Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации» » building structures

Рациональное использование гнутосварных профилей в строительных конструкциях

Зайцев Михаил Борисович — Thu, 27 Nov 2014 14:41:01 +0000

Поиски путей уменьшения расхода металла и стоимости конструкций при одновременном улучшении их качества привели к широкому внедрению листовых коробчатых конструкций взамен решетчатых, а в решетчатых конструкциях – к значительному увеличений применения гнутых и гнутосварных профилей взамен открытых уголковых и швеллерных.
Изготовление гнутых профилей осуществляется методом холодной вальцовки профилегибочных станах. Их получают из цветных металлов и сплавов, углеродистой, низколегированной и легированной сталей с шириной исходной заготовки до 2000 мм, толщиной до 20 мм .
Впервые профилегибочные станы были установлены в CША в 1910 году и предназначались в основном для машиностроения, а именно для автомобилестроения. В Европе они появились несколько позже.
Изготовление гнутых профилей на профилегибочных станах является высокопроизводительным процессом (скорость выхода готового профиля составляет 150-180м/мин.)
Горячая прокатка часто ограничивает, а иногда и вовсе не дает возможности получить необходимые и наиболее выгодные, с точки зрения прочности, профили, а также профили с тонкими стенками.
Метод гибки в валках позволяет получать профили с наиболее рациональным распределением металла по сечению, в связи с чем могут быть достигнуты максимальная прочность и жесткость при минимальном расходе металла.
Холодной вальцовкой можно изготавливать элементы, которые позволяют заменить конструкции, состоящие из двух и более горячекатаных профилей. Это обеспечивает значительную экономию металла, а в процессе монтажа резко сокращает необходимость в операциях клепки, сварки и сборки, что приводит к уменьшению трудовых затрат.
Применение в различных конструкциях гнутых профилей с одинаковой толщиной по всему сечению облегчает выполнение технологических операций по сборке и уменьшает затраты труда на монтаж этих конструкций.
При изготовлении деталей холодным профилированием значительно сокращаются затраты на механическую обработку. Коэффициент использования металла при профилировании колеблется в пределах 99,5-99,9%, а количество брака в 8-10 раз меньше, чем при горячей прокатке на сортовых станах /1/.
Гнутые профили не требуют правки. Точность деталей выше, чем при горячей прокатке, что обеспечивает их взаимозаменяемость.
Меньшее количество дефектов на поверхности гнутых профилей обеспечивает большую коррозионную стойкость и высокую конструктивную прочность. Такие дефекты, как микроскопические трещины и царапины на поверхности, развиваясь в глубину, способствует усилению коррозии, а также концентрации напряжений и уменьшению срока службы детали или конструкции. С этой точки зрения гнутые профили, изготовленные из горячекатаной травленой или холоднокатаной стали, являются более долговечными, чем профили, изготовленные другими способами.
Кроме того оборудование для холодной вальцовки менее сложно и дешевле в изготовлении, чем прокатное и прессовое /1/.
Одним из крупнейших потребителей гнутых профилей стало строительство.
При изготовлении холодногнутых профилей исходная заготовка подвергается упругому деформированию на плоских участках и пластическому деформированию в местах изгиба.Процессы, приводящие при холодной пластической деформации к упрочнению, вызывают одновременно снижение пластичности. При предельной степени деформации предел текучести металла становится равным временному сопротивлению и относительное удлинение снижается до нуля. Темп повышения предела текучести выше темпа повышения временного сопротивления. Следовательно, после профилирования гофрированный лист имеет в поперечном сечении различные по свойствам и структуре участки.
Испытания стандартных образцов, вырезанных из характерных участков гнутых профилей, на статические нагрузки показали повышение прочности материала в местах изгиба, а на удалении примерно шести толщин от оси изгиба этого повышения практически не наблюдается и прочность материала равна прочности исходной заготовки /2/.

Мерой эффективности профиля для изгибаемых элементов является ядровое расстояние , а для сжатых – удельный радиус инерции .

Чем выше характеристики момента сопротивления W и радиуса инерции i при одинаковом расходе металла (площадь сечения A одинакова для всех сечений), тем выгоднее сечение балки как конструкции, работающей на изгиб, а колонны или стойки – работающей на сжатие.

Для получения высоких характеристик ρ и i материал по сечению необходимо располагать на максимальном удалении от центра тяжести. Наиболее эффективным сечением для балок, изгибаемых в одной плоскости (относительно x-x) является двутавровое сечение, а для элементов, работающих на осевое сжатие, – трубы круглого, квадратного и прямоугольного сечений.
В новом своде правил СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81^*» представлены нормативные и расчётные положения, внесён целый ряд изменений и дополнений по сравнению со старой редакцией СНиП, в частности, касающиеся элементов конструкций из гнутосварных профилей /3/. Так в таблице 1 для сравнения приведены значения коэффициентов устойчивости в зависимости от типа сечения стержня. Из нее следует, что рациональное использование стержней из гнутосварных труб квадратного и прямоугольного сечений (тип а) взамен уголковых (тип с) позволяет снизить расход стали. Например, в стержнях ферм, в которых обычно для поясов и опорных раскосов значения гибкостей λ= 60…90 (условные гибкости примерно 2…3,2), а для решётки λ = 100…120 (условные гибкости примерно 3,4…4) экономия металла при использования труб квадратного сечения может достигать 20%.

Таблица 1. Коэффициенты продольного изгиба

Условная гибкость	Коэффициенты φ по СП 16.13330.2011 «Актуализированная редакция СНиП II-23-81*» для различных типов поперечных сечений стержней (см. табл.Д.1)			Коэффициентыφ по СНиП II-23-81* «Стальные конструкции» (см. табл.72)
	тип а	тип b	тип c

0,40,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 4,2 4,4 4,6 4,8 5 5,2	999994 981 968 954 938 920 900 877 851 820 785 747 704 660 615 572 530 475 431 393 359 330 304 281	998986 967 948 927 905 881 855 826 794 760 722 683 643 602 562 524 487 453 421 392 359 330 304 281	992950 929 901 878 842 811 778 744 709 672 636 598 562 526 492 460 430 401 375 351 328 308 289 271	989969 953 934 913 891 866 841 813 785 755 718 673 628 587 547 508 471 436 402 370 340 312 289 268
Примечание. Значение коэффициентов φ в таблице увеличено в 1000 раз.

Автоматизированный расчет и моделирование многоэтажного жилого дома

Снигирева Влада Николаевна — Mon, 27 Mar 2017 10:41:50 +0000

В настоящее время во всех сферах деятельности наблюдается тенденция к рациональному использованию труда, уменьшению трудоемкости выполняемых работ. Строительная отрасль не является исключением. Если в предыдущем столетии при проектировании конструкций зданий и сооружений сбор нагрузок, расчет конструкций и выполнение чертежей производилось «вручную», то сейчас это все практически полностью автоматизировано, то есть все расчеты и чертежи выполняются на компьютере, а опытному конструктору остается проанализировать результаты и правильность выполненного расчета.

При проектировании конструкций необходимо учитывать экономику. Затрачиваемые денежные средства и материалы должны быть оптимальными. Для того чтобы сравнивать технико-экономические показатели проекта, необходимо рассчитывать и сопоставлять несколько вариантов решений. Для выполнения данной задачи в программном комплексе Ansys была построена модель многоэтажного здания. Программа расчета полностью параметризована, что позволяет менять количество этажей и комнат в здании, исходные размеры модели (толщину стен, размер колон, высоту этажа и т.п.), плотность и вид используемых материалов.

В качестве первоначальных исходных данных для построения плоской геометрии стены были выбраны характеристики, приведенные на рис. 1

Рис. 1Исходные данные для построения плоской геометрии стены

В плосконапряженном состоянии принят элемент plane42, тип элементов для объемов – solid185. Для построения структурированной и неструктурированной конечно-элементной сетки каждая линия модели была разделена на рассчитанное количество элементов для обеспечения совместной работы конструкций. В соответствии с исходными данными каждой конструкции задаем характеристики материала, типа элементов и заполняем поверхность сеткой. Толщина плоской стене задана экструзией. На рис. 2а показано, что перемычка выполнена из бетона, а основная часть стены – из кирпича. Для обеспечения параметризации модели создана компонента «стеновой блок» (рис. 2б). «Стеновой блок» построен без крыши и правой стенки, чтобы при копировании этого блока в модели не было двойных перегородок или двойных перекрытий.

Для построения заданного параметром числа комнат был создан цикл, который копирует компоненту «стеновой блок» необходимое количество раз. Далее создается компонента целого этажа. Заданное количество этажей также строится с помощью цикла, однако в этом случае копируется компонента «целый этаж».

Граничными условиями выступает земля, то есть всей нижней поверхности нижнего этажа задаются нулевые перемещения по всем направлениям осей координат. Таким образом, смоделирована ситуация жесткого защемления фундамента в грунт. Нагрузку, действующую на многоэтажный дом, считаем только собственный вес, т.к. в данном случае необходимо произвести примерный расчет для определения оптимальных габаритов здания (количества подъездов, этажей).

а – совместная сетка основной стены, б – компонента «Стеновой блок»
Рис.2

При заданной толщине и материалах конструкций было выявлено, что при 3 подъездах в здании оптимальное количество этажей – 5, следовательно, анализ результатов будем рассматривать для данной объемной модели пятиэтажного дома (рис. 3а). На рис. 3а цветом отображен материал конструкций: фиолетовый соответствует кирпичу, голубой – бетону. После расчета отображаем суммарные перемещения модели и эквивалентные перемещения по Мизесу. Распределение напряжений модели показано на рис. 3б.

а – объемная модель многоэтажного дома с указанием материала, б- напряжения, возникающие в построенной модели от собственного веса
Рис. 3

Проанализировать рис. 3, можно сделать вывод, что модель построена и рассчитана верно, так как нагрузка задается только от собственного веса, то наиболее нагруженные являются нижние этажи, следовательно, напряжения на нижних этажах должны быть больше. Несущими конструкциями являются бетонные колонны, следовательно, напряжения на колоннах должно быть больше, чем на кирпичных стенах. Эти утверждения соответствуют результатам расчета, представленным на рис. 3б. Также на данном рисунке прослеживается совместная работа заданной сетки.

На рис. 4 представлен график распределения напряжений в наивысшей точке арки по этажам, на котором по оси абсцисс откладываются значения напряжений, по оси ординат – номера этажей. График также соответствует ожидаемым предположениям: чем ниже этаж, тем больше возникающие напряжения, т.к. на верхние этажи воспринимают меньшую нагрузку.

Рис. 4 График распределения напряжений по этажам

Таким образом, в программном комплексе ANSYS была построена объемная модель многоэтажного дома и конечно-элементная сетка модели. После задания граничных условий и внешних нагрузок проведена работа по определению оптимальных габаритных размеров многоэтажного дома при заданных заказчиком исходных данных. После определения этих параметров и выполнения расчета, была получена и проанализирована картина распределения напряжений объемной модели здания. С помощью цикла были найдены напряжения по Мизесу в наивысшей точке образующей арки и построен график распределения напряжений по этажам, который соответствует действительности.