Проектирование железобетонных несущих систем многоэтажных и высотных зданий

УДК 69.07
ББК 38.53
К12
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Г.П. Тонких, главный научный сотрудник 
Научно-исследовательского центра ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ); 
кандидат технических наук, профессор А.И. Бедов, 
профессор кафедры железобетонных и каменных конструкций НИУ МГСУ
Кабанцев, О.В.  
К12      Проектирование железобетонных несущих систем многоэтажных и высотных зданий 
[Электронный ресурс] : учебно-методическое пособие / О.В. Кабанцев, И.К.  Манаенков  ; 
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный 
исследовательский 
Московский 
государственный 
строительный 
университет, 
кафедра 
железобетонных и каменных конструкций.  — Электрон. дан. и прогр. (54,3 Мб) — Москва : 
Издательство МИСИ – МГСУ
, 2020. — Режим доступа: http://lib.mgsu.ru/. — Загл. с титул. экрана.
ISBN 978-5-7264-2310-4 (сетевое)
ISBN 978-5-7264-2311-1 (локальное)
Цель пособия — помощь в подготовке к практическим занятиям по дисциплинам «Спецкурс по 
проектированию железобетонных конструкций» и «Конструирование несущих железобетонных систем», 
а также при выполнении курсового проекта по теме «Статический расчет монолитной железобетонной 
несущей системы гражданского высотного здания в целом и отдельных конструктивных элементов».
Для обучающихся по направлению подготовки 08.05.01 Строительство уникальных зданий и 
сооружений.
Учебное электронное издание
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2020

Редактор, корректор М.Л. Манзюк
Компьютерная верстка А.Г. Сиволобовой
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2013, Adobe InDesign CS6, ПО Adobe Acrobat.
Подписано к использованию 11.08.2020. Объем данных 54,3 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. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................................5
1. НОРМАТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРИ РАСЧЕТНОМ ОБОСНОВАНИИ И ПРОЕКТИРОВАНИИ 
МНОГОЭТАЖНЫХ И ВЫСОТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЗДАНИЙ.
...............................................................6
2. КОМПОНОВКА НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ............................................................................................................6
3. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МОДЕЛИ ТИПОВОГО ЭТАЖА.............................................................................13
3.1. Создание расчетной модели несущих конструкций типового этажа.
..................................................14
3.1.1. Разработка системы вертикальных несущих конструкций типового этажа...............................14
3.1.2. Моделирование вертикальных несущих конструкций типового этажа и их сечений...............15
3.1.3. Формирование конечноэлементной модели перекрытия типового этажа..................................16
3.1.4. Создание связей между конструктивными элементами (внутренние связи) 
и связей между несущей системой и внешней средой (внешние связи).
..............................................21
3.2. Проверка расчетной модели....................................................................................................................23
3.3. Разработка модели нагрузок и воздействий...........................................................................................23
3.3.1. Модель нагрузок для расчета конструкций перекрытия 
по первой группе предельных состояний................................................................................................24
3.3.2. Модель нагрузок для расчета конструкций перекрытия 
по второй группе предельных состояний.
................................................................................................25
3.4. Выполнение расчета и анализ результатов............................................................................................26
4. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ В ЦЕЛОМ.
.......................................................................31
4.1. Создание расчетной модели несущей системы здания.
........................................................................32
4.1.1. Разработка конструктивной системы вертикальных несущих конструкций здания в целом .
.....32
4.1.2. Разработка геометрической модели несущей системы здания, включая жесткостные 
характеристики конструкций....................................................................................................................33
4.1.3. Моделирование связей между элементами конструкции (внутренние связи) 
и связей между конструкцией и внешней средой (внешние связи).
......................................................34
4.2. Проверка расчетной модели....................................................................................................................37
4.3. Разработка модели нагрузок и воздействий...........................................................................................37
4.4. Выполнение расчета и анализ результатов............................................................................................40
5. РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ НЕСУЩИХ СИСТЕМ В РАМКАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА................................41
6. РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ ФУНДАМЕНТНОЙ ПЛИТЫ.
.....................................................................................52
7. ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ И ПЕРЕКРЫТИЙ..........52
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................................................................................54

ВВЕДЕНИЕ
В учебно-методическом пособии содержатся материалы для подготовки к практическим занятиям по дисциплинам 08.05.01 «Спецкурс по проектированию железобетонных конструкций» и 
08.05.01 «Конструирование несущих железобетонных систем», а также выполнения курсового проекта по теме «Статический расчет монолитной железобетонной несущей системы гражданского высотного здания в целом и отдельных конструктивных элементов». 
В рамках выполнения курсового проекта необходимо:
1.	 Выполнить компоновку несущей системы в соответствии с темой дипломного проекта (на 
основе архитектурных решений здания).
2.	 Выполнить статический расчет несущей системы:
2.1. Принять нагрузки и воздействия в соответствии с требованиями СП 20.13330.2016 «Нагрузки 
и воздействия» и СП 267.1325800.2016 «Здания и комплексы высотные. Правила проектирования».
2.2. Разработать расчетную модель для расчетного анализа конструкций перекрытия типового 
этажа.
2.3. Разработать расчетную модель для расчетного анализа несущей системы в целом.
2.4. Выполнить расчет перекрытия типового этажа по критериям I и II групп предельных состояний.
2.5. Выполнить расчет фундаментной плиты (плитного ростверка) по критериям I и II групп 
предельных состояний.
2.6. Выполнить расчет несущей системы в целом на действие основного сочетания нагрузок, 
включая ветровые воздействия с учетом пульсационной составляющей.
Расчетные модели разработать в рамках метода конечных элементов, используя библиотеку 

конечных элементов вычислительного комплекса, применяемого для выполнения статических 

расчетов.
Результаты курсового проекта представить в виде пояснительной записки.
Состав пояснительной записки:
1. Описание несущей системы.
2. Описание нагрузок и воздействий.
3. Результаты расчетного анализа:
3.1. Деформации перекрытий типового этажа.
3.2. Деформации фундаментной плиты (плитного ростверка).
3.3. Значения ускорений от действия ветровой нагрузки.
4. Общий вид расчетной модели для статического расчета перекрытия типового этажа.
5. Общий вид деформированного состояния расчетной модели перекрытия типового этажа, совмещенный с изополями («мозаикой») деформаций.
6. Общий вид расчетной модели для статического расчета несущей системы в целом.
7. Общий вид деформированного состояния фундаментной плиты (плитного ростверка) — фрагмент общей расчетной модели.
8. Изополя («мозаика») верхнего и нижнего продольного расчетного армирования фундаментной 
плиты (плитного ростверка) по двум направлениям.
Настоящее учебно-методическое пособие не имеет цели рекомендовать к применению тот или 
иной вычислительный комплекс для выполнения расчетного анализа, но содержит информацию о 
наличии в таких комплексах требуемых процедур по созданию расчетных моделей и определенным 
расчетным технологиям. Однако представленные примеры по тем или иным процедурам создания 
расчетных моделей и подготовки иных специальных данных, необходимых для выполнения расчетов, представлены на примере ВК SCAD. Нужно отметить, что ВК ЛИРА и ВК SCAD имеют 
большое число схожих (или весьма близких) процедур создания расчетной модели и элементов интерфейса, что дает возможность применять информацию, изложенную в пособии, для выполнения 
расчетного анализа в ВК ЛИРА.
5

1. НОРМАТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРИ РАСЧЕТНОМ ОБОСНОВАНИИ 
И ПРОЕКТИРОВАНИИ МНОГОЭТАЖНЫХ И ВЫСОТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЗДАНИЙ
Проведение расчетного анализа несущих систем совершенно необходимо, что определяется положениями нормативных документов, действующих на территории Российской Федерации. 
Требования по безопасности, надежности и пригодности к эксплуатации, устанавливаемые государством, определяются федеральными законами. Также правительство РФ определяет перечень 
положений ведомственных норм, обязательных к выполнению при разработке и реализации проектной документации.
Технические аспекты требований нормативных документов, обеспечивающих выполнение требований по безопасности, надежности и пригодности к эксплуатации на уровне их реализации в 
конкретном производстве, технологическом процессе и проч., устанавливаются нормативными документами системы строительного нормирования (СП, ГОСТ Р, ГОСТ, ТСН).
Технические аспекты требований по безопасности, надежности и пригодности к эксплуатации, 
обеспечивающие реализацию федеральных законов, устанавливаются нормативными документами 
ведомственного уровня.
Более подробные сведения о составе и структуре нормативной основы строительства изложены в [1].
2. КОМПОНОВКА НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ
При выполнении расчетного анализа несущих систем целью ставится получение численных величин эффектов нагрузок и воздействий на несущую систему здания (сооружения) или отдельных 
конструктивных элементов. Эффектами нагрузок и воздействий являются внутренние усилия, напряжения, деформации, перемещения и др., возникающие в результате нагружения несущей системы или воздействий на последнюю.
Для большинства проектируемых зданий гражданского и промышленного назначения цели расчетного анализа достигаются посредством выполнения статических расчетов на моделях несущих 
систем или отдельных конструктивных элементов. Это возможно в рамках разных расчетных технологий:
а) решение уравнений (систем уравнений), аналитически описывающих зависимости эффектов 
воздействия от видов нагрузок и механических характеристик элементов несущей системы (так называемое «точное» решение);
б) решение задач механики, в том числе не имеющих «точного» решения, численными методами, 
т.е. решение с получением результатов с некоторым отклонением (допустимого (приемлемого) уровня) от «точного» решения. Как правило, для статических расчетов применяется вычислительная 
техника и специализированные вычислительные комплексы.
На сегодняшний день технология б) наиболее часто применяется при выполнении расчетного обоснования. Нужно отметить, что в этом случае непосредственно процесс решения систем уравнений 
(формирование систем уравнений, учет жесткостных параметров и др.) инженером не выполняется, 
а производится автоматизированно программным вычислительным комплексом (ВК). Достоверность 
полученного решения, реализуемого сертифицированным ВК, проверяется посредством процедуры 
верификации, после выполнения которой принято считать, что полученные результаты являются «достаточно точными» для их учета в расчетном анализе. По сути, указанная расчетная технология для 
рядового инженера является «черным ящиком», инженер не имеет доступа к его содержимому. 
Необходимым условием успешного решения задач расчетного обоснования является создание корректных расчетных моделей несущей системы или отдельных конструктивных элементов. 
В свою очередь, расчетные модели должны соответствовать внутренним правилам моделирования, 
определяемым выбранным ВК. Эти правила моделирования определяются методами решения задач 
строительной механики, реализованными в применяемом ВК. В настоящее время наиболее широкое распространение для решения задач проектирования строительных конструкций получил метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ реализован в широко известных универсальных ВК (ANSYS, 
ABAQUS и др.) и в более специализированных ВК, применяемых, главным образом, для решения 
задач анализа несущих систем и конструкций (SCAD, «ЛИРА», MicroFE и др.). 
6

Ввиду вышесказанного в процессе выполнения расчетного анализа в первую очередь требуется 
создать корректную расчетную модель строительной системы, удовлетворяющую требованиям применяемого ВК. Следующим этапом для получения величин эффектов воздействий производится 
процедура статического расчета (процесс закрыт для пользователя).
Основными компонентами расчетной модели несущей системы (конструкции) являются:
−	 модель несущей системы (топология системы; набор элементов, моделирующих отдельные 
конструкции; характеристики сечений и материалов);
−	 модель нагрузок и воздействий (соответствующая методике моделирования несущей системы);
−	 модель внешних связей (соответствующая методу решения задач строительной механики в 
используемом ВК).
Моделировать несущую систему необходимо в соответствии с правилами, установленными в 
применяемом ВК. Эти правила соответствуют как общим требованиям конечноэлементного моделирования, так и требованиям, предъявляемым к использованию конкретных конечных элементов 
(КЭ), входящих в библиотеку ВК.
Модель нагрузок должна соответствовать действующим нормативным документам по нагрузкам 
и воздействиям (в настоящее время основные требования к нагрузкам и воздействиям определены в 
СП.20.13330). При этом в ВК существуют определенные последовательности и процедуры назначения нагрузок на создаваемую конечноэлементную модель несущей системы.
Модель внешних связей должна отражать условия взаимодействия здания с «землей» — так принято называть грунтовое основание — либо внешние (по отношению к расчетной модели) сооружения (конструкции), на которые происходит опирание или которые служат ограничителями для деформирования несущей системы. Процесс моделирования внешних связей требует учета как правил 
метода конечных элементов в целом, так и возможностей конкретного ВК.
Несущая система многоэтажных и высотных зданий должна обеспечивать возможность устройства достаточно сложной компоновки этажей, определяемой технологическими процессами, протекающими в здании (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Пример организации этажей в высотном здании
7