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.

Влияние габаритов узловых фасонок на несущую способность ферм из условия общей формы потери устойчивости

Зайцев Михаил Борисович — Sun, 05 Apr 2015 03:26:49 +0000

С использованием узловых фасонок изготавливаются стальные фермы из уголков и с поясами из тавров. Анализ конструктивных решений стропильных ферм из парных уголков показывает, что в средних раскосах фасонки занимают от 14 до 21 % от геометрической длины, в стойках 15-23 %, в опорных раскосах – 16-26 %. Однако действующие нормы проектирования и не учитывают влияния габаритов узловых фасонок на расчетную длину стержней.
Рассмотрим типовую ферму пролетом 18 метров, расчетная схема которой приведена на рис. 1, а жесткостные характеристики представлены в таблице 1.

Рис. 1.

Таблица 1.

Элемент	E, ГПа	I, см⁴	A, см²
В.П.	206	294	31.2
Н.П.	206	131	27.6
Р1	206	352	30.4
Р2	206	79	14.78
Р3	206	164.2	21.2
С1	206	139.2	14.78
Р0	206	39.5	7.39

При расчете данной фермы без учета габаритов фасонок с использованием программно-вычислительного комплекса[1] были получены значения критической нагрузки P_кр и углы поворота узлов Z_i. На рис.2 представлена схема деформаций при потере устойчивости.

Рис. 2.

Расчетная схема стержневой системы для ПВК формируется поэлементно. Поэтому, для учета габаритов фасонок в узлы были введены дополнительные элементы(рис. 3,а), размеры которых соответствуют размерам фасонок. В данном примере размер элемента моделирующего фасонку был принят равным 1/6 длины панели.
Анализ конструктивных решений ферм из уголков показывает, что жесткость (EI) элементов в зоне фасонки повышается не менее чем в 20 раз. Поэтому жесткости элементов, моделирующих фасонки были приняты увеличенными в 20 раз, по сравнению с основными элементами фермы.

Рис. 3.

Результаты расчета данной системы и сравнение с результатами, полученными без учета габаритов фасонок представлены в таблице 2.

Таблица 2


Критическая нагрузка					Расхождение, %
	176.56		195.35		10.65
Углы поворота узлов
N_узла	1	2		3		4	5
Z	0.3	0.7		1		0.7	0.3

Строительные нормы влияние жесткости узлов на значение N_кр для элементов ферм учитывают усреднено и приближенно с использованием расчетных длин: для сжатых раскосов l₀= 0.8l и для элементов верхнего пояса l₀= l. Учет габаритов фасонок, как показывает пример, позволяет увеличить значение критической нагрузки на 10-15%.

Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации» » стальные фермы

Рациональное использование гнутосварных профилей в строительных конструкциях

Влияние габаритов узловых фасонок на несущую способность ферм из условия общей формы потери устойчивости