Научная статья на тему 'Сравнительный анализ методик расчета тонкостенных стальных балок С-образного профиля по отечественным и зарубежным нормам'

Сравнительный анализ методик расчета тонкостенных стальных балок С-образного профиля по отечественным и зарубежным нормам Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
288
48
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
STEEL STRUCTURES / ЛЕГКИЕ СТАЛЬНЫЕ ТОНКОСТЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ / LIGHT STEEL THIN-WALLED STRUCTURES / ТОНКОСТЕННЫЕ БАЛКИ / THIN-WALLED BEAMS / РЕДУЦИРОВАННОЕ СЕЧЕНИЕ / REDUCED CROSS-SECTION / РАБОТА НА ИЗГИБ / BENDING WORK / С-ОБРАЗНЫЙ ПРОФИЛЬ / C-SHAPED PROFILE / ЭФФЕКТИВНОЕ СЕЧЕНИЕ / EFFECTIVE CROSS-SECTION / ЭФФЕКТИВНАЯ ПЛОЩАДЬ / EFFECTIVE AREA / ЭФФЕКТИВНЫЙ МОМЕНТ СОПРОТИВЛЕНИЯ / EFFECTIVE RESISTANCE MOMENT / МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Решетников А. А., Корнет В. Ю., Леонова Д. А.

Рассмотрены и представлены два метода расчета работы на изгиб тонкостенных стальных балок С-образного профиля. Раскрыты особенности расчета редуцированного сечения, показаны основные этапы расчета и расхождение методов. Представлена таблица с расчетами эффективного момента сопротивления балки С-образного профиля по обоим методам при работе на изгиб.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Comparative analysis of the methods for calculating thin-walled steel beams of the C-shaped profile according to domestic and foreign standards

The lack of standards for the calculation of lightweight thin-walled steel structures allowed low-quality producers to save on production, which endangered the people who exploited such buildings. The appearance of normative documents for the calculation of thin-walled structures entails responsibility for the affirmers of these normative documents. In Russia, such norms appeared relatively recently and the purpose of this study was to compare domestic normative methods of calculation with non-significant ones. During the presentation of the study, the concept of a reduced (effective) section of a beam when working on bending was considered. Also, the same stages of the calculation methods were noted, indicating the places where the methods differ in their opinions. The result of this study is a comparison table for the basic geometric characteristic for obtaining the bearing capacity of an effective torque element of resistance. An analysis was carried out and a conclusion was drawn on these values.

Текст научной работы на тему «Сравнительный анализ методик расчета тонкостенных стальных балок С-образного профиля по отечественным и зарубежным нормам»

Сравнительный анализ методик расчета тонкостенных стальных балок

С-образного профиля по отечественным и зарубежным нормам

А.А. Решетников, В.Ю. Корнет, Д.А. Леонова Донской государственный технический университет

Аннотация: Рассмотрены и представлены два метода расчета работы на изгиб тонкостенных стальных балок С-образного профиля. Раскрыты особенности расчета редуцированного сечения, показаны основные этапы расчета и расхождение методов. Представлена таблица с расчетами эффективного момента сопротивления балки С-образного профиля по обоим методам при работе на изгиб.

Ключевые слова: металлоконструкции, легкие стальные тонкостенные конструкции, тонкостенные балки, редуцированное сечение, работа на изгиб, С-образный профиль, эффективное сечение, эффективная площадь, эффективный момент сопротивления.

При эксплуатации конструкции действующие в её элементах усилия все время изменяются вслед за изменением нагрузок. Для обеспечения надежной работы элемента необходимо выполнить его расчет на такие сочетания внешних нагрузок, какие вызывают самые большие усилия в этом элементе за весь период эксплуатации здания или сооружения [1]. Задача определения усилий от заданных нагрузок решается по известным правилам строительной механики и не представляет затруднений, если величины этих нагрузок известны. Трудность здесь состоит в том, что это будущие нагрузки и мы можем предсказать их величину лишь с той или иной степенью вероятности [2]. Кроме того, для расчета элемента ЛСТК необходимо знать геометрические характеристики эффективного сечения, механические характеристики металла, из которого будет выполнен этот элемент [3], а мы можем назначить лишь марку стали или сплава с ожидаемыми, но не конкретными значениями механических характеристик.

Эффективное сечение у ЛСТК обуславливается легкостью такой конструкции. С одной стороны, значительная экономия материала, с другой стороны такое сечение подвергается потери местной устойчивости раньше

потери общей устойчивости. В связи с этим было принято у ЛСТК определять геометрические характеристики эффективного сечения [4].

Расчет несущих конструкций зданий и сооружений на прочность сводится к расчету по первой группе предельных состояний, которая включает в себя все факторы, приводящие к полной непригодности конструкции к эксплуатации [5, 6]. На примере профиля С-образного сечения работающего на изгиб [7] мы рассмотрели два относительно похожих метода расчета сечений тонкостенных конструкций по СП 260.13330.2016 «Конструкции стальные тонкостенные из холодногнутых оцинкованных профилей и гофрированных листов» и по Cold-Formed Steel Design, 4th Ed Wei-Wen Yu and Roger LaBoube [8] базирующийся на The 1996 AISI Specification (American Iron and Steel Institute). Оба метода сводятся к поиску редуцированного сечения. Дело в том, что тонкие пластины при работе на сжатие имеют свойство терять местную устойчивость раньше, чем общую. При работе на изгиб верхние волокна балки работают на сжатие, нижние - на растяжение [9]. Разумеется, расчет направлен на поиск характеристик такого сечения, которое будет с большой вероятностью удовлетворять ожидания.

Для определения редуцированного сечения в обоих методах используют коэффициент редукции и обозначают его буквой р. Тогда:

■V = ¿¿>;

где, р - коэффициент редукции; b- ширина пластины между элементами жесткости; с- ширина свеса пластины; t- толщина пластины;

bef, Cef, tef- расчетные (эффективные) значения соответственно.

Следует отметить, что для определения геометрических характеристик, и для работы с сечением в целом, AISI SPECIFICATION диктует учитывать радиусы закругления. В то время как СП 260.13330.2016 уходит от учета радиусов закругления, и лишь в малых случаях регламентирует ими не пренебрегать:

1 ОГ Л 1 О 1Щ*

* - минимальный радиус закругления для тонкостенных профилей равен

4мм.

а) б)

Рис.1 - параметры сечения профиля: а) по СП 260.13330.2016; б) по Cold-

Formed Steel Design Коэффициент редукции определяется для каждой из пластин отдельно через значение условия гибкости по формуле:

кг, =

— - для СП 260.13330.2016

/. - для Cold-Formed Steel Design

где, и к - коэффициенты, зависящие от граничных условий и

характера напряжений в пластине; £- модуль деформации;

оо- ширина полки, за вычетом радиусов закругления;

f- расчетное сопротивление стали;

E- модуль упругости стали.

После происходит сравнение условия гибкости с предельным значением для обоих методов:

/..л/.) ± О тогда р = 1

:'C":7i, тогда р= V^133 - для СП 260.13330.2016

- для Cold-Formed Steel Design

После определения редуцированных значений пластины полки и пластины свеса полки методы в определении полного эффективного сечения расходятся.

По мнению СП 260.13330.2016 необходимо рассматривать уменьшение толщины пластины полки и пластины свеса полки. Делать это надо посредством коэффициента снижения несущей способности xd вследствие потери устойчивости формы сечения ребра. Для определения уменьшенной толщины предлагают следующую формулу:

где,

As - эффективная площадь поперечного сечения краевого отгиба

;

As,red - уменьшенная эффективная площадь элемента жесткости с учетом плоской формы потери устойчивости

где,

:

бсот - сжимающее напряжение вдоль центральной оси элемента жесткости от нагрузки, действующей на конструкцию, рассчитанное для эффективного поперечного сечения.

Рис. 2 - Схема к этапу с учетом xd при n итераций.

Последним этапом проводится итерация, т.е. уточнение, коэффициента снижения несущей способности вследствие потери устойчивости формы сечения повторяя предыдущие расчеты, но с xdRy и далее xdnRy до тех пор, пока не выполнится следующие условие:

Принимают эффективное поперечное сечение ребра жесткости размерами b2 и cef и толщиной tred, уменьшенной в соответствии с xd.

Рис. 3 - Окончательное сечение.

По мнению Cold-Formed Steel Design после определения редуцированного значения пластины полки и пластины свеса полки необходимо определить редуцированную длину пластины стенки. Эффективную длину предлагают определить аналогично пластин полки и свеса, но по мнению AISI SPECIFICATION эту длину необходимо разделить на два участка:

:

■л- =

= 'V- где,

- отношение сжимающего и растягивающего усилий.

Растяжение

Рис. 4 - Редуцированное сечение по Cold-Formed Steel Design.

В методе Cold-Formed Steel Design уточнение значения редуцированного сечения происходит путем определения новых геометрических характеристик с новым отношением сжимающего и растягивающего усилий от геометрических характеристик предыдущего расчета. Следует добавить, что приближение значения (b1+b2) следует проводить до тех пор, пора разница с предыдущим не станет менее 1%, но не более чем предыдущий.

Итогом данного исследования является сравнительная таблица для показателя сечения профиля, такого как эффективный момент сопротивления Wef. Размеры сечения профилей были взяты из ТУ 112000-001-12586100-

2009 «Профили стальные гнутые для легких стальных конструкций». Расчеты были произведены автоматизированным методом с помощью электронных таблиц Microsoft Excel [10].

Таблица 1 - Сортамент

h, мм b, мм с, мм t, мм СП 260.13330.2016 Cold-Formed Steel Design кг на м.п.

Aef, мм2 Wef, см3 Aef, мм2 Wef, см3

1,2 253,95 7,60 234,81 7,60 2,03

100 50 14 2 448,91 14,62 396,23 13,35 3,32

3 684,00 22,55 582,16 19,50 4,87

1,2 276,95 9,61 258,81 9,68 2,21

120 50 14 2 487,44 18,39 436,23 16,95 3,63

3 743,95 28,56 642,16 24,82 5,34

1,2 341,10 14,53 336,83 16,27 2,86

160 60 18 2 616,79 30,13 564,77 28,19 4,70

3 942,11 47,01 835,91 41,67 6,94

1,2 364,24 17,07 360,83 19,11 3,05

180 60 18 2 655,40 35,09 604,77 33,03 5,02

3 1000,42 54,75 895,91 48,89 7,41

Исходя из расчетов по обоим методам можно заключить, что при расчете по СП 260.13330.2016 идет меньший расход стали, чем по Cold-Formed Steel Design. С обратной стороны по СП 260.13330.2016 будет меньший запас прочности. Также стоит заметить, что при меньшем сечении профиля и меньшей толщине листа геометрические характеристики, рассчитанные по обоим методам схожи, а при большем профиле по Cold-Formed Steel Design момент сопротивления превышает СП 260.13330.2016.

При увеличении толщины листа Cold-Formed Steel Design закладывает больший запас прочности в сечение профиля.

Отметим общий признак для тонкостенных профилей. Сравним расход стали для профиля 160 мм с толщиной листа 1,2 мм и для профиля 100 мм с толщиной листа 2 мм. Моменты сопротивления сечения для обоих профилей близки по своему значению, но в меньшем сечении перерасход стали на 16% больше. Такую тенденцию можем заметить во всех схожих ситуациях. Это говорит о том, что выгоднее использовать большее сечение, но с меньшей толщиной листа.

Литература

1. Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В. и др. Металлические конструкции. В 3т. Т.1. Элементы конструкций: Учеб. для строит. вузов -М., Высш. шк. - 2004. - 551 с.

2. Василькин А.А, Рахманов Э.К. Системотехника оптимального проектирования элементов строительных конструкций // Инженерный вестник Дона, 2013, №4, URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2203.

3. Виноградов С.Н., Таранцев К.В. Конструирование и расчёт элементов тонкостенных сосудов: учеб. пособие. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - 136 с.

4. Van Amsterdam, E Construction Methods for Civil Engineering. - 2nd Edition. Soft Cover, 2014. - 260 p.

5. Горицкий В.М., Диагностика металлов. - М.: Металлургиздат, 2004. - 408 с.

6. Вернези Н.Л. Метод оценки прочности металла неразрушающим способом с использованием априорной информации // Инженерный вестник Дона. - 2013. - №3, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1898

7. Скачков С.В. Геометрические характеристики тонкостенных элементов С-образного поперечного сечения // Инженерный вестник Дона, 2017, №3, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2017/4321.

8. Wei-Wen Yu, Roger A. LaBoube Cold-Formed Steel Design. - 4th Edition изд. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2010. - 528 p.

9. Беленя Е.И. Металлические конструкции. Издание 6-е, переработанное и дополненное изд. М.: Стройиздат, 1986. 560 с.

10. W.J. DeCoursey / Statistics and Probability for Engineering Applications with Microsoft® Excel. - 2003 - 400 р. - Elsevier Science (USA).

References

1. Gorev V.V., Uvarov B.Ju., Filippov V.V. i dr. Metallicheskie konstrukcii V 3t. T.1. Jelementy konstrukcij [Metal constructions. In 3T. T.1. Elements of constructions] Ucheb. dlja stroit. vuzov M., Vyssh. shk, 2004. 551 p.

2. Vasil'kin A.A, Rahmanov Je.K. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4, URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2203.

3. Vinogradov S.N., Tarancev K.V. Konstruirovanie i raschjot jelementov tonkostennyh sosudov [Design and calculation of elements of thin-walled vessels] ucheb. posobie. Penza: Izd-vo Penz. gos. un-ta, 2004. 136 p.

4. Van Amsterdam, E Construction Methods for Civil Engineering. 2nd Edition. Soft Cover, 2014. 260 p.

5. Gorickij V.M. Diagnostika metallov [Diagnostics of metals] M. Metallurgizdat, 2004. 408 p.

6. Vernezi N.L. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013. №3, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1898

7. Skachkov S.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №3, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2017/4321.

8. Wei-Wen Yu, Roger A. LaBoube Cold-Formed Steel Design. 4th Edition изд. Hoboken, New Jersey John Wiley & Sons, Inc., 2010, 528 p.

9. Belenja E.I. Metallicheskie konstrukcii [Metal constructions] Izdanie 6-e, pererabotannoe i dopolnennoe izd. M. Strojizdat, 1986. 560 p.

10. W.J. DeCoursey Statistics and Probability for Engineering Applications With Microsoft® Excel. 2003, 400 р. Elsevier Science (USA).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.