CC BY
53
Жидков
Константин
Евгеньевич
кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлические конструкции» ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»
Зверев
Виталий
Валентинович
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Металлические конструкции» ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»
e-mail: [email protected]
Семенов
Александр
Сергеевич
кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлические конструкции» ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»
e-mail: [email protected]
Стуканев Юрий
Леонидович
эксперт ООО «Липецк-промэкспертиза»
e-mail: [email protected]
УДК 624.014
ЖИДКОВ К. Е. ЗВЕРЕВ В. В. СЕМЕНОВ А. С. СТУКАНЕВ Ю. Л.
Повышение несущей способности узловых соединений конструктивных элементов ферм
Рассмотрены существующие конструктивные решения узлов конструкций из тонкостенных холодногнутых профилей. Проанализированы их достоинства и недостатки. Предложены конструктивные решения узлов, позволяющие повысить несущую способность конструкций из парных гнутых профилей. Выполнена экспериментальная проверка работоспособности узлов.
Ключевые слова: тонкостенный холодногнутый профиль, местное смятие, ферма, сжатая полка, узловое соединение, узловая фасонка.
ZHIDKOV K. E, ZVEREV V. V., SEMYONOV A. S, STUKANEV Y. L.
INCREASING OF THE LOAD BEARING CAPACITY OF THE NODAL CONNECTIONS OF STRUCTURAL ELEMENTS OF THE TRUSSES MADE
Existing constructive solutions of nodes of structures made of thin-walled cold-formed profiles were analyzed. Advantages and disadvantages of these solutions were noted including local crumpling of thin-walled elements in loading areas of point loads. Constructive solutions of nodes were suggested to increase the load bearing capacity of double cold-formed profiles. Experimental verification was performed
Keywords: thin-walled cold-formed profiles, local crumpling, truss, compressed flange, joint connection, joint gusset.
Основной задачей при проектировании строительных металлоконструкций является получение экономичной конструкции минимального веса, характеризующейся высокой технологичностью изготовления и монтажа и низкими эксплуатационными затратами.
Эффективным решением данной задачи является использование тонкостенных холодно-гнутых оцинкованных профилей. По сравнению с традиционными решениями из прокатных и гнутосварных профилей экономия стали составляет до 20%. Сортамент профилей данного типа имеет широкую номенклатуру — более 100 типоразмеров. Однако область применения конструкций данного типа ограничивается не столько сортаментом, сколько несущей способностью соединений. Это обусловлено:
♦ малой несущей способностью соединений;
♦ местным смятием при передаче сосредоточенной нагрузки на тонкостенный элемент.
В настоящее время выделяют следующие типы узловых соединений легких стальных тонкостенных ферм:
1 Бесфасоночные соединения.
2 Соединения с применением фасонок из листового металла.
3 Соединения с использованием дополнительных элементов (накладок, распределительных балок и др.) из тонколистовых холодно-гнутых профилей.
Первоначально наиболее распространенным видом соединения для конструкций из холодногнутых оцинкованных профилей являлись
88
© Жидков К. е., Зверев В. В., Семенов А. С., Стуканев Ю. Л., 2015
Иллюстрация 1. Узел с опорной распределительной пластиной Иллюстрация 2. Конструкция узла верхнего пояса фермы (первое решение). Смятие полок профиля верхнего пояса. из холодногнутых профилей с Н-образной фасонкой (второе
Фото А. С. Семенова решение). Фото А. С. Семенова
бесфасоночные соединения на самонарезающих винтах различного диаметра [1, 2, 7]. В связи с большим количеством элементов и небольшими пролетами (до 12 м) незначительная несущая способность винтов (в среднем 200-250 кг) была достаточна для восприятия действующих усилий. В соответствии с рекомендациями [2] использование ферм пролетом более 15 м из холодногнутых профилей повышенной жесткости не предусматривалось.
В дальнейшем активно применялись конструктивные решения с соединениями на болтах [6-8], что позволило увеличить пролеты ферм до 24 м с шагом 0,6-3 м. В большинстве случаев это были бесфасоночные соединения с креплением профилей между собой и к поясам обычными или высокопрочными болтами [3, 4].
Соединения с использованием дополнительных элементов из тонколистовых холодногнутых профилей применяются преимущественно в опорных узлах в виде распределительных балок (мауэрлатов), опорных стоек и т. п. Кроме того, имеются технические решения, предусматривающие крепления решетки к поясам через накладки из С- или ХХ-образных профилей. В основном эти соединения применяются для одиночных профилей или парных профилей коробчатого сечения [2].
Соединения на фасонках нашли применение при изготовлении рамных конструкций [5]. Необходимость их применения вызвана, в первую очередь, значительными нагрузками в карнизных узлах и необходимостью стыковки элементов по длине.
Для перераспределения нагрузки в местах опирания в современной
практике проектирования конструкций применяются три способа:
♦ местное усиление (приводит к изменению жесткостных характеристик профиля, что затрудняет его проектирование и прогнозирование дальнейшей работы, увеличивает трудозатраты на изготовление);
♦ опирание элементов через накладки, закрепленные по боковым поверхностям профилей [5] (характеризуется кручением профиля при несимметричном приложении нагрузки и высокими требованиями к точности изготовления);
♦ опирание металлической обрешетки на верхние полки тонкостенных гнутых профилей [2] (приводит к необходимости установки профилей с частым шагом для обеспечения прочности на смятие от действия опорной реакции прогона. Большое количество элементов конструкции приводит к существенному увеличению металлоемкости и трудозатрат на изготовление и монтаж).
Отсюда представляется актуальной задача совершенствования конструктивного решения узлов в местах приложения сосредоточенных сил более 500 кг, что характерно для конструкций с шагом стропильных ферм 4-6 м и шагом прогонов 1-3 м, эксплуатируемых в 3-5 снеговых районах.
В рамках научно-практической работы по реализации проектов зданий и сооружений со стропильными конструкциями в виде ферм из тонкостенных холодногнутых профилей, выполненной по заказу ООО «Ласар» (г. Липецк), разработано два технических решения узловых соединений:
1 с опорной распределительной пластиной толщиной 6 мм (Иллюстрация 1), закрепленной непосредственно на полках профилей верхнего пояса фермы;
2 с Т- или Н-образной фасонкой, состоящей из горизонтальной распределительной пластины, объединенной с узловой фасонкой (Иллюстрация 2).
Для экспериментальной проверки работоспособности узловых соединений проведены натурные испытания узлов верхнего пояса фермы.
Для уменьшения массы грузов приложение нагрузки моделировалось системой рычагов (Иллюстрация 3), что позволило ограничить величину испытательной нагрузки на один подвес до 500 кг.
Нагружение выполнялось при помощи стальных подвесных платформ ступенями по 10% от предполагаемой разрушающей узловой нагрузки, равной 35 кН в узел фермы.
В случае решения узла с опорной распределительной пластиной для обеспечения центрального приложения нагрузки в узел применялась система роликов и валков, расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях (Иллюстрация 1).
Несмотря на выполненную цен-трацию приложения нагрузки, такой тип соединения не обеспечил необходимую надежность конструкции. При 85% от предполагаемой критической нагрузки наблюдалась потеря несущей способности фермы в результате смятия полок профилей верхнего пояса в месте приложения сосредоточенной нагрузки (см. Иллюстрацию 1), после чего испытания были прекращены. Первоначальные деформации отмечались уже при на-
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 4 | 2015
89
Иллюстрация 3. Нагружение фермы с помощью системы рычагов. Фото А. С. Семенова
■
г 11
Улэпидн на ~|Г:|к.к ■
Иллюстрация 4. График зависимости местных деформаций от нагрузки для узлов с опорными распределительными пластинами
грузке в 400 кг на узел (Иллюстрация 4).
При проведении испытаний второго варианта конструктивного решения исчерпания несущей способности или недопустимых деформаций сечения в результате местных воздействий в ходе исследований не наблюдалось. Полная потеря несущей способности произошла в результате потери устойчивости верхнего пояса в опорной зоне при узловой нагрузке 40 кН/узел при критической расчетной нагрузке 35 кН/узел.
Заключение
♦ По результатам экспериментальных исследований предложенное конструктивное решение узлов фермы с Т- и Н-образными фасон-ками обеспечивает требуемые показатели надежности при использовании в зданиях и сооружениях из тонкостенных холодногнутых профилей при наличии значительных сосредоточенных сил.
♦ Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанное решение при строительстве зданий и сооружений для ферм (рам) пролетами 18-24 м.
♦ Предложенное техническое решение внедрено в практику проектирования и используется ООО «Ласар» (г. Липецк) при строительстве зданий из легких тонкостенных гнутых профилей.
Список использованной литературы
1 Кунин Ю. С., Катранов И. Г. Оптимизация применения вытяжных заклепок и самосверлящих самонарезающих винтов в соединениях ЛСТК // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2010. № 7. С. 35-37.
2 Рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу конструкций каркаса малоэтажных зданий и мансард из холодногнутых стальных оцинкованных профилей производства ООО «БалтПрофиль» / ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова». М., 2004.
3 Коротких А. В., Крылов И. И., Гербер А. А. Особенности работы фермы с перекрестной решеткой из тонкостенных оцинкованных профилей // Известия вузов. Строительство. 2011. №10. С. 9-20.
4 Губайдулин Р. Г., Губайдулин М. Р., Муравский В. В. Натурные испытания стропильной фермы из тонкостенных холодногнутых профилей // Предотвращение аварий зданий и сооружений. Электронный журнал. 2009-09-21.
5 Серия 1.420.3-39.08. Каркасы стальные «УНИТЭКС-Р1» одноэтажных производственных зданий с применением рам из гнутых (в том числе оцинкованных) профилей. Введение. 2008-05-06.
6 Зверев В. В., Семенов А. С. Влияние податливости болтовых соединений на деформативность фермы из тонкостенных гнутых профилей // Строительство и архитектура. Научный вестник Воронежского гос. архитектурно-строительного ун-та. 2008. № 2 (10). С. 9-17.
7 Зверев В. В., Жидков К. Е., Капы-рин Н. В. Эффективные способы соединения элементов конструкций из оцинкованного тонколистового проката // Актуальные проблемы современного строительства и пути их эффективного решения. Ч. 1 : Материалы ме-ждунар. науч.-практ. конф. 10-12 октября 2012 г. / Санкт-Петербургский гос. архитектурно-строительный ун-т. Санкт-Петербург, 2012. С. 74-77.
8 Ведяков И. И., Одесский П. Д., Соловьев Д. В. Несущая способность болтовых соединений легких конструкций из холодногнутых профилей малых толщин // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 3. С. 19-22.
90
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 4|2015
