Раціональні металеві конструкції виробничих будівель з використанням перфорованих двотаврів змінної жорсткості та одинарних профілів

Аналізуючи вищесказане, враховуючи результати експериментальних досліджень та рівень максимальних напружень на рівні (0, 7…0, 8) Ry, можна зробити висновок, що при N=1, 25•105 стомлена міцність балок з перфорованих двотаврів забезпечена.

Одним з найбільш відповідальних та працеємних видів стальних конструкцій є покриття виробничих будівель. Зокрема, запропоновані геометричні схеми шпренгельних ферм з ламаним верхнім поясом, одна з яких наведена на рис. 3. Місця прикладання зовнішніх сил до верхнього поясу співпадають з місцями злому, які чергуються з місцями обпирання стояків. Додаткова затяжка та V-подібний стояк дозволяють перерозподілити зусилля в елементах ферми, в результаті чого в жорсткому верхньому поясі виникають мінімальні згинаючі моменти та поперечні сили.

 

Рис. 3. Геометрична схема шпренгельної ферми з ламаним верхнім поясом

 

Ефективність даних ферм досягнута при використанні наступних інженерних прийомів: зменшення кількості основних елементів ферми за рахунок концентрації матеріалу в жорсткому ламаному верхньому поясі, злами в якому замінюють функції стояків решітки; приведення до мінімуму кількості стиснутих елементів решітки, при цьому їх довжина значно менша за довжину розтягнутих елементів ферм; наближення обрису поясів ферми до форми квадратичної параболи, що забезпечує рівнонапружений стан в поясах ферми; використання автоматичної плазмової різки, що дозволяє виготовити тавровий елемент верхнього поясу з вихідного двотавра з одночасним виготовленням деталей опорних вузлів; таврові та кутикові профілі, які вибрані для виготовлення стержнів ферми, завдяки наявності прямолінійних поверхонь дозволяють виготовити безфасонкові з’єднання елементів конструкцій; використання одинарних кутиків для нижнього поясу та стержнів решітки, а також безфасонкове з’єднання у вузлах ферми, дають можливість збирати та зварювати конструкцію без кантовки.

Конструктивною особливістю запропонованих ферм з ламаним жорстким верхнім поясом є різна розрахункова довжина стиснутого стержня верхнього поясу в площині та з площини ферми. Для рішення задачі створення рівностійкого стержня таврового перерізу введений коефіцієнт k, який обчислюється за формулою k=ix/iy, де ix та iy – радіуси інерції перерізу відповідно в площині та з площини ферми, а також додаткові геометричні параметри a1=b/h та a2=t/s, де b – ширина полиці тавра, h – висота тавра, t – товщина полиці тавра, s – товщина стінки тавра. З врахуванням того, що lef, y=k lef, x, де lef, y та lef, x – розрахункові довжини стиснутого стержня верхнього поясу відповідно з площини та в площині ферми, отримане рівняння рівностійкості стиснутого таврового стержня

a14a22 + (a13 – 4a1k2) a2 – k2 = 0. (1)

Відповідно до рівняння (1) з використанням графіка залежності a1=f (a2) для різних величин k незалежно від площі перерізу тавра доведено перевагу таврових перерізів, отриманих розрізкою балкових двотаврів за запропонованою схемою, порівняно з тавровими перерізами, отриманими розрізкою двотаврів з широкими полицями.

За прольотів будівель 18 та 24 м доведена ефективність використання малоелементних ферм покриття з верхнім поясом у вигляді перфорованого двотавра змінної жорсткості. Використання принципу концентрації матеріалу в найбільш навантажених і відповідальних елементах конструкції, якими є верхні пояси ферм, можливо за рахунок зведення до мінімуму кількості елементів решітки та деталей. В найбільшій мірі цьому сприяє використання вихідної системи у вигляді статично визначеної шпренгельної системи, яка складається з двосхилого верхнього поясу, ламаного нижнього поясу та двох стояків, що з’єднують пояси. Враховуючи те, що в таких комбінованих системах вага верхнього поясу складає основну долю в загальній вазі конструкції, то зменшення металомісткості конструкції в цілому залежить, в основному, від зменшення ваги верхнього поясу. Цим і пояснюється особлива увага до його ефективного конструктивного рішення.

З точки зору статики така система ефективна тим, що дозволяє легко регулювати розподіл внутрішніх зусиль у верхньому поясі за рахунок зміни висоти стояків. Характерно, що діапазон зміни поздовжнього зусилля N по довжині верхнього поясу незначний, практично його можна вважати постійним. Навіть при деякій зміні висоти стояків значення N і Q мають незначні зміни, а згинаючий момент М суттєво змінюється вздовж поясу. Епюра моментів має постійний характер з екстремальними значеннями в точках прикладання зосереджених сил і нульовими значеннями в опорних та коньковому вузлах.

Величина екстремальних значень М різко змінюється при зміні висоти стояків. А тому основна задача зводиться до оптимального розподілу саме згинаючих моментів за рахунок зміни висоти стояків.

Робота верхнього поясу на стиск зі згином викликає необхідність виконувати його з елементів, які мають значну згинальну жорсткість. Це прокатні двотаври, гнуто зварні профілі, ефективні перфоровані двотаври постійної та змінної висоти (рис. 4).

При використанні профілів постійного перерізу верхній пояс має постійну жорсткість, і розподілення згинаючих моментів по довжині поясу полягає у вирівнюванні екстремальних значень моментів і отриманні рівномоментного верхнього поясу (рис. 5, схема1), при цьому значення моментів М1 та М2 є найменшими з усіх можливих екстремальних значень.

 

Рис. 4. Схема утворення перфорованого трапецеподібного елемента двотаврового перерізу

 

Рис. 5. Можливий розподіл згинаючих моментів та згинальної жорсткості у верхньому поясі малоелементної ферми

 

При використанні перфорованих двотаврів змінної висоти (див. рис. 4) можливі дві схеми зміни жорсткості вздовж верхнього поясу. За схемою 2 (рис. 5) жорсткість верхнього поясу змінюється за рахунок з’єднання між собою восьми трапецеподібних елементів перфорованого двотавра, при цьому найбільш розвинутий переріз знаходиться в місцях пролітних екстремальних моментів М1. Зменшенням висоти стояків можна досягнути таке розподілення згинаючих моментів вздовж поясу, коли їх значення будуть змінюватись пропорційно зміні геометричних характеристик перерізів поясу. Таке рішення найбільш відповідає брусу рівного опору. За схемою 3 (рис. 5) жорсткість поясу змінюється за рахунок з’єднання між собою чотирьох трапецеподібних перфорованих елементів, при цьому найбільш розвинутий переріз знаходиться в місці примикання стояків. Згинаючі моменти розподіляються пропорційно геометричним характеристикам поясу.

Залежність зміни значень згинаючих моментів М1 та М2 від висоти стояків наведена на графіку (рис. 6). Перетин двох кривих дає рівномоментну схему.

 

Рис. 6. Графіки залежностей екстремальних значень згинаючих моментів від висоти стояка

 

При переході від рівномоментної схеми до інших наведених схем розподілу моменту за відповідних схем зміни жорсткості приріст геометричних характеристик перерізів відбувається швидше, ніж приріст значень згинаючих моментів, особливо це стосується максимально розвинутих перерізів. Це дає можливість у схемах 2 та 3 застосувати менший номер вихідного двотавра, ніж у схемі 1. За рахунок цього досягається зменшення металомісткості верхнього поясу і ферми в цілому.