Выбор типа двутавра для поясов стропильных ферм

 

  Использование прокатных двутавров для поясов стропильных ферм во многих случаях имеет большую экономическую выгоду по сравнению с другими видами профилей (квадратные и прямоугольные трубы, спаренные уголки). Дополнительное преимущество такого решения - простота крепления решетки фермы к плоской поверхности пояса двутавра.

  Но не всегда очевидно, какой именно тип двутаврового сечения рационально применить.

  Рассмотрим зависимость типа сечения верхнего и нижнего поясов от шага кровельных связей и вертикальной нагрузки.

 

Для примера запроектирована стропильная ферма, в которой:

  • опирание фермы на колонну - шарнирное;
  • пролет фермы - 30м, шаг рам - 6м;
  • высота фермы в коньке - 2,8м, уклон верхнего пояса - 10%;
  • сталь С355 и С390;
  • двутавры для поясов ориентированы стенкой в плоскости фермы
  • в качестве распорок применены прогоны покрытия (нет увеличения массы на распорки в случае более частого раскрепления верхнего пояса из плоскости рам).

 


image  
Рисунок 1 - Расчетная схема фермы

Зависимость типа двутавра для верхнего пояса от шага раскрепления в плоскости наименьшей жесткости, типа нагрузки, усилия в поясе и марки стали.

  Результаты расчета представлены ниже в матрице решений:


Таблица 1 - Матрица решений для верхнего пояса

Усилие в поясе, кН

Шаг раскрепления верхнего пояса в

плоскости наименьшей жесткости, м

Тип нагрузки

Марка стали по прочности

Критичный фактор проверки

С355

С390

Профиль

КИ, %

Профиль

КИ, %

6

(сосредоточенная нагрузка, прогонная кровля)

40Б2

30Ш1

20К1

97

97

100

40Б2

30Ш1

20К1

97

97

100

Устойчивость из плоскости действия момента

≈ -550кН

3

(сосредоточенная нагрузка, прогонная кровля)

30Б1

21

15К2

89

87

86

30Б1

21

15К1

86

83

95

Устойчивость из плоскости действия момента

постоянное раскрепление жестким настилом

(распределенная, беспрогонная кровля)

20Б1

20Ш0

15К1

90

69

73

18Б2

20Ш0

15К1

82

63

68

Местная устойчивость стенки

6

(сосредоточенная нагрузка, прогонная кровля)

40Б4

35Ш1

25К1

97

87

82

40Б4

35Ш1

25К1

97

85

80

Устойчивость из плоскости действия момента

≈ -950кН

3

(сосредоточенная нагрузка, прогонная кровля)

35Б2

25Ш1

20К1

84

96

83

35Б1

25Ш1

20К1

95

92

78

Устойчивость из плоскости действия момента

постоянное раскрепление жестким настилом

(распределенная, беспрогонная кровля)

25Б2

20Ш1

15К3

93

89

81

25Б1

20Ш1

15К2

98

82

93

Устойчивость в плоскости действия момента

6

(сосредоточенная нагрузка, прогонная кровля)

70Б1

40Ш1

30К1

87

88

85

70Б1

40Ш1

30К1

87

86

81

Устойчивость из плоскости действия момента

≈ -1650кН

3

(сосредоточенная нагрузка, прогонная кровля)

40Б2

35Ш1

25К1

98

83

84

40Б2

35Ш1

20К3

94

79

99

Устойчивость из плоскости действия момента

постоянное раскрепление жестким настилом

(распределенная, беспрогонная кровля)

30Б3

30Ш0

20К2

100

93
98

35Б1

30Ш0

20К2

98
91
92

Прочность

* Выделены профили с наименьшей массой погонного метра.
** Критичный фактор проверки указан для сечения с наименьшей погонной массой.

  Получим зависимости типов двутавров представлены в виде графиков. Уточним, что в графиках масса погонного метра - погонная масса подобранных сечений.



image   
Рисунок 2 - График сечения верхнего пояса при усилии ≈ -550кН


  Для рассматриваемой расчетной схемы при раскреплении верхнего пояса из плоскости стенки с шагом 6м и 3м эффективен профиль типа К, для постоянного раскрепления - тип Б.
 Сталь С390 эффективна при шаге раскрепления 3м - снижение металлоемкости на 17%, и при постоянном раскреплении - снижение погонной массы профиля на 15%.


image
Рисунок 3 - График сечения верхнего пояса при усилии ≈ -950кН


  При средних по величине усилиях в верхнем поясе и шаге раскрепления в плоскости наименьшей жёсткости 6м эффективен профиль типа К, для шага 3м - типы Б и К, для постоянного раскрепления - тип Б.
 Применение стали С390 рационально для постоянного раскрепления - снижение металлоемкости на 13%.

image
Рисунок 4 - График сечения верхнего пояса при усилии ≈ -1650кН


  Как видно из графика, увеличение усилия в верхнем поясе принципиально не влияет на зависимость типа профиля от шага раскрепления из плоскости стенки.
 Сталь С390, как и ранее, эффективная при шаге раскрепления 3м, и при постоянном раскреплении - снижении металлоемкости на 10%.

  Из проведенных расчетов видно, что все графики имеют схожие очертания.
 Общие выводы для элементов верхнего пояса конструкций ферм:

  • наименьшая металлоемкость конструкций покрытия (включая связи) - при постоянном раскреплении верхнего пояса жестким настилом (профилированным листом) и применении двутавра типа Б;
  • при шаге раскрепления верхнего пояса из плоскости стенки 6м и 3м эффективен колонный двутавр;
  • применение стали повышенной прочности (С390) оправдано во всех случаях - снижается коэффициент использования сечений, наибольший эффект - при раскреплении в плоскости наименьшей жесткости двутавра с шагом 3м или при постоянном раскреплении балки жестким настилом;
  • применение стали С390 в случае значительных нагрузок в поясе повышает вероятность перейти на профиль меньшего сечения (при небольших нагрузках проблематично перейти на меньший профиль из-за дискретности сортамента двутавров - соседние профили значительно отличаются по своим характеристикам).

Зависимость типа двутавра для нижнего пояса от шага раскрепления в плоскости наименьшей жесткости, усилия в поясе, марки стали по прочности.

  Результаты расчета представлены ниже в матрице решений:


Таблица 2 - Матрица решений для нижнего пояса

Усилие в поясе, кН

Шаг раскрепления нижнего пояса в

плоскости наименьшей жесткости, м

Марка стали по прочности

Критичный фактор проверки

С355

С390

Профиль

КИ, %

Профиль

КИ, %

15

35Б1

25Ш0

15К3

97

91

99

35Б1

25Ш0

15К3

97

91

99

Гибкость из плоскости стенки

≈ 550кН

12

30Б1

20Ш0

15К1

91

85

81

30Б1

20Ш0

15К1

91

85

81

Гибкость из плоскости стенки

9

20Б2

20Ш0

15К1

100

70

61

20Б2

20Ш0

15К1

100

64

61

Прочность

15

35Б1

25Ш0

15К3

97

91

99

35Б1

25Ш0

15К3

97

91

99

Гибкость из плоскости стенки

≈ 950кН

12

30Б1

20Ш1

15К1

91

91

89

30Б1

20Ш0

15К1

91

83

81

Прочность

9

25Б1

20Ш1

15К1

95

91

89

20Б2

20Ш0

15К1

100

82

81

Прочность

15

35Б2

30Ш0

15К4

95

92

98

35Б1
25Ш1
20К1

97

97

91

Прочность

более 1450кН

12

30Б3

30Ш0

20К1

92

91

99

35Б1

25Ш1

20К1

91

96

90

Прочность

9

25Б4

30Ш0

20К1

96

91

99

35Б1

25Ш1

20К1

91
96
90

Прочность

* Выделены профили с наименьшей массой погонного метра.
** Критичный фактор проверки указан для сечения с наименьшей погонной массой.

  Получим зависимости типов двутавров представлены в виде графиков. Уточним, что в графиках в массе погонного метра учтена масса распорок для каждого сечения в зависимости от шага раскрепления пояса из плоскости стенки (распорка - профильная труба 120х4).


image 
   
Рисунок 5 - График сечения нижнего пояса при усилии ≈550кН


  Для рассматриваемой расчетной схемы при шаге раскрепления в плоскости наименьшей жёсткости 9м - 15м эффективен профиль типа Ш.
 Графики для сталей С355 и С390 накладываются друг на друга.


image 
   
Рисунок 6 - График сечения нижнего пояса при усилии ≈950кН


  При средних по величине усилиях в поясе и шаге раскрепления в плоскости наименьшей жёсткости 9м - 15м также эффективен профиль типа Ш.
 Применение стали С390 рационально для шага раскрепления 9м - 12м - снижение металлоемкости на 3% и на 7% соответственно.


image 
   
Рисунок 7 - График сечения нижнего пояса при усилии более 1450кН


  Увеличение усилия в нижнем поясе меняет зависимость типа профиля от шага раскрепления из плоскости стенки. График для типа Б сталь С390 наложился на график типа К сталь С390.
 Критерием подбора нижнего пояса при больших усилиях в нём является прочность. Поэтому наиболее эффективный профиль - наиболее точно попавший в требуемую площадь сечения, вне зависимости от типа двутавра.
 Как видно из графика, при больших усилиях в нижнем поясе наименьшая металлоемкость пояса и распорок - при более редком раскреплении. Это объясняется тем, что из-за значительных нагрузок сечение двутавра становится развитым, критичный фактор проверки - прочность, а не гибкость из плоскости стенки.
 Сталь С390 эффективна во всех случаях, т.к. подбор сечения ведется по прочности.


  Графики для небольших и средних усилий в нижнем поясе имеют схожую форму, график для больших усилий значительно отличается.
 Общие выводы для элементов нижнего пояса конструкций ферм:

  • графики имеют меньшую амплитуду, чем графики для верхнего пояса - шаг раскрепления из плоскости меньше влияет на металлоемкость, т.к. нижний пояс растянут и не теряет устойчивость;
  • при небольших и средних усилиях в нижнем поясе наименьшая металлоемкость пояса и распорок - при шаге раскрепления 12м и двутавре типа Ш;
  • при значительных усилиях в нижнем поясе (более 1450 кН) наименьшая металлоемкость нижнего пояса и распорок - при шаге распорок 15м;
  • применение стали повышенной прочности (С390) рационально во всех случаях, где основной критерий подбора сечения нижнего пояса прочность, (критерием, по которому подбирается элемент, можно управлять шагом распорок).
Скрыть навигацию
Не нашли ответ на свой вопрос?
Напишите нам. Наши инженеры готовы обсудить задачу и дать профессиональную консультацию
ФИО*
Телефон или e-mail
Опишите ваш вопрос
На сайте используются cookie-файлы, которые помогают показывать Вам самую актуальную информацию. Продолжая пользоваться сайтом, Вы даете согласие на использование ваших метаданных и Cookie-файлов.