Эффективность применения балок с гофрированной стенкой в балочной клетке

В данной статье рассматривается сравнительный анализ балочных клеток с применением балок с гофрированной стенкой и балок с обычной сварной двутавровой стенкой. Использование балок с гофрированной стенкой является одним из способов повышения несущей способности конструкции и снижения расхода материала. Балка с гофрированной стенкой — это металлическая конструкция, которая состоит из поясов и тонкой периодично изогнутой стенки. В статье описываются области применения, особенности конструирования рассматриваемой балки, производится сравнение эффективности использования в балочной клетке главных балок с гофрированной стенкой и с обычной плоской.

Ключевые слова: балка с гофрированной стенкой, балочная клетка металлоемкость, главная балка, местная устойчивость .

Эффективность использования материала в конструкциях является важной и актуальной задачей строительной отрасли. В изгибаемых элементах добиться уменьшения металлоемкости конструкции возможно различными технологическими и конструктивными способами. Одним из способов решения этой задачи является уменьшение металлоемкости конструкции посредством оптимизации ее формы.

В качестве исследуемого конструктивного элемента выбрана двутавровая балка со сварной гофрированной стенкой (рис.1).

Рис. 1. Балка с гофрированной стенкой

Исследованию балок с гофрированной стенкой было уделено большое внимание отечественных и зарубежных ученых [1–28]. Балки с гофрированной стенкой — это балки, состоящие из поясов и тонкой изогнутой стенки (гофр). Стенка назначается тонкой для экономии металла конструкции и более легкого гофрирования. Толщина такой стенки принимается от 2 до 8 мм. Гофры повышают местную устойчивость стенки. В то время как в балках с обычной плоской стенкой местная устойчивость сохраняется за счет использования более толстой стенки и ребер жесткости.

Областью применения балок с гофрированной стенкой являются несущие конструкции многоэтажных жилых домов, промышленных зданий, где они используются как стропильные и подстропильные балки, прогоны и колонны. Также эти конструкции применяются как элементы мостовых кранов и кран-балки, пролетные строения галерей и пешеходных мостов, а также в качестве купольных и арочных покрытий.

Балки с гофрированной стенкой изготавливаются из сталей марки С235, С245, С255. Стенка и пояса балки могут быть выполнены из двух разных марок стали. Это зависит от соотношения значений поперечной силы и изгибающего момента.

Гофры стенки имеют различную форму (рис.2)

а) трапецеидальные

б) прямоугольные

в) треугольные

г) волнистые

Рис. 2. Формы гофрирования стенки балки

Наиболее распространенными формами гофрирования стенки являются: трапецеидальные, треугольные и волнистые. Балки с треугольным очертанием гофра удобны в изготовлении, выдерживают большую статическую нагрузку, стенка имеет повышенную местную и общую устойчивость. Для таких балок не требуется больших усилий в изготовлении. Балки с волнистым гофрированием имеют большую устойчивость. В данной статье будем рассматривать балку с волнистой стенкой.

Гофр задается двумя параметрами: длиной волны и высотой волны. Для упрощения расчетов представим поперечные ребра синусоидальными.

— Рекомендуемая высота гофрированной стенки принимается от 1/12 до 1/30 пролета балки;

— Толщина стенки задается от 1/80 до 1/500 высоты стенки, но при этом толщина не должна быть меньше 2 мм;

— Шаг гофров принимается от 60 до 80 толщин стенки;

— Высота гофрированной стенки должна относиться к шагу гофров меньше, чем в 7,5 раз;

— Высота волны гофров должна быть не менее (высота стенки/35) + 30 мм.

В балках с гофрированной стенкой толщиной меньше 5 мм швы выполняются односторонними полуавтоматической или автоматической сваркой, если стенка превышает 5 мм, то сварка выполняется двусторонними швами.

Существует несколько способов монтажных стыков балок. Стыки могут выполняться на сварке, высокопрочных болтах или с помощью замковых соединений поясов на накладках на растянутом поясе. Сварные стыки следует применять при температуре выше -20 градусов.

При расчете сварных соединений в балках с гофрированной стенкой следует руководствоваться расчетом сварных соединений в балках с обычной плоской стенкой.

Сравнительный расчет балок

Зададимся параметрами балочной клетки (рис.3), для которой будут подбираться главные балки.

Рис. 3. Монтажный план балочной клетки

Тип балочной клетки — нормальный. Балки настила опираются на главные балки, главные балки опираются на колонны в направлении большего пролета. Сопряжение балок этажное. Основные размеры здания в плане 36 м длина и 18 м ширина. Настил выполнен из стальных листов. Шаг балок настила 1м. В качестве балок настила примем двутавр 18Б1. Главные балки приняты в нескольких видах в разных расчетах: балка с гофрированной стенкой и балка с обычной стенкой без ребер жесткости. Продольный шаг колонн L=12 м. Поперечный шаг колонн l=6 м. Высота колонн Н=5м. Марка стали С245. Нормативная полезная нагрузка 500 кг/м2.

В результате расчета балки с гофрированной стенкой было подобрано сечение с размерами (рис.4):

— Высота стенки h = 103 см;

— Толщина стенки = 0,3 см;

— Ширина пояса b = 32 см;

— Толщина пояса = 1 см;

— Длина волны гофра =12 см.

В результате расчета обычной двутавровой балки с плоской стенкой было подобрано сечение с размерами (рис.4):

— Высота стенки h = 60 см;

— Толщина стенки = 0,65 см;

— Ширина пояса b = 22 см;

— Ширина пояса измененного сечения =18 см;

— Толщина пояса

— Ребра жесткости не требуются.

Рис. 4. Подобранные сечения балки с гофрированной стенкой и балки с плоской стенкой

Произведем расчет металлоемкости рассматриваемых балок. Для этого сведем значения массы стенки и листов в таблицу 1.

Таблица 1

Значения металлоемкости исследуемых балок

Вычислим разницу металлоемкости одной главной балки.

Произведем расчет расхода стали при конструировании балочной клетки с заданными параметрами с рассматриваемыми главными балками. Для этого сконструируем балочную клетку и выведем спецификацию используемых конструкций в таблицу 2 и таблицу 3.

Таблица 2

Спецификация элементов балочной клетки при использовании главных балок с гофрированной стенкой

Таблица 3

Спецификация элементов балочной клетки при использовании при использовании главных балок с обычной стенкой 6,5 мм без ребер жесткости

Проведем сравнительный расчет расхода металла с различными главными балками в рамках всего здания.

Сравнение металлоемкости балки с гофрированной стенкой с балкой с обычной стенкой 6,5 мм без ребер жесткости:

Таким образом, можно сделать вывод о том, что использование главных балок с гофрированной стенкой экономит 2329,68 кг по сравнению с балкой с обычной стенкой 6,5 мм без ребер жесткости при аналогичной компоновке балочной клетки.

1. Горнов, В. Н. Новые тонкостенные конструкции [Текст] / В. Н. Горнов // Проект и стандарт. — 1937. — No3. — С. 25–28.
2. Подорожный, А. А. Данные для расчета обшивки с гофром на сжатие и сдвиг [Текст] / А. А. Подорожный. — Труды ЦАГИ. — 1940. — В. 520. — 48 с.
3. Справочник по строительной механике корабля (в 3 томах) [Текст] / Под общ. ред. Ю. А. Шиманского. — Л.: Судпромгиз, 1960.
4. Ажермачев Г. А. Балки с волнистыми стенками // Промышленное строительство. — 1963. — No4. — С. 54–56. 3.
5. Концевой, Е. М. Устойчивость гофр в стенках крановых балок конструкции ВНИИПТМАШ [Текст] / Е. М. Концевой // Исследования крановых металлоконструкций. — 1955. — В. 5(69). — С. 3–24.
6. Кириленко, В. Ф. Устойчивость гофрированных стенок крановых балок при действии сдвигающих сил [Текст] / В. Ф. Кириленко, Г. А. Воблых // Вестник машиностроения. — 1968. — No11. — С. 14–15.
7. Кириленко, В. Ф. К вопросу расчета балок с гофрированной стенкой [Текст] / В. Ф. Кириленко, Г. А. Окрайнец // Строительство и архитектура. — 1969. — No4. — С. 23–27.
8. Степаненко, А. Н. Исследование работы металлических балок с тонкими гофрированными стенками при статическом загружении [Текст]: дис.... канд. техн. наук: 05.23.01 / Степаненко Анатолий Николаевич. — Свердловск, 1972. –211 с.
9. Степаненко А. Н. Исследование работы металлических балок с тонкими гофрированными стенками при статическом загружении: Автореф. дис....канд. тех. наук. — Свердловск, 1972. — 20 с.
10. Максимов, Ю. С. Стальные балки с тонкой гофрированной стенкой — эффективный вид несущих конструкций покрытий производственных зданий [Текст] / Ю. С. Максимов, Г. М. Остриков // Промышленное строительство. — 1984. — No 4. — С. 10–11.
11. Максимов, Ю. С. Устойчивость гофрированных стенок двутавровых балок [Текст] / Ю. С. Максимов, Г. М. Остриков, В. В. Долинский // Строительная механика и расчет сооружений. — 1985. — No 6. — С. 43–45.
12. Максимов, Ю. С. Сельскохозяйственные здания из легких металлических конструкций [Текст] / Ю. С. Максимов, Г. М. Остриков // Комплектные здания из легких металлических конструкций. Тезисы докладов всесоюзного совещания. — М.: ЦБНТИ, 1988. — С. 56–58.
13. Остриков, Г. М. Легкие стальные конструкции покрытий производственных зданий: Экспресс-информация. Серия: Промышленное строительство. No1 [Текст] / Г. М. Остриков, Ю. С. Максимов. — Алма-Ата: КазЦНТИС Госстроя КазССР, 1987. — 41 с.
14. Остриков, Г. М. Исследование несущей способности стальных двутавровых балок с вертикально гофрированной стенкой [Текст] / Г. М. Остриков, Ю. С. Максимов, В. В. Долинский // Строительная механика и расчет сооружений. — 1983. — No 1. — С. 68–70.
15. Остриков, Г. М. Оптимальные конструктивные формы стальных двутавровых балок [Текст] / Г. М. Остриков // Известия вузов Строительство и архитектура. — 1988. — No 5. — С. 10–14.
16. Остриков, Г. М. Каркасы зданий многоцелевого назначения из легких металлоконструкций типа Алма-Ата [Текст] / Г. М. Остриков, Ю. С. Максимов, А. А. Опланчук // Комплектные здания из легких металлических конструкций. Тезисы докладов всесоюзного совещания. — М.: ЦБНТИ, 1988. — С. 33–34.
17. Остриков, Г. М. Нормальные напряжения в стенке металлической двутавровой балки от локальных нагрузок [Текст] / Г. М. Остриков, С. Г. Барановская // Изв. вуз. Строительство и архитектура. — 1989. — No 8. — С. 109–111.
18. Долинский В. В. Стальные двутавровые ригели с гофрированной стенкой в сейсмостойких многоэтажных рамных каркасах: Автореф. дис. канд. тех. наук. — Новосибирск, 1985. — 22 с.
19. Михайлова, Т. В. Экспериментальные исследования сварных двутавровых балок с периодическими гофрами в стенке [Текст] / Т. В. Михайлова // Типизация и стандартизация металлических конструкций. Сб. научн. тр. ЦНИИПСК. — М.: ЦНИИПСК, 1987. — С. 64–71.
20. Михайлова, Т. В. О влиянии периодических закрытых гофров стенки балки на ее несущую способность [Текст] / Т. В. Михайлова // Разработка и исследование стали для металлических конструкций. Сб. научн. тр. ЦНИИПСК. — М.: ЦНИИПСК, 1988. — С. 158–162.
21. Михайлова, Т. В. Применение профилей высокой жесткости в сплошностенчатых и рамных конструкциях комплектной поставки [Текст] / Т. В. Михайлова, В. Ф. Беляев, В.Ф Кириленко // Комплектные здания из легких металлических конструкций. Тезисы докладов всесоюзного совещания. — М.: ЦБНТИ, 1988. — С. 76–78.
22. Бирюлев, В. В. Местное напряженное состояние гофрированной двутавровой балки при локальной нагрузке [Текст] / В.В Бирюлев, Г.М Остриков, Ю. С. Максимов, С. Г. Барановская // Изв. вуз. «Строительство и архитектура». — 1969. — No 11. — С. 13–15.
23. Енджиевский, Л. В. Каркасы зданий из легких металлических конструкций и их элементы [Текст] / Л. В. Енджиевский, В. Д. Наделяев. — М.: АСВ, 1998. — 247 с.
24. Степаненко, А. Н. Прочность и устойчивость конструкций из двутавра с волнистой стенкой [Текст]: автореф. дис.... докт. техн. наук: 05.23.01 / Степаненко Анатолий Николаевич. — Хабаровск, 2001. — 48 с.
25. Власов, В. З. Тонкостенные упругие стержни: издание второе, переработанное и дополненное [Текст] / В. З. Власов. — М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. — 568 с.
26. Егоров, П. И. Дополнительные изгибно-крутящие усилия в двутавровом стержне с поперечным непрерывным трапецеидальным профилем гофров в стенке [Текст] / П. И. Егоров // Промышленное и гражданское строительство. — 2007. — No10. — С. 34–35.
27. Рыбкин, И. С. К вопросу оптимального проектирования конструкций с гофрированными элементами [Текст] / И. С. Рыбкин // Материалы Шестой Межрегиональной научно-технической конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии». — Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2008. — С. 18–23.
28. Кудрявцев С. В. Расчет двутавровой балки с гофрированной стенкой на изгиб в своей плоскости под действием статических нагрузок (Часть 1: Методика Расчета). ГОУ ВПО «Урал. Гос. Техн. Ун-т-УПИ». Екатеринбург, 2007. 17 с.: ил. Библиогр.: 20 назв. Рус. Деп. В ВИНИТИ 20.07.07, No749-В2007. С. 33–34.