CONSTRUCTIVE DECISIONS OF STEEL BEAMS MADE OF THIN-WALLED COLD-FORMED PROFILES

Abstract


The article considers the worked out optimal variant of a constructive design for a steel covering beam having a compound cross-section made of thin-walled cold-formed sections. Numerical studies have been carried out for various options of beams taking into account reduction of cross-section. Tests were made of the created an optimal variant of a beam in full size.


Развивающаяся экономика России и связанная с ней высокая конкуренция на строительном рынке требуют эффективных конструктивных решений строи- тельных конструкций, современных технологичных систем с наименьшей ресур- соемкостью. Один из путей решения указанной проблемы - разработка и ис- пользование плоских и пространственных элементов из холодногнутых стальных оцинкованных профилей толщиной от 0,7 до 2 мм.Зарубежный и отечественный опыт применения конструкций на их основе выявил ряд преимуществ перед традиционными из прокатных профилей: низкий расход металла, высокая коррозионная стойкость, возможность изготовления на строительной площадке, что в итоге позволяет снизить стоимость конструкций«в деле». В монографии [1] достаточно подробно описана область применения, классификация конструкций из тонкостенных оцинкованных профилей и при- ведены их отличительные особенности.Проектирование тонкостенных конструкций осуществляется двумя альтерна- тивными вариантами: численным (путь расчета) и экспериментальным (на ос- новании испытаний) [2]. Особенность расчета несущей способности элементов, связанная с их тонкостенностью, заключается в учете возможной местной по- тери устойчивости всех элементов тонкостенного профиля (редуцированные ха- рактеристики сечений взамен геометрических). Аналогичная методика расчета представлена в документах [3; 4].В данной работе реализован комплексный подход, включающий конструктив- ные проработки различных вариантов на основе численных исследований и ис- пытания в лабораторных условиях.Разработка стальной балки покрытия из тонкостенных гнутых тонкостенных профилей выполнена по заказу производителей. Конструктивное решение балки составного сечения: верхний и нижний пояса - U-образного вида; стенка - гну- тый лист с формой гофры в виде трапеции. В качестве исходных данных приня- ты: район строительства - г. Красноярск; ограждающие конструкции - сэндвич- панели. Расчетная схема - однопролетная шарнирно-опертая балка, загруженная равномерно распределенной нагрузкой. Предварительно пролет балок назначал- ся равным 6, 9 и 12 м с возможными вариантами ее шагов 3, 4,5 и 6 м.Для поиска оптимального варианта конструктивного решения балки были за- даны различные параметры поперечного сечения. Верхний и нижний пояса бал- ки представлены в виде U-образного гнутого профиля толщиной 1,5 и 2 мм, вы- сотой 180 мм и отгибом полки - 66 мм с учетом возможности соединения на самонарезающих винтах со стенкой и раскроя листа с минимальными отходами. Стенка толщиной 1,5 мм выполнена в виде трапециевидных гофров со следу- ющими размерами гофра: высота 176 мм, ширина 50 мм, длина наклонной сто- роны 220, 250 и 280 мм.По результатам численных исследований определены геометрические пара- метры сечения балки. Установлено, что несущая способность поясов обеспечи- вается при толщине 2 мм. Высота стенки балки определена из условия ее жест- кости: при пролете 6 м - 250 мм, при пролете 9 м - 420 мм и при пролете 12 м - 625 мм. Параметры гофров были приняты из условия их местной устойчивости и конструктивных требований к ним, которые удовлетворяются при длине наклон- ной стороны 220 и 250 мм (наиболее рациональный раскрой листа). Балка про- летом 12 м не удовлетворяет расчету по гибкости стенки. Крепление деталей между собой осуществляется с помощью самонарезающих винтов SD3-Т15-4,8х19 с учетом требований к их расстановке.а бРис. 1. Поперечные сечения элементов балки покрытия:а) полки; б) стенки[Cross-sections of the beam elements of covering:for the shelf; b) for the wall]На рисунке 1 приведены поперечные сечения элементов оптимального кон- структивного решения балки покрытия в результате численных исследований.В результате детального расчета получено, что проверка прочности с учетом эффективности сечений выполняется только для балки пролетом 6 м с шагом 3 м.При необходимости увеличения пролета балки до 9 м можно уменьшить шаг ба- лок до 1,2-1,5 м.Для определения эффективности конструктивного решения по критериям несущей способности и технологичности проведено испытание балки пролетом 6 м (рис. 2).Рис. 2. Общий вид экспериментальной балки [General view of the the experimental beam]абРис. 3. Общий вид экспериментальной установки (а) и ее схема (б) [General view of the experimental model (a) and its scheme (b)]Цель эксперимента - изучение работы тонкостенной балки из гнутых оцин- кованных профилей. Для этого были поставлены следующие задачи: оценка жест- кости балки и потери местной устойчивости ее элементов; анализ совместнойработы U-образный поясов со стенкой, выполненной в виде гофр трапециевид- ной формы, сопоставление численных и экспериментальных исследований. Об- щий вид и принципиальная схема экспериментальной установки показаны на рис. 3, а. Загружение модели проводилось в виде распределенной нагрузки. Для определения прогиба балки по ее длине установлены 5 прогибомеров (рис. 3, б).Нагружение балки выполнялось в несколько этапов. На первом этапе произ- ведена обкатка конструкции с целью устранения люфтов. Далее нагрузка пода- валась ступенями по 230 кг (вначале с концов балки одновременно с двух сторон, затем на среднюю часть) с выдерживанием по 15 мин. после каждого приращения нагрузки до наступления предельного состояния.График зависимости «прогиб-нагрузка» экспериментальной балки представ- лены на рис. 4. Сопоставление экспериментальных данных с результатами тео- ретических расчетов приведены в таблице.Рис. 4. График зависимости «прогиб-нагрузка» экспериментальной балки [Graph of “load and deflection” for the experimental beam]Сравнение экспериментальных и расчетных данных по прогибам балки [comparison of experimental and calculated data on beam deflections]ТаблицаРасстояние от опоры до точки измерения прогибаЗначения прогибов, ммпо аналитическому расчетупо экспериментальным даннымрасхождение, %Прогиб при нормативной нагрузке 4,89 кН/м1,325 м7,348,210,52,65 м16,918,27,143,0 м19,121,29,9Прогиб при максимальной нагрузке 6,78 кН/м1,325 м10,211,39,732,65 м23,424,64,883,0 м26,527,84,68Выводы. Разработано конструктивное решение стальной балки покрытия из гнутых тонкостенных профилей. На основе численных исследований с учетом редуцирования поперечного сечения подобран оптимальный вариант, который был принят для проведения натурных испытаний в лабораторных условиях.В результате численных исследований рассмотренных выше конструктивных решений стальных балок пролетом 6 м с шагом 3 м установлено, что они работо- способны, обладают достаточной прочностью и жесткостью и могут выполнять функции несущих конструкций покрытия.Прогиб балки, вычисленный аналитическим путем при нормативной нагруз- ке 4,89 кН/м, составил 19,1 мм, а по результатам испытаний - 21,2 мм. Расхож- дение составляет 9,9%.При сопоставлении численных и экспериментальных значений прогиба бал- ки расхождения составляют 4,68-10,5%.Разрушение (предельное состояние) балки наступило в результате потери мест- ной устойчивости верхней полки в середине ее пролета, что говорит о необходи- мости учета особенности работы тонкостенных конструкций, с учетом редуци- рования сечения.Экспериментальные исследования доказали, что совместная работа U-образных поясов со стенкой, выполненной в виде гофр трапециевидной формы, обеспече- на при условии качественного выполнения соединения деталей между собой.© Фроловская А.В., Шамбина С.Л., Петрова Ю.М., 2017

Alexandra V Frolovskaya

Siberian Federal University

Author for correspondence.
Email: Tereshkova81@mail.ru
Svobodny pr., 79, Krasnoyarsk, Russia, 660041

PhD (in Technical Sciences), Associate Professor of Departament “Building structures and managed systems”

Svetlana L Shambina

Engineering Academy Peoples’ Friendship University of Russia

Email: shambina_sl@mail.ru
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

PhD (in Technical Sciences), Associate Professor of Department of Architecture and Construction

Julia M Petrova

Siberian Federal University

Email: yevtifeva@mail.ru
Svobodny pr., 79, Krasnoyarsk, Russia, 660041

graduate student of the Department “Building structures and managed systems”

  • Endzhievsky L.V, Krylov I.I., Kretinin A.N., Tereshkova A.V. Ograzhdaiushchie i nesushchie stroitelnye konstruktcii iz stalnykh tonkostennykh profilei: monografiia. Krasnoiarsk: Sibirskii federalnyi universitet, 2010. 281 p.
  • Frolovskaya A.V., Petrova Iu.M., Khimchenko N.N. Issledovanie nesushcheii sposobnosti elementov stropilnoi fermy iz tonkostennykh otcinkovannykh profilei. Molodaya mysl: nayka, tekhnologii, innovatcii: materialy VIII (XIV) Vserossiiskoi nauchno­tekhnicheskoi konferentcii. Bratsk: Izd­vo BrGU, 2016. Pp. 35—39.
  • EN 1993­1­3:2006. Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1­3: General rules. Supplementary rules for coldformed members and sheeting. Brussels: CEN, 2006. 134 p.
  • AISI S100­2007. North American Specification for the Design of Cold­Formed Steel Structural Members. Washington: American Iron and Steel Institute, 2007. 198 p.

Views

Abstract - 646

PDF (Russian) - 482

PlumX


Copyright (c) 2017 Frolovskaya A.V., Shambina S.L., Petrova J.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.