CC BY
101
ВЕСТНИК 11/2013
МГСУ_11/2013
УДК 624.014 : 626
М.И. Бальзанников, И.С. Холопов, А.В. Соловьев, А.О. Лукин
ФГБОУВПО «СГАСУ»
ПРИМЕНЕНИЕ СТАЛЬНЫХ БАЛОК С ГОФРИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ В ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЯХ
Приведен анализ возможности применения балок с гофрированной стенкой в конструкциях гидротехнических сооружений. Представлены результаты расчета ригеля плоского затвора из балки с гофрированной стенкой. Выполнено сравнение показателей исчерпания несущей способности ригелей с плоской и гофрированной стенкой. Определена экономия по массе при замене ригелей со сплошной стенкой ригелями с гофрированной стенкой.
Ключевые слова: стальные конструкции, гидротехнические сооружения, балки с гофрированной стенкой, ригель, экономия по массе.
Стальные балки с гофрированной стенкой в настоящее время активно применяются в зданиях различного назначения [1]. К достоинствам таких балок следует отнести меньшую металлоемкость за счет уменьшения толщины стенки и отказа от поперечных и продольных ребер жесткости для подкрепления стенки от потери местной устойчивости. Расширение границ применения стальных балок с гофрированной стенкой можно произвести за счет внедрения их в гидротехнические сооружения.
Все металлические конструкции в гидротехнических сооружениях можно разделить на две группы [2]:
конструкции, не связанные с удержанием воды: конструктивные элементы зданий ГЭС [3], элементы других зданий и надземных сооружений, мосты, переходы, эстакады [4];
конструкции, предназначенные для удержания воды: различного типа и назначения затворы, ворота шлюзов.
Характер эксплуатации конструкций первой группы соответствует эксплуатации конструкций производственных зданий и сооружений или транспортных сооружений. В [4] описано успешное применение стальных конструкций в строительстве морских гидротехнических причальных сооружений, к которым относятся конструкции технологических площадок причальных сооружений островного типа и переходные эстакады в виде трубопроводных мостов с проезжей частью для автомобильного транспорта. Авторами указывается, что широкое применение стальных конструкций эффективно с точки зрения снижения стоимости и сроков строительства.
Повысить эффективность применения стальных конструкций в гидротехнических сооружениях первой группы можно за счет внедрения балок с гофрированной стенкой. Первые предложения о применении балок с гофрированными стенками в конструкциях гидротехнических сооружений, не связанных с удержанием воды, выдвинули С.Г. Ажермачев и П.С. Семенов [5]. Они рассмотрели вопрос об использовании гофрированных балок в конструкциях морских платформ для подкрепления настила технологических палуб.
Эксплуатационные условия конструкций второй группы существенно отличаются от условий эксплуатации обычных гражданских и промышленных зданий и сооружений. Эти конструкции постоянно находятся в воде или увлажненном состоянии. Применение балок с гофрированной стенкой в конструкциях второй группы связано с решением задач по разработке новых конструктивных решений с целью отвода влаги.
Одной из основных задач при строительстве гидротехнических сооружений из стальных конструкций является необходимость решения проблемы их защиты от агрессивного воздействия различных коррозионных сред. Для этого к стальным конструкциям предъявляют требования по назначению толщин элементов, которые не должны быть менее 5 мм [2], а также применяют ультрасовременные покрытия [6, 7] для долгосрочной и эффективной защиты металлических конструкций от коррозии. Кроме того, для предотвращения опасных повреждений и разрушений гидротехнических объектов необходимо проводить эффективный постоянный мониторинг состояния конструкций [8].
В мировой практике широкое распространение получили гофры синусоидального (рис. 1, а), треугольного (рис. 1, б) и трапецеидального (рис. 1, в) очертания [9]. В сравнении с конструкциями промышленных зданий балки с гофрированной стенкой в гидротехнических сооружениях, в связи с особыми условиями эксплуатации конструкций, должны применяться с увеличенной толщиной стенки.
а б в
Рис. 1. Профиль гофрированной стенки
Слабым местом при проектировании балок с гофрированной стенкой из-за пониженной толщины стенки является способность восприятия сосредоточенных нагрузок. Испытания на сосредоточенную нагрузку [10] показали, что в стенке и, в первую очередь, под грузом будут развиваться пластические деформации, что может привести к потере местной устойчивости стенки.
В конструкциях первой группы нагрузка на балки может быть распределенная или сосредоточенная, что ухудшает работу балки с гофрированной стенкой. По нашему мнению, лучшие условия работы для гофрированных балок будут, если применять их в конструкциях второй группы в качестве стрингеров и ригелей плоских затворов. Это связано с тем, что нагрузка на стрингеры и ригели от гидростатического давления распределяется равномерно. Если стрингеры проектируют неразрезными на весь расчетный пролет затвора, то в таком случае, кроме распределенной нагрузки от давления воды, дополнительно будут действовать сосредоточенные реакции опор. Во избежание потери местной устойчивости стенки в области опорных участков ее можно заменить плоским листом (рис. 2, а) или усилить дополнительными накладками [11]1 (рис. 2, б).
1 ТУ У В.2.6-28.1-30653953-007.2007. Балки двутавровые гофрированные облегченные. Рекомендации по проектированию. 2008. 103 с.
ВЕСТНИК
МГСУ-
11/2013
Рис. 2. Усиление стенки в опорных местах
Еще одним важным показателем конструкций плоских затворов является их основной недостаток — повышенный расход стали, что и обосновывает применение балок с гофрированной стенкой.
В качестве примера применения балок с гофрированной стенкой в гидротехнических сооружениях второй группы рассмотрим плоский затвор (рис. 3). Подберем поперечное сечение для ригеля сплошного сечения по данным примеров 9.6 и 9.7 [2]:
пролет ригеля Ь = 14,6 м;
равномерно распределенная нагрузка на ригель: д^рВ = 101,2 кН/м; расчетная схема ригеля представляет собой статически определимую балку на двух опорах, поэтому М = 3371 кНм; Q = 923,5 кН; толщина обшивки: ¿обш = 1 см;
коэффициент надежности конструкции по назначению: у = 1,25; сталь С345: Я = Я, = 31,5 кН/см2.
у хг '
Рис. 3. Генеральные размеры плоского затвора и расчетное сечение ригеля
б
а
Принимаем поперечное сечение ригеля (рис. 3, сечение 3-3): сжатая полка: Ъ' = 220 см; tf2 = ¿обш = 1 см;
стенка: h = 200 см — в пролете; hw2 = 110 см — на опоре; tw = 0,6 см; растянутая полка: Ъ^ = 34 см; tfí = 2 см;
принимаем гофр трапецеидального очертания: a = 25 см; f = 4 см; в = 45°. Проверку несущей способности ригеля ведем по Eurocode 3 [12]2: прочность полок проверяется по формуле
^max < i, где MRd = M^lh = 34-2-31,5 201,5 = 3389,5 кНм,
MRd ' Д R YmiYn f 1 -1,25 ' ' '
где hf — расстояние между осями полок;
прочность стенки на срез в опорном сечении проверяется по формуле Q r 315
Qmsx- < 1, где VRd =-W—hw2tw =-^110• 0,6 = 960,25 кН;
Vd Ы Ym«Л„ W2 W 11,25>/3 ' ' '
проверка прочности стенки на действие локальных нагрузок не производится ввиду их отсутствия;
общая устойчивость ригеля считается обеспеченной, так как верхний пояс ригеля является частью обшивки;
местная устойчивость стенки проверяется по формуле
QmaL < 1, где VRdl=lcl R hjw = 0,855 31 5 200-0,6 = 1443,75 кН; Vrn., ' , YmiY„^3 11 ,25 -л/3
общая устойчивость стенки проверяется по формуле
Q r 31 5
<1, где VRd,g = Хс —^ЧгhJw = 1 1 R 200 '0,6 = 1745,9 кН, vrd.g Y m iY „V3 11,25 W3
где xcl и xcg — понижающие коэффициенты при местной и общей устойчивости пластины, соответственно, определяемые по Eurocode 32;
местная устойчивость сжатого пояса ригеля заведомо сохраняется, если [2]:
bi ^ ,
где Ъ. = 60 см — расстояние от стенки ригеля до ближайшего стрингера или обвязки, из примера 9.7 [2]; о0 = 7,74 кН/см2 — напряжения сжатия в обшивке от общего изгиба ригеля; E — модуль упругости стали.
60 < 2 • Ц/20600/7,74 = 103,2; относительный прогиб ригеля с учетом сдвиговых деформаций:
f < 1,
fu
f h о А \ 5 q^4 0, ппо,ч 5 101,2-100-14604
где f = (1 + 9,6p)--5— = (1 + 9,6-0,024)--= 1,69 см,
v ' 384 EIyf v ' 384 20600 - 2109061
f = 3,65 см — предельный прогиб ригеля [2]; р — коэффициент, учитывающий влияние поперечных сил на прогиб; If — момент инерции полок ригеля относительно оси центра тяжести сечения.
2 EN 1993-1-5: 2006. Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1—5: General rules — Plated
structural elements.
ВЕСТНИК
МГСУ-
11/2013
Результаты сравнения расчета ригеля со сплошной стенкой из примеров 9.6 и 9.7 [2] и ригеля с гофрированной стенкой приведены в таблице.
Обеспечение несущей способности ригеля
Проверка условий прочности и устойчивости Ригель с плоской стенкой Ригель с гофрированной стенкой
< 1
Прочность полок 0,917 0,994
Прочность стенки на срез на опоре 0,85 0,962
Местная устойчивость стенки 0,33 0,64
Общая устойчивость стенки — 0,529
Местная устойчивость сжатой полки 0,516 0,581
Относительный прогиб 0,548 0,46
По результатам расчетов масса ригеля со сплошной стенкой составляет 5034 кг, а масса ригеля с гофрированной стенкой — 4771 кг. Экономия по массе составляет 5,2 %, при изменении параметров гофров экономия может достигать 8.. .10 %. При увеличении пролета экономия возрастает и может достигать 15 %.
Внедрению балок с гофрированной стенкой в конструкции плоских затворов способствуют три положительных фактора:
отсутствие сосредоточенных нагрузок, которые сильно влияют на несущую способность балок;
общая устойчивость ригелей обеспечивается благодаря сплошному раскреплению сжатого пояса;
повышенный расход стали при использовании ригелей и стрингеров с плоской стенкой.
Остаются нерешенными вопросы о расчете поясных швов, уменьшении возможного вакуума под нижним ригелем при подъеме затвора и удалении накопившейся влаги. Два последних вопроса можно решить так же, как и в ригелях со сплошной стенкой, т.е. путем выполнения отверстий в стенке ригеля, но это требует дополнительного изучения.
Выводы. 1. Проведенный анализ показывает возможность эффективного применения балок с гофрированной стенкой в конструкциях гидротехнических сооружений, при этом должны выполняться требования по обеспечению защиты от агрессивных сред;
2. в результате расчета ригеля плоского затвора определено, что замена ригеля с плоской стенкой на ригель с гофрированной стенкой позволяет снизить металлоемкость элемента на 5.10 %, но для окончательного внедрения требуется разработка новых конструктивных решений и проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Библиографический список
1. Pasternak H., Kubieniec G. Plate girders with corrugated webs. Journal of Civil Engineering and Management. 2010, vol. 16, no. 2, pp. 166—171.
2. Холопов И.С., Бальзанников М.И., Алпатов В.Ю. Применение решетчатых пространственных металлических конструкций в покрытиях машинных залов ГЭС //
Вестник Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архит. 2012. Вып. 28(47). С. 225—232.
3. Стальные конструкции в гидротехническом строительстве // Морской бизнес Северо-Запада. 2005. № 2 май. Режим доступа: http://www.mbsz.ru/02/47726.php. Дата обращения: 28.07.2013.
4. Козинец Г.Л. Оценка прочности и долговечности коррозионно-изношенных металлоконструкций гидротехнических затворов // Гидротехническое строительство. 2007. № 1. С. 35—39.
5. Ажермачев С.Г., Семенов П.С. О применении балок с гофрированными стенками в палубных конструкциях морских платформ // Строительство и техногенная безопасность. 2005. Вып. 10. С. 13—16.
6. Федорищев Ю.В. Антикоррозионная защита гидротехнических сооружений: комплексные решения от компании «Амвит» // Гидротехника. 2010. № 1. С. 80—81.
7. Jotun — мировой лидер в производстве защитных покрытий // Гидротехника. 2009. № 1. С. 80—81.
8. Abbas H.H., Sause R., Driver R.G. Behavior of Corrugated Web I-Girders under InPlane Loads. Journal of Engineering Mechanics. 2006, vol. 132, no. 8, pp. 806—814.
9. Зубков В.А., Лукин А.О. Экспериментальные исследования влияния технологических и конструкционных параметров на несущую способность металлических балок с гофрированной стенкой // Вестник МГСУ 2013. № 2. С. 37—46.
10. Kövesdi B., Dunai L. Determination of the patch loading resistance of girders with corrugated webs using nonlinear finite element analysis. Computers and Structures. 2011, vol. 89, no. 21—22, pp. 2010—2019.
Поступила в редакцию в августе 2013 г.
Об авторах: Бальзанников Михаил Иванович — доктор технических наук, профессор, ректор, заведующий кафедрой природоохранного и гидротехнического строительства, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»), 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, 8(846)332-09-36, sgasu@samgasu.ru;
Холопов Игорь Серафимович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой металлических и деревянных конструкций, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»), 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, 8(846)332-09-36, sgasu@ samgasu.ru;
Соловьев Алексей Витальевич — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры металлических и деревянных конструкций, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»), 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, 8(846)332-09-36, savsmr@ rambler.ru;
Лукин Алексей Олегович — ассистент кафедры металлических и деревянных конструкций, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»), 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, a.o.lukin@rambler.ru.
Для цитирования: Применение стальных балок с гофрированной стенкой в гидротехнических сооружениях / М.И. Бальзанников, И.С. Холопов, А.В. Соловьев, А.О. Лукин // Вестник МГСУ 2013. № 11. С. 34—41.
BECTHMK 11/2013
MfCY_11/2013
M.I. Bal'zannikov, I.S. Kholopov, A.V. Solov'ev, A.O. Lukin
USING STEEL BEAMS WITH CORRUGATED WEB IN HYDRAULIC STRUCTURES
The article is devoted to exploring the use of beams with corrugated web in the construction of hydraulic structures. Two groups of metal structures of hydraulic structures are considered, depending on their operating conditions: structures not related to water retention; construction designed for water retention.
Operating conditions of the first group of structures are similar with the structures of industrial buildings. Hence, it is possible to use the beams with a corrugated web but with a larger web thickness. In the constructions of the second group the operating conditions significantly differ from the first group. These structures are constantly in water or in humid state and therefore additional measures are required to ensure reliability.
Two positive factors contribute to the introduction of corrugated web beams in the construction of flat gates:
the lack of concentrated loads which strongly affects the bearing capacity of beams; general stability of the beams is ensured by the continuous supported compression flange.
At the first stage of the study the girder of the flat gate was designed of beams with corrugated web. Design of beams with corrugated web was carried by the Eurocode 3. The mass comparison of beams with corrugated web with the previously found cross-section with a flat solid web showed the savings of up to 5.2 %. By varying the parameters of the corrugations savings can increase to 8—10 %.
The studies showed that the introduction of corrugated web beams in the construction of hydraulic structures is appropriate. Some tasks require additional research.
Key words: steel structures, hydraulic structures, beams with corrugated web, girder, savings in mass.
References
1. Pasternak H., Kubieniec G. Plate Girders with Corrugated Webs. Journal of Civil Engineering and Management. 2010, vol. 16, no. 2, pp. 166—171.
2. Kholopov I.S., Bal'zannikov M.I., Alpatov V.Ju. Primenenie reshetchatykh prostrans-tvennykh metallicheskikh konstruktsiy v pokrytiyakh mashinnykh zalov GES [The Use of Spatial Grid Metal Structures in the Roofs of HPP Turbine Rooms]. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Stroitel'stvo i arkhitektura [Bulletin of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Series: Civil Engineering and Architecture]. 2012, no. 28 (47), pp. 225—232.
3. Stal'nye konstruktsii v gidrotekhnicheskom stroitel'stve [Steel Structures in Hydraulic Engineering]. Morskoy biznes Severo-Zapada [Marine Business of the North-West]. 2005, no. 2. Available at: http://www.mbsz.ru/02/47726.php. Date of access: 28.07.2013.
4. Kozinets G.L. Otsenka prochnosti i dolgovechnosti korrozionno-iznoshennykh me-tallokonstruktsiy gidrotekhnicheskikh zatvorov [Estimation of the Strength and Durability of Corrosion-worn Metal Structures of Hydraulic Gates]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic engineering]. 2007, no. 1, pp. 35—39.
5. Azhermachev S.G., Semenov P.S. O primenenii balok s gofrirovannymi stenkami v palubnykh konstruktsiyakh morskikh platform [On the Application of Beams with Corrugated Web in the Deck Construction of Offshore Platforms]. Stroitel'stvo i tekhnogennaya bezopas-nost' [Construction and Technogenic Safety]. 2005, no. 10, pp. 13—16.
6. Fedorishchev Yu.V. Antikorrozionnaya zashchita gidrotekhnicheskikh sooruzheniy: kompleksnye resheniya ot kompanii «Amvit» [Corrosion Protection of Hydraulic Structures: Integrated Solutions from the Company "Amvit"]. Gidrotekhnika [Hydrotechnics]. 2010, no. 1, pp. 80—81.
7. Jotun — mirovoy lider v proizvodstve zashchitnykh pokrytiy [Jotun — the World Leader in the Production of Protective Coatings]. Gidrotekhnika [Hydrotechnics]. 2009, no. 1, pp. 80—81.
8. Abbas H.H., Sause R., Driver R.G. Behavior of Corrugated Web I-Girders under InPlane Loads. Journal of Engineering Mechanics. 2006, vol. 132, no. 8, pp. 806—814.
9. Zubkov V.A., Lukin A.O. Eksperimental'nyeissledovaniya vliyaniya tekhnologicheskikh i konstruktsionnykh parametrov na nesushchuyu sposobnost' metallicheskikh balok s go-frirovannoy stenkoy [Experimental Research into the Influence Produced by Process-related and Structural Parameters on the Bearing Capacity of Metal Beams with Corrugated Webs]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 2, pp. 37—46.
10. Kövesdi B., Dunai L. Determination of the patch loading resistance of girders with corrugated webs using nonlinear finite element analysis. Computers and Structures. 2011, vol. 89, no. 21—22, pp. 2010—2019.
About the authors: Bal'zannikov Mikhail Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Environmental Protection and Hydraulic Engineering Structures, Rector, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SGASU),
194 Molodogvardeyskaya St., Samara, Russian Federation; +7(846)332-09-36; sgasu@sam-gasu.ru;
Kholopov Igor' Serafimovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Steel and Timber Structures, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SGASU), 194 Molodogvardeyskaya str., Samara, 443001, Russian Federation; sgasu@samgasu.ru; +7(846)332-09-36;
Solov'ev Aleksey Vital'evich— Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department of Steel and Timber Structures, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SGASU), 194 Molodogvardeyskaya st., Samara, 443001, Russian Federation; +7(846)332-09-36; savsmr@rambler.ru;
Lukin Aleksey Olegovich — Assistant Lecturer, Department of Steel and Timber Structures, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SGASU), 194 Molodogvardeyskaya st., Samara, 443001, Russian Federation; a.o.lukin@rambler.ru.
For citation: Bal'zannikov M.I., Kholopov I.S., Solov'ev A.V., Lukin A.O. Primenenie stal'nykh balok s gofrirovannoy stenkoy v gidrotekhnicheskikh sooruzheniyakh [Using Steel Beams with Corrugated Web in Hydraulic Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no.11, pp. 34—41.
