Комплексный анализ и проектирование системы металлической кровли для объекта оптовой торговли

UNIVERSIDAD PRIVADA DE TACNA, 2026
COMPORTAMIENTO Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ACERO TRABAJO N.o 03
Analisis y diseño integral de cobertura metalica
Establecimiento comercial mayorista

El presente documento desarrolla el analisis y diseño integral de una cobertura metalica destinada a un establecimiento comercial mayorista. La estructura se resuelve mediante tijerales de acero apoyados sobre columnas metalicas y debe considerar acciones permanentes, carga viva de cubierta, nieve, viento y sismo. El proceso comprende la seleccion justificada de la
configuracion estructural, el analisis tridimensional, el control de derivas y desplazamientos, el diseño de miembros y conexiones, y la validacion final del peso propio.
La memoria se construye de manera trazable a partir de los programas Python, sus hojas de resultados y las figuras exportadas. Este primer bloque documenta los pasos 00, 01 y 02: datos generales, definicion geometrica y cargas gravitacionales. Los analisis lateral, modal y espectral, el diseño de miembros, las conexiones y las bases se incorporaran en los bloques siguientes.El presente documento desarrolla el analisis y diseño integral de una cobertura metalica destinada a un establecimiento comercial mayorista. La estructura se resuelve mediante tijerales de acero apoyados sobre columnas metalicas y debe considerar acciones permanentes, carga
viva de cubierta, nieve, viento y sismo. El proceso comprende la seleccion justificada de la configuracion estructural, el analisis tridimensional, el control de derivas y desplazamientos, el diseño de miembros y conexiones, y la validacion final del peso propio.
La memoria se construye de manera trazable a partir de los programas Python, sus hojas de resultados y las figuras exportadas. Este primer bloque documenta los pasos 00, 01 y 02: datos generales, definicion geometrica y cargas gravitacionales. Los analisis lateral, modal y espectral, el diseño de miembros, las conexiones y las bases se incorporaran en los bloques siguientes.

Работа включает две части, автор использует Python для автоматизации инженерных расчётов (Anastruct, OpenSees), результаты экспортируются в LaTeX. И 3D Модель в Revit, она строится отдельно (вручную) опираясь на результаты расчета.

Оглавление
1. Введение и область применения 1
1.1. Прослеживаемость проектных требований . 1
2. Этап 00: Общие проектные данные 2
2.1. Описание конструктивной системы . 2
2.2. Материалы . . 2
2.3. Нормативные документы и уточняемые данные . 2
3. Этап 01: Геометрия и предварительная расчетная модель 4
3.1. Геометрия круговой арки . 4
3.2. Двумерная дискретизация . 4
3.3. Трехмерная геометрическая модель . 4
4. Этап 02: Гравитационные нагрузки 6
4.1. Допущения относительно поверхностных нагрузок . 6
4.2. Сочетания гравитационных нагрузок . 6
4.3. Приведение к нагрузкам на ферменную конструкцию . 6
4.4. Проверки на отдельных этапах . 7
5. Этап 03: Двумерный расчет фермы 8
5.1. Расчетная модель . . 8
5.2. Результаты для сочетаний гравитационных нагрузок . 8
5.3. Проверка контрольных деформаций . 8
6. Этап 04: Ветровые воздействия 10
6.1. Параметры и методика . 10
6.2. Расчетные направления и равнодействующие . 10
7. Этап 05: Сейсмический спектр и масса 12
7.1. Принятые сейсмические параметры . 12
7.2. Предварительный сейсмический вес . 12
8. Этап 06: Трехмерная модель в OpenSeesPy 14
8.1. Идеализация конструкции . . 14
8.2. Формирование и проверка расчетной модели . 15
9. Этап 07: Трехмерный модальный анализ 16
9.1. Решение задачи на собственные значения . 16
9.2. Участие масс и доминирующие формы колебаний . 16
10. Этап 08: Модальный анализ с использованием спектров отклика 18
10.1. Комбинирование форм колебаний и проверка сдвиговых усилий . 18
10.2. Горизонтальные смещения (дрифты) и вертикальный отклик . 18
11. Этап 09: Внутренние усилия и расчетные сочетания нагрузок (LRFD) 20
11.1. Основные случаи нагружения и их сочетания . 20
11.2. Огибающие критических значений . 20
12. Этап 10: Расчет осевых элементов по методу LRFD 22
12.1. Критерии прочности . . 22
12.2. Выбранные профили . . 22
12.3. Поперечные сечения профилей HSS (замкнутых гнутосварных профилей) . 23
13. Этап 11: Расчет прогонов по методу LRFD и проверка их пригодности к эксплуатации 25
13.1. Принятый профиль и действующие на него нагрузки . 25
13.2. Проверка прогибов . . 25
14. Этап 12: Расчет колонн по методу LRFD 27
14.1. Принятое сечение . . 27
14.2. Определяющее расчетное состояние и согласованность расчетной модели . 27
15. Этап 13: Комплексная проверка и фиксация расчетных нагрузок 29
15.1. Общая проверка окончательной расчетной модели . 29
15.2. Фиксированные проектные требования к соединениям . 30
15.3. Расположение элементов и окончательных соединений . 30
16. Шаг 14: внутренние соединения фермы 33
16.1. Принятые решения . . 33
17. Шаг 15: соединения фермы с колонной 35
17.1. Соединения концевых опор . . 35
18. Шаг 16: соединение прогона с фермой 36
18.1. Расчетные требования и решение C06 . 36
19. Шаг 17: окончательная проверка собственного веса 38
19.1. Расчет количества стали . . 38
19.2. Сходимость к собственному весу . . 38
20. Шаг 18: основания колонн и анкерные крепления 40
20.1. Принятая конфигурация . . 40
20.2. Управляющее состояние . . 40
21. Этап 19: Сравнение и выбор вариантов 42
21.1. Процесс выбора . . 42
21.2. Выбранный вариант . . 43
22. Этап 20: Эксплуатационная пригодность при ветровых нагрузках и документальное обоснование 44
22.1. Перемещения под воздействием ветра . 44
22.2. Прослеживаемость и цифровые приложения . 44
23. Выводы и техническое обсуждение 46
24. Итоговая сверка со спецификацией TR03.2 46
25. Моделирование в Revit: узлы и 3D-виды 48
25.1. Состав проектной документации и прилагаемые файлы . 48
26. Итоговый статус отчета 53

Список рисунков
1. Геометрия и предварительная нумерация элементов криволинейной фермы. 4
2. Трехмерная геометрическая модель до введения системы связей. . 5
3. Распределение узловых нагрузок для расчетного сочетания гравитационных нагрузок. 7
4. Распределение осевых усилий для расчетного сочетания гравитационных нагрузок. 8
5. Увеличенная деформированная схема фермы при рассматриваемом сочетании нагрузок. 9
6. Изменение ветрового давления по высоте и критические значения результирующего давления. 10
7. Распределение узловых ветровых нагрузок на покрытие (вдоль направления X). 11
8. Спектры ускорений, использованные для анализа в главных горизонтальных и вертикальном направлениях. 12
9. Распределение предварительно оцененных сейсмических масс по узлам покрытия. 13
10. Трехмерная модель с учетом связей в плоскости покрытия, фасадов, нижнего пояса и плоскости X–Z. 14
11. Периоды и частоты первых форм собственных колебаний. 16
12. Суммарная эффективная модальная масса по трем глобальным направлениям. 17
13. Основные формы пространственных колебаний расчетной модели. 17
14. Проверка суммарной модальной массы, использованной в спектральном анализе. 18
15. Расчетные сейсмические смещения в направлениях X и Y. 19
16. Огибающие деформаций по результатам спектрального анализа (увеличены исключительно для наглядности). . 19
17. Огибающие осевых усилий в элементах ферм и связях. 20
18. Огибающие осевых усилий и изгибающих моментов в колоннах. 21
19. Огибающие опорных реакций в основаниях колонн. 21
20. Коэффициенты использования сечений (по методу LRFD) для элементов, работающих на осевые нагрузки. 22
21. Принятые профили замкнутых гнутосварных сечений (HSS) и расчетная масса по группам элементов. 23
22. Номинальные геометрические характеристики принятых профилей HSS. 23
23. Коэффициенты использования сечений (по методу LRFD) для прогонов типа W10x22. 25
24. Расчетные прогибы и предельные значения по условиям эксплуатации для прогонов. 26
25. Совместное действие осевой силы и изгибающего момента в колоннах W33x130 (согласно предельным состояниям по методу LRFD). 27
26. Сравнение характеристик принятых колонн с характеристиками, использованными в расчетной модели. . 28
27. Показатели модальных масс, горизонтальные перемещения (дрифты) и несущая способность. 29
28. Сводные данные по окончательно принятым профилям для основных групп элементов. 30
29. Концептуальная схема расположения основных конструктивных элементов и узлов C01–C06. . 31
30. Схематические детали внутренних узлов C01, C02 и C03. 33
31. Коэффициенты использования несущей способности для внутренних узлов фермы. 33
32. Схематические детали узлов сопряжения фермы с колонной. 35
33. Коэффициенты использования несущей способности для узлов C04 и C05. 35
34. Схематическая деталь узла C06 (сопряжение прогона с фермой). 36
35. Проверки и максимальные коэффициенты использования для узла C06. 37
36. Распределение собственного веса по группам элементов с учетом соединительных деталей. 38
37. Сравнение принятой постоянной нагрузки с пересчитанной постоянной нагрузкой. 39
38. Схематическая деталь опорной плиты, анкеров, ребер жесткости и фундамента (пьедестала). 40
39. Коэффициенты использования несущей способности элементов базы колонны. 41
40. Сравнение горизонтальных перемещений (смещений) для трех вариантов конструктивной схемы. 42
41. Сравнение преобладающих периодов колебаний в процессе выбора варианта. 43
42. Системы обеспечения устойчивости к горизонтальным нагрузкам в плоскостях X–Z и Y–Z. 43
43. Максимальные перемещения и предельные состояния по эксплуатационной пригодности для случаев ветровой нагрузки . 44
44. База колонны . . 48
45. C01 Узел со сквозной пластиной . 49
46. C02 Стык верхнего пояса фермы . 50
47. C03 Стык нижнего пояса фермы . 50
48. C04 Узел примыкания фермы к колонне (слева) . 51
49. C05 Узел примыкания фермы к колонне (справа) . 51
50. C06 Узел опирания прогона на ферму . 52
51. Полная BIM-модель . . 52
52. Центральная ферма . . 53

Описание конструктивной системы
Выбранный вариант соответствует конфигурации 02: криволинейная ферма (по дуге окружности). Конструкция имеет поперечный пролет 65,00 м, длину 50,00 м и площадь в плане 3250,00 м². Вдоль длины сооружения расположено девять ферм, образующих восемь пролетов по 6,25 м каждый. Каждая ферма разделена на 20 панелей длиной 3,25 м.
Таблица 2. Общие проектные данные.
Параметр | Принятое значение
Назначение | Объект оптовой торговли
Кровельная система | Криволинейная стальная ферма (по дуге окружности)
Пролет (в направлении X) | 65,00 м
Длина (в направлении Y) | 50,00 м
Общая площадь в плане | 3250,00 м²
Геометрический подъём фермы | 6,50 м
Количество панелей | 20
Количество ферм | 9
Шаг ферм | 6,25 м
Отметка верха фундамента | +0,10 м
Высота колонн | 14,00 м
Отметка опирания фермы | +14,10 м
Отметка конька | +20,60 м

Материалы
Для основных элементов конструкции используется сталь марки ASTM A572 Grade 50, для сварных соединений — электроды типа E70XX, а для болтовых соединений — болты ASTM F3125 Grade A325. Для фундаментных опор и оснований предусмотрен бетон с прочностью на сжатие f′c = 280 кгс/см² (что эквивалентно 27,459 МПа). Вес стальных конструкций рассчитан исходя из плотности стали 7850 кг/м³ в соответствии с проектными спецификациями.

Представлен сейсмический анализ конструкции, включающей фермы с криволинейным (дугообразным) очертанием поясов. Здание имеет поперечный пролет 65,00 м, длину 50,00 м и площадь в плане 3250,00 м². Вдоль длины здания расположено девять ферм, образующих восемь пролетов по 6,25 м каждый. Каждая ферма разделена на 20 панелей длиной 3,25 м. Материалы включают исходный код на языке Python для проведения анализа, таблицы с результатами, данные для моделирования в Revit и т. д.