CALCULATION AND OPTIMAL DESIGN OF STEEL TRUSS STRUCTURES

Research article
DOI:
https://doi.org/10.60797/IRJ.2024.143.106
Issue: № 5 (143), 2024
Suggested:
10.04.2024
Accepted:
13.05.2024
Published:
17.05.2024
181
4
XML
PDF

Abstract

The review of scientific works on research of steel truss structures is presented; advantages, disadvantages of different profiles of truss rods are identified. Calculation of forces in lattice elements for five profiles of curved truss for constant, snow and wind loads is presented, and their comparative characterization is given; it is shown that the most optimal profiles for curved trusses are tubular and oval cross-sections. At the same time, a significant influence of the wind load on the forces and displacements in the bars of the truss structure is shown. It is found that the displacements of truss elements from dynamic load are significantly greater than from the static component of wind load. Therefore, when building in areas with high wind loads, special attention should be paid to the dynamic (pulsation) effect of wind load.

The calculation and analysis carried out can be used in the design of trusses of complex outline in civil buildings and special constructions.

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
.

В данной статье рассмотрен расчет усилий и перемещений в элементах криволинейной фермы и выполнен анализ влияния типа профилей на ее несущую способность при следующих исходных данных: пролет фермы L=37м; высота изогнутой части сооружения на максимальной отметке Н=15м; расстояние между поясами по длине фермы переменное. Ветровой район – III, снеговой район – II. Расчет велся в соответствии со Сводами правил: СП 20.13330.2016, СП 16.13330.2017.
К расчету фермы криволинейного очертания

Рисунок 1 - К расчету фермы криволинейного очертания

Расчет криволинейно фермы велся на постоянную, снеговую и ветровую нагрузки в программном комплексе Лира, где лежит метод конечных элементов, реализованный в форме перемещений. Выбор именно этой формы объясняется простотой ее алгоритмизации и физической интерпретации. Причем, в программном комплексе динамическая (пульсационная) составляющая ветровой нагрузки создается автоматически при введении параметров ветровой нагрузки. На рис. 1 показано: фрагмент усилий в изогнутой ферме и элементы, выбранные для анализа: 22, 23 – верхний пояс, 4 – нижний пояс, 56, 57 – раскосы, 55, 56 – стойки.

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.

Анализируя полученные результаты (рис.2) можно сделать вывод, что по усилиям N наиболее оптимальным для поясов ферменной конструкции является трубчатое сечение. При сравнении данных расчета в исследуемом поясе для двух спаренных уголков и трубчатом профиле при постоянной нагрузке процент расхождения составляет: по усилиям N – 0,97%; по моментам M– 18,75%; по поперечным силам Q– 6,07%.
Гистограммы усилий в верхнем поясе: 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

Следует отметить, что существенный разброс по всем исследуемым профилям наблюдается по поперечным усилиям Qz. При действии постоянной нагрузки и снеговой нагрузки по первому варианту лидирует трубчатое сечение – оно является оптимальным. В то же время при снеговой нагрузке по второму варианту и воздействии ветровой нагрузки (по двум вариантам) явно преимущество имеет овальное поперечное сечение.

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.

На рис. 3 показана мозаика перемещений при действии ветровой нагрузки по двум вариантам: статическая и пульсационная (динамическая) нагрузка, а также отмечены максимальные и минимальные значения перемещений элементов криволинейной фермы.
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

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

Анализ мозаик перемещений фермы трубчатого поперечного сечения по разным направлениям (рис.3 и рис.4) показал:

- 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);

- замечено, что при второй ветровой нагрузке перемещения заметно увеличились, то есть динамика (пульсация) играет существенную роль. Так, при сравнении максимальных значений перемещений при статике и динамике: по Х разница составляет: 3,42 раз: по Z – 2,74 раз; по UY – 3,85раз.
Изменение перемещений трубчатой фермы от ветрового воздействия по Х и Z: 1 – статическая нагрузка; 2 – динамическая нагрузка

Рисунок 4 - Изменение перемещений трубчатой фермы от ветрового воздействия по Х и Z:

1 – статическая нагрузка; 2 – динамическая нагрузка

Таким образом, перемещения по всем направлениям при пульсации (2-й вариант ветровых воздействий) увеличивается в среднем более, чем три раза.

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.

Article metrics

Views:181
Downloads:4
Views
Total:
Views:181