РАСЧЕТ И ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАЛЬНЫХ ФЕРМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
РАСЧЕТ И ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАЛЬНЫХ ФЕРМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Аннотация
Приведен обзор научных работ по исследованию стальных ферменных конструкций; выявлены достоинства, недостатки различных профилей стержней фермы. Представлен расчет усилий в элементах решетки для пяти профилей изогнутой фермы на постоянные, снеговые и ветровые нагрузки и дана сравнительная их характеристика; показано, что наиболее оптимальные профили для криволинейных ферм являются трубчатое и овальное поперечные сечения. При этом, показано значительное влияние величины ветровой нагрузки на усилия и перемещения в стержнях ферменной конструкции. Выявлено, что перемещения элементов фермы от динамической нагрузки существенно больше, чем от статической составляющей ветровой нагрузки. Поэтому при строительсте в районах с большими ветровыми нагрузками следует особо обратить на динамическое (пульсационное) воздействие ветровой нагрузки.
Проведенный расчет и анализ может быть использован при проектировании ферм сложного очертания в гражданских зданиях и специальных сооружениях.
1. Введение
Стальные фермы широко применяются в покрытиях промышленных и гражданских зданий, ангаров, вокзалов. Фермы могут быть изготовлены из различных профилей , , , , в зависимости от их назначения, агрессивной среды, действующих нагрузок, а также конфигурации и длины здания или сооружения.
Актуальность проводимого исследования заключается в том, что с увеличением пролетов зданий и появлением необычных по очертанию зданий и сооружений требуется проектирование облегченных конструкций покрытия. Как известно, с увеличением пролета масса ферм быстро увеличивается и при пролетах более 36 м она уже работает на собственный вес. В практике проектирования изыскиваются различные конструктивные формы и поперечные сечения, снижающие вес покрытия и одновременно придающие красоту, уникальность и необычность ферменного покрытия. Поэтому представленная тема является весьма актуальной, и ее изучение важно для развития большепролетных покрытий и создания оригинальных, красивых зданий и сооружений.
Вопросами конструктивных решений и узловых сопряжений ферменных конструкций при различных профилях стержней решетки, их оптимальным решением занимались многие исследователи. До недавнего времени легкие стальные фермы проектировались в основном из стержней с сечениями, составленными из двух уголков. Такие сечения имеют большой диапазон площадей, удобны для конструирования узлов на фасонках и прикрепления к фермам конструкций (балок, прогонов).
В фермах из круглых труб применяют чаще всего электросварные трубы. В таких фермах наиболее рациональны безфасоночные узлы с непосредственным примыканием стержней решетки к поясам, а для этого требуется фигурная резка концов стержней, которая выполняется на специальных машинах. Центрацию стержней производят, как правило, по геометрическим осям. Однако, в случаях неполного использования несущей способности поясной трубы допускается эксцентриситет не более 1/4 диаметра поясной трубы. Одним из основных достоинств сечения из круглых труб является − хорошая обтекаемость, благодаря чему, ветровое давление меньше, что особенно важно для высоких башенных сооружений.
Нашла широкое применение стальная прямоугольная труба. Для непосредственного примыкания раскосов к поясам с образованием бесфасоночных узлов прямоугольную трубу решетки в заданных по проекту местах подрезают по расчетному сечению и прикрепляют сварочным швом.
Кроме того, для решеток ферм можно использовать готовые прямоугольные трубы, что может привести к существенному положительному эффекту. В качестве заводских соединений решеток вполне применимы фермы из квадратных труб раскосы, которых соединены на ребро , которые проще размещать на участках поясов. При этом, уменьшается скопление влаги и промышленной пыли на поверхности стержней, обеспечивается легкая очистка и окраска при эксплуатации.
Существуют решения с возможностью применения решетки из зигзагообразных стержней . Стержни раскосов изогнутые под заданным углом прикреплены сплющенной частью к прямоугольным поясам. Можно осуществить в узле соединение нескольких стержней прямоугольного или ромбического поперечного сечения сплющенными частями. Для непосредственного примыкания к поясам с образованием бесфасоночных узлов трубу решетки в заданных по проекту местах сплющивают и двойными гибами придают ей зигзагообразное очертание. Сплющивание и двойные загибы профиля обеспечивают компоновку бесфасоночных узловых соединений без конструктивных эксцентриситетов, характерных для трубчатых ферм из прямоугольных (квадратных) гнутосварных профилей, что исключает появление изгибающих моментов и позитивно влияет на расход металла. При этом, имеются повышенные технико-экономические характеристики, так как материал в поперечном сечении элементов расположен весьма эффективным образом.
Аналогичным путем – сплющивание и двойные загибы профиля можно прикрепить раскосы к поясам различных типов поперечных сечений: ромбического, прямоугольного, чечевицеобразного , .
Интересные решения представлены в работе , где образование поперечного сечения осуществляется путем гнутья металлического листа. Авторы утверждают, что наименьшие деформации возникают при треугольном поперечном сечении. За ним идет круглое сечение, а затем пяти- и шестигранные сечения. Делается вывод, что для дальнейших исследований можно ограничить область геометрических форм многогранных сечений. Данные поперечные сечения рекомендуются для поясов ферм покрытий.
В статье были разработаны стандартные конструкции ферм покрытия с уклоном 10% для пролетов 24, 30, 36 метров для разных комбинаций нагрузок. Расчёт усилий и подбор сечений элементов ферм был произведён в программном комплексе SCAD Office. В работе анализируется применение криволинейной фермы общественного здания аэропорта имеющего необычную выразительную форму в плане хорошо вписывающейся в функционально-технологический процесс.
В статье приводится технико-экономическое сравнение результатов расчета для двух марок стали и проанализированы их особенности. Дано сравнение расхода стали и стоимости поясов криволинейных стропильных ферм по результатам которых показано, что использование в исследуемых конструкциях сталей повышенной прочности является менее металлоёмким и более экономичным решением.
Авторами статьи проведен краткий обзор различных типов ферменных конструкций, указаны достоинства, недостатки. Было выявлено, что криволинейная ферма обладает хорошей выразительностью, имеет необычное очертание , придающее красоту и уникальность зданию своей формой.
Целью данной работы является установление влияния различных профилей на усилия в стальной криволинейной ферме и выявление наиболее оптимального решения, а также особенностей воздействие статической и динамической ветровой нагрузки на перемещения изогнутой ферменной конструкции. Авторам не известны исследования по поставленной задаче.
Новизна полученных результатов состоит в установлении степени влияния типа профиля на усилия в элементах изогнутой фермы. При этом выявлено, что минимальные усилия возникают при профиле из трубы круглого или овального поперечного сечения при всех возможных нагрузках и воздействиях. Показано, что при динамической составляющей ветровой нагрузке перемещения элементов криволинейной ферменной конструкции больше чем в 1,5, чем при статической нагрузке.
2. Методы и принципы исследования
В практике проектирования при расчете стальных сооружений для широкого спектра очертаний широко применяются различные программные комплексы. Результаты расчета высотного сооружения в программе Scad приведены в статье . В статье выделены возможности программного комплекса STAR-CD для проведения исследований при воздействии ветрового потока. В работе приведены результаты исследования воздействия ветрового потока на высотное сооружение с помощью метода конечных элементов. Множество программных комплексов имеют свои достоинства и недостатки. В рассматриваемой работе применен известный и апробированный программный комплекс ЛИРА .
Рисунок 1 - К расчету фермы криволинейного очертания
3. Основные результаты
3.1. Влияния типа профилей на усилия в криволинейной ферме
Для оценки влияния типа профилей на несущую способность криволинейной фермы было принято пять вариантов выполнения стержней стальной криволинейной фермы (из различных профилей) с использованием расчета в программном комплексе Лира . Для исследования эффективности применения оптимального профиля был рассмотрен фрагмент фермы. Анализ проводился для 22 элемента верхнего пояса криволинейной фермы (рис. 1).
Результаты расчета усилий в поясе (элемент №22) представлен на рисунке 3, на котором указаны поперечные сечения:
1) два спаренных уголка;
2) круглая труба;
3) прямоугольная труба;
4) овальная труба;
5) ромбическая.
Рисунок 2 - Гистограммы усилий в верхнем поясе:
1 – два спаренных уголка; 2 – круглая труба; 3 – прямоугольная труба; 4 – овальная труба; 5 – ромбическая
Примечание: элемент №22
При сравнении данных расчета в исследуемом верхнем поясе для двух спаренных уголков и овальном профиле при ветровой нагрузке (первый вариант) процент расхождения составляет: по усилиям N – 0,23%; по моментам My – 19,58%; по поперечным силам Qz – 5,95%. Следует заметить, что по усилиям расхождения не большие.
Таким образом, проведенный расчет в программном комплексе Лира и анализ полученных результатов (по различным видам профилей, рисунок 3), показал, что для поясов ферменных конструкций по продольным усилиям N наиболее целесообразным (оптимальным) решением является применение профиля из круглых (вариант 2) и овальных труб.
3.2. Перемещения элементов криволинейной фермы
Для наиболее оптимального варианта профиля – фермы трубчатого поперечного сечения были исследованы перемещений ее элементов.
Рисунок 3 - Мозаика перемещений элементов фермы трубчатого поперечного сечения от воздействия ветровой нагрузки:
1 вариант: а, б – по Х; в – по Z; г – по UY; 2 вариант: д – по Х; е – по Z; ж – по UY
- при статической ветровой нагрузке максимальные перемещения возникают в направлении Х и составляют 24,95 мм, а в направлении Z максимальные перемещения составляют 18,54 мм. Разница составляет: 1,34 раз, то есть ведущие усилия по Х;
- при динамической нагрузке максимальные перемещения наблюдаются в направлении Х и составляют85,55 мм, в то же время как по Z они больше в полтора раза (1,69 раз);
Рисунок 4 - Изменение перемещений трубчатой фермы от ветрового воздействия по Х и Z:
1 – статическая нагрузка; 2 – динамическая нагрузка
Анализ разных поперечных сечений элементов ферменных конструкций показал существенное влияние различных профилей на несущую способность элементов фермы, то есть на значение усилий и перемещений. Выявлено, что наиболее оптимальный вариант – это проектирование элементов поясов криволинейной фермы уникальной формы из круглых труб либо овального поперечного сечения; показано, что для всех заданных профилей перемещения элементов фермы не превышают предельно допустимые.
4. Заключение
Строительство зданий с фермами уникальной формы требует особого внимания при выборе оптимального поперечного сечения и во многом зависит от сферы применения изогнутой ферменной конструкции. При строительстве в районах с большими ветровыми нагрузками следует обратить на воздействие динамической составляющей ветровой нагрузки, при которой перемещения элементов фермы увеличиваются более, чем 1,5 раза в сравнении со статической нагрузкой. При этом необходимо учитывать тот факт, что форма и размеры поперечного сечения могут влиять на процесс изготовления и монтажа конструкции, а также на бюджет и возможности производства.
Проведенный расчет и анализ может быть использован при проектировании ферм сложного очертания в гражданских и промышленных зданиях и специальных сооружениях.