В статье авторанализирует результаты подбора сечений фермы покрытия машинного зала атомной электростанции в Финляндии согласно EN 1993–1-1 и СП 16.13330 на примере опорного раскоса.
Ключевые слова: EN 1993–1-1, СП 16.13330, STAAD.Pro V8i, опорный раскос, коэффициент использования.
Цель моего магистерского исследования «Проект покрытия машинного зала АЭС в Финляндии, выполненный по российским и европейским нормам» — рассчитать и запроектировать покрытие согласно EN 1993–1-1 [1] и национальному приложению Финляндии и сравнить результаты с расчетом по СП 16.13330 [2]. В данной статье представлены результаты расчета покрытия, выполненного при помощи расчетного комплекса STAAD.Pro V8i.
Основные несущие элементы покрытия — трапецеидальные фермы из гнуто-сварных профилей пролетом 60,8 м, высотой на опоре 3,0 м, в коньке 6,1 м. Таким образом, покрытие состоит из:
– ферм, соединенных системой распорок, диафрагм, горизонтальных и вертикальных связей;
– прогонов из прокатных двутавров;
– сэндвич-панелей.
Для корректного сравнения расчета по EN 1993–1-1 [1] и СП 16.13330 [2] марки конструкционной углеродистой стали для элементов покрытия назначены по EN 10025–2 [3] (для поясов и раскосов ферм — сталь S355, для фасонок — S255), а нагрузки собраны по указаниям Еврокодов.
Сопряжение ферм с колоннами принято шарнирным. Здание оборудовано одним мостовым краном, нагрузки от которого будут восприниматься железобетонными колоннами, поскольку они жестко связаны в продольном направлении тремя железобетонными ригелями сечением 0,8×0,6 м. Учтены следующие нагрузки: постоянные (собственный вес) и временные (кратковременные) — температурная (QT), снеговая (Qs) и ветровая (Qw).
Колебания температуры учитываются в расчете в виде перепада равномерно распределенной температуры ∆Тu, определяемого как разность между средним значением температуры элемента Т и его начальной температурой Т0 по п. 5.2 EN 1991–1-5 [4]. Для зимы принимаем ∆Тu = -57 oC, для лета — ∆Тu = +59 oC. Для обеспечения свободных температурных деформаций (смещения опоры на 5 см) впоследствии будут предусмотрены овальные отверстия.
Снеговая нагрузка на покрытие определяется по формуле 10.3 EN 1991–1-3 [5] (QS = 2,4 кН/м2). Для двускатного покрытия необходимо рассматривать три случая коэффициента формы снеговой нагрузки на разных скатах согласно разделу 5.3.3 EN 1991–1-3 [5].
Ветровые воздействия определяются в соответствии с EN 1991–1-4 [6]. Схемы приложения ветровой нагрузки на покрытие представлены на рис. 1.
Рис. 1. Схемы приложения ветровой нагрузки на покрытие (значения нагрузки в кН/м2): 1, 2 — ветер действует перпендикулярно коньку, 3 — ветер действует вдоль конька
Таким образом, для расчета принято 9 схем загружения. Комбинации сгенерированы в STAAD.Pro V8i по рекомендациям EN 1990 и национального приложения Финляндии. Расчет проведен на 100 комбинаций загружений (5 из них для второй группы предельных состояний). Общий вид покрытия представлен на рис. 2.
Рис. 2. Общий вид покрытия в расчетном комплексе STAAD.Pro V8i
Постпроцессор для расчёта стальных конструкций работает следующим образом: пользователем выбирается необходимый норматив и национальное приложение (при наличии). Для каждого нормативного документа существует список расчетных параметров, соответствующий расчетным ситуациям из норматива, например, задание расчетной длины или места приложения нагрузки (к верхней или нижней полке, по центру). Также существуют параметры для осуществления специфических проверок, предусматриваемых рассматриваемым нормативом (например, проверка по предельной гибкости согласно СП 16.13330 [2], или определение поправочных коэффициентов для проверки на изгибно-крутильную форму потери устойчивости по таблице 6.6 EN 1993–1-1 [1]).
Проанализируем результаты расчета на примере опорного раскоса. Сечение элемента: труба квадратная TUB 200×200×10 по сортаменту DIN 59410. Фрагменты результатов расчета опорного раскоса фермы покрытия в ПВК STAAD.Pro V8i согласно EN 1993–1-1 [1] и СП 16.13330 [2] представлены на рис. 3 и рис. 4 соответственно.
На рис. 3, рис. 4 зеленым цветом выделен пункт соответствующего норматива, по которому производится проверка элемента, красным обозначен коэффициент использования сечения, синим — номер расчетной комбинации нагрузок, а серым цветом выделены значения несущей способности сечения при различных видах напряженного состояния (несущей способности сечения на сжатие, на растяжение, на изгиб, на срез по EN 1993–1-1 [1]).
Рис. 3. Фрагмент результатов расчета опорного раскоса согласно EN 1993–1-1 [1]
Рис. 4. Фрагмент результатов расчета опорного раскоса согласно СП 16.13330 [2]
Критерием сравнения норм в данной статье станет анализ коэффициента использования для одинаковых сечений фермы. В обоих случаях для раскоса произведены проверки как для сжато-изогнутого элемента, поскольку присутствует изгибающий момент от собственного веса раскоса, равный -0,5 kN⋅m. При расчете по EN 1993–1-1 [1] коэффициент использования оказался равным 0,69 (меньше, чем 0,82 — значение, полученное при расчете по СП 16.13330 [2]).
Пункт 7.3 СП 16.13330 [2] регламентирует порядок проверки устойчивости стенок и поясных листов центрально-сжатых элементов сплошного сечения. Устойчивость элемента зависит от типа сечения, расчетных размеров стенок, свесов полок и марки стали элемента. Поскольку программа не определяет элемент центрально-сжатым, необходимо произвести данную проверку в отдельной расчетной схеме.
Однако однозначно утверждать, что расчет согласно EN 1993–1-1 [1] является более экономичным, чем по СП 16.13330 [2], нельзя, поскольку, как видно на рис. 5, коэффициенты использования для восходящих раскосов второй и третей панели при расчете по Еврокоду (случай 1) оказались выше, чем во втором случае (расчет по СП 16.13330 [2]). Следует отметить, что данные коэффициенты были получены после унификации сечений: ширина стержней раскосов принята с таким расчетом, чтобы можно было свободно приварить их к поясу, но не более величины D-2⋅(t + td) и не менее 6D, где D — ширина сечения пояса, t — толщина стенки пояса, td — толщина стенки примыкающего раскоса.
Рис. 5. Коэффициенты использования согласно 1 — EN 1993–1-1 [1], 2 — СП 16.13330 [2]
По результатам статического расчета металлоемкость одной фермы составляет 19,5 т. Сечения фермы, принятые по результатам расчета, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Сечения фермы, принятые по результатам расчета
|
Сечение |
Эскиз |
Max коэфф. использования по EN |
Max коэфф. использования по СП |
|
□300×300×10 |
|
0,02 |
0,13 |
|
□200×200×10 |
|
0,69 |
0,82 |
|
□250×250×16 |
|
0,80 |
0,85 |
|
□180×180×8 |
|
0,90 |
0,92 |
|
□150×150×5 |
|
0,82 |
0,87 |
|
□150×150×6.3 |
|
0,99 |
0,90 |
Таким образом, для корректного сравнения расчета покрытия согласно EN 1993–1-1 [1] и СП 16.13330 [2] требуется более глубокий анализ, включающий некий критерий рациональности (допустим, принять максимально возможный коэффициент использования без унификации сечений, или провести унификацию с оговоренными параметрами сравнения).
Литература:
1. EN 1993–1-1. Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 1–1. Общие правила и правила для зданий. — Минск: Минстройархитектуры, 2009.
2. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. — М.: Минстрой России, 2017.
3. EN 10025–2. Горячекатаный прокат из конструкционной стали. Часть 2: Технические условия поставки для нелегированных конструкционных сталей. — Брюссель: Европейский комитет по стандартизации, 2004.
4. EN 1991–1-5. Еврокод 1. Воздействия на конструкции. Часть 1–5. Общие воздействия. Температурные воздействия. — Минск: Минстройархитектуры, 2009.
5. EN 1991–1-3. Еврокод 1. Воздействия на конструкции. Часть 1–3. Общие воздействия. Снеговые нагрузки. — Минск: Минстройархитектуры, 2009.
6. EN 1991–1-4. Еврокод 1. Воздействия на конструкции. Часть 1–3. Общие воздействия. Ветровые нагрузки. — Минск: Минстройархитектуры, 2010.
