CC BY
46
УДК 624.014 : 693.977
М. В. САВИЦЬКИЙ, О. Г. 31НКЕВИЧ (ПДАБА, Дтпропетровськ), А. М. 31НКЕВИЧ (ДИТ)
ВПЛИВ КОНСТРУКТИВНИХ ОСОБЛИВОСТЕЙ НА ЖОРСТК1СТЬ СТ1Н-Д1АФРАГМ В КАРКАСНИХ БУД1ВЛЯХ 3 ЛСТК
Отримано залежносп впливу конструктивных особливостей д1афрагм каркасних буд1вель i3 ЛСТК на i'x жорстшсть. На основ! залежностей розроблено методику оцшки жорсткосп д1афрагми будь-яко! конфпура-ци, яка дозволяе приймати конструктивш ршення для забезпечення просторово! жорсткосп буд1вл1.
Ключовi слова: каркаси з легких стальних конструкцш, жорстшсть вертикальних та горизонтальних д1а-фрагм, обшивка д1афрагм, стальш тонкостшш холодногнуп профш
Получены зависимости влияния конструктивных особенностей диафрагм каркасных зданий из ЛСТК на их жесткость. На основании зависимостей разработана методика оценки жесткости диафрагмы какой-либо конфигурации, позволяющая принимать конструктивные решения для обеспечения пространственной жесткости здания.
Ключевые слова: каркасы из легких стальных конструкций, жесткость вертикальных и горизонтальных диафрагм, обшивка диафрагм, стальные тонкостенные холодногнутые профили
The dependences of influence of structural features of diaphragms of lightweight steel framing braced wall structures on their stiffness are determined. On the basis of dependences the procedure for estimation of stiffness of a diaphragm of any configuration that allows making decisions for maintenance of building stiffness is developed.
Keywords: lightweight steel framing, stiffness of braced walls and diaphragms, diaphragm sheeting, steel cold-formed thin gauge members
Вступ
Для зведення малоповерхових буд1вель знание поширення отримали каркает технологи. Один з напрямюв - виконання елеменпв каркасу буд1вл1 з легких стальних тонкостшних конструкцш (ЛСТК) - тонкостшних металевих оцинкованих профшв.
Особливютю таких каркашв е те, що в бшь-шосн випадюв вс1 вузли з'еднань конструктив-них елеменпв шаршрш - визначальний вплив на просторову жорстюсть при ди горизонтальних зусиль мають д1афрагми (горизонтальш -иерекриття, иокриття I вертикальш - сини).
Зсувна жорстюсть (дал1 - жорстюсть) д1аф-рагм, сириймаючих зусилля в свош площиш забезиечуеться настуиними ирийомами:
- використання в стшовш ианел1 хрестових зв'язюв з оцинкованих сталевих смуг;
- врахування роботи лисив обшивки стши.
За результатами попередшх розрахунюв,
найбшьший недолш д1афрагм з хрестовими зв'язками иолягае в значнш величин! зусиль у вузл1 з'еднання зв'язку з каркасом. Осюльки елементи тонкостшш, отримаш зусилля можуть привести до мюцевих деформацш профшв I зминання лисив. Виконання вузл1в ¿з забезпе-
ЧеННЯМ КОНСТруКТИВНИХ ВИМОГ ПрИЗВОДИТЬ ДО IX ускладнення, зменшення технолопчносп.
Виходячи з цього, хрестов1 зв'язки розгля-даються як елемент жорсткосп д1афрагм i каркасу в цшому ильки на перюд монтажу. Необ-хщна жорстюсть каркасу з ЛСТК в процеш експлуатацп забезиечуеться д1афрагмами з ура-хуванням роботи з'еднання елеменпв каркасу з листами обшивки (гшеокартон, ОСП i т.д.).
Постановка проблеми
Для забезпечення просторово! жорсткосп буд1вл1 конструктивн1 елементи, що виконують функщю д1афрагм, повинш задовольняти вста-новленим вимогам з i'x жорсткосп. В свою черту, жорстюсть д1афрагм може значно змшюва-тись в залежносп вщ i'x конструктивних особливостей. Тобто, необхщна жорстюсть може бути отримана шляхом призначення певних конструктивних параметр1в, яю шдбираються за розрахунковою методикою.
В [1, 2] наведет методики оцшки жорсткос-Ti д1афрагм шляхом i'x сшвставлення з д1афраг-мою-еталоном, що враховують обмежену юль-KicTb фактор1в та не вщображають особливосп д1афрагм в каркасах з ЛСТК.
Мета роботи
На 0CH0Bi результапв розрахунку моделей д1афрагм методом еюнченних елеменпв (МСЕ)
© Савицький М. В., Зшкевич О. Г., Зшкевич А. М., 2011
отримати залежност1 впливу конструктивных особливостей на i'x жорстюсть.
Встановнтн значения жорсткост1 д1афрагми будь-яко! конф1гурацп', пов'язуючн И параметры з вщповщними характеристиками д1афраг-ми-еталону через встановлеш залежносп.
Фактори, що впливають на жорстккть д1афрагм
На основ! моделювання МСЕ иоиередньо анал1зувався вилив конструктивних особливостей на показники роботи д1афрагми, для пода-льшого моделювання й врахування в залежнос-тях приймалися значим!.
За результатами иоиереднього анал1зу тип профшю каркасу (згинна жорстюсть), товщина i жорстюсть матер1алу лист1в обшивки незнач-но впливають на жорстюсть д1афрагм (умовно не враховувався i'x безпосереднш вплив на зсу-вну жорстюсть зв'язюв обшивки з елементами каркасу). Таким чином, як фактори, що впливають на жорстюсть д1афрагми (змша величини до 5 %) тип профшю, товщина i жорстюсть ли-CTiB можуть не розглядатися.
Для подальшого розгляду прийняп наступш фактори:
- жорстюсть зв'язюв м1ж обшивкою i елементами каркасу, vc, кН/см (встановлюеться екс-периментальним шляхом [3, 4] i залежить вщ товщини, модуля пружност1, Marepiany листа, д1аметра елеменпв кршлення);
- сшввщношення po3MipiB д1афрагми h / L (висота / довжина);
- крок стшок каркасу;
- крок вузл1в кршлення листав обшивки до елементав каркасу;
- юльюсть i конфпуращя npopi3iB у д1афра-™i.
Жорстюсть д1афрагми (v , кН/см) оцшюва-лась за величиною перемщення верхнього поясу при прикладенш горизонтального наванта-ження:
v = P/f , кН/см , (1)
де P - зосереджене горизонтальне наванта-ження (впрове, сейсм1чне), прикладене до верхнього поясу д1афрагми, кН;
f - перемщення верхнього поясу д1афраг-ми в горизонтально площиш, см.
Для оцшки жорсткоста д1афрагм будь-яких po3MipiB використовуеться приведене до дов-жини значения
к P 1
Вплив кшькоста 1 конф1гурацп прор1з1в у д1афрагм1
Осюльки бшьшють д1афрагм (внутршшх 1 зовшшшх стан буд1вель) експлуатуеться з про-р1зами, оцшювався вплив !х юлькоста та конф> гурацп.
Розглядались модел1 з р1вною сумарною до-вжиною сегментав (фрагмент д1афрагми з обшивкою на всю висоту) при р1знш довжиш окремих сегментав. Кр1м того, оцшювався вплив способу моделювання обшивки в д1афра-гм1 на результати розрахунку для наступних випадюв:
а) суцшьна обшивка з вир1заними прор1зами (рис. 1, а);
б) враховаш тальки сегменти д1афрагми з обшивкою на всю висоту (рис. 1, б);
в) обшивка складаеться ¿з сегментав на всю висоту 1 фрагментав над 1 шд прор1зами, кож-ний з яких з'еднаний з каркасом (рис. 1, в).
Приклад конфпурацп прор1з1в в д1афрагм1 та способ ¡в !'х моделювання наведен 1 на рис. 1.
а)
б)
Г г щ
, 12 0 0 , 1200 , 1200 , 1200 , 1200
6000
в)
о —ч
1 Г о S О О
11 о о О
, 1240 1200 , 1200 , 1200 , 120 0
№00
0 L f L де L - довжина д1афрагми.
, кН/(см-мп) , (2)
Рис. 1. Способи врахування прор1з1в при моделюванш роботи д1афрагм
Д1афрагма з суцшьною обшивкою (прор1зи вир1заш) мае найбшьшу жорстюсть, але внасл> док складноста виконання та обмежень типових розм1р1в листав е непрактичною. Як правило, обшивка стан над \ шд прор1зами виконуеться з окремих фрагментав, що кршляться до каркасу з влаштуванням шв1в (спошб «в»).
За отриманими результатами жорсткоста д> афрагм при моделюванш обшивки за способа-
ми «б» та «в» вщр1зняються незначно (деяке зменшення для способу «б»), тому для спро-щення розрахунково! схеми буд1вл1 в цшому рекомендуеться задавати д1афрагми ильки з урахуванням сегменнв на всю висоту (спо-с1б «б»),
Оскшьки надат д1афрагма з прор1зами роз-глядаеться як сукупнють окремих сегменнв з обшивкою на всю висоту, передбачаеться, що жорстюсть окремого сегмента буде залежати вщ сшввщношення його геометричних розм1р1в (к / Ь) \ може визначатись за тими ж залежнос-тями, що 1 для д1афрагм ¿з певним к / Ь ,
Вплив розм1р1в д1афрагми 1 жорсткост! зв'язк1в обшивки з каркасом
Залежносп жорсткосп д1афрагми, приведено! до одинищ И довжини (1 мп) вщ стввщно-шення розм1р1в к / Ь 1 жорсткосп зв'язку обшивки з елементами каркасу наведен! на рис, 2,
Оскшьки залежносп жорсткосп д1афрагм вщ фактору, що розглядаеться, е ¿зопараметри-чними, апроксимуюч! р1вняння наводяться для моделей з певним його значениям, Змша вели-чини фактору враховуеться вщповщним коефь щентом,
16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00
>— ус=2<Н/см '-ус=4кН/см ^—ус=8кН/см
\ \ —■
х \ —
--♦
400; 600; 1000 мм, крок вузл1в кршлення обшивки до елеменпв каркасу по контуру д1афрагми 5се = 100; 200; 300 мм, в середнш частиш д1аф-рагми - 5С1 =100; 200; 300 мм,
Рис, 2, Залежносп приведено! жорсткост! д1афрагми вщ сшввщношення розм1р1в д1афрагми при р1знш жорсткост! зв'язшв
Залежносп приведено! жорсткосп д!афраг-ми в!д жорсткост! зв'язюв лист!в обшивки з елементами каркасу наведен! на рис, 3,
Вплив кроку стшок каркасу та кроку вузл1в кршлення листов обшивки до елементов каркасу
Оц!нка впливу кроку стшок каркасу, а та-кож, кроку вузл!в кр!плення лист!в обшивки до елеменпв каркасу по контуру та в середнш час-тин! д!афрагми виконувалася на моделях д!аф-рагм (рис, 4) з наступними параметрами: дов-жина д!афрагми Ь = 6000 мм, висота к = 3000 мм, жорстюсть зв'язюв обшивки з каркасом уС = 2 кН/см, крок ст!йок каркасу 5 = 200;
Рис, 3, Залежносп приведено! жорсткост! д!афрагми ввд жорсткост! зв'язк!в обшивки з каркасом
Рис, 4, Схема модел! д!афрагми для оц!нки впливу кроку стшок каркасу ! вузл!в з'еднання лиспв обшивки з каркасом
Залежност! приведено! жорсткост! д!афраг-ми в!д кроку стшок каркасу наведен! на рис, 5 (в позначенш ряд!в чисельник - крок внутрь шн!х вузл!в, знаменник - крок вузл!в контуру),
12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0
100/100 200/100 200/200 300/100 300/200 300/300
у = 2.88х~° 0.4 0.6
Рис, 5, Залежноси приведено!' твердосл д1афрагми в1д кроку стшок каркаса при змш кроку вузл1в з'еднаиня аркуш1в обшивания з каркасом
На рис, 6 наведено залежносп приведено! жорсткост! д1афрагми вщ кроку внутршшх ву-
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
3.00
0
0.2
0.8
1.2
^ м
зл1в 1 вузл1в контуру для д1афрагми з кроком стшок каркасу « = 600 мм. При побудов1 за-лежностей прийнято наступи! умови:
- залежшсть жорсткосп д1афрагми вщ кроку внутршшх вузл1в побудована з врахуванням кроку вузл1в контуру 300 мм (ряд - внутршш вузли);
- залежшсть жорсткосп д1афрагми вщ кроку вузл1в контуру побудована з врахуванням кроку внутршшх вузл1в 300 мм (ряд - вузли контуру).
За отриманими залежностями (рис. 6) можна зробити висновок, що крок вузл1в контуру мае бшьший вплив на жорстюсть д1афрагми пор1в-няно з кроком внутршшх вузл1в.
8.0
70 -
"с г 60 -
5
и 50 -
4 0
>
3 0
2 0
- вузли контуру
у = 1. 33х-0
- внутр. вузли
у = 2.28х-0
0.1 0.2 0.3
крок вузшв, м
0.4
Рис. 6. Вплив кроку вузл1в (контуру I внутршшх) з'еднання аркуш1в обшивания з каркасом на твердеть д1афрагми
Визначення жорсткост1 д1афрагми
На основ! отриманих кореляцшних залеж-ностей розроблено методику оцшки зсувно! жорсткосп д1афрагм, що дозволяе врахувати вплив 1х конструктивних особливостей.
Жорстюсть одинищ довжини д1афрагми (1 мп) ¿з врахуванням конструктивних особливостей визначаеться за формулою:
уп = V0 • кг, кН/(см-мп) ,
(3)
де у0 - жорстюсть одинищ довжини д1афра-гми-еталона, кН/(см-мп);
к - коефщ1енти, що враховують конструктивы вщмшносп розглянуто! д1афрагми вщ д1афрагми-еталона:
кс - коефщент, що враховуе вплив жорст-косп вузл1в з'еднання лиспв обшивки з елеме-нтами каркасу д1афрагми;
к6, - коефщент, що враховуе вплив кроку стшок каркасу;
кс1 - коефщент, що враховуе вплив кроку внутршшх вузл1в з'еднання лиспв обшивки з елементами каркасу д1афрагми;
ксе - коефщент, що враховуе вплив кроку вузл1в з'еднання лисив обшивки з контур ними елементами каркасу д1афрагми.
Жорстюсть д1афрагми будь-яко! конфпура-цп визначаеться як:
У = ТаУт1*гкаП , *Н/СМ ;
(4)
де у^ - жорстк1сть одиниц1 довжини певного сегменту, кН/(см-мп).
- довжина сегменту д1афрагми (фрагменту д1афрагми з обшивкою на всю висоту), м; каг - коефщент, що враховуе сшввщно-
шення геометричних розм1р1в сегменту д1афра-гми (висота / довжина).
Значения коефщеннв приймаються за ств-вщношенням кореляцшних залежностей для розглянуто! д1афрагми I д1афрагми еталона.
Наприклад, визначення в загальному вигля-д1 коефщенту кс, що враховуе вплив жорстко-сн вузл1в з'еднання лисив обшивки з елементами каркасу на жорстюсть д1афрагми викону-еться наступним чином
к =
1,91-к 0
( г
1,91-к 0
(5)
де Ус - жорстюсть вузл1в з'еднання лисив обшивки з елементами каркасу д1афрагми-еталону.
Достов1ршсть розроблено! методики оцшю-валась пор1внянням результанв, отриманих при розрахунку тестових д1афрагм (розрахунков1 даш) з результатами розрахунку моделей д1аф-рагм МКЕ.
Жорстюсть д1афрагми-еталону визначалась експериментально (в данш робон - чисельним експериментом) 1 використовувалась як вихщш даш для розрахунку.
Визначались перемщення верхнього поясу д1афрагм в горизонтальнш площиш при при-кладенш горизонтального навантаження.
Вщхилення результанв отриманих за розро-бленою методикою та розрахунками моделей не перевищуе 15 %.
Висновки
Розроблено спрощену методику оцшки впливу основних конструктивних особливостей д1афрагм на !х жорстюсть, яка дозволяе встано-влювати вимоги до конструкцп на попередньо-му еташ формування об'емно-планувальних ршень каркасних бущвель ¿з ЛСТК.
0
За отриманими результатами можна зробити висновок, що розроблена розрахункова методика е достатньо достов1рною для оцшки жорст-кост1 д1афрагм та каркасу бущвл1 в цшому.
Отримаш залежносп впливу вищенаведених фактор1в та методика оцшки жорсткосп д1аф-рагм можуть бути використаш для забезиечеи-ня иросторово! жорсткост1 бущвл1 за рахунок:
- иризначения вимог до конструкци верти-кальиих та горизоитальиих д1афрагм;
- обмежеиия вщсташ м1ж д1афрагмами (зме-ишеиия вантажно! илощ1)
- обмежеиия кшькосп ирор1з1в у д1афрагм1.
Б1БЛ10ГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Рекомендации по учету жесткости диафрагм из стального профилированного настила в покрытиях одноэтажных производственных зданий
при горизонтальных нагрузках [Текст] - М., 1980. - 25 с.
2. Residential structural design guide: 2000 Edition [Text] - W., 2000. - 434 p.
3. Iuorio, O. Compilation of к values [Electron. resource] / O. Iuorio, B. W. Schafer; Johns Hopkins University. - 2008. - Access mode: http:// www.ce.jhu.edu/bschafer/sheathedwalls
4. Савицкий, H. В. Влияние жесткости обшивки на расчетную длину сжатой стойки каркаса из ЛСТК между узлами закрепления [Текст] / Н. В. Савицкий, О. Г. Зинкевич, А. Н. Зинкевич // BicHHK Дшпропетр. нац. ун-ту зaлiзн. трансп. iM. акад. В. Лазаряна. - 2010. - Вип. 32. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2010. - С. 115-117.
Надшшла до редколегп 25.10.2010.
Прийнята до друку 31.10.2010.
