Сибирский федеральный университет Свободный пр, 79, Красноярск, Россия, 660041 Инженерная академия Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198
Конструктивное решение стальной балки из тонкостенных холодногнутых профиле
А.В. Фроловская, С.Л. Шамбина, Ю.М. Петрова
В статье рассматривается разработанный оптимальный вариант конструктивного решения стальной балки покрытия составного поперечного сечения из тонкостенных гнутых профилей. Проведены численные исследования различных вариантов балок с учетом редуцирования сечения. Выполнены испытания разработанного оптимального варианта в натуральную величину.
Ключевые слова: легкие стальные тонкостенные конструкции, холодногнутые профили, стальная балка покрытия, конструктивные решения
CONSTRUCTIVE DECISIONS OF STEEL BEAMS MADE OF THIN-WALLED COLD-FORMED PROFILES
A.V. Frolovskaya1, S.L. Shambina2, Y.M. Petrova1
1 Siberian Federal University Svobodny pr, 79, Krasnoyarsk, Russia, 660041 2 Engineering Academy Peoples' Friendship University of Russia Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198
The article considers the worked out optimal variant of a constructive design for a steel covering beam having a compound cross-section made of thin-walled cold-formed sections. Numerical studies have been carried out for various options of beams taking into account reduction of cross-section. Tests were made of the created an optimal variant of a beam in full size.
Key words: light steel thin-walled structures, cold-formed profiles, steel beam coating constructive solutions
Основная часть
балка строительство тонкостенный профиль
Развивающаяся экономика России и связанная с ней высокая конкуренция на строительном рынке требуют эффективных конструктивных решений строительных конструкций, современных технологичных систем с наименьшей ресурсоемкостью. Один из путей решения указанной проблемы -- разработка и использование плоских и пространственных элементов из холодногнутых стальных оцинкованных профилей толщиной от 0,7 до 2 мм.
Зарубежный и отечественный опыт применения конструкций на их основе выявил ряд преимуществ перед традиционными из прокатных профилей: низкий расход металла, высокая коррозионная стойкость, возможность изготовления на строительной площадке, что в итоге позволяет снизить стоимость конструкций «в деле». В монографии [1] достаточно подробно описана область применения, классификация конструкций из тонкостенных оцинкованных профилей и приведены их отличительные особенности.
Проектирование тонкостенных конструкций осуществляется двумя альтернативными вариантами: численным (путь расчета) и экспериментальным (на основании испытаний) [2]. Особенность расчета несущей способности элементов, связанная с их тонкостенностью, заключается в учете возможной местной потери устойчивости всех элементов тонкостенного профиля (редуцированные характеристики сечений взамен геометрических). Аналогичная методика расчета представлена в документах [3; 4].
В данной работе реализован комплексный подход, включающий конструктивные проработки различных вариантов на основе численных исследований и испытания в лабораторных условиях.
Разработка стальной балки покрытия из тонкостенных гнутых тонкостенных профилей выполнена по заказу производителей. Конструктивное решение балки составного сечения: верхний и нижний пояса -- U-образного вида; стенка -- гнутый лист с формой гофры в виде трапеции. В качестве исходных данных приняты: район строительства -- г. Красноярск; ограждающие конструкции -- сэндвич- панели. Расчетная схема -- однопролетная шарнирно-опертая балка, загруженная равномерно распределенной нагрузкой. Предварительно пролет балок назначался равным 6, 9 и 12 м с возможными вариантами ее шагов 3, 4,5 и 6 м.
Для поиска оптимального варианта конструктивного решения балки были заданы различные параметры поперечного сечения. Верхний и нижний пояса балки представлены в виде U-образного гнутого профиля толщиной 1,5 и 2 мм, высотой 180 мм и отгибом полки -- 66 мм с учетом возможности соединения на самонарезающих винтах со стенкой и раскроя листа с минимальными отходами. Стенка толщиной 1,5 мм выполнена в виде трапециевидных гофров со следующими размерами гофра: высота 176 мм, ширина 50 мм, длина наклонной стороны 220, 250 и 280 мм.
По результатам численных исследований определены геометрические параметры сечения балки. Установлено, что несущая способность поясов обеспечивается при толщине 2 мм. Высота стенки балки определена из условия ее жесткости: при пролете 6 м -- 250 мм, при пролете 9 м -- 420 мм и при пролете 12 м -- 625 мм. Параметры гофров были приняты из условия их местной устойчивости и конструктивных требований к ним, которые удовлетворяются при длине наклонной стороны 220 и 250 мм (наиболее рациональный раскрой листа). Балка пролетом 12 м не удовлетворяет расчету по гибкости стенки. Крепление деталей между собой осуществляется с помощью самонарезающих винтов SD3-Т15-4,8х19 с учетом требований к их расстановке.
Рис. 1 Поперечные сечения элементов балки покрытия: а) полки; б) стенки [Cross-sections of the beam elements of covering: a) for the shelf; b) for the wall]
На рисунке 1 приведены поперечные сечения элементов оптимального конструктивного решения балки покрытия в результате численных исследований.
В результате детального расчета получено, что проверка прочности с учетом эффективности сечений выполняется только для балки пролетом 6 м с шагом 3 м.
Рис. 2 Общий вид экспериментальной балки [General view of the the experimental beam]
При необходимости увеличения пролета балки до 9 м можно уменьшить шаг балок до 1,2--1,5 м. Для определения эффективности конструктивного решения по критериям несущей способности и технологичности проведено испытание балки пролетом 6 м (рис. 2).
Рис. 3 Общий вид экспериментальной установки (а) и ее схема (б) [General view of the experimental model (a) and its scheme (b)]
Цель эксперимента -- изучение работы тонкостенной балки из гнутых оцинкованных профилей. Для этого были поставлены следующие задачи: оценка жесткости балки и потери местной устойчивости ее элементов; анализ совместной работы и-образный поясов со стенкой, выполненной в виде гофр трапециевидной формы, сопоставление численных и экспериментальных исследований. Общий вид и принципиальная схема экспериментальной установки показаны на рис. 3, а. Загружение модели проводилось в виде распределенной нагрузки.
Для определения прогиба балки по ее длине установлены 5 прогибомеров (рис. 3, б).
Нагружение балки выполнялось в несколько этапов. На первом этапе произведена обкатка конструкции с целью устранения люфтов. Далее нагрузка подавалась ступенями по 230 кг (вначале с концов балки одновременно с двух сторон, затем на среднюю часть) с выдерживанием по 15 мин. после каждого приращения нагрузки до наступления предельного состояния.
Рис. 4 График зависимости «прогиб-нагрузка» экспериментальной балки [Graph of “load and deflection” for the experimental beam]
График зависимости «прогиб-нагрузка» экспериментальной балки представлены на рис. 4. Сопоставление экспериментальных данных с результатами теоретических расчетов приведены в таблице.
Таблица 1 Сравнение экспериментальных и расчетных данных по прогибам балки [comparison of experimental and calculated data on beam deflections]
|
Расстояние от опоры до точки измерения прогиба |
Значения прогибов, мм |
|||
|
по аналитическому расчету |
по экспериментальным данным |
расхождение, % |
||
|
Прогиб при нормативной нагрузке 4,89 кН/м |
||||
|
1,325 м |
7,34 |
8,2 |
10,5 |
|
|
2,65 м |
16,9 |
18,2 |
7,14 |
|
|
3,0 м |
19,1 |
21,2 |
9,9 |
|
|
Прогиб при максимальной нагрузке 6,78 кН/м |
||||
|
1,325 м |
10,2 |
11,3 |
9,73 |
|
|
2,65 м |
23,4 |
24,6 |
4,88 |
|
|
3,0 м |
26,5 |
27,8 |
4,68 |
Выводы
Разработано конструктивное решение стальной балки покрытия из гнутых тонкостенных профилей. На основе численных исследований с учетом редуцирования поперечного сечения подобран оптимальный вариант, который был принят для проведения натурных испытаний в лабораторных условиях.
В результате численных исследований рассмотренных выше конструктивных решений стальных балок пролетом 6 м с шагом 3 м установлено, что они работоспособны, обладают достаточной прочностью и жесткостью и могут выполнять функции несущих конструкций покрытия.
Прогиб балки, вычисленный аналитическим путем при нормативной нагрузке 4,89 кН/м, составил 19,1 мм, а по результатам испытаний -- 21,2 мм. Расхождение составляет 9,9%.
При сопоставлении численных и экспериментальных значений прогиба балки расхождения составляют 4,68--10,5%.
Разрушение (предельное состояние) балки наступило в результате потери местной устойчивости верхней полки в середине ее пролета, что говорит о необходимости учета особенности работы тонкостенных конструкций, с учетом редуцирования сечения.
Экспериментальные исследования доказали, что совместная работа и-образных поясов со стенкой, выполненной в виде гофр трапециевидной формы, обеспечена при условии качественного выполнения соединения деталей между собой.
Библиографический список
1. Енджиевский Л.В., Крылов И.И., Кретинин А.Н., Терешкова А.В. Ограждающие и несущие строительные конструкции из стальных тонкостенных профилей: монография. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. 281 с.
2. Фроловская А.В., Петрова Ю.М, Химченко Н.Н. Исследование несущей способности элементов стропильной фермы из тонкостенных оцинкованных профилей // Молодая мысль: наука, технологии, инновации: материалы VIII (XIV) Всероссийской научно-технической конференции. Братск: Изд-во БрГУ, 2016. С. 35--39.
3. EN 1993-1-3:2006. Eurocode 3: Design ofsteel structures. Part 1-3: General rules. Supplementary rules for coldformed members and sheeting. Brussels: CEN, 2006. 134 p.
4. AISI S100-2007. North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members. Washington: American Iron and Steel Institute, 2007. 198 p.
REFERENCES
1. Endzhievsky L.V, Krylov I.I., Kretinin A.N., Tereshkova A.V. Ograzhdaiushchie i nesushchie stroitelnye konstruktcii iz stalnykh tonkostennykh profilei: monografiia. Krasnoiarsk: Sibirskii federalnyi universitet, 2010. 281 p.
2. Frolovskaya A.V, Petrova Iu.M., Khimchenko N.N. Issledovanie nesushcheii sposobnosti elementov stropilnoi fermy iz tonkostennykh otcinkovannykh profilei. Molodaya mysl: nayka, tekhnologii, innovatcii: materialy VIII (XIV) Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentcii. Bratsk: Izd-vo BrGU, 2016. Pp. 35--39.
3. EN 1993-1-3:2006. Eurocode 3: Design ofsteel structures. Part 1-3: General rules. Supplementary rules for coldformed members and sheeting. Brussels: CEN, 2006. 134 p.
4. AISI S100-2007. North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members. Washington: American Iron and Steel Institute, 2007. 198 p.