способность и жёсткость поперёк здания обеспечивается поперечными рамами, а вдоль — продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями. 
Поперечные рамы каркаса состоят из колонн (стоек рамы) и ригелей (в виде ферм или сплошностенчатых элементов). 
Продольные элементы каркаса — это подкрановые конструкции, подстропильные фермы, связи между колоннами и фермами, кровельные прогоны (или рёбра стальных кровельных панелей). 
Кроме перечисленных элементов, в составе каркаса обязательно имеются конструкции торцевого (а иногда, и продольного) фахверка, площадок, лестниц и других элементов здания. 
Конструктивные схемы каркасов достаточно многообразны. В каркасах с одинаковым шагом колонн по всем рядам наиболее простая конструктивная схема — это поперечные рамы, на которые 
опираются подкрановые конструкции, а также панели покрытия или препоны (рис. 1.2, а, б). Такое конструктивное решение обеспечивает выполнение эксплуатационных требований в большинстве машиностроительных цехов, в которых оборудование удобно размешается при относительно 
небольшом шаге колонн по внутренним рядам (6–12 м). Технологии производств, размещённых во 
многих цехах металлургического производства (прокатные цехи, цехи раздевания слитков и т.д.), 
также позволяют использовать эту схему. Она удобна для бесфонарных зданий и зданий с продольными фонарями.
При необходимости освещения с помощью поперечных фонарей их конструкции также могут 
быть использованы для опирания панелей покрытия (рис. 1.2, а, в). При необходимости больших 
шагов колонн по всем рядам можно использовать схему с продольным фонарём, несущим часть нагрузки от покрытия (рис. 1.2, г). На конструкции фонаря опираются прогоны, расположенные параллельно фермам. Для опирания другого конца прогонов между колоннами устраивается подстропильная ферма. В случаях повышенных требований по освещённости помещений иногда используются 
каркасы с шедовым покрытием (рис. 1.2, д), в которых на ригели рам опираются конструкции поперечных фонарей, а на них — прогоны или панели покрытия.
При больших пролётах и шагах колонн эффективно применяются каркасы с пространственным 
ригелем (рис. 1.2, е). Ригель рамы выполняется в виде коробчатого сквозного сечения с консолями, 
на которые опираются конструкции фонаря.
При относительно небольших пролётах используются сплошные рамные каркасы (рис. 1.2, ж).
В цехах, где по средним рядам шаг колонн должен быть больше, чем по крайнему ряду, устанавливаются подстропильные фермы, на которые опираются ригели рам (рис. 1.3, а, разрез 2—2). При 
кранах большой грузоподъёмности и с большим расстоянием между колоннами часто оказывается 
целесообразным совместить функции подстропильных ферм и подкрановых конструкций и предусмотреть по среднему ряду подкраново-подстропильную ферму (рис. 1.3, б, разрез 2—2), на верхний 
пояс которой опирается кровля, а на нижний — краны.
6

Рис. 1.2. Конструктивные схемы каркасов: 
а — план кровли; б и в — схемы поперечных рам; г — план и поперечные рамки каркаса с продольным фонарём; 
д — то же, с шедовым покрытием; е — схемы каркаса с пространственным ригелем; ж — поперечные рамы 
сплошностенчатого сечения; 1 — панель покрытия; 2 — фонарь; 3 — ферма
7

Рис. 1.3. Конструктивные схемы каркасов при большом шаге колонн средних рядов:
а — с опиранием на подстропильную ферму; б — с применением подкраново-подстропильной фермы; 
1 — колонна; 2 — ферма; 3 — подстропильная ферма
1.3. Крановое оборудование
Чрезвычайно большое влияние на работу каркаса здания оказывают краны. Динамические многократно повторяющиеся и значительные по величине крановые воздействия часто приводят к раннему износу и повреждению конструкций каркаса, особенно — подкрановых балок. Поэтому при 
проектировании каркаса здания необходимо особо учитывать режим работы мостовых кранов, который зависит от назначения здания и от производственного процесса в нём. 
Мостовые краны могут иметь ручной (при малой грузоподъёмности) и электрический привод. 
Режим работы кранов определяется интенсивностью и условиями их работы. Интенсивность оценивается рядом показателей (общим числом циклов работы, коэффициентом нагружения, числом 
включений механизма в час) и не зависит от грузоподъёмности. Условия работы характеризуются 
типом транспортируемых грузов (расплавленный металл, шлак, ядовитые, взрывчатые вещества и 
другие опасные грузы). В соответствии с правилами Госгортехнадзора и ГОСТа на грузоподъёмные 
краны (ГОСТ 25546-82) все краны подразделяются соответственно на четыре режима и восемь режимных групп. 
К кранам лёгкого режима работы (Л) относятся краны режимных групп 1K–3K (в том числе все 
краны, имеющие ручной привод), работающие с большими перерывами, не связанные с технологией производства и предназначенные для монтажных и ремонтных работ. 
К среднему режиму работы (С) относятся краны режимных групп 4К, 5К, 6К, участвующие в 
технологическом процессе в механических цехах со среднесерийным производством. Для кранов, 
транспортирующих груз, нагретый свыше 300 °С, расплавленный металл и другие опасные грузы, 
должна быть установлена группа режима не менее 6К. 
К тяжёлому режиму работы (Т) относятся краны режимной группы 7К (частично — 6К), работающие в цехах с крупносерийным производством, а также в цехах металлургического производства. 
К весьма тяжёлому режиму работы (ВТ) относятся краны группы режима 8К, оборудованные 
жёстким подвесом, грейфером или магнитом, эксплуатирующиеся в металлургических и других цехах с круглосуточной работой. 
8

Режим работы кранов и тип подвеса груза учитываются при проектировании каркасов. Например, при использовании кранов тяжёлого и весьма тяжёлого режима работы должны быть обеспечены большая поперечная жёсткость каркаса, большая надёжность и выносливость подкрановых балок, а также устроены проходы вдоль подкрановых путей.
На работу и долговечность строительных конструкций здания большое влияние оказывает внутрицеховая среда. Степень агрессивного воздействия внутрицеховой среды на стальные конструкции оценивается скоростью коррозионного поражения незащищённой поверхности металла, мм 
в год. В зависимости от концентрации агрессивных газов и относительной влажности установлены 
четыре степени агрессивности среды для стальных конструкций: неагрессивная (скорость коррозии 
незащищённого металла — до 0,01 мм в год), слабая (до 0,05 мм в год), средняя (до 0,1 мм и год) и 
сильная (свыше 0,1 мм в год).
При проектировании зданий с сильной степенью агрессивности среды особое внимание обращают на выбор марки стали, достаточно стойкой против коррозии при определённом составе агрессивной среды, на конструктивную форму элементов каркаса и эффективные защитные покрытия.
В некоторых зданиях стальные конструкции подвергаются высоким тепловым воздействиям (нагревание до температуры 150 °С и выше) и случайным воздействиям расплавленного металла или 
огня. При нагревании стальных конструкций до температуры свыше 100–150 °С разрушается их защитное лакокрасочное покрытие, при нагревании свыше 200–300 °С происходят искривление и коробление элементов (особенно при неравномерном нагреве), а при нагревании свыше 400–500 °С 
снижаются прочностные свойства стали. При проектировании металлических конструкций таких 
зданий нужно предусматривать специальную защиту конструкций от чрезмерного нагревания. При 
длительном воздействии лучистой или конвекционной теплоты или при кратковременном непосредственном воздействии огня применяются подвесные металлические экраны, футеровки из кирпича 
или жаропрочного бетона; от брызг расплавленного металла и при опасности его прорыва конструкции защищают облицовками из огнеупорного кирпича или жароупорного бетона.
При проектировании зданий, эксплуатируемых в условиях низких температур (климатический 
пояс с расчётными температурами от минус 40 до минус 65 °С), с учётом возможности хрупкого 
разрушения выбирают соответствующие марки стали, проверяют конструкции на хрупкое разрушение, предусматривают дополнительные связи, сокращают размеры температурных отсеков, а также 
предусматривают мероприятия, уменьшающие концентрацию напряжений.
При проектировании каркасов зданий со взрывоопасным производством предусматривается возможность «сбрасывания» части конструкций при взрыве без полного разрушения каркаса.
При проектировании конструкций степень ответственности зданий и сооружений, определяемая 
последствиями разрушения, учитывается коэффициентом надёжности по назначению γn .
1.4. Виды сопряжения элементов каркаса
Конструктивные схемы каркасов различаются видом сопряжений (жёсткое, шарнирное) ригеля 
с колонной (рис. 1.4). При жёстком сопряжении конструкция узла крепления фермы к колонне обеспечивает передачу моментов, в расчётной схеме принимается жёсткий узел. При жёстком сопряжении горизонтальные перемещения рам меньше, чем при таких же воздействиях на раму с шарнирным сопряжением.
Рис. 1.4. Виды сопряжения ригеля с колонной и расчётные схемы поперечных рам:
а — при жёстком сопряжении ригеля с колоннами; б — то же при шарнирном сопряжении; 
в — комбинированное соединение; г — при наличии мощной промежуточной колонны
9