Проектирование металлического каркаса многоэтажного здания

УДК 
624.014:624.046.2 
ББК 
30.4:38.54 
Л33 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор С.Н. Кривошапко,  
профессор департамента строительства Инженерной академии РУДН; 
доктор технических наук, профессор А.Р. Туснин,  
профессор кафедры металлических и деревянных конструкций НИУ МГСУ 
  Лебедь, Е.В. 
Л33       Проектирование металлического каркаса многоэтажного здания [Электронный ресурс] : учебнометодическое пособие / Е.В. Лебедь, А.М. Ибрагимов ; Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, кафедра металлических и деревянных конструкций. — Электрон. дан. и прогр.  
(34 Мб). — Москва : Издательство МИСИ — МГСУ, 2020. — Режим доступа: http://lib.mgsu.ru/. — 
Загл. с титул. экрана. 
ISBN 978-5-7264-2181-0 
В учебно-методическом пособии показаны основные конструктивные схемы металлических каркасов 
многоэтажных зданий. Рассмотрены различные виды компоновки стержневой системы каркаса. Дана 
характеристика конструктивным элементам каркаса. Приведены различные варианты узловых сопряжений 
элементов металлического каркаса многоэтаж-ного здания друг с другом. Продемонстрированы различные 
конструктивные решения междуэтажных перекры-тий. Перечислены действующие на многоэтажные здания 
нагрузки и акцентирована ведущая роль ветровой нагрузки. Показано определение величин различных видов 
действующих нагрузок на многоэтажный каркас в соответствии с СП 20.13330.2016. Изложен алгоритм 
проектирования многоэтажного каркаса. На конкретном примере с учетом различных конструктивных схем 
продемонстрирован компьютерный расчет каркаса с исполь-зованием программного комплекса SCAD. 
Приведены основные расчетные формулы СП 16.13330.2016 для проверки сечений основных конструктивных 
элементов металлического каркаса многоэтажного здания. 
Для обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01, 08.04.01 Строительство и 08.05.01 Строительство 
уникальных зданий и сооружений. 
Учебное электронное издание 
© Национальный исследовательский 
    Московский государственный 
    строительный университет, 2020 

Редактор, корректор К.А. Шульц 
Компьютерная верстка  Е.В. Жуковой 
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано: 
Microsoft Word 2010,  ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 12.03.2020. Объем данных 34  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 
ЗАДАНИЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
...................................................................................................................................... 
5 
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ............................................................................................................................................................... 
7
1.1. Область применения ......................................................................................................................................................... 
7 
1.2. Объемно-планировочное решение 
................................................................................................................................... 
7 
2. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ КАРКАСОВ........................................................................................................................ 
8
2.1. Каркас здания .................................................................................................................................................................... 
8 
2.2. Рамные каркасы 
................................................................................................................................................................. 
8 
2.3. Связевые каркасы .............................................................................................................................................................. 
9 
2.4. Рамно-связевые каркасы ................................................................................................................................................. 
11 
2.5. Ствольные каркасы ......................................................................................................................................................... 
11 
3. КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ .......................................................................................................................................... 
13
3.1. Колонны ........................................................................................................................................................................... 
13 
3.2. Ригели 
............................................................................................................................................................................... 
13 
3.3. Сопряжение ригеля с колонной ..................................................................................................................................... 
14 
3.4. Стыки колонн................................................................................................................................................................... 
16 
3.5. Конструкции перекрытий ............................................................................................................................................... 
17 
4. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ..................................................................................................................................... 
21
4.1. Основные положения 
...................................................................................................................................................... 
21 
4.2. Схема работы 
................................................................................................................................................................... 
21 
4.3. Нагрузки и воздействия .................................................................................................................................................. 
23 
4.4. Этапы проектирования.................................................................................................................................................... 
25 
5. КАРКАС И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК 
........................................................................................................................... 
26
5.1. Стержневая система ........................................................................................................................................................ 
26 
5.2. Вертикальная нагрузка 
.................................................................................................................................................... 
27 
5.3. Горизонтальная нагрузка ................................................................................................................................................ 
29 
6. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАРКАСА................................................................................................................................. 
32
6.1. Задача статического расчета........................................................................................................................................... 
32 
6.2. Расчетная модель рамного каркаса 
................................................................................................................................ 
34 
6.3. Моделирование дисков перекрытий 
.............................................................................................................................. 
40 
6.4. Приложение нагрузок ..................................................................................................................................................... 
44 
6.5. Комбинации нагрузок ..................................................................................................................................................... 
50 
6.6. Модель с горизонтальными связями ............................................................................................................................. 
52 
6.7. Анализ напряженного состояния ................................................................................................................................... 
56 
7. РАСЧЕТ СВЯЗЕВОГО КАРКАСА 
....................................................................................................................................... 
61
7.1. Модель с пластинами 
...................................................................................................................................................... 
61 
7.2. Модель с горизонтальными связями ............................................................................................................................. 
64 
7.3. Анализ напряженного состояния ................................................................................................................................... 
66 
8. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ........................................................................................................................................... 
71
8.1. Выбор элементов ............................................................................................................................................................. 
71 
8.2. Конструктивный расчет ригеля 
...................................................................................................................................... 
73 
8.3. Расчетные длины колонн 
................................................................................................................................................ 
74 
8.4. Конструктивный расчет колонны .................................................................................................................................. 
75 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................................................................................................... 
78 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
.......................................................................................................................................................................... 
79 
Приложение 1. Коэффициенты устойчивости  .................................................................................................................... 
79 
Приложение 2. Сортамент двутавров ................................................................................................................................... 
81 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
....................................................................................................................................... 
84 

ЗАДАНИЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
Для курсового проектирования студентам предлагается выполнить разработку и расчет металлического каркаса прямоугольного в плане многоэтажного здания. Данное задание характеризуется относительно простым объемно-планировочным и конструктивным решением. В качестве  
несущей системы здания рассматриваются каркасы рамного (Р) и связевого (С) типов, принципиальные схемы которых показаны на рис. 1.  
 
 
а 
б 
Рис. 1. Схемы каркасов многоэтажного здания: рамный (а), связевой (б) 
 
Задание на проектирование металлического каркаса многоэтажного здания включает в себя 
базовые данные и дополнительные. При этом базовые данные состоят из трех групп исходных 
данных: основных параметров, действующих нагрузок и конструктивного решения (табл. 1).  
Первая группа данных включает в себя: количество этажей в здании kэ, высоту этажа hэ, шаг 
колонн в продольном направлении l1 и их число n1, шаг колонн в поперечном направлении l2 и их 
число n2. Во второй группе данных указываются действующие на ограждающие конструкции многоэтажного здания распределенные нагрузки: собственный вес конструкций на перекрытия pd, 
временные длительные нагрузки на перекрытия pl, кратковременная нагрузка на перекрытие pt, 
снеговая равномерно распределенная нагрузка s, ветровая нагрузка на стены w. В третьей группе 
данных указываются: тип каркаса Р (С) и его схема, тип ригеля (балка — Б, ферма — Ф), тип колонны (двутавр — Д, труба — Т). 
В качестве дополнительных данных предлагаются: выбор схемы рамного (Р) или связевого (С) 
каркаса, изменение в шаге колонн l1и, изменение в высоте этажа hэи, шаг балок настила aБН, тип 
настила. Могут быть включены также данные о различных временных нагрузках в разных частях 
каркаса, комбинировании типов каркасов, изменении регулярности каркаса по высоте и др. 
Числовые и буквенные значения базовых данных задания (первой, второй и третьей групп) 
формируются преподавателем в каждом учебном году перед началом курсового проектирования в 
виде вариантов с целью обеспечения индивидуального характера работы всех студентов.  
 
5 

Таблица 1 
Варианты заданий для курсового проектирования 
Базовые данные 
Дополнительные 
данные 
Нагрузки, кН/м2
 
hэ, 
l1и,  
hэи, 
aБН,  
n1, 
l1, 
n2, 
l2, 
№ 
kэ, 
шт. 
м 
шт. 
м 
шт. 
м 
м 
 м 
м 
pd 
pl 
pt 
s 
w 
   Тип каркаса 
    Тип колонны 
    Тип настила 
    Тип ригеля 
1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Р 
Б 
Д 
  
 
 
 
2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
С 
Ф 
Т 
 
 
 
 
… 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Дополнительные данные подбираются преподавателем в зависимости от уровня подготовки 
обучающихся. Например, для бакалавров могут быть использованы простые схемы рамных (Р) и 
связевых (С) каркасов, только базовые данные, в которых назначены небольшие шаги колонн (6 м) 
и сечения ригеля и колонны из прокатных двутавров. Для специалистов же следует назначать 
усложненные схемы рамных (Р) и связевых (С) каркасов, пролеты побольше  (6, 9, 12 м), составные двутавровые сечения ригеля или ригели в виде ферм, колонны из составных двутавров или 
труб, а также использовать дополнительные исходные данные. В дополнительных данных можно 
предложить разные шаги колонн l1, l1и по длине здания в плане и неодинаковые высоты этажей hэ 
по высоте здания. Можно также добавить в каркас здания балки настила на всех перекрытиях и 
различные типы настилов.  
Для магистров следует назначать исходные данные, аналогичные тем, которые даны специалистам, но усложненные различными величинами временных нагрузок на междуэтажных перекрытиях и разными общими высотами каркаса в разных частях здания в плане. Могут быть включены также данные о комбинировании типов каркасов (Р и С) и изменении регулярности каркаса 
по высоте (разные шаги колонн l1, l2 в нижних и верхних этажах). При этом проектирование металлических каркасов многоэтажных зданий магистрами, как правило, следует завершать анализом напряженно-деформированного состояния (НДС) всей конструктивной системы, т.е. проектирование должно носить исследовательский характер. 
 
 
6 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 
1.1. Область применения 
Многоэтажные здания возводят в городах с плотной застройкой вследствие дефицита и высокой стоимости выделяемых для строительства участков земли. Многоэтажные здания характеризуются тем, что на относительно небольшой застраиваемой площади можно разместить огромную 
по значению площадь эксплуатируемых помещений [1]. Многоэтажные здания могут быть общественными, промышленными и жилыми, т.е. в них могут размещаться разнообразные офисы, производственные помещения различного назначения или жилые помещения, включая гостиничные 
номера. Под многоэтажными зданиями подразумеваются здания с числом этажей 2 и более.  
В то же время здания высотой до 25 этажей называют относительно невысокими, а при высоте  
более 40 этажей — очень высокими. 
Проектирование многоэтажных зданий связано с решением комплекса задач, учитывающих 
объемно-планировочное решение, работу несущего каркаса, особенности изготовления и монтажа 
его конструктивных элементов. Кроме того, должны быть приняты решения о размещении инженерных коммуникаций и вертикального транспорта. 
Многоэтажные здания из металла могут быть только каркасными. Каркасы из металла рационально использовать в производственных зданиях с большими нагрузками или в гражданских зданиях большой высоты. Это объясняется несколькими причинами: 
• 
металлический каркас вследствие высокой несущей способности материала обладает существенно меньшим собственным весом по сравнению с железобетонным; 
• 
возможно применение больших пролетов несущих конструкций перекрытий, т.е. увеличение 
шага колонн; 
• 
при возведении металлического каркаса используются элементы полной заводской готовности. 
Особенность работы каркасов высоких многоэтажных зданий связана со значительными вертикальными нагрузками на колонны и с большими горизонтальными нагрузками от ветрового воздействия. Проектирование многоэтажного здания напрямую связано с его объемно-планировочным  
решением, выбором конструктивной схемы, материалов для несущих конструкций, способов их изготовления и монтажа, а также обслуживанием здания в процессе эксплуатации. В данном пособии рассматриваются только те задачи, которые связаны с работой металлического каркаса на силовые воздействия и с конструктивным решением его элементов.  
1.2. Объемно-планировочное решение 
Объемно-планировочное решение многоэтажного здания должно удовлетворять функциональным и санитарным требованиям согласно назначению помещений. Похожие по назначению 
помещения размещаются в типовых или повторяющихся по планировке этажах. Входные блоки, 
большие залы и инженерное оборудование размещают в специальных или нетиповых этажах. 
Объемно-планировочные решения многоэтажных зданий должны соответствовать модульной 
сетке разбивочных осей и высот этажей. Например, для общественных зданий обычно применяют 
следующие сетки разбивочных осей в плане [2, 3]: 6×6, 6×9, 6×12, 9×9, 9×12, 12×12 м. Высоту 
этажей для них принимают равной 3,6 и 4,2 м.  
Форма многоэтажного здания в плане и его высота, которые определяют его пространственную композицию, зависят от градостроительных факторов, природно-климатических условий, 
технологических возможностей строительства, а также экономической целесообразности. Многоэтажные здания по геометрической форме в плане классифицируются на квадратные, круглые, 
прямоугольные, X-образные, Y-образные, Z-образные и др. Эта форма во многом зависит от высоты многоэтажного здания: чем выше здание, тем сложнее его конфигурация в плане. 
 
7 

2. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ КАРКАСОВ 
2.1. Каркас здания 
По конструктивному признаку многоэтажные здания из металла являются каркасными. Каркас 
многоэтажного здания выполняет несущую функцию, заключающуюся в восприятии и передаче 
на фундамент всех действующих на каркас силовых факторов. Каркас представляет собой пространственную систему несущих конструктивных элементов стержневого типа, обеспечивающих 
его прочность, устойчивость и необходимую жесткость. Любые силовые воздействия на многоэтажное здание через ограждающие конструкции передаются на каркас, что приводит к включению в работу в той или иной степени всех его элементов. Это достигается специальным размещением отдельных элементов каркаса в пространстве по отношению друг к другу и передачей  
усилий между ними через узловые сопряжения. Поэтому каркасы многоэтажных зданий могут 
быть представлены как стержневые пространственные системы.  
В зависимости от распределения функций в системе обеспечения пространственной жесткости 
и устойчивости, а также способа восприятия вертикальных и горизонтальных нагрузок каркасы 
разделяют на четыре типа [1, 3]: рамные, связевые, рамно-связевые и ствольные. 
2.2. Рамные каркасы 
Рамные каркасы состоят из жестко соединенных между собой в узлах вертикальных (колонн) 
и горизонтальных (ригелей) элементов во всех направлениях, образующих пространственные рамы. Обычно такие рамы имеют в плане прямоугольную сетку разбивочных осей, которые совпадают с направлениями ригелей на всех этажах. Рамная система самостоятельно воспринимает как 
вертикальные, так и горизонтальные нагрузки, и передает их на фундамент. Жесткость рамной системы определяется жесткостью сечений вертикальных и горизонтальных стержней и жестким сопряжением их между собой в узлах (рис. 2.1).  
Обычные рамные каркасы образуются путем жесткого соединения ригелей на всех этажах с 
колоннами во всех шагах и по всем направлениям, что обеспечивает равномерную передачу 
нагрузок на фундамент. 
В уровнях междуэтажных перекрытий этих каркасов колонны объединены 
горизонтальными «дисками», образованными ригелями, балками настилов и 
замоноличиванием стыков железобетонных плит либо сплошной бетонной заливкой по профилированному стальному 
настилу. 
 
 
В обычных рамных каркасах колонны располагают регулярно (рис. 2.2), 
например, с шагами l1×l2 = 9×6 м. В рамном каркасе из-за неравномерного распределения усилий в колоннах от горизонтальных нагрузок в пределах одного 
этажа высотой h затруднена их унификация. Это приводит к перерасходу стали, поэтому рамные каркасы применяют 
при высоте здания до 30 этажей. Кроме 
того, устройство жестких сопряжений во 
всех узлах существенно повышает трудоемкость возведения каркаса. 
Рис. 2.1. Разрез рамного 
Рис. 2.2. Общий вид рамного 
каркаса многоэтажного 
каркаса многоэтажного  
здания 
здания 
Проектируют также каркасы с рамами только по контуру многоэтажного 
здания. В этом случае образуется внеш 
 
8 

няя пространственная рама, которая обеспечивает общую изгибную жесткость всего каркаса здания. При прямоугольных в плане каркасах, у которых одна из сторон намного больше другой, 
устанавливается секционно-рамная система (рис. 2.3). 
 
 
                        а 
              б 
                            в 
Рис. 2.3. Схемы рамных систем каркасов в плане: обычная (а), внешняя (б),  
секционно-рамная (в) 
 
Секционно-рамная система разделяет каркас на отдельные части, каждая из которых 
обрамлена внешней рамой. Таких частей может быть две и более. Благодаря появлению внутренней рамы между секциями жесткость каркаса многоэтажного здания существенно повышается. 
 
2.3. Связевые каркасы 
Связевые каркасы проектируют в виде вертикальных связей по всей высоте здания, образующих вместе с ригелями и колоннами вертикальные (связевые) фермы. Эти связевые фермы расположены на некотором расстоянии друг от друга и соединены горизонтальными «дисками» перекрытий. Поэтому они работают совместно, чем обеспечивают горизонтальную жесткость каркаса 
многоэтажного здания.  
По расположению связевых ферм на плане здания различают каркасы: с диафрагмами, с внутренним стволом, с внешним стволом (рис. 2.4).  
 
 
а 
б 
в 
Рис. 2.4. Схемы связевых систем каркасов в плане: каркас с диафрагмами (а),  
с внутренним стволом (б), с внешним стволом (в) 
 
Горизонтальная ветровая нагрузка через «диски» перекрытий, образованных монолитными 
настилами по балкам, передается на вертикальные связевые фермы и воспринимается ими, а вертикальная нагрузка воспринимается ригелями и колоннами, которые конструируют с шарнирными 
узловыми сопряжениями. Горизонтальные перемещения связевого каркаса многоэтажного здания 
определяются деформациями связевых ферм, работающих на изгиб как вертикальные решетчатые 
плоские стойки, жестко закрепленные в фундаменте, т.е. консоли. Только они определяют жесткость каркаса в горизонтальном направлении.  
Для связевых каркасов многоэтажных зданий применяют разные типы решеток в диафрагмах 
и внутренних стволах: раскосную, крестовую и полураскосную (рис. 2.5). 
 
 
9 

 
 
            а 
б 
                    в 
 
Рис. 2.5. Типы решеток в диафрагмах и стволах связевых каркасов:  
раскосная (а), крестовая (б), полураскосная (в) 
 
Диафрагмы представляют собой отдельные плоские вертикальные фермы. Ядро жесткости 
(внутренний ствол) представляет собой пространственную ферму. И диафрагмы, и внутренний 
ствол следует размещать симметрично относительно главных осей здания с целью предотвращения закручивания его каркаса. Часто в связевых каркасах многоэтажных зданий проектируют несколько внутренних стволов. 
Поскольку эффективность работы ферм определяется расстоянием между их поясами, то 
внешний ствол лучше всего обеспечивает горизонтальную жесткость каркаса (рис. 2.6). Возможно 
одновременное использование внешнего ствола и одного или нескольких внутренних, что при 
увеличении пролетов ригелей иногда позволяет обойтись без промежуточных колонн. 
 
 
     а 
б 
                      в 
 
Рис. 2.6. Схемы связевых систем каркасов в разрезе: 
с диафрагмами (а), с внутренним стволом (б), с внешним стволом (в) 
 
10