CC BY
1Исследование фермы из холодногнутых профилей повышенной жесткости болтовыми соединениями
см о см
со
Ольфати Рахмануддин Садруддин
кандидат технических наук, доцент кафедры металлические и деревянные конструкции, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, доцент кафедры машиностроительной технологии инженерной академии, Российский университет дружбы народов, dr.ulfati@mail.ru
Фермы, которые изготовлены из холодногнутых профилей, представляют собой важный элемент в современном строительстве и инженерных конструкциях. Они широко используются в различных отраслях, включая промышленность, архитектуру, благодаря своей прочности, легкости и экономичности. Однако одним из основных вызовов при проектировании ферм из холод-ногнутых профилей является обеспечение достаточной жесткости конструкции для сопротивления нагрузкам и деформациям. Болтовые соединения являются одним из наиболее распространенных способов соединения стальных элементов конструкции. Исследование фермы, изготовленной из холодно-гнутых профилей с болтовыми соединениями, имеет большое значение в области проектирования конструкций и строительства. Они обеспечивают прочность, легкость конструкции и экономичность. При проектировании ферм с использованием холодногнутых профилей обеспечивается достаточная жесткость, чтобы выдерживать нагрузки и деформации. Цель исследования заключается в выявлении особенностей эффективного структурного решения фермы с повышенной жесткостью, которая изготовлена из холодногнутых профилей. Наша улучшенная методика учитывает как устойчивость формы, так и гибкость элементов, что обеспечивает невероятную точность и помогает нам выбирать наилучшие конструктивные решения. Ключевые слова: холодногнутые профили, устойчивость, нагрузка, прочность, изгиб.
о ш т х
Концепция холодногнутого каркасного строительства из стали получила широкое распространение после понимания ее структурных характеристик в результате масштабных исследовательских работ на протяжении многих лет. Конструкция служит одним из важных элементов стального каркаса для достижения его структурной стабильности. Прочность холодногнутой стали выше, чем у горячекатаной на единицу веса. В процессе формовки, за счет холодной обработки, предел текучести стали увеличится. Холодная прокатка широко используется для производства строительных элементов (структурных элементов, стропильных ферм, стеновых панелей, рам для окон и дверей и т.д.). Скорость прокатки находится в диапазоне от 6 м/мин до 92 м/мин, чтобы минимизировать образование остаточных напряжений в выемке и кромке стального профиля, которые могут повлиять на прочность стальных профилей.
Холодногнутые оцинкованные профили находят свое широкое применение, как в ограждающих конструкциях, так и несущих. Прогрессивные технологии их изготовления дают возможность создавать профили с перфорированной стенкой, что способствует улучшению изоляции от теплопередачи. В тоже время, необходимо отметить, что тонкостенность ограничивает конструктивные характеристики холодногнутых стальных профилей из-за преждевременного коробления и нестабильности. За последние два десятилетия растущее применение холодногнутой стали в строительной отрасли привело к масштабным исследованиям, направленным на обеспечение стабильности и надежности стальных конструкций.
Таким образом, указанные обстоятельства определяют выбор темы данной статьи, что подчеркивает ее теоретическую и практическую важность.
Отечественные ученые весьма обширно занимались исследованием поведения стальных холодногнутых секций, например, отдельное внимание уделялось сжатию, деформационному и элементарному смятию, гофрированным и изогнутым панелям, изгибаемым элементам и прогонам. Над данной проблематикой трудились такие авторы как Г.Г Голенко, Б.Н. Решетников, В.Н. Трофимов, В.В. Волков, Я.М. Лихтарников, М.Ю. Ананьин, Э.Л. Айрумян, С.П. Тимошенко, Г.И. Белый и др.
Несмотря на наличие исследований и публикаций, некоторые области данной темы остаются недостаточно изученными и вызывают споры. Так, отдельного внимания заслуживают вопросы влияния обшивки на вертикальную нагрузку стальных стоек холодной штамповки. Кроме того, в уточнении нуждаются моменты, связанные с анализом поведения стальных стеновых каркасов холодной штамповки, скрепленных гипсокартонами. Открытыми остаются проблемные аспекты бокового поведения холоднокатаных стальных рам, подвергающихся стеллажным нагрузкам, с использованием комбинированного экспериментального и теоретического подхода. Также несистемными и фрагментарными являются описания бокового поведения стеновых стоек после крепления.
Таким образом, основной целью данной статьи является исследование эффективности использования ферм, изготовленных из хо-лодногнутых профилей с улучшенной прочностью.
3
<
т о х
X
Разработка модели работы холодногнутого профиля повышенной жесткости.
Изучение тонкостенных конструкций в теории сталкивается с определёнными сложностями, так как не всегда возможно учесть всё
разнообразие экзогенных и эндогенных детерминант, которые влияют на их несущую способность. С целью достоверности расчетных схем необходимо анализировать и обобщать данные моделирования с применением современных программных комплексов. Полученные зависимости позволяют создавать более точные расчетные формулы и, следовательно, получать более точные результаты.
Задачи моделирования заключается в следующем:
- расчет динамики потери устойчивости сжатых полок профиля, находящихся в упругой фазе;
- проведение анализа влияния местоположения соединительных прокладок, находящихся в составных сечениях сжатых элементов фермы, на динамику потери устойчивости элементов профилей.
В рамках проводимого исследования будет использовать следующий вариант дизайна фермы (см. рис. 1).
2305
в
т
Места установки соединительных прокладск
Стержни, моделирующие соединительные прокладки" между профилями
Соединительная прокладка /
Рисунок 1 - Исследуемый фрагмент фермы
Ферма изготовлена из холодногнутых профилей составного сечения, которые имеют повышенную жесткость. Соединения на узлах обеспечиваются болтами со стандартной прочностью. Практика свидетельствует о том, что в подобных конструкциях ферм целесообразно использовать неразрезные пояса. Это в значительной степени позволяет упростить процесс их изготовления и сократить число болтовых соединений.
Для холодногнутых профилей с повышенной жесткостью характерной особенностью является наличие небольшой толщины (1-3 мм) и развитого в вертикальном направлении сечения. Это приводит к тому, что многократно нарастает момент инерции при небольшом увеличении площади сечения. В результате изгибная жесткость таких профилей существенным образом больше продольной. С учетом отмеченного возникает объективная необходимость учета воздействия изгибной жесткости на напряженное состояние профиля.
Результаты расчета фермы с использованием методов статистического анализа позволяют прийти к заключению, что наибольшие напряжения имеют место в верхних полках профилей верхнего пояса. Это позволяет прийти к заключению, что разработка модели всей фермы в виде системы отдельных пластин - не является самым оптимальным вариантом.
В данном случае очевидным является тот факт, что следует выбрать более простой подход для решения поставленной задачи.
Таким образом, основная цель заключается в установлении формы потери местной устойчивости профилей, которые применяются в качестве сжато-изгибаемых или сжатых элементов фермы. Для достижения обозначенной цели будет проведен анализ работы композитного сечения холодногнутых профилей, имеющих повышенную жесткость в качестве сжато-изгибаемого элемента верхнего пояса фермы без разрезов. Расчеты будут проводиться с использованием программного комплекса. ЛИРА-САПР 2013 R4 в рамках которого реализован метод конечных элементов.
Рассмотрим ткани, которые могут быть одеты поверх одежды для добавления стиля и утепления. Сопряженные профили, соединенные между собой соединительными прокладками, исследуются в упругой фазе. На рисунке 2 изображена схема модели верхней части фермы, которая была исследована.
Рисунок 2 - Схема модели исследуемой части верхнего пояса фермы
Вторая часть верхнего пояса фермы подвергается продольному усилию и моменту, обусловленным воздействием в точках «б» и «в» - местах болтовых соединений. Эти силы передаются через болтовые соединения, при этом на практике для конструкции находят свое применение соединительные прокладки. Стержневые элементы в модели обеспечивают жесткость соединения профилей. Стержневые элементы, которые имитируют соединительные прокладки между профилями, тесно соединены с узлами пластин. Вырезанный участок закреплен шарнирно по краям.
Для имитации воздействия жесткости отброшенной части, крепления размещены на расстоянии 0,5 метра от точки приложения нагрузки. Показаны примеры моделирования профиля с использованием данных пластин и конечных элементов в программе ПК ЛИРА. На рис. 3 изображена ориентация осей локальной системы координат и изображение конечного элемента (КЭ).
а
V А ,
кч А -
\ >
V . 10
г
V
-
-<
V
Рисунок 3 - Связи, заменяющие действие удаленной части профиля.
Рисунок 4 - Диаграмма размещения местных осей и ориентации перемещения узлов в конечно-элементной сетке
Утрата устойчивости местной пластины влечет за собой существенные деформации. Поэтому отдельный акцент в процессе моделирования необходимо сделать на деформациях, которые позволят сделать вывод о степени устойчивости исследуемых элементов профилей. Итак, на основании полученных данных можно заключить, что под влиянием приложенных усилий наблюдается искажение поперечного сечения профилей. (см. рис. 5, 6).
X X О го А С.
X
го т
о
ю
2 О
м ■р»
Рисунок 5 - Изменения профилей верхнего пояса при воздействии узловой нагрузки, а размещение соединительных прокладок на плоскости стенки.
а - расположение соединительных прокладок на поверхности стены
а) Представление сбоку; б) Представление сверху; в) Представление в целом исследуемого элемента.
Рисунок 6 Влияние соединительных прокладок на устойчивость полок профилей верхнего пояса
а) Если прокладки равномерно распределены по всей длине, то это может привести к деформации в плоскости фермы. б) В случае расположения возле узла дополнительной прокладки может возникнуть деформации в плоскости фермы. в) Если используется дополнительная соединительная прокладка, то есть вероятность возникновения деформации профилей в плоскости фермы.
определялась их эффективность, исследовался вопрос материалоемкости при изменении различных параметров, таких как размеры панелей поясов, расстояние между фермами, высота фермы, уклон верхнего пояса.
Для целей моделирования использовались парные холодногну-тые профили, типа С- и П-образного сечения, которые имеют повышенную жесткость (см. рис. 8). Толщина профилей составляла 1,5 -3 мм, а высота находилась в промежутке 100 - 300 мм.
■Ж
I-
соединиглельнье прокладки
■Ж |
■в<
4Х
Рисунок 8 Фермы С- и П-образного сечения с повышенной жесткостью
Графики зависимости веса конструкции от ее высоты представлены на рисунке 9.
* 1750
3 3.4 3.8 Высота Феомы. м -♦—с параллельными поясами -»-треугольная трапецеидальная
Рисунок 9 Динамика зависимость веса фермы от ее высоты и конкретного типа
■ч см о см
со
о ш т
X
3
<
т О X X
•м.........
I П ¡шИМШИш! ¡п:!пи;|| шпи«р;|!
..'""ЭДттии1
' . II' Щь.
¡„ г®'"1' ................................-.««»пйитчйИйЩИйВ
мцдатмМрпи I
Рисунок 7 - Как жесткость изгиба влияет на деформации полки профиля.
а) отгиб имеет высоту 25 мм; б) отгиб высотой 16 мм; в) отгиб с высотой 8 мм.
Выбор рационального конструктивного решения фермы
Выбор оптимального конструктивного решения для фермы был основан на вариантном проектировании с учетом критерия материалоемкости. Проводился анализ различных вариантов конструкций и
При выборе конструкции важным фактором является оптимальный расход металла на квадратный метр покрытия, учитывая вес ферм, прогонов и профлиста.
Исследование показало, что минимальный расход металла для конструкций покрытия из холодногнутых профилей составит 18,8 кг/м2 при шаге ферм 6 м и шаге узлов фермы 2,25 м. Уменьшение шага узлов и сокращение длины элементов верхнего пояса позволяют использовать профили с меньшей площадью сечения. Однако более частый шаг узлов и увеличение количества элементов решетки увеличивают вес конструкции. При этом элементы решетки обладают большим запасом по несущей способности и предельной гибкости даже при использовании профилей с минимальной площадью сечения.
Увеличение расстояния между узлами решетки с 2,25 до 3,00 м приводит к ухудшению условий работы верхнего пояса из-за увеличения гибкости сжато-изгибаемых элементов. Необходимо увеличить толщину металла профилей с 2,5 до 3,0 мм из-за особенностей сортамента. Это приводит к увеличению металлоемкости при переходе с шага узлов 2,25 на 3,0 м для шага ферм 6 м. Однако, при шаге ферм 4 и 6 м вес конструкций практически не меняется. Рациональным решением для конструкций покрытий из холодногнутых профилей является вариант с шагом ферм 6 м и шагом узлов решетки 2,25 м, который имеет более низкую трудоемкость при разнице в стоимости до 3%.
Кроме изменения типа решетки и размеров панелей, можно регулировать усилия в элементах фермы путем изменения ее высоты и уклона верхнего пояса. Для фермы с размерами панелей 2,25 м и уз-
ловой нагрузкой 30 кН, что соответствует нагрузке 220 кг/м2 при интервале ферм 6м, находится оптимальный вариант высоты и уклона верхнего пояса фермы с точки зрения материалоемкости. Для каждой высоты фермы анализируется несколько вариантов уклона верхнего пояса до 20°. Сравнение материалоемкости различных конструкций представлено на рисунке 10.
; 1150
: 1050
950
850
750
•
8м/ 2.5 м
\ »4 2.25 А 3.0 м
/ гъ&у/
Л j
[ / Ъ.ъуч
О 5 10 15 20
Уклон верхнего пояса,0
-♦-1.8 м -»-2.25 м -*-2.5м -»-2 8 м -«-3.0 м -«-3.5 м -А-3 85М
Рисунок 10 Зависимость материалоемкости конструкций фермы от наклона верхнего пояса и ее высоты
Фермы высотой от 3,00 до 3,85 м характеризуются наименьшей материалоемкостью. Вес этих ферм отличается на 1-3%, но при этом они все соответствуют требованиям прочности и деформативности гарантированные условия обеспечены в каждом случае. помещения, увеличивается расход металла на ограждающие конструкции.
Следовательно, из всех вариантов, рассмотренных ранее, наиболее оптимальным является конструкция, показанная на рисунке 11.
§г Я й Й>
\х 2250x8- 1BQOO \UU
Рисунок 11 Схематическое изображение фермы повышенной жесткости, изготовленной из холодногнутых профилей
При использовании фермы из холодногнутых профилей весом 750 кг возможно сэкономить 15% металла по сравнению с обычными фермами из гнуто-сварных профилей (серия 1.460.3- 23.98) и 20% по сравнению с фермами из парных уголков (серия 1.263.2-4-1).
Выводы
Изучение болтовых соединений в ферменных конструкциях, сделанных из высокопрочных холодногнутых профилей, играет важную роль в понимании их поведения и оптимизации дизайна. Применение экспериментов, численного моделирования и методов оптимизации помогает улучшить производительность, надежность и несущую способность таких соединений. Выводы и рекомендации данного исследования могут способствовать распространению и использованию ферменных конструкций из высокопрочных холодно-гнутых профилей в различных сферах строительства.
Исследование выявило, что гибкость болтовых соединений оказывает существенное воздействие на напряженное состояние всей конструкции. Полученные результаты свидетельствуют о том, что прогиб фермы повысился на 30-40%. Это в свою очередь влечет за собой рост напряжений в определенных сечениях на 5-12% и изменение изгибающего момента в верхнем поясе.
Величина критического напряжения, вследствие которого может возникнуть нестабильности в сжатой полке, определяется взаимодействием элементов конструкции, состоящей из холодногнутых профилей с увеличенной жесткостью.
Также в процессе исследования установлено, что применение на практике конструкций покрытия из холодногнутых профилей с повышенной прочностью позволяет получить определенные экономические эффекты за счет уменьшения расхода металла. Проведенные расчеты свидетельствуют о том, что экономический эффект составляет 10,5%.
Литература
1. Голенко, Г.Г. Исследование сварных ферм с пролетом 30 м и сжатых стержней из изогнутых профилей: результаты экспериментальных исследований. Сборник статей "Исследования по стальным конструкциям". - Москва. Госстройиздат, 1962. с. 214-231.
2. Сборные низкорасположенные жилые дома с применением легких стальных тонких стеновых конструкций [Источник] / А.Б. Павлов и коллеги // Журнал "Промышленное и гражданское строительство". -2006.- № 8.- Страницы 12-17.
3. Низкоэтажные жилые строения, строящиеся с использованием легких стальных тонких стеновых конструкций [Текст] / Э.Л. Айрумян [монтажные и специализированные работы в сфере строительства. Публикация 2006 года. Номер 8. Страницы 12-17.
4. Тамплон, Ф.Ф. Здания для хранения инвентаря [Текст] / Там-плон Федор Федорович и Михаил Юрьевич изучают легкие металлические конструкции. межвуз. сборник. - Свердловск: УПИ, 1989. -С. 4-14.
5. ТамплонТеоретические и практические исследования о складывающихся зданиях проводились Ф.Ф. Тамплон. В.Г. Кроха-левМ.Ю. Ананьин // Актуальные вопросы улучшения расчета и проектирования трехмерных конструкций: тезисы. докл. 111 республик. науч.-техн. конфер. Волгоградского инж-строит. ин-та. -Волгоград, 1989. - С. 81 - 84.
6. Технические требования к профилям холодногнутым из оцинкованной стали для использования в строительстве утверждены в документе ТУ 1122-146-0249-04 компанией ЗАО «ЦНИ».ИСК им. Мельникова» 27.14.2004. -М., 2004. -20 с.
7. ЛихтарниковМетоды вариационного проектирования и оптимизации стальных конструкций, предложенные Я.М. [Текст] / Я.М. Лихтарников.- М.: Стройиздат, 1979. - 319 с.
8. Стрелецкий, Н.С. Проектирование и изготовление экономичных металлических конструкций [Текст]: материалы к курсу металлических конструкций / Н.С. Стрелецкий, Д.Н. Стрелецкий. - М.: Стройиздат, 1964. - 360 с.
9. Рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу ограждающих и несущих конструкций из стальных гнутых профилей повышенной жесткости [Текст]. -Введ. 07.07.1999. - М., :ЦНИИ-ПСК им. Мельникова, 1999.
10. СНиП 11-23-81". Стальные конструкции [Текст]: введ. в действие 01.01.1982. - М.: Стройиздат, 1982. - 126 с.
11. Лихтарников, Я.М. Технико-экономическое исследование техноло- гических процессов изготовления металлических конструкций [Текст]: Труды института/ ЦНИИ Проект стальконструкция.-М., 1978. - Вып. 23. -С. 93-103.
12. Тимошенко, С.П. [Текст]/ С.П. Тимошенко, Д. Юнг. - Инженерная механика. -М.: Машгиз, 1960. - 507 с.
13. Вольмир, А.С. Устойчивость деформируемых систем [Текст]/ А.С. Вольмир. - М.: Наука, 1967. - 984 с.
14. Броуде, Б.М. Устойчивость пластинок в элементах стальных конструкций [Текст]/ Б.М. Броуде.-М: Машстройиздат, 1949. -200 с.
15. Металлические конструкции [Текст] В Зт. Т.1. Элементы стальных конструкций: учеб. пособие / Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В.; под ред. В.В. Горева.- М.: Высш. шк.,1997. -527 с.
16. Блейх, Ф. Устойчивость металлических конструкций [Текст]: пер. с англ/ Фридрих Блейх. -М.: Физматгиз, 1959. - 544 с.
X X О го А С.
X
го m
о
ю
2 О
м ■р»
Investigation of a farm made of cold-bent profiles of increased rigidity with bolted
connections Olfati R.S.
Moscow State University Of Civil Engineering JEL classification: L61, L74, R53
Cold-formed profile trusses play a crucial role in contemporary construction and engineering projects. Their versatility, durability, and affordability make them a popular choice across various sectors, from industrial to architectural. Nevertheless, a key obstacle in designing cold-formed profile trusses is ensuring they possess the necessary structural stability to withstand external forces and maintain their shape. Fastened joints are frequently used to link steel structural components. The analysis of a truss constructed from cold-formed profiles with bolted joints is essential in the realm of structural engineering and building. These trusses offer durability, lightweight construction, and cost efficiency. It is crucial to guarantee adequate stiffness in the design of trusses using cold-formed profiles to withstand various loads and deformations. The goal of this study is to outline the characteristics of a successful structural design for a farm constructed from cold-formed profiles with enhanced stiffness.
The enhanced approach considers both the stability of the shape and the flexibility of the elements, resulting in unparalleled precision and enabling us to select optimal design solutions.
Keywords: cold-formed profiles, structural integrity, weight-bearing capacity, frame, durability, flexural resistance.
References
1. Golenko, G.G. Investigation of welded trusses with a span of 30 m and compression bars
from curved sections: results of experimental studies. Collection of articles "Research on steel structures". - Moscow. Gosstroyizdat, 1962. p. 214-231.
2. Prefabricated low-lying residential buildings using light steel thin wall structures [Source] /
A.B. Pavlov and colleagues // Journal "Industrial and Civil Construction". -2006.- No. 8.-Pages 12-17.
3. Low-rise residential buildings built using light steel thin wall structures [Text] / E.L.
Ayrumyan [installation and specialized work in the field of construction. Publication 2006. Number 8. Pages 12-17.
4. Tamplon, F.F. Buildings for storing equipment [Text] / Tamplon Fedor Fedorovich and
Mikhail Yurievich study light metal structures. intercollegiate collection. - Sverdlovsk: UPI, 1989. - P. 4-14.
5. TamplonTheoretical and practical research on folding buildings was carried out by F.F.
Tamplon. V.G. Krokhalev M.Yu. Ananyin // Current issues of improving the calculation and design of three-dimensional structures: abstracts. report 111 republics. scientific-technical conference Volgograd engineer-builder. in-ta. -Volgograd, 1989. - P. 81 - 84.
6. Technical requirements for cold-formed galvanized steel profiles for use in construction are
approved in the document TU 1122-146-0249-04 by the company ZAO TsNI.ISK im. Melnikov" 14/27/2004. -M., 2004. -20 p.
7. LikhtarnikovMethods of variational design and optimization of steel structures proposed by
Ya.M. [Text] / Ya.M. Likhtarnikov. - M.: Stroyizdat, 1979. - 319 p.
8. Streletsky, N.S. Design and manufacture of economical metal structures [Text]: materials
for the course on metal structures / N.S. Streletsky, D.N. Streletsky. - M.: Stroyizdat, 1964. - 360 p.
9. Recommendations for the design, manufacture and installation of enclosing and load-bearing
structures made of bent steel profiles of increased rigidity [Text]. -Input 07/07/1999. -M.,: TsNIIPSK im. Melnikova, 1999.
10. SNiP 11-23-81''. Steel structures [Text]: introduction. effective 01/01/1982. - M.:
Stroyizdat, 1982. - 126 p.
11. Likhtarnikov, Ya.M. Technical and economic study of technological processes for the
manufacture of metal structures [Text]: Proceedings of the Institute / Central Research Institute Project Steel Construction. - M., 1978. - Issue. 23. -S. 93-103.
12. Timoshenko, S.P. [Text]/ S.P. Timoshenko, D. Jung. - Engineering mechanics. -M.:
Mashgiz, 1960. - 507 p.
13. Volmir, A.S. Stability of deformable systems [Text]/ A.S. Volmir. - M.: Nauka, 1967. -
984 p.
14. Brode, B.M. Stability of plates in elements of steel structures [Text]/ B.M. Brode.-M:
Mashstroyizdat, 1949. -200 p.
15. Metal structures [Text] In Zt. T.1. Elements of steel structures: textbook. manual / Gorev
V.V., Uvarov B.Yu., Filippov V.V.; edited by V.V. Goreva.- M.: Higher. school, 1997. -527 pp.
16. Bleich, F. Stability of metal structures [Text]: trans. from English / Friedrich Bleich. -M.:
Fizmatgiz, 1959. - 544 p.
CS
o
cs
CO
0 lu CÛ
1
< CÛ
0
1 I
