РАМНАЯ КОНСТРУКЦИЯ С НЕСУЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ НОВОГО ТИПА СЕЧЕНИЯ ИЗ ТОНКОЛИСТОВОЙ ОЦИНКОВАННОЙ СТАЛИ

Тарасов А.В.¹, Тарасов И.В. ¹, Петухова И.Я. ¹

¹Кандидат технических наук, Инженерно-строительный институт Сибирского Федерального Университета, г. Красноярск

РАМНАЯ КОНСТРУКЦИЯ С НЕСУЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ НОВОГО ТИПА СЕЧЕНИЯ ИЗ ТОНКОЛИСТОВОЙ ОЦИНКОВАННОЙ СТАЛИ

Аннотация

В статье представлены результаты экспериментальных и численных исследований рамы каркаса здания пролётом 12 м с элементами составного бикоробчатого сечения из холодногнутых оцинкованных профилей.

Ключевые слова: узловое соединение тонкостенных профилей, многорядные болтовые фрикционные соединения, нахлесточные болтовые соединения.

Tarasov A.V.¹, Tarasov I.V.¹, Petukhova I.Y.¹

¹ PhD in Engineering, Civil Engineering Institute of Siberian Federal University, Krasnoyarsk

FRAME CONSTRUCTION WITH BEARING ELEMENTS OF A NEW TYPE OF GALVANIZED STEEL

Abstract

The offered constructive decision makes possible to increase bearing ability of node point of a girder and a column, made of cold formed thin zinced steel and as to raise level of factory readiness of frames.

Keywords: node point of the thin-walled zinced profiles, multiple-strand frictional bolt assembly, lap-bolted joint.

В начале XXI века прогрессивно развивается направление строительства с применением лёгких стальных тонкостенных оцинкованных профилей (ЛСТК). Область применения ЛСТК: несущие и ограждающие конструкции объектов промышленного и гражданского назначения.

Наиболее используемая конструктивная схема зданий из ЛСТК – каркасная. Известны элементы ригелей (балки или элементы фермы) [1], [2] и др., которые решены в виде составных двутавров из двух С-образных и ∑-образных профилей (Рис.1, а, б). Известно также составное коробчатое сечение (Рис.1, в).

В данной работе для образования несущих элементов рамы каркаса здания предлагается использовать ∑-профили толщиной 1,5 мм. Расчеты показали, что такой тип профилей обладает большей устойчивостью стенок по сравнению с распространёнными С-образными профилями. Наличие продольных гофров позволяет увеличивать высоту стенки, обеспечивая местную устойчивость. Повышение несущей способности элемента, в свою очередь, создаёт предпосылки для увеличения шага рам.

                        а)                                                                   б)                                                            в)

Рис.1 – Варианты составного поперечного сечения несущих элементов двускатной рамы каркаса здания. а – составной двутавр из двух С-образных профилей; б - составной двутавр из двух ∑-образных профилей; в – коробчатое сечение из двух ∑-образных профилей

Критическим фактором для сжатых или сжато-изгибаемых ∑- и С-образных профилей (Рис.1, а, б)  является местная потеря устойчивости полок. Полки двутавра, имеющие закрепление по одной грани (стенке балки) в большей степени подвержены местной потере устойчивости в процессе эксплуатации, а так же деформациям при транспортировке и монтаже, по сравнению с коробчатым сечением, образованным из тех же профилей (Рис.1, в).

В экспериментально-теоретических исследованиях предпочтение отдано раме каркаса здания с несущими элементами, имеющими замкнутое бикоробчатое сечение (Рис.2, в).

                    а)                                                                   б)                                                           в)

Рис. 2 – Формообразование бикоробчатого сечения несущих элементов рамы. а – форма ∑-профилей; б – профили, перевернутые (указано стрелками) для образования бикоробчатого сечения; в – бикоробчатое сечение несущих элементов рамы.

Формообразование элементов производится следующим образом. Профили (Риc.2, а) содержат две полки разной ширины (B₁, B₂) с перпендикулярными отгибами, направленными навстречу друг к другу, при этом:

B₁=B₂-2·t                              (1)

где B₁ – ширина меньшей полки; B₂ – ширина большей полки; t–толщина металла профиля.

Для образования бикоробчатого сечения, профили повернуты друг к другу внутренними поверхностями (Рис.2,б) так, что бы бóльшие полки профилей B₂ охватывали снаружи сопрягаемые меньшие полки B₁ (Рис.2,в).

Уступы в средней части стенки профилей (гофры) выполнены такой глубины V (Рис.2, а), что в составном сечении совмещены и могут быть скреплены при помощи метизов.

                                 (2)

где V – глубина гофра.

В данной работе для изготовления несущих элементов экспериментальной конструкции приняты следующие параметры сечения ∑-профилей: B₁= 98 мм; B₂=101 мм; h₁= h₂=95 мм; h₃=85 мм; H=375 мм; t=1,5 мм. Равенство участков h₁ и h₂ не является обязательным условием, однако это позволяет использовать один типоразмер профилей для образования бикоробчатого сечения (Рис.2, б, в).

В элементах бикоробчатого сечения отсутствуют свободные свесы полок. В продольном направлении профилей полки имеют отгибы, через которые закрепляются к стенке противоположного профиля при помощи метизов. Таким образом, по отношению к тавровым сечениям преимуществом выбранного сечения является бóльшая несущая способность по условию потери устойчивости полок, а также большая устойчивость к изгибно-крутильным деформациям. В сравнении с коробчатым сечением, представленном на рисунке 1в, преимущество заключается в объединении стенок профилей, что повышает их устойчивость. Кроме того, форма профилей позволяет использовать один типоразмер профилей и не требует обязательного их скрепления в составе коробчатого сечения.

Экспериментальные исследования были выполнены для двускатной поперечной рамы каркаса здания пролётом 12 м, высотой 4,5 м (Рис.3).

Рис.3. Экспериментальная рама пролётом 12 м

На сегодняшний день рамные конструкции из ЛСТК зачастую выполняют с затяжками. Одной из целей являлось создание рамы без использования затяжки, которая значительно уменьшает полезный объем здания и требует создания сложных карнизных узлов.

Для обеспечения необходимых характеристик узлов сопряжений были выполнены экспериментально-теоретические исследования болтовых соединений. В ходе исследований были учтены особенности работы многоболтовых фрикционных соединений тонкостенных элементов и определены оптимальные параметры их применения в узлах рамной конструкции.

Некоторая сложность заключается в том, что длина холодногнутых элементов ограничена и составляет, в среднем, 3 м. Существующее оборудование не позволяет изготовить холоднокатанные профили с такой точностью, которая требуется для образования составного бикоробчатого сечения.

Рис.4. Ригель пролётом 6 м в разобранном виде

Поэтому формообразование длинноразмерного элемента производится путём нахлёсточного соединения холодногнутых профилей с предварительным их взаимным смещением (Рис.4). В таком варианте в ригеле отсутствуют сквозные стыки и каждом соединении один из профилей цельный.

По результатам испытаний было установлено, что несущая способность рамы каркаса здания пролётом 12 м составила 7560 кг, что соответствует 210 кг/м² для здания с шагом поперечных рам 3 м.

В численных исследованиях выявлено, что при использовании цельных по длине ригелей несущая способность увеличивается до 11800 кг, что соответствует 316 кг/м² для здания пролётом 12 м и шагом поперечных рам каркаса 3 м. Увеличение пролёта конструкции возможно за счет варьирования конфигурации сечения (изменение толщины используемого металла, ширины и высоты профиля в целом или его отдельных участков).

Таким образом, предложенные решения позволяют эффективно применять технологию ЛСТК для строительства промышленных и гражданских объектов, расположенных в I, II и III снеговых районах.

Литература

1. Семко, В. А.. Анализ конструктивных мер для повышения надежности покрытий из легких стальных тонкостенных профилей [Текст]/ В. А. Семко, Д.А. Прохоренко // СтройМеталл. – 2011. - №5. – С. 18-23.
2. Серия 1.420.3-39.08 Каркасы стальные «УНИТЭКС-Р1» одноэтажных производственных зданий с применением рам из гнутых (В том числе оцинкованных) профилей, 2008.

 

References

1. Semko, V. A. Analysis of structural measures to improve the reliability of the roofs of light steel thin-walled profiles/ V.A. Semko, D.A. Prokhorenko // StroyMetall. – 2011. - №5. – p. 18-23.
2. Series 1.420.3-39.08 Steel frames "UNITEKS-R1" single-storey industrial buildings with the use of bent (including galvanized) profiles, 2008.