CC BY
121
УДК 624.014:693.977
Н. В. САВИЦКИЙ, О. Г. ЗИНКЕВИЧ (ПГАСА, Днепропетровск), А. Н. ЗИНКЕВИЧ (ДИИТ)
ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ ОБШИВКИ НА РАСЧЕТНУЮ ДЛИНУ СЖАТОЙ СТОЙКИ КАРКАСА ИЗ ЛСТК МЕЖДУ УЗЛАМИ ЗАКРЕПЛЕНИЯ
Розглянуто вплив жорсткосл обшивки каркасу з легких сталевих конструкцш на розрахункову довжину елеменпв мiж вузлами закрiплення при розрахунку стiйкостi в площинi меншо! жорсткосп.
Рассмотрено влияние жесткости обшивки каркаса из легких стальных конструкций на расчетную длину элементов между узлами закрепления при расчете на устойчивость в плоскости меньшей жесткости.
The sheathing stiffness of lightweight cold-formed steel framing influence for stud elements buckling checked in the weak-axis between fasteners is considered.
Введение
В настоящее время для возведения малоэтажных зданий и надстройки существующих зданий при их реконструкции все большее применение находят каркасные технологии, в частности каркасы, выполненные из тонкостенных стальных профилей. Преимущество такой технологии - малый собственный вес конструкций и высокие темпы монтажа.
Расчет сжатых элементов каркасов из легких стальных конструкций (ЛСТК) на устойчивость может производиться без учета раскрепления обшивкой и с учетом работы листов обшивки, обеспечивающих поддержку стойки в узлах соединения при потере устойчивости в плоскости меньшей жесткости. Учет участия обшивки в работе стойки приводит к усложнению расчета, но в тоже время, позволяет более рационально использовать сечения элементов.
Постановка проблемы
В [1] учет жесткости листов обшивки производится при расчете на общую устойчивость сжатой стойки стены в плоскости меньшей жесткости совместно с вовлеченной полосой листа обшивки (рис. 1). В то же время, жесткость обшивки не учитывается при расчете на устойчивость стойки в плоскости меньшей жесткости между узлами крепления к листам обшивки. Расчетная длина элемента принимается равной двум расстояниям между узлами закрепления, учитывая возможность отказа одного промежуточного крепления.
Поскольку некоторые материалы, применяемые в качестве обшивок для каркасов из ЛСТК, имеют относительно малую жесткость,
необходимо рассмотреть влияние узлов закрепления стойки как упругих опор с определенной жесткостью на расчетную длину элементов.
Цель работы
Цель данной работы заключалась в оценке влияния податливости узлов крепления сжатых стоек каркаса к листам обшивки на расчетную длину элементов между узлами закрепления при расчете на устойчивость в плоскости меньшей жесткости. На первом этапе выполнялась оценка податливости связей - жесткости упругих опор, далее определялись коэффициенты расчетной длины.
В данной работе рассмотрена стойка каркаса из холодногнутых профилей [2], обшитого листами гипсокартона (ГКЛ) или ориентированной стружечной плитой (ОСП). Шаг узлов крепления принят 300 мм, шаг стоек 600 мм. Как и в [1] учтен отказ одного промежуточного крепления - рассматривается фрагмент стойки длиной 600 мм (рис. 1).
-У-b-у-Ь-^
Рис. 1. Рассматриваемый фрагмент стойки каркаса
© Савицкий Н. В., Зинкевич О. Г., Зинкевич А. Н., 2010
Оценка податливости связей
Расчетная оценка жесткости упругой опоры производилась по величине относительного смещения и фрагмента листа обшивки между рассматриваемыми узлами крепления при воздействии условной поперечной силы (рис. 1). Высота фрагмента листа, включаемого в работу элемента каркаса, принимается равной шагу фахверковых элементов [1].
Смещение и, вызываемое касательными напряжениями, для включенного участка обшивки определяется как для пластины согласно [3]:
и
7
%в
ол'
(1)
- б - ол
(2)
материала обшивки сравнительно с деформациями сдвига материала листа обшивки.
Таблица 1
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных оценки жесткости упругих опор для сжатой стойки
где и - относительное перемещение между рассматриваемыми сечениями под действием касательных напряжений, расположенными на расстоянии £ ; % - коэффициент распределения сдвига, для прямоугольного сечения принимается % — 1,2; б - значение поперечной силы; О - сдвиговая жесткость материала; Л - площадь сечения, воспринимающего касательные напряжения.
Из (1) жесткость упругой опоры для сжатого стержня, соединенного с листами обшивки, можно выразить, приравняв величину смещения между соседними упругими опорами к единичной и — 1 (мм, см).
Отсюда, находится жесткость упругой опоры (кН/см):
а т с ии и 2 ,та о лам Диаметр винта, мм Жесткость упругой опоры V (к *), кН/см (для одного листа)
к Э Й ° 2 В 2 н о н расчетная оценка экспериментальные данные [4]**
3,51
9,5 (№ 6) 60 1,36...2,66
3,51
12,5 (№ 80 1,49...4,54
гипсо- 6)
картон 3,51
16 (№ 6) 106,7 1,7...5,57
4,17
12,5 (№ 8) 80 1,97...10,03
4,17
ОСП 9 (№ 8) 37,5 4,1...12,69
где и - единичное линейное перемещение упругой опоры.
Приведенная расчетная оценка жесткости упругой опоры не учитывает влияния на податливость узла местных деформаций полки профиля стойки, соединительного элемента (винта) и местного смятия материала обшивки. Для сопоставления в табл. 1 приведены результаты экспериментального определения жесткости упругих опор [4].
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных оценки жесткости упругих опор (узлов соединения стойки с листами обшивки) показывает, что преобладающее влияние на податливость узла имеют местные деформации полки профиля стойки, соединительного элемента (винта) и местное смятие
Примечания: * в [4] жесткость упругой опоры обозначена к .
** диапазон изменения величин жесткости упругой опоры, приведенных в [4].
Исходя из приведенных в табл. 1 данных, расчетная длина элемента между узлами соединения при расчете на устойчивость в плоскости меньшей жесткости должна определяться с учетом значений жесткости упругих опор, определенных экспериментально.
Определение коэффициента расчетной длины
Задача определения коэффициента свободной длины для неразрезного сжатого стержня на упругих опорах рассмотрена в [5]. Расчетная схема стержня приведена на рис. 2.
Рис. 2. Расчетная схема сжатого стержня на упругих опорах
Расчетная длина сжатого элемента I ег связана с его геометрической длиной I зависимостью
Таблица 2 Коэффициенты расчетной длины
^ ef = ^ ,
(3)
где ц - коэффициент расчетной (свободной) длины элемента.
Значение коэффициента расчетной длины ц устанавливается с учетом коэффициента жесткости т , который для данной задачи определяется
m =
El
(4)
где V - усилие, соответствующее единичному линейному перемещению упругой опоры, кН/см; I - расстояние между упругими опорами (узлами крепления); Е1 - изгибная жесткость элемента.
Зависимость коэффициента расчетной длины ц от коэффициента жесткости т для рассматриваемой расчетной схемы приведена на рис. 3.
Профиль Коэффициент расчетной длины ц при характеристиках обшивки и диаметре соединяющих винтов
ГКЛ 9,5мм 03,51мм ГКЛ 12,5мм 03,51мм ГКЛ 16мм 03,51мм ГКЛ 12,5мм 04,17мм ОСП 9мм 04,17мм
КСЦ 90-0.8 1,21 1,187 1,153 1,117 1
КСЦ 90-1.2 1,37 1,342 1,305 1,264 1,08
КСЦ 140-0.8 1,24 1,215 1,181 1,144 1
КСЦ 140-1.2 1,375 1,35 1,31 1,269 1,08
Рис. 3. Зависимость коэффициента расчетной длины ц от коэффициента жесткости т для неразрезного сжатого стержня на упругих опорах [5]
Значение коэффициента жесткости т ограничивается предельным т0, и в случае т > т0 коэффициент расчетной длины принимается ц = 1.
Результаты определения коэффициента расчетной длины для фрагмента стержня между узлами крепления к листам обшивки при расчете на устойчивость в плоскости меньшей жесткости приведены в табл. 2.
В табл. 2 приведены значения коэффициентов расчетных длин, рассчитанные с учетом минимальных значений жесткостей упругих опор из диапазона экспериментальных данных [4], представленных в табл. 1.
Выводы
1. При расчете сжатых элементов каркасов из ЛСТК на устойчивость между узлами крепления с листами обшивки в плоскости меньшей жесткости необходимо учитывать податливость связей, которая может иметь значительное влияние на расчетную длину элемента.
2. Расчетная длина элемента между узлами соединения с обшивкой должна определяться с учетом значений жесткости упругих опор, определенных экспериментально, учитывающих влияние на податливость узла местных деформаций полки профиля, соединительного элемента (винта), местного смятия материала обшивки и деформаций сдвига материала листа обшивки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Yu, W. W. Cold-form steel design [Текст]. - 3rd ed. / W. W. Yu. - 2000. - 767 p.
2. Испытание металлических профилей фирмы «Bade celik» [Текст] / Н. В. Савицкий и др. // Сб. науч. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - Вып. № 43. - Д.: ПГАСА, 2007. - С. 449-458.
3. Пёшль, Т. Сопротивление материалов [Текст] / Т. Пёшль. - М.: ОГИЗ, 1948. - 380 с.
4. Iuorio, O. Compilation of k values [Электрон. ресурс] / O. Iuorio, B. W. Schafer; Johns Hopkins University. - 2008. - Режим доступа: http:// www.ce.jhu.edu/bschafer/sheathedwalls.
5. Лейтес, С. Д. Справочник по определению свободных длин элементов стальных конструкций [Текст] / С. Д. Лейтес. - М., 1963. - 161 с.
Поступила в редколлегию 19.03.2010. Принята к печати 30.03.2010.
