CC BY
16Изучение эффективности применения стальных двутавров с гофрированными стенками
Ольфати Рахмануддин Садруддин,
кандидат технических наук, доцент кафедры металлические и деревянные конструкции, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»; доцент кафедры машиностроительной технологии инженерной академии, ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов», dr.ulfati@mail.ru
Каллаб Мохаммад,
магистрант кафедры металлические и деревянные конструкции, ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет», mohammad.kallab.95@gmail.com
В последние годы во всем мире можно наблюдать расширение использования стальных конструкций при возведении различных элементов задний и сооружений, поскольку они более эффективны и действенны, обладают хорошими характеристиками изностойкости и надежности. Для достижения высоких показателей прочности и жесткости широко используются стальные балки с гофрированными стенками благодаря их малому весу и высокой несущей способности. Таким образом, цель статьи заключается в изучении эффективности применения стальных двутавров с гофрированным стенками в различных условиях и для разных целей. Отдельное внимание уделено методике расчета прочности элементов с гофрированной стенкой. В процессе исследования представлен расчет сечения двухтав-ровой балки с плоской стенкой и с гофрированной стенкой для пролета одинаковой длины. Проведен анализ и описаны основные возможности и достоинства балок с гофрированной стенкой. Также излагаются результаты численного исследования местной стойкости гофрированной стенки стальной балки при действии сосредоточенной нагрузки. Перспективы дальнейших научных изысканий и опытов связаны с поиском и выявлением резервов несущей способности при расчетах общей стойкости двутавров с гофрированной стенкой малой высоты, а также в процессе расчета местной стойкости поясов. Ключевые слова: гофрированная стенка, устойчивость, нагрузка, балка, прочность, изгиб.
В строительной промышленности стальные двутавровые балки с волнистыми (гофрированными) стенками впервые были предложены еще в первой декаде ХХ века, но только в 80-х гг. на них обратили более пристальное внимание архитекторы и инженеры [4]. Применение такой балки на практике имеет ряд значимых преимуществ по сравнению с обычными двутавровыми аналогами. Благодаря гофрированной стенке, возведенная конструкция эффективно выдерживает изгибающую нагрузку, а ее профилированные элементы более устойчивы к длительным статическим воздействиям (гофрированные стенки воспринимают поперечные силы, а полки нормальные нагрузки и изгибающие моменты).
Проводимые исследования и эксперименты показали, что сварные двутавры с гофрированной стенкой более экономичны по расходам стали на 10-25%, по сравнению с балками, имеющими плоскую стенку [3]. Кроме того, стальные двутавры с гофрированными стенками позволяют уменьшить срок ввода строительного объекта в эксплуатацию иногда в 1,5-2 раза.
Высокая прочность и жесткость указанных конструкций при сравнительно небольшой массе делает их безальтернативными при возведении построек с большими расстояниями между опорами. К таким объектам строительства можно отнести здания промышленных, торговых, выставочных, складских и других помещений. Кроме того, двутавровые балки с волнистыми стенками активно применяются в проектах по реконструкции зданий, с их использованием возводятся надстройки и пристройки, выстраиваются мансардные этажи и т.п. Отдельный акцент необходимо сделать на взаимозависимости конструктивной формы и технологии создания балок, повышении степени унификации, возможности серийного изготовления на специализированных заводах металлических конструкций.
С использованием современных подходов, конструктивное сечение стальных двутавров с гофрированными стенками постоянно совершенствуется с целью уменьшения их массы при сохранении прочности и жесткости, но балки с новейшими конструктивными решениями требуют дальнейших исследований с целью изучения различных аспектов их поведения в условиях чрезвычайных и нестандартных ситуаций.
Таким образом, обозначенные обстоятельства обуславливают выбор темы данной статьи, а также подтверждают ее теоретическую и практическую значимость.
Широкий круг отечественных и зарубежных ученых занимаются исследованием двутавров с тонкими гофрированными стенками (ДТГС), к их числу можно отнести Роменского И.В., Миронова А.Н., Тарасенко Н.А., Меще-рина Е.А., Гладких А.Ю., Zhao, Xuan; Wei, Lulu; Wen, Dawei; Zhu, Guohua.
X X
о го А с.
X
го m
о
2 О
м м
сч сч о сч
оэ
о ш Ш X
<
m о х
X
Такие ученые как Степаненко А.Н., Брянцев А.А., Тишков Н.Л., Лалин В.В., Абсиметов В.Э., Hajsadeghi, M.; Zirakian, T.; Keyhani, A.; Naderi, R. посвятили свои труды разработке инженерной методики расчета прочности и устойчивости поперечно гофрированных стенок балок с разными формами и параметрами гофров.
Сферы применения и эффективность балок, пояса которых изготовлены из холодногнутых профилей, а стенки - из оцинкованного профилированного листа представлены в работах Ильина Н.А., Панфилова Д.А., Ильдиярова Е.В., Лукина А.О., Sotoudeh, O.; Kildal, P.-S.; Ingvarson, P.; Skobelev, S. P.
Детальным описанием конструктивных особенностей стальных балок с гофрированной стенкой, а также разработкой рекомендаций по прогнозированию их поведения при нагрузке в нормальных и экстремальных условиях занимаются Радионов Д.Г., Тишков Н.Л., Сиб-гатуллин Э.С., Вазиева Э.Р., Mirghaderi, R.; Hajsadeghi, M.; Khanmohammadi, M.
Однако, несмотря на имеющиеся труды и публикации, ряд вопросов в данной предметной плоскости остается дискуссионным и малоисследованным. В частности, особого внимания заслуживает сравнительный анализ поведения стальных балок с плоской стенкой и стальных балок с гофрированной стенкой в условиях высокотемпературного нагрева. В более детальной проработке нуждается раскрытие перспективных направлений сооружения малоэлементных ферм с применением двутавров с гофрированными стенами. Также дальнейшего развития требует методика расчета местной устойчивость стенок поперечно гофрированных балок при действии локальных нагрузок.
Таким образом, с учетом вышеизложенного, цель статьи заключается в изучении эффективности применения стальных двутавров с гофрированными стенками.
В настоящее время учеными предложены и исследованы разные типы гофры. Очевидно, что каждый тип гофрирования характеризуется как рядом недостатков, так и перечнем преимуществ. К их числу относятся, в первую очередь, технологические (сложность получения сварного шва, простота изготовления), а также и те, которые оказывают влияние на несущую способность. Помимо потенциальной возможности экономии в массе, исследователи обращают внимание на повышенную устойчивость гофробалок к различного рода динамическим нагрузкам, в том числе и сейсмическим [1].
Кроме того, необходимо акцентировать внимание на том, что гофрированная стенка, по сравнению с плоской гибкой стенкой, значительно дольше сохраняет местную стойкость и потому несущая способность такого элемента значительно выше. Расчет на прочность элементов с гофрированной стенкой базируется на исследованиях, указывающих, что гофрированная стенка воспринимает нормальные напряжения только в узкой зоне у поясов. Влияние этих участков на несущую способность незначительно и его не учитывают. Изгибающий момент воспринимают только пояса, в связи с этим проверку прочности выполняют следующим образом [2]: N М
- + --:---<1
^2/п • Ку • Ус Л/п • • Ну • Ус где к1 - расстояние, которое измеряется между центрами тяжести поясов;
Л/п - меньшая площадь нетто одного из поясов двутавра;
А2/п - площадь нетто одновременно двух поясов двутавра;
- расчетное сопротивление стали изгибу, сжатию, растяжению за пределом текучести;
ус - коэффициент условий работы;
М - изгибающий момент в главной плоскости;
N - продольная сила.
Элементы рам, которые воспринимают сжатие и изгиб, проверяют на устойчивость в плоскости стенки и из плоскости стенки, используя методические подходы, аналогичные для отдельных центрально сжатых поясов двутавра. Устойчивость сжатых поясов в плоскости стенки рассчитывается по формуле [2]: N
-<1
<р{ • Л/п • Ду • ус
где - коэффициент устойчивости, определяемый для центрально сжатого стержня в зависимости от гибкости А = 1еА, ¡г - радиус инерции сжатого пояса в горизонтальной плоскости и е - расстояние между точками закрепления сжатого пояса от горизонтальных перемещений. Сила сжатия в поясе с учетом максимального изгибающего момента на участке между точками раскрепления равна N = М/Ь1.
Устойчивость элемента с гофрированной стенкой из плоскости стенки проверяют как для сквозных сжатых конструкций и рассчитывают следующим образом [5]: N
-<1
<ре • А/п • ус
где фе - коэффициент, определяемый как для вне-центренно сжатого стержня в зависимости от условной гибкости сжатого пояса и приведенного относительного эксцентриситета.
Итак, рассмотрим более подробно эффективность применения стальных двутавров с гофрированными стенками на практическом примере. Для этого возьмем горячекатаную ДТГС и двутавровую балку с плоской стенкой. На рисунке 1 представлена расчетная схема эпюра изгибающего момента, а также поперечной силы балок.
Ч
9м
Рис. 1 Расчетная схема балок
Уровень равномерно распределенной нагрузки д = 6 кН/м, максимальный изгибающий момент М = 60,75 кНм, длина I = 9 м, поперечная сила О = 27 кН. Для опыта использовалась сталь С245 с расчетным сопротивлением Яу=240 МПа. Момент сопротивления сечения = 208,5 см3.
В таблице 1 представлены данные для сравнения сечения балок.
Сечение поясов исследуемых балок было неизменным по всей длине. Детализация сечений балок отображена на рис. 2.
Таблица 1
Показатели Балка с плоской стенкой ДТГС
Толщина стенки twl см 0,65 0,2
Высота стенки hwl см 30 51,2
Ширина пояса Ь, см 13,5 16
Толщина пояса мм 10,2 6
Площадь сечения А, 46,5 29,2
см2
Момент инерции сече- 7080 12290
ния 1х, см4
Момент сопротивления Wxl см3 472 486
Вес 1м.п. балки кг. 36,5 24,5
Прогиб балки ^ах, мм 32,6 17,9
б)
а)
—г-
(\1
о
6,5
ги
о
135
20
1
а
160
швеллеров и двутавров) не превышает 75...80 мм, поэтому в рамках проводимого исследования также будем использовать данную работу ширины распределения сосредоточенной нагрузки. Модели балок были нагружены сосредоточенной силой, распределявшейся на площадке длиной 78 мм (длина волны гофра) и шириной 40 мм с интенсивностью 17455 кН/м2. Нагрузка прикладывалась посреди балок таким образом, что равнодействующая сила приходилась на смену кривизны гофра (рис. 3).
Площадка распределения нагрузки ш5тёнс1ганостьюс}=17455~кН7м2
Рис. 3 Схема приложения нагрузки на балку
Рис. 2 Сечения исследуемых балок
а) сечение стальной горячекатаной двутавровой балки с плоской стенкой;
б) сечение ДТГС
Полученные результаты расчетов свидетельствуют о том, что перемещения балок находятся на уроне не выше предельно допустимого. Также не было необходимости в дополнительных ребрах жесткости. Касательные напряжения полностью соответствуют условиям крепости. Обычные и местные напряжения не превосходят максимально допустимые. Также в ходе расчетов обеспечены общая стойкость и стойкость верхнего сжатого пояса. Исходя из полученных характеристик сечений балок, можно сделать вывод, что при одинаковых нагрузках для восприятия усилий требуется разная площадь. За счет этого может быть достигнута экономия стали.
На следующем этапе исследования рассмотрим более подробно местную стойкость гофрированной стенки.
Для ее расчета использовались физико-математические модели, построенных согласно сортаменту гофрированных балок компании Zeman. Рассматривались модели со стенами толщиной fw=210; 2,5; 3,0 мм и высотой Ли/=500; 750; 1000; 1250; 1500 мм, поясом шириной Ьр300 мм и толщиной t=8 мм. Длина всех моделей была принята 1860 мм.
Исходя из опыта проектирования, в подавляющем большинстве случаев ширина полок прогонов (холодно-гнутых швеллеров и Z-профилейl а также прокатных
Рис. 4 Местная потеря стойкости стены
Рис. 5 Общая потеря стойкости стенки
X X О го А С.
X
го т
о
ю
2 О
м м
сч сч
0 сч
оэ
01
о ш Ш X
<
m о х
X
Балки моделировались конечными элементами тонкой оболочки. Все расчеты производились в предположении упругой работы стали. В качестве материала конструкции была принята сталь С285. Основными критериями, на которых делался упор при анализе полученных результатов, являются коэффициент запаса устойчивости и форма утраты устойчивости (рис. 4 и 5).
Более подробная информация о проведенных расчетах представлена в таблице 2.
Таблица 2
Зависимость коэффициента запаса устойчивости и формы утраты устойчивости от геометрических параметров стенки
Высота стенк и hw, мм Толщина стенки tw, мм Форма потери устойчиво-сти Коэффициент запаса устойчивости Мег Ло-каль-ное напряжение в гоф-риро-ванной стенке МПа Кри-тиче-ские ло-каль-ные напря же-ния МПа Эффективная длина приложения нагрузки lei (м) Модуль упругости E, МПа Сопро-тивле- ние стали стенки за пределом текучести Ryw, МПа
500 2 5,9276 433,69 2042, 9 0,10 206000 280
2,5 10,205 285,12 2887, 1
3 15,989 240,13 3876, 3
750 2 5,8919 346,09 2087, 5
2,5 10,134 287,07 2876, 1
3 15,872 240,98 3810, 5
1000 2 а н ¡3 е 5,8779 365,89 2076, 9
2,5 10,145 287,23 2887, 3
3 S 15,762 240,98 3876, 3
1250 2 5,9724 349,09 2076, 1
2,5 10,243 286,61 2876, 5
3 13,2764 240,93 3198, 7
15002 2 5,9762 356,98 2076, 6
2,5 8,2653 287,32 2543, 4
3 10,6534 249,21 2600, 4
По результатам расчетов было установлено, что локальная потеря устойчивости гофрированной стенки проходит в зоне сопряжения стенки с верхним поясом на участке в пределах (50 -^60) tw. При этом наблюдается две формы потери устойчивости стенки: первая, местная, происходит за одной складкой - вмятиной на панели гофра, вторая, общая - образуется выпячивание нескольких панелей гофра вместе с закручиванием пояса.
Вторая форма потери устойчивости наблюдается в балках с высокой стенкой (Ли/=1250; 1500 мм). Форма потери устойчивости и величина критических нагрузок, прежде всего, определяются расположением сосредоточенной силы относительно направляющей гофрировки. Если сила приложена с эксцентриситетом в пределах гофра (е < 0,5/, где е - эксцентриситет, f- амплитуда гофра), то критическая нагрузка либо меньше, либо такая же как в случае центрального приложения
нагрузки, если e > 0,5f, то критическая нагрузка резко падает.
Таким образом, резюмируя вышеизложенное отметим следующее. Балки с гофрированными стенками являются популярными строительными конструкциями за счет своих практичных свойств, с их применением изготовляют каркасы промышленных и жилых зданий, колонны, конструкции крупнопролетных мостов, ригели, подкрановые балки. Использование двутавров с гофрированными стенками дает возможность снизить металлоемкость, сэкономить материал благодаря уменьшению толщины стены. Прочность балки с гофростен-кой существенным образом превышает крепость обычной балки.
В статье представлен расчет сечения двухтавровой балки с плоской стенкой и с гофрированной стенкой для пролета одинаковой длины. Проведен анализ и описаны основные преимущества балок с гофрированной стенкой. Также излагаются результаты численного исследования местной стойкости гофрированной стенки стальной балки при действии сосредоточенной нагрузки. Литература
1. Al-Mawashee, Haidar Flexural Strength of Castellated Beams with Corrugated Webs // Journal of physics. Conference series. 2021. Issue 1; рр 123-128.
2. Li, Xiang Flexural Behavior of Innovative Posttensioned Composite Beams with Corrugated Steel Webs // Advances in materials science and engineering.
2021. Volume 2021; рр 67-72.
3. Shaheen, Yousry B. I.; Mahmoud, Ashraf M.Lateral-torsional buckling resistance of composite steel beams with corrugated webs // Structural engineering and mechanics.
2022. Volume 81: Number 6; pp 751-768.
4. Tishkov, N L; Stepanenko, A N. Improving the Efficiency of I-Beams with a Thin Transverse Corrugated Web Plate // IOP conference series. Materials science and engineering. 2021. Volume 1079: Issue 2; рр 45-54.
5. Zhou, Man Unified calculation formula for predicting the shear stresses in prismatic and non-prismatic beams with corrugated steel webs // Structures. 2021. Volume 29; pp 507-518.
Study of the efficiency of use of steel i-beam with corrugated walls Olfati Rahmanuddin Sadruddin, Kallab Mohammad
Moscow State University Of Civil Engineering (National Research University) JEL classification: L61, L74, R53
In recent years, we can observe an increase in the use of steel structures in the construction of various structural elements around the world, as they are more efficient and effective and have good characteristics of durability and reliability. Steel beams with corrugated walls are widely used to achieve high strength and stiffness characteristics due to their low weight and high bearing capacity. Thus, the purpose of the article is to study the effectiveness of the use of steel I-beams with corrugated walls in different conditions and for different purposes. Particular attention is paid to the method of calculating the strength of elements with corrugated wall. In the course of the study, the calculation of the intersection of an I-beam with a flat wall and an I-beam with a corrugated wall for a span of the same length is presented. An analysis is made and the main advantages of beams with corrugated wall are given. The results of numerical study of local resistance of corrugated wall of steel beam under the action of concentrated load are also given. Prospects for further scientific researches and experiments are connected with searching and revealing reserves of bearing capacity in calculations of general durability of I-beams with corrugated wall of small height as well as in the process of calculation of local durability of chords. Keywords: corrugated wall, stability, load, beam, strength, bending. References
1. Al-Mawashee, Haidar Flexural Strength of Castellated Beams with Corrugated Webs // Journal of physics. conference series. 2021.Issue 1; pp 123-128.
2. Li, Xiang Flexural Behavior of Innovative Posttensioned Composite Beams
with Corrugated Steel Webs // Advances in materials science and engineering. 2021. Volume 2021; pp 67-72.
3. Shaheen, Yousry B. I.; Mahmoud, Ashraf M. Lateral-torsional buckling
resistance of composite steel beams with corrugated webs // Structural engineering and mechanics. 2022. Volume 81: Number 6; pp. 751-768.
4. Tishkov, N L; Stepanenko, A N. Improving the Efficiency of I-Beams with a
Thin Transverse Corrugated Web Plate // IOP conference series. materials science and engineering. 2021. Volume 1079: Issue 2; pp 4554.
5. Zhou, Man Unified calculation formula for predicting the shear stresses in
prismatic and non-prismatic beams with corrugated steel webs, Structures. 2021. Volume 29; pp 507-518.
X X
o 00 A c.
X
00 m
o
2 O
ho ho
