Рекомендации по расчету стальных конструкций из тонкостенных гнутых профилей
Одной из причин, сдерживающих развитие легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК), является отсутствие в России нормативной базы для их расчета и проектирования, в то время как в мировой практике разработаны нормы и стандарты для проектирования таких конструкций, например, Еврокод 3 [1] и американский стандарт AISI [2], учитывающие особенности работы холодногнутых профилей из оцинкованной стали в конструкциях зданий и сооружений. Российские СНиП 23.II-23-81 «Стальные конструкции» не могут быть использованы для расчета конструкций из тонкостенных гнутых профилей толщиной менее 4 мм, так как не учитывают некоторых существенных особенностей их работы.
К отличительным особенностям профилей, связанным с их тонкостенностью, относятся редуцирование сечения, изменение механических характеристик стали по сечению, наличие остаточных деформаций и геометрических несовершенств формы. Из-за отсутствия национального стандарта для ЛСТК расчет таких конструкций в настоящее время выполняют по зарубежным нормам или стандартам, разработанным организациями с учетом требований этих норм [3].
Ниже рассмотрены некоторые особенности расчета элементов ЛСТК из тонкостенных гнутых профилей при продольном сжатии и изгибе.
Редуцирование сечения профилей
Для изготовления несущих конструкций каркасов зданий используют стандартные гнутые профили поперечным сечением в основном трех типов: швеллерные, с-образные и z-образные (рис. 1).
Высота сечения этих профилей — от 100 до 400 мм. Для повышения жесткости профилей при местной нагрузке и кручении их стенке придают ступенчатую Σ-образную форму (рис. 1 б).
Профили прокатывают из рулонной оцинкованной стали толщиной от 0,8 мм до 4 мм с пределом текучести от 250 МПа до 350 МПа
и относительным удлинением не менее 16%.
С целью снижения теплопроводности гнутых профилей, используемых в наружных элементах каркаса ограждающих конструкций, на их стенке в процессе прокатки выполняют перфорацию в виде продольных просечек (рис. 1 в). Такие профили принято называть термопрофилями. Соотношение высоты и толщины плоских участков стенок профилей рекомендуется принимать не более 200. В связи с тем, что продольно сжатые участки профиля могут потерять местную устойчивость при напряжениях, не достигших предела текучести стали fy, расчетные характеристики сечения следует определять с учетом его редукции, т. е. снижения рабочей площади. При этом расчетную или эффективную ширину сжатых полок bef рекомендовано принимать равной расстоянию b от края выкружек стенки до края полки или выкружки окаймляющего отгиба, если (рис. 2).
где: — максимальное напряжение в полке; К1 = 4 — для полок с высотой окаймляющего отгиба с ≥ 0,20; К1 = 1 (согласно [1]) или К1 = 0,43 (согласно [2]) — для полок с высотой окаймляющего отгиба с < 0,2 или без него; Е — модуль упругости стали; t — толщина полки.
При расчетную ширину сжатых полок следует определять с учетом местной потери устойчивости по формуле:
Криволинейные участки и растянутые полки профилей включают в рабочую площадь сечения профилей полностью. Если для продольно сжатых участков стенок > 0,673, их рабочую площадь также определяют с учетом редукции. Рабочую площадь сечения термопрофилей определяют без учета перфорированного участка на их стенке.
Расчетные геометрические характеристики профилей Jef и Wef (моменты инерции и сопротивления) при изгибе определяют с учетом их рабочей (редуцированной) площади. В связи с тем, что в закритической стадии работы сжатых участков профиля их рабочая ширина bef нелинейно зависит от уровня максимальных напряжений ≤ fy, значения Jef и Wef при поперечном изгибе профиля определяются методом итерации, последовательно задаваясь значениями напряжений до получения окончательного значения bef1, близкого к постоянному.
В СНиП II-23-81 «Стальные конструкции», разработанных для проектирования конструкций из стали толщиной не менее 4 мм, не предусмотрен учет редуцирования рабочего сечения элементов.
В связи с этим расчет тонкостенных конструкций из гнутых профилей толщиной менее 4 мм (по СНиП II-23-81) может привести к потере их несущей способности и разрушению при поперечном изгибе и продольном сжатии.
Для увеличения рабочей площади продольно сжатого или сжато-изогнутого профиля (и, соответственно, расчетных геометрических характеристик его сечения), не увеличивая или даже уменьшая толщину исходного стального листа, на плоских гранях профиля в процессе прокатки могут быть выполнены продольные промежуточные ребра (рифы), а на свесах — отгибы (рис. 2 в). Размеры сечений рифов и отгибов следует принимать такими, чтобы каждый плоский сжатый участок граней профиля работал, как пластинка, опертая по продольным краям. В этом случае сжатая полка или стенка профиля рассматривается в расчете, как несколько пластинок, расположенных между рифами. При этом в расчетную площадь сечения профиля включают редуцированные площади сечения составляющих сжатых пластинок и полные площади сечения рифов жесткости.
Необходимый собственный момент инерции сечения рифов, выполняющих функцию продольных ребер жесткости, определяют в зависимости от гибкости усиливаемой грани профиля, т. е. от соотношения ширины этой грани b и толщины t.
Ширина отгиба, выполняющего функцию продольного ребра жесткости на свободном краю свеса сжатой полки профиля, должна быть не менее 0,2 b, а ширина этого отгиба (по СНиП II-23-81) — не менее 0,3 b, что приводит к повышению массы профиля и увеличению расхода стали на конструкцию в целом.
На полках и стенках некоторых конструкций из гнутых профилей после прокатки остаются поперечные волны. Например, у криволинейных профилей корытообразного сечения, используемых для бескаркасных арочных покрытий, на широких полках и стенках после вальцовки по требуемому радиусу остаются регулярно расположенные поперечные волны высотой до 4 мм.
В расчете таких профилей на сжатие и изгиб волнистость их граней учитывают как начальное несовершенство формы, снижающее расчетное рабочее сечение профиля. Редукционный коэффициент для определения рабочей ширины волнистой широкой полки арочного профиля при продольном сжатии установлен в пределах 0,065 – 0,08, в зависимости от толщины листа, из которого изготовлен профиль.
Общая и местная устойчивость профиля
Одной из наиболее распространенных и сложных задач расчета тонкостенных балок и прогонов является учет влияния прикрепленного к ним настила на общую устойчивость изгибаемого элемента. В Еврокоде 3 рассмотрено предельное состояние z-образного гнутого прогона, верхний пояс которого раскреплен из плоскости настилом покрытия (рис. 3). Предельный момент для изгибаемого прогона при сжатом нераскрепленном поясе (например, при ветровом отсосе) определяют по формуле:
M = fybWyef Kf , (4)
где: Wyef — момент сопротивления эффективного сечения профиля с учетом редуцированной площади сжатой зоны; Kf — коэффициент, учитывающий потерю устойчивости сжатого пояса из плоскости.
Для определения коэффициента Kf сжатую часть сечения прогона рассчитывают как продольно сжатый элемент на упругом основании (см. рис. 3 в).
Расчетная длина этого элемента — ℓ = L0 m / (m4 + K)1/2,(5)
где: ; L0 — расстояние между сечениями по длине элемента, изгибающий момент в которых равен нулю; Jef — момент инерции прогона относительно нейтральной оси, параллельной его стенке; — жесткость (Н/кв. мм) свободного пояса прогона из плоскости, определяемая как отношение равномерно распределенной нагрузки, параллельной плоскости настила, к перемещению единичной длины свободного пояса в направление действия этой нагрузки.
Величина зависит от размеров прогона и жесткости на кручение его соединений с настилом, ее значение определяют экспериментальным путем.
Предельный момент для изгибаемого прогона, у которого сжатый пояс раскреплен профилированным стальным настилом из плоскости (например, при действии снеговой нагрузки), также определяют по формуле (4), но расчетную длину элемента — по формуле:
ℓ = αL0, (6)
где α — коэффициент, определяемый в зависимости от значения К.
Профилированный настил обладает конечной жесткостью на сдвиг в плоскости его закрепления на опорах [5]. С увеличением поперечной нагрузки перемещения верхнего пояса тонкостенного прогона, имеющего, как правило, начальную погибь, возрастают в направлении из плоскости в результате сдвиговых деформаций настила и податливости его соединений. Сдвиговая жесткость настила зависит, в основном, от деформативности поперечного сечения гофров, возрастающей в 3,5–6 раз при закреплении настила к прогонам через волну. Сдвиговая жесткость настила зависит также от податливости его соединений между профилями и на опорах. При закреплении сжатого пояса прогона с настилом в отдельных точках эти соединения следует рассчитывать на фактическую или условную поперечную силу, действующую в горизонтальной плоскости.
Результаты испытаний тонкостенных прогонов повышенной жесткости из оцинкованной стали 1,5–2 мм, изготовленных по ТУ 1122-076, показали, что общая устойчивость и несущая способность гнутых профилей при поперечном изгибе в значительной степени зависят от жесткости их раскрепления из плоскости [4]. Местную устойчивость стенок гнутых профилей проверяют на опорах изгибаемых балок и прогонов, а также при действии сосредоточенных поперечных нагрузок в пролете.
В зарубежных нормах критическая сосредоточенная нагрузка Rw или Рn на одну стенку профиля высотой h и толщиной t определяется с помощью полуэмпирических формул, основанных на экспериментальных данных. В Еврокоде 3 значение критической силы Rw для профилей с двумя или несколькими стенками (например, для профнастила) определяется по формуле:
где: la — ширина опоры профиля (не менее 10 мм); α — коэффициент, зависящий от ширины опоры; Ф — угол наклона стенки профиля; γ — коэффициент надежности.
В эту формулу не включено соотношение h/t несмотря на то, что оно характеризует гибкость стенки и является одним из основных параметров в расчете критической сосредоточенной нагрузки для тонкостенных профилей.
В нормах AISI [2] критическая нагрузка Рn, аналогичная нагрузке Rw [1], определяется по формуле:
где: С, CR , CN и Ch — коэффициенты, зависящие от вида профиля, радиусов гиба, ширины опоры и гибкости стенки, соответственно; Ry = fyb ; N = la ; θ = Ф.
В отличие от формулы (7), в формулу (8) для определения критической силы при потере местной устойчивости стенки включено соотношение ее высоты и толщины. В связи с этим формулу (8) можно рекомендовать для расчета критической нагрузки Rw и Pn.
Выводы
1. Расчет стальных конструкций из холодногнутых тонкостенных профилей в настоящее время в России выполняют по зарубежным нормам (в основном, Еврокоду 3, ч. 1–3) или разработанным на основе этих норм стандартам организаций, которые не учитывают опыт и особенности проектирования стальных конструкций в России, а по некоторым положениям и противоречат один другому.
2. Необходимо разработать национальный стандарт по проектированию стальных конструкций из гнутых профилей (включая тонкостенные профили из оцинкованной стали толщиной не более 4 мм), что позволит повысить эффективность и уровень безопасности строительства в России.
Литература
1. Eurocode 3: Desiqn of steel structures. EN 1993-1-3: 2004. Part 1–3: General rules. Supplementary rules for cold-formed members and sheeting, Stage 34. CEN. European Committee for Standardisation. 2004.
2. North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members. AISI STANDARD. 2001.
3. Расчет и проектирование легких стальных конструкций из гнутых тонкостенных профилей: Стандарт организации ООО «Талдом-Профиль». СТО 50186441-4.05. 2006 г.
4. Айрумян Э. Л., Галстян В. Г. «Исследование действительной работы тонкостенных холодногнутых прогонов из оцинкованной стали». // «Промышленное и гражд. строительство», № 6, 2002 г.
5. Настилы стальные профилированные для покрытий зданий и сооружений: Стандарт организации. СТО 0043 ЦНИИПСК им. Мельникова, ЗАО «Хилти Дистрибьюшн Лтд». — М., 2005 г.
| Автор: Э. Л. Айрумян Дата: 29.11.2009 Журнал Стройпрофиль 8-09 Рубрика: металлические конструкции Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |  |