CC BY
98
УДК 624.014.2 А. А. Акпанов
архитектор, ТОО «Экопроект», г. Астана e-mail: a.akpanov@inbox.ru
ПРИМЕНЕНИЕ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В МАЛОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЯХ
Легкие стальные конструкции широко применяются в строительстве малоэтажных жилък комплексов. В последние годы тонкостенным профилям находят новое применение.
Ключевые слова: стальные конструкции, жилой комплекс, малоэтажные здания.
ВВЕДЕНИЕ
Стальным конструкциям находят новое применение. Примером могут служить строительство складов, ангаров, мансард, пешеходный надземный переход пролетом 12 метров, ферма покрытия пролетом 70 метров, девяти этажный жилой дом и др. К основным преимуществам ЛСТК следует отнести низкий вес, легкость, что приводит к экономии металла и быстроту монтажа. Однако стальные холодногнутые элементы имеют ряд особенностей работы, таких как наличие зон упрочнения в местах гибки, присущая только тонкостенным элементам, потеря устойчивости поперечного сечения. Большой проблемой является отсутствие норм на проектирование и отсутствие рекомендаций по расчету перфорированных профилей в Еврокодах. Данное обстоятельство сильно усложняет жизнь конструкторам при проектировании конструкций из термопрофилей [1]. Однако их применение необходимо для избегания наличия мостиков холода в ограждающих конструкциях сооружения.
Для более полного изложения вопросов актуальности и научной новизны исследований, представленных в статье, для раскрытия их связи с другими исследованиями, приводится обзор литературы. В него, в основном, вошли работы по определению напряженно-деформируемого состояния и численных расчетов тонкостенных профилей.
В статье показана необходимость разработки практической методики расчета. Рассмотрены основные вехи теоретического развития расчета тонкостенных профилей. Отмечено, что теоретические основы уже вполне разработаны и трудно ожидать, принципиально, новых открытий. Расчет тонкостенных систем методами теории оболочек сложен и далеко не всегда оправдан. Теории расчета тонкостенных стержней, созданные и развитые целым рядом ученых, упрощают задачу, но возникают проблемы при расчете сложных несимметричных систем.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Легкие стальные конструкции (ЛСТК) широко применяется в строительстве малоэтажных жилых комплексов. В последние годы тонкостенным профилям находят новое применение. Примером могут служить строительство складов,
ангаров, мансард, пешеходный надземный переход пролетом 12 метров, ферма покрытия пролетом 70 метров, девяти этажный жилой дом и др. К основным преимуществам ЛСТК следует отнести низкий вес, легкость, что приводит к экономии металла и быстроту монтажа. Однако стальные холодногнутые элементы имеют ряд особенностей работы, таких как наличие зон упрочнения в местах гибки, присущая только тонкостенным элементам, потеря устойчивости поперечного сечения. Большой проблемой является отсутствие норм на проектирование и отсутствие рекомендаций по расчету перфорированных профилей в Еврокодах. Данное обстоятельство сильно усложняет жизнь конструкторам при проектировании конструкций из термопрофилей [1]. Однако их применение необходимо для избегания наличия мостиков холода в ограждающих конструкциях сооружения.
К преимуществам данной технологии можно отнести:
1 Надежность и продолжительное время жизни. Время жизни зданий определяется в основном сроком службы металлокаркаса, плитных материалов обшивки, утеплителя. При использовании термопрофилей, которые изготавливаются из оцинкованной стали с нормой расхода цинка 275 г/кв.м, согласно исследованием British Steel, в соответствие с естественной эмиссией цинка, время жизни конструкций из ЛСТК составляет более 100 лет;
2 Малый удельный вес конструкций. Вес 1 кв. м несущего стального каркаса здания находится в пределах 20-24 кг в зависимости от этажности здания. Это преимущество позволяет снизить затраты применяя фундаментную плиту мелкого заглубления высотой всего 200 мм, расширить возможности строительства на «плохих» грунтах;
3 Эффективное энергосбережение. Применение эффективного утеплителя в каркасах из перфорированных термопрофилей позволяет получать значения коэффициента теплопроводимости 0,045 Вт/ (м*к) без учета возможных вариантов утепления по фасаду. Это свойство позволяет значительно снизить издержки при эксплуатации зданий и уменьшить нагрузки на электросети. Высокие теплосберегающие показатели ЛСТК позволяют применять термопрофиль для экономичного строительства даже в условиях крайнего севера;
4 Экологичность. В составе конструкций зданий, построенных с применением термопрофиля, в качестве обшивки обычно применяются гипсокартоные листы ГЕК13 и стекломагниевые плиты (стекломагнезит), а в качестве утеплителя минеральная вата Роквул Лайт Батс, являющиеся экологически чистыми.
Производство, транспортировка, монтаж и эксплуатация каркасного дома требуют гораздо меньших энергетических затрат, чем традиционные материалы.
Спроектированные и построенные с применением Термопрофиля здания не имеют синдрома «больного здания», связанного с излишней влагой, а внутреннее пространство зданий является безопасной, эргономически и экологически комфортной средой за счет хорошей шумоизоляции и влаго-воздухонепроницаемости.
5 Быстрый эффективный всесезонный монтаж. Будучи «сухим» способом строительства, монтаж дома из термопрофиля может осуществляться всесезонно. Это особенно важно для инвестора и при строительстве экономичного жилья, когда возврат вложенных средств является определяющим фактором. Сокращение сроков строительства каркасного дома и, как следствие, его стоимости, зависит еще и от степени оптимизации строительного процесса;
6 Низкая эксплуатационная стоимость. Здания, построенные с применением термопрофиля, имеют стабильные размеры, хорошо защищены от влияния биологических и температурно-влажностных процессов, долговечны, энергоэкономичны, а при окончании срока службы или при необходимости капитального ремонта не столь затратные, как строения из классических материалов;
7 Не подвержен влиянию биологических процессов. Высокая степень надежности строений из термопрофилей обеспечивается стабильностью размеров стальных профилей, которые не подвержены влиянию биологических и влажностно-температурных процессов в отличие от древесины;
8 Высокая точность при сборке. Самая современная линия по изготовлению термопрофилей полностью автоматизирована и управляется одним человеком. Это исключает человеческий фактор и дополнительные измерительные процессы, что позволяет достичь максимальной точности при сборке панелей и уменьшить в разы время строительства самого дома;
9 Не требует тяжелой грузоподъемной техники. Технология ЛСТК позволяет осуществлять строительство в условиях тесной городской и загородной застройки без применения тяжелой грузоподъемной техники. Низкие показатели по удельному весу обеспечиваются эффективными конструктивными решениями в сочетании с применением низколегированной конструкционной стали при изготовлении профилей ЛСТК.
К недостаткам ЛСТК можно отнести:
1 Слабая пожаростойкость. Для обеспечения требуемой несущей способности при пожаре приходится соблюдать определенный пирог ограждающих конструкций, который будет предохранять на определенное время несущие элементы каркаса, выполненные из тонкостенного материала. Помимо этого следует обеспечивать пожаростойкость конструкций использованием современных негорючих материалов, имеющих высшую степень пожаробезопасности и плитным материалом обшивки, количество слоев которой может быть подобрано оптимальным образом под конкретные противопожарные требования.
2 Трудоемкость достижения высокого качества проекта и строительства. Сооружение из ЛСТК имеет огромное количество несущих элементов и узлов, поэтому проект требует тщательной проработки, высокой степени детализации, точности в размерах. Также возведение сооружений из ЛСТК довольно специфично, поэтому требует специалистов с опытом работы с такими конструкциями;
3 Хрупкость термопрофилей. Термопрофили имеют просечки в стенке по всей длине профиля, что сильно снижает ее жесткость и несущую способность.
Данный минус приводит к возможной легкой деформации профиля при небрежном хранении, транспортировке или установке;
4 Эксплутационные расходы. Эксплуатация стальных металлоконструкций дороже эксплуатации железобетонных и каменных конструкций;
5 Экономическая неэффективность при больших пролетах. Сооружения на основе технологии ЛСТК могут иметь лишь небольшие пролеты, максимум примерно 18 метров. Применение ЛСТК в зданиях с динамическими нагрузками, кранами и большими пролетами экономически неэффективно.
Повышенные требования к прочности и надежности при уменьшении материалоемкости создают сложные проблемы анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) и устойчивости тонкостенных конструкций.
Г» и и
В связи с этим одной из главных задач механики тонкостенных конструкций является совершенствование методов расчета и проектирования профилей сложной формы с различными законами изменения толщины, отверстиями и накладками.
Современные требования к теплопередаче через наружные стены привели к тому, что полностью кирпичные наружные стены домов не строятся, так как требуемая толщина кирпичной кладки достигла бы на нижних этажах полутора метров. Следовательно, стеновой материал может быть менее плотным и более теплоэффективным. И этот стеновой материал может быть термопанелью.
Термопанелями называются наружные стены, каркас которых составляется из термопрофилей.
Термопрофилями называются гнутые из горячеоцинкованной тонколистовой стали профили, теплопроводность которых существенно ниже теплопроводности традиционных стальных профилей. Хорошие теплотехнические показатели термопрофилей достигаются путем перфорирования стенок профилей.
Современный уровень развития производства характеризуется широким внедрением перфорированных профилей, обладающих конструктивно анизотропными свойствами. Одним из основных требований к конструкциям является разумное соотношение между надежностью и экономичностью. В связи с этим широкое использование анизотропных материалов представляется вполне оправданным. Такие конструкции (в отличие от изотропных), обладают высокой несущей способностью по произвольно выбранным направлениям, что позволяет снизить вес конструкций (обеспечить экономичность) с одновременным увеличением их прочности.
В работе А. П. Филина [2] отмечается, что наличие всевозможных невторостепенных конструктивных особенностей, как, например, отверстия приводят к необходимости их учета. Вместе с тем классические расчетные схемы, методы и алгоритмы расчета оказываются, как правило, в этих случаях малоэффективными.
Основоположниками расчета тонкостенных профилей следует считать профессора С. П. Тимошенко [3], который еще в 1905 -1906 гг. при рассмотрении вопроса об общей устойчивости двутавровой балки исследовал изгибающее
действие кручения и вывел формулу угла закручивания балки с одним заделанным концом, которую проверил также опытным путем. В 1910 г. профессор С. П. Тимошенко опубликовал составленное им общее уравнение для угла закручивания двутавровой балки, опертой обоими концами и подверженной по длине своей действию крутящего момента. В. З. Власов [4] независимо от других авторов в 1936 г. дал наиболее общую теорию расчета любых тонкостенных незамкнутых профилей на совместное действие изгиба и кручения. Исходя из гипотезы о недеформируемости контура поперечного сечения, он установил общий закон распределения нормальных напряжений в поперечном сечении тонкостенного стержня при совместном действии изгиба и кручения. Поэтому закону нормальные напряжения в самом общем случае работы стержня распределяются по сечению пропорционально секториальной площади. Г. И. Белый, профессор Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета, предложил приближенный аналитический метод расчета тонкостенных стержней по деформированной схеме [5]. Решение основано на аппроксимации пространственных форм деформирования в виде линейной комбинацией частных форм: форм, полученных недеформационным расчетом, и форм потери устойчивости. Физическая нелинейность учитывается введением дополнительных пространственных перемещений сечений стержня.
Приведенный анализ литературы показал, что большое внимание уделено теории расчета тонкостенных профилей, в том числе методом конечных элементов. Разработаны методики расчета, виды конечных элементов, отвечающих реальной их работе. Возможно применение тонкостенных конечных стержневых элементов, учитывающих не только чистое, но и стесненное кручение при совпадении и несовпадении центров тяжести и изгиба, наличии или отсутствии эксцентриситетов в узлах элементы. Кроме учитываемых, при расчете обычных стержневых систем, степеней свободы в каждом узле: трех линейных и трех угловых, для конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля учитывается седьмая степень свободы узла - депланации сечения. Таким образом, ТКЭ с узлами в начале и конце имеет 14 степеней свободы. Также возможно применение обычных стержневых конечных элементов. С учетом того, что теория тонкостенных стержней открытого профиля требует введения седьмой степени свободы, следует обратиться к работе А. В. Перельмутера и А. И. Сливкера [6]. Специальный прием позволяет обойти эти затруднения и вводить в каждый из узлов расчетной схемы не более 6 степеней свободы. Этот прием основан на построении специальной модели - «бистержневой моделью тонкостенного стержня». Но помимо тонкостенных конечных стержневых и стержневых элементов есть и оболочечные элементы. В расчетной практике применяется моделирование тонкостенного стержня набором оболочечных конечных элементов, с помощью которого можно учесть практически все особенности работы такого сооружения. Детальная расчетная модель позволяет корректно учесть возможность потери местной и общей устойчивости.
В зарубежных работах отмечается большое внимание к вопросу потери устойчивости стержней, сравнение экспериментальных данных с численным и теоретическим методами.
Обзор литературы показал, что хорошо проработаны вопросы потери устойчивости профилей и методики их расчета. Однако мало внимания уделено рассмотрению влияния касательных напряжений и деформации сдвига в стойках замкнутого сечения. Также остается открытым вопрос влияния перфорации на несущую способность стержней.
Наиболее распространенный численный метод расчета это метод конечных элементов (МКЭ). Применение МКЭ связано с предварительным разбиением континуальной области на конечные элементы какой-либо формы и представлением решения в пределах элемента в виде многочлена с малым конечным носителем.
Система уравнений МКЭ непосредственно получается из условия минимума полной потенциальной энергии, т.е. из вариационного уравнения Лагранжа. Расчет конструкций из тонкостенных стержней может выполняться с использованием конечных элементов двух типов: оболочечные и стержневые.
Большой вклад в развитие теории тонкостенных конечных элементов внес А. Р. Туснин [8]. В одной из своих работ он сделал вывод, что наиболее рационально для расчета сложных пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля использовать стержневые тонкостенные конечные элементы, учитывающих не только чистое, но и стесненное кручение при совпадении и несовпадении центров тяжести и изгиба, наличии или отсутствии эксцентриситетов в узлах.
В работе стояла цель определить значения касательных напряжений при сжатии в стойках различной длины, имеющих составное коробчатое сечение, найти закономерность их распределения, а также влияние их на несущую способность.
Методом конечных элементов были смоделированы стойки длиной 150 мм, 550 мм, 1100 мм, 1700 мм и одинаковым поперечным сечением. Для подтверждения правильности построенных моделей были сравнены вертикальные перемещения стоек с экспериментальными данными, выполненных Демао Янгом [9], д.т.н. сиднейского университета. Результаты показали, что метод конечных элементов дает правдоподобные результаты и может быть успешно использован для расчета тонкостенных профилей. Средняя относительная погрешность составила 26 %.
Рассмотрение касательных напряжений показало, что среднее значение касательных напряжений остается постоянным не зависимо от высоты стойки, и их значения являются незначительными по сравнению с нормальными напряжениями. Значения нормальных напряжений больше касательных в среднем в 15 раз. Далее в работе рассматривалось распределение нормальных напряжений при изгибе в цельном профиле и перфорированном. Для этого методом конечных элементов были смоделированы плоские рамы, стойки которых имели высоту 500 мм и сечение с высотой стенки 150 мм, 200 мм и толщиной металла 0,8; 1,0; 1,2; 1,5; 2,0 мм. В перфорированном профиле, в отличие от «классического» распределения напряжений при изгибе в цельном профиле, наблюдаются скачки напряжений от
сжатия к растяжению в местах перфорации. Показано, что в среднем нормальные напряжения в перфорированном стержне по сравнению с цельным выше на 25 %. На основе полученных результатов был вычислен коэффициент, показывающий разницу в распределении напряжений в элементах поперечного сечения профиля. Были выведены средние коэффициенты перфорации для стенок, полок и отгибов различных профилей. Полученные коэффициенты перфорации были использованы при вычислении эффективной ширины элементов поперечного сечения перфорированного профиля, умножением эффективной ширины на данные коэффициенты.
В итоге для рассматриваемых перфорированных профилей были вычислены редуцированные характеристики при изгибе. Было получено, что наличие перфорации снижает несущую способность профиля при изгибе в среднем на 17 %.
Достоверность научных результатов подтверждена проверкой выполненных разработок на этапе их практического внедрения. Результаты работы имеют большую практическую значимость для конструкторов при проектировании конструкций с использованием термопрофилей. Изложенные в работе научные результаты и решения внедрены в процесс проектирования в проектной организации ТОО «Экопроект».
выводы
ЛСТК широко применяется в малоэтажном жилом строительстве, строительстве складов, ангаров, мансард. В последнее время тонкостенным профилям находят новое применение. Примером может служить пешеходный надземный переход пролетом 12 метров, ферма покрытия пролетом 70 метров, построенная в г. Астане (ЭКСПО 2017) и девятиэтажный жилой дом. К основным преимуществам следует отнести низкий вес, легкость, приводящие к экономии металла, и быстроту монтажа. Однако стальные холодногнутые элементы имеют ряд особенностей работы, таких как наличие зон упрочнения в местах изгиба, присущая только тонкостенным элементам потеря устойчивости поперечного сечения.
Большой проблемой является отсутствие норм на проектирование, отсутствие рекомендаций по расчету перфорированных профилей в Еврокодах. Данное обстоятельство сильно усложняет жизнь конструкторам при проектировании конструкций из термопрофилей. Однако их применение необходимо для избежания образования мостиков холода в ограждающих конструкциях сооружений.
В настоящее время все большее внимание уделяется исследованию вопросов устойчивости тонкостенных профилей под действием нагрузок, отличающихся от классических, значительной сложностью по своему характеру. Естественным при этом является стремление учесть всевозможные факторы, оказывающие влияние на величины критических нагрузок, такие, как комбинированное действие нагрузок, анизотропия и неоднородность материала, различные граничные условия и т.д. Решение этих вопросов в последнее время стало возможным благодаря широкому использованию средств вычислительной техники. На этом пути было
получено много новых интересных результатов, касающихся оценке изгиба и устойчивости профилей и разработки алгоритмов решения подобного рода задач.
Наиболее распространенный численный метод расчета - это метод конечных элементов (МКЭ). Применение МКЭ связано с предварительным разбиением континуальной области на конечные элементы какой-либо формы и представлением решения в пределах элемента в виде многочлена с малым конечным носителем. Система уравнений МКЭ непосредственно получается из условия минимума полной потенциальной энергии, т.е. из вариационного уравнения Лагранжа. Расчет конструкций из тонкостенных стержней может выполняться с использованием конечных элементов двух типов: оболочечных и стержневых.
Обзор литературы показал, что зарубежными и отечественными учеными широко освещено описание численных, теоретических расчетов и экспериментальных данных для профилей открытого сечения, однако мало затрагивается вопрос касательных напряжений и деформаций сдвига.
Поэтому в работе стояла цель определить значения касательных напряжений при сжатии в стойках различной длины, имеющих составное коробчатое сечение, найти закономерность их распределения, а также влияние их на несущую способность.
Методом конечных элементов были смоделированы стойки длиной 150 мм, 550 мм, 1100 мм, 1700 мм и одинаковым поперечным сечением. Для подтверждения правильности построенных моделей были сравнены вертикальные перемещения стоек с экспериментальными данными, выполненных Демао Янгом, д.т.н. сиднейского университета. Результаты показали, что метод конечных элементов дает правдоподобные результаты и может быть успешно использован для расчета тонкостенных профилей. Средняя относительная погрешность составила 26 %.
Рассмотрение касательных напряжений показало, что среднее значение касательных напряжений остается постоянным независимо от высоты стойки и их значения являются незначительными по сравнению с нормальными напряжениями. Значения нормальных напряжений больше касательных в среднем в 15 раз.
Далее в работе рассматривалось распределение нормальных напряжений при изгибе в цельном профиле и перфорированном. Для этого методом конечных элементов были смоделированы плоские рамы, стойки которых имели высоту 500 мм и сечение с высотой стенки 150 мм, 200 мм и толщиной металла 0,8; 1,0; 1,2; 1,5; 2,0 мм. В отличие от «классического» распределения напряжений при изгибе в цельном профиле, в перфорированном наблюдаются скачки напряжений от сжатия к растяжению в местах перфорации. В среднем нормальные напряжения в перфорированном стержне, по сравнению с цельным, выше на 25 %. На основе полученных результатов был вычислен коэффициент, показывающий разницу в распределении напряжений в элементах поперечного сечения профиля. Были выведены средние коэффициенты перфорации для стенок, полок и отгибов различных профилей. Полученные коэффициенты перфорации были использованы при вычислении эффективной ширины элементов поперечного
сечения перфорированного профиля, умножая эффективную ширину на данные коэффициенты.
В итоге для рассматриваемых перфорированных профилей были вычислены редуцированные характеристики при изгибе. Было получено, что наличие перфорации снижает несущую способность профиля при изгибе в среднем на 17 %.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Ватин, Н. И., Попова, Е. Н. Термопрофиль в легких стальных строительных конструкциях. - СПб., 2006.
2 Филин, А. П. Современные проблемы использования ЭЦВМ в механике твердого деформируемого тела. - Л. : Стройиздат, 1974.
3 Тимошенко, С. П. История науки о сопротивлении материалов: С краткими сведениями из истории теории упругости и теории сооружений: пер. с англ./ Под ред. А. Н. Митинского. Изд. 2-е, стереотипное. - М. : КомКнига, 2006. - 536 с.
4 Власов, В. З. Тонкостенные упругие стержни. - М. : 1940. - 568 с.
5 Белый, Г. И. Расчет упругопластических тонкостенных стержней попространственно-деформируемой схеме // Строительная механика сооружений: Межвуз. темат. сб. тр; ЛИСИ. - 1983. - № 42. - С. 40-48.
6 Перельмутер, А. В., Сливкер, В. И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. - М. : Изд-во : ДМК Пресс, 2002. - 618 с.
7 EN 1993-1-3 «Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-3: General rules -Supplementary rules for cold formed members and sheeting». - 1993. - 192 c.
8 Туснин, А. Р. Численный расчет конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля. - М. : МГСУ : Изд-во : АСВ, 2009. - 143 с.
9 Yung D. impression stability of high strength steel sections with low strain-hardening. Degree of Doctor. - Sydney, 2003.
10 Бычков, Д. В. Строительная механика стержневых тонкостенных конструкций - М. : Госстройиздат, 1962.
11 Власов, В. З. Избранные труды. - Т. 2. - М. : Изд-во АН СССР, 1963.
12 Власов, В. З. Общая теория оболочек и ее приложения в технике.- М. : Гостехиздат, 1949. - 784 с.
13 Власов, В. З. Новый практический метод расчета складчатых покрытий и оболочек // Строительная промышленность. - 1932. - № 11. - С. 33-38; № 12.
- С. 21-26.
14 Власов, В. З. Кручение и устойчивость тонкостенных открытых профилей // Строительная промышленность. - 1938. - № 6. - С. 49-53; № 7. - С. 55-60.
15 Уманский, А. А. Кручение и изгиб тонкостенных авиаконструкций.
- М. : Оборонгиз, 1939. - 112 с.
16 Урбан, И. В. Теория расчета стержневых тонкостенных конструкций.
- М., 1955. - 192 с.
17 Джанелидзе, Г. Ю., Пановко, Я. Г. Статика упругих тонкостенных стержней. - М., 1948. - 208 с.
18 Джанелидзе, Г. Ю. К теории тонких и тонкостенных стержней // Прикладная математика и механика. - 1949. - вып.6. - Т. XIII. - С. 597-608.
19 Джанелидзе, Г. Ю. Вариационная формулировка теории тонкостенных упругих стержней В. З. Власова // Прикладная математика и механика. - 1943. - T. VIL - вып. 6. - С. 455-462.
Материал поступил в редакцию 11.06.17.
А. А. Акпанов
Аз кабатты гимараттарда тем1р конструкцияларын пайдалану
«Ecoproekt» ЖШС, Астана к. Материал 11.06.17 баспаFа тYстi.
A. A. Akpanov
Application of steel structures in low buildings
TOO «Ecoproekt», Astana. Material received on 11.06.17.
Аз щбатты тургын кешендерЫц цурылысында жещл металл конструкциялар кецтен крлданылады. Соцгы жылдары жуца крбыргалы профильдерi пайдалану крлга алынды.
Lightweight steel structures are widely applied in construction of low housing estates. In recent years thin-walled profiles find new application.
