Особенности расчета и проектирования рам с переменной жесткостью из сварных двутавров с гофрированной стенкой

В данной статье рассматриваются особенности расчета и проектирования рам с переменной жесткостью из сварных двутавров с гофрированной стенкой, приведены их достоинства, недостатки, а также рассмотрены особенности расчета фланцевых узлов таких конструкций.

Ключевые слова: гофра, рамная конструкция, гофрированная стенка, фланец, узел, колонна, балка, ригель, соединение, металлокаркас, высокопрочные болты.

Введение

Одной из важных задач в настоящее время в строительной отрасли является поиск решений по снижению металлоемкости строительства тех или иных зданий и сооружений.

Первым путем решения данной проблемы является использование в проекте балки с гофрированной стенкой (рис. 1, 2), для которой применяется тонколистовой прокат. Также сокращается количество поперечных ребер жесткости, которые устанавливают в местах приложения сосредоточенных нагрузок и в опорных сечениях. Гофра более эффективно воспринимает нагрузки, и ее профилированные элементы более устойчивы к ним. Пояса балки преимущественно воспринимают изгибающий момент. Гофра также служит для связи поясов и объединения их в работе.

Вторым путем снижения расхода металла в строительстве является использование рамных конструкций переменного сечения, как наиболее оптимальных и рациональных рамных систем. Их рациональность достигается изменением размеров поперечного сечения рам в соответствии с эпюрой изгибающих моментов, что приводит к выравниванию напряжений во всех точках конструкции.

Таким образом, можно сказать, что применение рамных конструкций из сварных двутавров с гофрированными стенками переменного сечения является эффективным решением ресурсосбережения в строительстве.

Особенности расчета и проектирования рам с переменной жесткостью из сварных двутавров с гофрированной стенкой

Одним из основных этапов проектирования каркасов из рамных конструкций переменного сечения является этап статических расчетов конструкций на действие внешних нагрузок. Учитывая, что при проектировании рамных конструкций стремятся к наиболее полному использованию несущей способности сечений, процесс статического расчета является итерационным и связан с многократным повторением цикла “подбор сечений — статический расчет — проверка сечений и элементов в целом”. Помимо задач статического расчета на этом этапе решаются и другие задачи, связанные с поиском эффективной геометрии рамы, оптимального распределения жесткостей, оптимизацией сечений, технологичности изготовления и т. д.

На данный момент времени для статического расчета рамных конструкций в основном применяется программное обеспечение, основанное на МКЭ. Приходится вручную разбивать элементы переменного сечения на определенное количество участков, число которых зависит от требуемой точности расчета.

1) Определяются размеры рамы в соответствии с предписанными технологическими требованиями. Производится сбор нагрузок на раму в соответствии с действующими нормами [1, 2, 3].

2) Производится статический расчет рамы на усилия M, N, Q, как для конструкций постоянной жесткости (рис. 3, а).

3) По полученным данным на схеме рамы строится эпюра огибающих моментов. Предварительно определяются участки с постоянными и переменными сечениями элементов рамы (рис. 3, б).

4) По данным, полученным на третьем этапе, производится подбор сечений отдельных элементов рамы таким образом, чтобы соблюдались условия и требования, предъявленные к ним (технологические, конструктивные и т. д.) (рис. 3, в).

5) Производится повторный статический расчет с подобранными сечениями на четвертом этапе.

6) Производится проверка подобранных сечений по требованиям прочности, устойчивости, деформативности.

7) Вносится корректировка сечений с учетом результатов расчета, полученных на шестом этапе (рис. 3, г).

8) Производится повторный статический расчет рамы и проверка сечений элементов и рамы в целом.

Основные методики и способы расчета и проектирования сварных двутавров с гофрированной стенкой приведены в своде правил [4] и учебно-методическом пособии [5]. Конструкции из сварных двутавров с гофрированной стенкой, относятся к 1-му классу и рассчитываются в пределах упругих деформаций.

Также особенностям расчета и проектирования рам с переменной жесткостью из сварных двутавров с гофрированной стенкой уделено большое внимание в работе [6].

Рис. 3. Этапы статического расчета и подбора сечений рам переменного сечения

Таким образом, подбор сечений отдельных элементов рамных конструкций должен удовлетворять следующим требованиями и условиям:

1) условия прочности сечения при действии всех силовых факторов (изгибающие моменты в плоскости и из плоскости стенки, продольные силы, крутящие моменты, локальные нагрузки и др.);

2) условия местной устойчивости элементов сечения (сжатая полка, стенка, ребра и т. д.;

3) условия устойчивости элемента рамы, раскрепленного поперечными связями;

4) условия общей устойчивости рамы как единой конструкции;

5) конструктивные и технологические требования.

Особенности расчета фланцевых узлов соединения двутавров с гофрированной стенкой

Несмотря на положительные качества конструкций переменного сечения с гофрированной стенкой (снижение общего веса каркаса, ускоренный процесс монтажа, большие пролеты здания, сниженная потребность в исходном сырье) такие элементы также имеют отрицательные качества. Одним из них является усложненная конструкция узла сопряжения элементов рам между собой и с примыкающими конструкциями.

Рис. 4. Фланцевые соединения рамных конструкций: 1 — сопряжение крайних стоек с ригелями; 2, 3 — сопряжение элементов ригеля в пролете; 4 — опирание ригеля на средние колонны; 5 — стыки колонн

Рис. 5. Основные типы фланцевых соединений: а) соединения параллельных элементов; б, в) соединения элементов рам под малым углом; в) соединения элементов под большим углом; г) сопряжение ригеля и колонны с гофрированными стенками через вставку с плоской стенкой; д) сопряжение ригеля с гофрированной стенкой и колонной с плоской стенкой

Применение данного типа соединений позволяет уйти сварки при монтаже конструкций, а по сравнению с другими болтовыми соединениями — снизить количество болтов в узлах, что приводит к снижению трудоемкости производства и монтажа.

В настоящее время в России нет действующих норм расчета фланцевых соединений, и их расчет ведется либо по рекомендациям [7], либо по серии [8].

Следует отметить, что работа балки с гофрированной стенкой отличается от работы «обычного» двутавра. Гофрированная стенка выключается из работы при действии нормальных напряжений от изгибающего момента и продольной силы. Она воспринимает только глобальные поперечные силы и локальные поперечные нагрузки, работая устойчиво до исчерпания несущей способности двутавров.

Поэтому в двутаврах с поперечно-гофрированной стенкой усилия растяжения и сжатия передаются только через полки, болты во фланцевом соединении можно устанавливать только напротив этих полок и конструктивно, на максимальных расстояниях — по стенке.

Фланцевые соединения элементов стальных конструкций, подверженных сжатию или совместному действию сжатия с изгибом при однозначной эпюре сжимающих напряжений в соединяемых элементах, следует выполнять на высокопрочных болтах без предварительного их натяжения, затяжкой болтов стандартным ручным ключом. Такие соединения могут воспринимать сдвигающие усилия за счет сопротивления сил трения между контактирующими поверхностями фланцев, возникающих от действия усилий сжатия соединяемых элементов.

Во фланцевом соединении следует применять высокопрочные болты диаметром 24 мм (М24); использование болтов М20 и М27 следует допускать в тех случаях, когда постановка болтов М24 невозможна или нерациональна.

При конструировании фланцевых соединений, как правило, следует применять сочетания диаметра болтов и толщин фланцев, указанных в табл. 1.

Таблица 1

Сочетания диаметра болтов и толщин фланца

Фланцевые соединения элементов, подверженных воздействию изгиба, следует выполнять, как правило, со сплошными фланцами с постановкой ребра жесткости на растянутом поясе в плоскости стенки двутавра. При необходимости увеличения количества болтов и ширины фланцев соответствующее уширение поясов двутавров следует осуществлять за счет приварки дополнительных фасонок [7].

Пример фланцевого соединения крайней стойки и ригеля приведен на рис. 6.

Рис. 6. Фланцевое соединение крайней стойки и ригеля

1. Применение в строительной сфере металлических каркасов переменного сечения в зданиях с гофрированной стенкой позволяет существенно снизить материалоемкость;
2. Несущая способность балок с гофрированной стенкой выше, чем у прокатных за счет большей местной устойчивости стенки;
3. Фланцевые соединения — наиболее простой и надежный способ жесткого соединения элементов, но на сегодняшний день в России нет действующих норм расчета фланцевых соединений.

Литература:

1. СП 16.13330.2017 Стальные конструкции (актуализированная редакция СНиП II-23–81. Стальные конструкции. Нормы проектирования).
2. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия (актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85*. Нагрузки и воздействия).
3. СП 131.13330.2020 Строительная климатология (актуализированная редакция СНиП 23–01–99*. Строительная климатология).
4. СП 294.1325800.2017 Конструкции стальные. Правила проектирования. М., 2020.
5. Расчет и проектирование сварных двутавровых профилей с волнистыми стенками: учеб.-метод. пособие / С. В. Кудрявцев; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 60 с.
6. Катюшин В. В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения: Монография, М.: Издательство АСВ, 2018г. — 1072 с.
7. Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций. — М.: Госстрой СССР, 1989. — 54 с.
8. Серия 2.440–2. Узлы стальных конструкций производственных зданий промышленных предприятий. Выпуск 7. Болтовые фланцевые рамные соединения балок с колоннами стальных каркасов зданий и сооружений. — Введ. 1994.02.01. — М.:НИПИПпромстальконструкция, 1994. — 83с.
9. Проектирование металлических конструкций: Спец. курс. Учеб. пособие для вузов / В. В. Бирюлев, И. И. Кошин, И. И. Крылов, А. В. Сильвестров, 1990–432 с.: ил.