CC BY
20
Engineering. - 2006. - Vol. 132. - №2. - pp. 195-203.
9. Elgaaly M., Sheshadri A., Rodriquez R., Ibrahim S. Bridge girders with corrugated webs // Transportation Research Record. - 2000. - Vol. 1696.
10.Hoop H.G. Girders with corrugated webs. Literature study: Master thesis. - Technische Universiteit Delft, Netherlands, 2003. - 48 p.
11. Wang X. Behavior of Steel Members with Trapezoidally Corrugated Webs and Tubular Flanges under Static Loading.: Ph.D. dissertation. - Drexel University, USA, 2003. - 192 p.
12. Niwa J. World's first PC-steel composite cable-stayed bridge using corrugated steel plate webs for PC girders. Yahagigawa Bridge on the Second Tomei Expressway. Project Report. - Tokyo, Japan: Tokyo Institute of Technology, 2005. - 6 p.
13. Енджиевский Л.В., Наделяев В.Д. Каркасы зданий из легких металлических конструкций и их элементы. - М.: АСВ, 1998. - 247 с.
14.Hoglund T. Strength of thin plate girders with circular or rectangular web holes without stiffeners. Stockholm, Sweden: Royal Institute of Technology; 1970.
15. Максимов Ю.С., Остриков Г.М., Бирюлев В.В. Металлические рамные каркасы многоэтажных зданий повышенной сейсмостойкости // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. - 1979.- №4. - С.11-17.
16. Максимов Ю.С., Остриков Г.М. Современные конструкции металлических каркасов многоэтажных зданий для сейсмических районов. Обзор. - М.: ВНИИИС, 1983. - 60 с.
17. Максимов Ю.С., Остриков Г.М. Стальные балки с тонкой гофрированной стенкой - эффективный вид несущих конструкций покрытий производственных зданий // Промышленное строительство. - 1984. - №4 - С. 10-11.
18. Siokola W., Poeter H. Fabrication tools for corrugated web I-beams // Modern Steel Construction. - 1999. -№7.
19. Zeman & Co Gesellschaft mbH. Балки с гофрированной стенкой. Техническая документация, 1993. - 13 p.
© Куркчи О.О., 2022
УДК 62
Куркчи О.О.
Аспирант БГТУ им. В. Г. Шухова, г. Белгород, Россия
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГОФРОБАЛОК В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ
Аннотация
Применение облегченных элементов, типа гофробалок, позволят снизить металлоёмкость метал-локаркасных зданий, без снижения прочностных характеристик, уменьшить сроки монтажа и повысить эффективность строительства возможно. Уменьшить общую металлоемкость конструкций позволит использование высокоэффективных видов проката и гнуто-сварных профилей с максимальной тонкостенностью и сочетание функций несущих и ограждающих конструкций в одной системе.
Ключевые слова Металлическая балка, конструкция, устойчивость, сталь, каркас.
Каркасное строительство у нас получает всё большее распространение, давно ставшее привычным в США, Канаде и Скандинавии. Популярность каркасной технологии объясняется простотой возведения стен, дешевизной и высокими эксплуатационными качествами. На жестком каркасе, выполняющем функцию несущей конструкции, крепятся трехслойные панели, состоящие из листов обкладки
(гипсокартон и т.п.) и среднего слоя из теплоизоляционного материала (чаще всего, каменной ваты) толщиной 10-20 см, в зависимости от местных климатических особенностей. Несмотря на кажущуюся ненадежность, такие постройки могут выдерживать самые суровые морозы.
В настоящее время для всех развитых стран мира ведущим направлением эффективного строительства зданий и помещений из металла является применение лёгких металлических конструкций в зданиях промышленного, гражданского, сельскохозяйственного и иного назначения. Снижение металлоёмкости зданий из лёгких металлоконструкций достигается за счёт новых конструктивных форм, профилей (гнутых и гнутосваренных из низколегированной повышенной прочности тонколистовой стали, перфорированных, гофрированных и других), тонколистового проката, эффективных материалов для несущих и ограждающих конструкций.
Главные особенности металлических конструкций: типизация и унификация; стабильность номенклатуры в течение длительного времени; благоприятные экспортные возможности; возможность комплектной поставки целых зданий-модулей или их несущих конструкций; очень высокая степень заводской готовности; высокая технологичность и адаптируемость для изготовления на поточных автоматизированных линиях (в том числе с микропроцессорным управлением), для перевозки, а также для конвейерно-блочных и других скоростных методов монтажа.
Используя гофробалки можно снизить металлоёмкость строительных конструкций промышленных зданий, без ущерба для прочностных, технологических характеристик и долговечности, повысить эффективность строительства.
По сравнению с обычными двутавровыми балками экономия по весу при использовании гофробалок составит 10-30% при одинаковой высоте балок и от 30 до 70% при возможности увеличения строительной высоты балки с гофрированной стенкой.
Связано это с тем, что при увеличении высоты балки с гофрированной стенкой вес её практически не увеличивается, а жесткостные и прочностные характеристики значительно возрастают.
Гофробалки - это отличная альтернатива классическим прогонам из сварного двутавра с гибкой стенкой по типовым сериям. Балка с такой стенкой легче, прочнее, менее деформативна и более технологична при изготовлении.
При больших пролётах 20-30 м высота классической фермы достигает 2.4 м, при этом высота балки с гофрированной стенкой в 1.5 м экономит строительную высоту. Следовательно, сэкономив на ограждающих конструкциях, здание можно сделать ниже.
Самое главное: на всём протяжении эксплуатации здания можно будет экономить на отоплении, так как обогреваемый объём здания будет меньше, а полезный объём останется без изменений. В связи с меньшими габаритами конструкций гофробалки проще перемещать, то есть экономим ещё и на транспорте. В общем, сплошная экономия, главное, что не на качестве.
Гофробалки (рис 1.) в отличие от классических двутавровых балок позволяют более гибко подбирать сечения при проектировании, так как, меняя толщину и ширину полок, можно гибко менять прочностные характеристики, и тем самым максимально оптимизировать сечение балки.
Есть и нюансы, которые необходимо учитывать при проектировании в отличие от проектирования классических двутавров. Это методика расчёта и учёт особенностей гофрированной стенки при разработке узлов. Многие проектировщики уже освоили эти методики, предлагая заказчикам интересные и экономически выгодные проекты.
Использование в строительстве гофробалок позволяет заметно снизить вес строительных конструкций, благодаря большой несущей способности происходит экономия металла, увеличивается скорость строительства сооружений за счёт простоты процесса сборки и лёгкости составных частей, упрощающих доставку на место.
Гофробалки длина от 4-12 м. высота тонкостенного гофрированного ребра в диапазоне 333-1250 мм. Балка производится в соответствии с ТУ 5261-00143892121-2005 и предназначена для применения в несущих конструкциях различного назначения при статической нагрузке. Разрешено использовать во всех климатических поясах.
Рисунок 1 - Гофробалка - размеры и обозначения
Профилированные элементы более устойчивы к длительной статической нагрузке. Кроме выгод, извлекаемых из технологии производства, синусоидальное ребро имеет преимущество перед прямым из-за устранения местной деформации, свойственной плоским пластинам. Балки этого типа могут использоваться во всех тех же проектах, что и обычные тавровые/двутавровые балки, фактически, без структурных ограничений.
Оптимальная область применения находится в области возведения стальных несущих конструкций, где профили имеют структурную высоту 450 ... 1,800 мм.
Благодаря профилированному ребру, конструкция эффективно гасит изгибающие нагрузки. В условиях статической нагрузки балка рассчитывается по схеме, в которой изгибающие моменты и нормальные силы передаются только через гребни, а поперечные силы распределяются только через диагонали и вертикаль балки - в данном случае через гофрированное ребро.
На основе этой расчётной модели, были проведены тестовые испытания в соответствии с DIN 18 800 [1] и DAST-Ri. 015 [2], соответственно методу E-Р (E-E). (Австрия) Альтернативные способы подбора сечения могут базироваться на ЕВРОКОДЕКСЕ [2] или любом другом национальном стандарте, который содержит указания по расчёту пролётов балок или колонн на поперечную деформацию.
Применение в строительстве гофробалок позволяет уменьшить вес строительных конструкций до 40 - 45% по сравнению с аналогичными горячекатаными балками и экономить металл благодаря большей несущей способности балок этого типа, а также увеличить скорость возведения сооружений за счет простоты сборки и легкости доставки на объект, упростить проектирование сооружений. При этом гофробалка придает конструкциям оригинальный внешний вид, что может стать характерным элементом дизайна.
Гофробалка представляет собой легкую сварную конструкцию из черного профлиста холодного проката, приваренного к стальным полкам горячего проката. Профилированный лист обладает большей жесткостью и устойчивостью к деформации, что говорит об эффективности его использования в несущих конструкциях.
Гофробалки широко используются в качестве несущих конструкций при строительстве разных зданий: от несложных одноэтажных до многоэтажных домов. Жесткость гофробалок позволяет эффективно использовать их на рынке кран-балок и элементов мостовых кранов. Ожидается, что они найдут применение и при строительстве коротко-пролетных мостов. Балки производятся из профлиста и стальных полос, они могут быть как постоянного сечения по длине, так и переменного с учетом эпюры нагрузки. Ширина полок может варьироваться и отличаться друг от друга (верхняя от нижней), но обязательно должна соотноситься с длиной балки. Длина может варьироваться от 4 до 16 метров. Толщина полок может использоваться от 6 до 30 мм, а ширина - от 160 до 430 мм. Стенка балки профилируется из рулонной черной стали непрерывно прессом и имеет высоту от 333 до 1500 мм. Профилированная стенка балки позволяет избежать внезапного разрушения конструкции при достижении максимальной нагрузки. Толщина стенки - 2-3 мм.
Максимальный пролет здания с использованием гофробалок зависит от нагрузок. Например, при снеговой нагрузке 80 кг/м2, рекомендуемый пролет - 40 - 45 метров при шаге между колоннами 6 метров или более; при снеговой нагрузке 200 кг пролет - 30 м. Использование шага менее 6 метров -
неэффективно
Таблица 1
Экономия при использовании гофробалок в строительстве
Тип Вес на погонный метр м/п Тип Фланцы Вес на погонный метр Экономия веса в %
23Ш1 36,20 WT333 WT500 160x8 160x6 26.4 24.5 -27% -32%
40К2 165,60 WT500 WT625 340x20 380x15 116,18 101,27 -30% -39%
Балки с гофрированной стенкой можно успешно применять для перекрытия пролетов величиной 12-30 м. Для расчета этих балок была составлена специальная программа. Проведенные расчеты позволили построить графики расхода металла на 1 квадратный метр перекрываемой площади при различных пролетах балок. Принятые нагрузки были ориентированы на балки покрытий с шагом 6м, несущих нагрузку от легкого покрытия в виде панелей типа «Сэндвич» для III снегового района.
Были рассчитаны балки с постоянным сечением, с переменным сечением поясов вдоль пролета и с применением для поясов сталей классов С245 и С290. Результаты расчетов представлены в графической форме (рис. 2).
Следует отметить, что изменение сечения поясов по длине балки дает определенную экономию металла, которая повышается при увеличении пролета Применение бистальных балок с поясами из стали класса С290 и стенкой из стали класса С245 также существенно повышает экономию металла.
Рисунок 2 - Расход стали на гофробалки взависимости от их пролета (расчетная нагрузка д=1560 кгс/м.п.).
На рисунках 3 - 5 показано сравнение затрат металла для обычных сварных балок и для балок с гофрированными стенками при постоянном и переменном сечении и с разными классами сталей.
Рисунок 3 - Сравнение расхода металла в балках с гофрированной стенкой и обычных сварных балках постоянного сечения (расчетная нагрузка q=1560 кг/м.п.; шаг балок - 6 м; сталь - С245).
Рисунок 4 - Сравнение расхода металла в балках с гофрированной стенкой и обычных сварных балках переменного сечения (расчетная нагрузка q=1560 кг/м.п.; шаг балок - 6 м; сталь - С245).
Рисунок 5 - Сравнение расхода металла в балках с гофрированной стенкой и обычных сварных балках постоянного сечения (расчетная нагрузка q=1560 кг/м.п.; шаг балок - 6 м; сталь - С290).
2--—♦— Гофробалка переменного сечения; сталь - С2Э0
0 ]_|_I ■ Сварная балка переменного сечения; сталь - С2Э0
12 15 18 21 24 27 30
Пролеты (м)
Рисунок 6 - Сравнение расхода металла в балках с гофрированной стенкой и обычных сварных балках переменного сечения (расчетная нагрузка q=1560 кг/м.п.; шаг балок - 6 м; сталь - С290).
Результаты сравнения подтверждают высокую эффективность применения балок с гофрированной стенкой по сравнению с обычной сварной балкой. Список использованной литературы:
1. Горев, В.В., Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Конструкции зданий: Учеб. для строит. вузов. -2е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2012. - 528с.: ил.
2. Сетков, В.И., Строительные конструкции: Учебник. - 2-е изд., доп. и испр. - М.: ИнФрА-М, 2005. - 448с.
© Куркчи О.О., 2022
