Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор разработок стальных тонкостенных балок, основных типов гнутых профилей 11
1.1. Введение 11
1.2. Эффективные типы тонкостенных балок 13
1.3. Гнутые профили и их особенности 20
1.4. Цель и задачи исследования 24
Глава 2. Поисковые экспериментальные исследования тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей 25
2.1. Введение 25
2.2. Описание методики испытания и экспериментальных моделей 28
2.3. Выводы по главе 42
Глава 3. Особенности работы соединений гнутых оцинкованных элементов 44
3.1. Задачи исследований работы тонкостенных оцинкованных элементов 44
3.2. Описание моделей соединений 46
3.3. Методика проведения экспериментальных исследований соединений 48
3.4. Результаты испытания соединений на самонарезающих винтах 51
3.5. Результаты испытания болтовых соединений, работающие на смятие тонкого металла 55
3.6. Результаты испытания соединений на ботах с предварительным натяжением 56
3.7. Рекомендации по расчету и применению соединений тонкостенных оцинкованных элементов на болтах с предварительным натяжением 57
3.8. Технико-экономические показатели применения различных типов соединений 59
3.9. Выводы по главе 60
Глава 4. Численные исследования напряженно-деформированного со стояния балок из холодногнутых профилей 61
4.1. Цель и задачи численных исследований 61
4.2. Методика проведения численных исследований 62
4.3. Результаты численных исследований моделей балок 64
4.4. Оптимизация конструктивного решения балок 67
4.5. Результаты численных исследований 70
Глава 5. Экспериментальное исследование тонкостенной балки из гнутых оцинкованных профилей пролетом 9 м 72
5.1. Введение 72
5.2. Цель исследования и задачи эксперимента 73
5.3. Описание испытываемой балки 73
5.4. Методика проведения испытания 80
5.5. Результаты испытаний 83
5.6. Анализ результатов испытаний 88
Глава 6. Рекомендации по проектированию и изготовлению тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей 91
6.1. Область применения тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей 91
6.2. Выбор конструктивной формы и назначение генеральных размеров тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей 92
6.2.1. Компоновка покрытия здания с использованием тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей 92
6.2.2. Оптимизация балок 93
6.2.3. Выбор типоразмеров применяемых профилей 98
6.3. Инженерная методика расчета тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей 99
6.3.1. Назначение высоты сечения балок 99
6.3.2. Проверочные расчеты тонкостенных балок 100
6.4. Рекомендации по изготовлению тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей 106
6.5. Определение технико-экономических показателей балок 113
6.6. Опытное внедрение конструкций 115
Основные результаты и выводы 120
Список используемой литературы
- Эффективные типы тонкостенных балок
- Методика проведения экспериментальных исследований соединений
- Результаты численных исследований моделей балок
- Выбор конструктивной формы и назначение генеральных размеров тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей
Введение к работе
Развивающаяся экономика России и связанная с ней высокая конкуренция на строительном рынке требуют эффективных конструктивных решений строительных конструкций. Необходимы технологичные современные системы с наименьшей ресурсоемкостью.
Металлические конструкции, в частности, легкие несущие стальные конструкции пролетами до 24 м, пользуются повышенным спросом в связи с развитием в нашей стране производственных предприятий, сельского хозяйства и других отраслей. Возрастает потребность в складских помещениях, торговых, спортивных зданиях. Одним из направлений повышения эффективности металлических конструкций зданий для таких отраслей является применение холодногнутых профилей, в особенности, оцинкованных с толщинами до 3 мм. Зарубежный и отечественный опыт применения конструкций на их основе выявил в них ряд преимуществ перед традиционными конструкциями из прокатных профилей: низкий расход металла, высокая коррозионная стойкость, возможность изготовления на строительной площадке, что в итоге позволяет снизить стоимость конструкций «в деле».
Идея объединения в одну несущую конструкцию таких распространенных оцинкованных холодногнутых профилей, как С-образные профили и профилированный лист, потенциально, позволит снизить затраты на материалы, изготовление, транспортировку и монтаж. Действительные технико-экономические характеристики таких конструкций будут выявлены после их разработки, исследования и апробации.
Цель работы - разработка и экспериментально-теоретическое исследование новой конструктивной формы стальных тонкостенных балок, состоящих из С-образных холодногнутых оцинкованных профилей в составе поясов и гофрированных стенок из оцинкованного профилированного листа.
Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи:
1. Выполнить поиск наиболее эффективного конструктивного решения балок, состоящих из холодногнутьтх оцинкованных С-образных профилей в составе поясов и гофрированных стенок в виде оцинкованного профилированного листа, выявить особенности напряженно-деформированного состояния таких балок;
2. Исследовать возможные конструктивные решения и типы соединений гнутых оцинкованных элементов толщиной до 2 мм, выполнить их сравнительный анализ с целью применения в разрабатываемых балках;
3. Выполнить экспериментальное исследование балки покрытия, состоящей из гнутых оцинкованных элементов: С-образных профилей в составе поясов коробчатого сечения и гофрированной стенки из профилированного листа, выявить особенности её работы и критерии перехода в предельное состояние. Произвести сопоставление теоретических данных с результатами эксперимента;
4. Выполнить оптимизацию разрабатываемых балок, предоставить рекомендации по их проектированию, изготовлению и монтажу.
Научная новизна работы:
1. Новая конструктивная форма - тонкостенные балки из гнутых оцинкованных элементов: С-образных профилей в составе поясов коробчатого сечения и гофрированных стенок из профилированного листа с несущими соединениями на преднапряженных болтах;
2. Результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей: С-образных профилей и профилированного листа. Особенности напряженно-деформированного состояния таких конструкций.
3. Особенности работы на сдвиг соединений оцинкованных элементов толщиной 0,7-2 мм на самонарезающих винтах диаметрами 5,5 и 6,3 мм,
болтах нормальной точности и на высокопрочных болтах с предварительным натяжением М8, Ml0, Ml2, результаты их сравнительного анализа. На защиту выносятся:
1. Конструктивное решение тонкостенных балок из холодногнутых оцинкованных профилей: составных поясов коробчатого сечения и гофрированных стенок;
2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния стальных балок, состоящих из Сообразных холодногнутых оцинкованных профилей в составе поясов и гофрированных стенок из оцинкованного профилированного листа;
3. Результаты испытаний на сдвиг соединений оцинкованных элементов толщиной 0,7-2 мм на самонарезающих винтах диаметрами 5,5 и 6,3 мм, болтах М8, Ml 0, М12 нормальной точности и на высокопрочных с предварительным натяжением;
4. Инженерная методика расчета и рекомендации по применению тонкостенных балок из холодногнутых оцинкованных профилей: составных поясов коробчатого сечения и гофрированных стенок.
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка задачи, изготовление экспериментальных балок и соединений, разработка методики и проведение экспериментальных исследований, фактическая расстановка измерительных приборов, разработка методики и проведение численных исследований балок, обработка результатов и формулировка основных положений, определяющих научную новизну.
Практическая значимость работы. Результаты и рекомендации выполненной работы позволяют проектировать эффективные конструкции покрытий зданий различных отраслей народного хозяйства, могут быть использованы для дальнейшего совершенствования конструктивных форм и методик расчета металлических конструкций.
Результаты исследований используются в спецкурсах по кафедре металлических и деревянных конструкций НГАСУ (Сибстрин) для студентов старших курсов и аспирантов, а также при переподготовке инженеров-строителей на факультете повышения квалификации. Получено два патента РФ на полезную модель. По результатам диссертационной работы выполнено внедрение Новосибирским ЗАО Научно-технический центр "ЭРКОН-Сиб".
Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием основных положений теории тонкостенных стержней и пластин, сопоставительным анализом результатов теоретических исследований с результатами экспериментов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на научно-практических конференциях Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Новосибирск, 2004-2008 гг), на региональной научно-технической конференции Красноярского государственного архитектурно-строительного университета (Красноярск, 2006 г), на международных научно-практических конференциях в Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете (Санкт Петербург, 2007 г), в Ростовском государственном архитектурно-строительном университете (Ростов-на-Дону, 2007 г), в Сибирском государственном университете путей сообщения (Новосибирск, 2007
г) В полном объеме диссертационная работа докладывалась на расширенном научном семинаре кафедры металлических и деревянных конструкций Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (г. Новосибирск, 2008 г), на расширенном заседании кафедры строительных конструкций СФУ (г. Красноярск, 2008 г).
Публикации, По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемом журнале из перечня ВАК и описания двух патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка (119 источников) и 5 приложений общим объемом 140 страниц, в том числе 76 рисунка, 6 таблиц.
Во введении обосновывается актуальность темы и приводится общая характеристика работы.
В первой главе рассмотрены основополагающие принципы создания легких металлических конструкций, дан обзор теоретических и экспериментальных исследований стальных тонкостенных балок, отмечены их достоинства и недостатки; рассмотрены виды гнутых профилей и их особенности; сформулированы цель и задачи диссертации.
Во второй главе представлены результаты поисковых экспериментальных исследований конструктивных решений тонкостенных балок с поясами из гнутых С-образных профилей и стенки из профилированного листа.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований соединений тонколистовых оцинкованных элементов на самонарезающих винтах, болтах нормальной точности и на высокопрочных болтах с предварительным натяжением.
В четвертой главе представлены результаты теоретических исследований напряженно-деформированного состояния стальных балок из холод-ногнутых оцинкованных профилей
В пятой главе представлены методика и результаты испытания балки пролетом 9 м.
В шестой главе рассмотрены вопросы оптимизации разрабатываемых балок, проанализированы возможные технологии изготовления, выполнен анализ экономической эффективности, даны практические рекомендации по расчету и конструированию тонкостенных балок из гнутых профилей, описано опытное внедрение конструкций.
В основных результатах и выводах приведены основные выводы по результатам проведенных исследований.
Эффективные типы тонкостенных балок
Если под тонкостенными понимать балки, гибкость стенки которых более 200, то под такое определение попадают следующие наиболее эффективные типы стальных балок: балки с гибкой стенкой, балки с гофрированной стенкой, балки-фермы. Общие принципы создания таких конструкций -это концентрация металла в поясах и максимальное уменьшение толщины стенки, за счет чего достигается минимизация расхода металла. Балки с гибкой стенкой
Многочисленные исследования металлических балок показали, что если стенка балки теряет местную устойчивость, несущая способность балки не исчерпывается. Образующиеся при этом так называемые "хлопуны" устраняются после снятия нагрузки, если стенка работает упруго. Гибкость стенки в таких балках (соотношение высоты к толщине) принимается в пределах 300-600, даже до 1000 [21], вместо 80-150 в обычных составных балках. Удельная часть металла, приходящаяся на стенку, уменьшается с 45-55% до 23-25% [82, 83], материал концентрируется в поясах, где эффективность его использования существенно выше, чем в стенке.
При работе под нагрузкой в закритической для стенки стадии тонкостенные балки приближаются к работе ферм, где роль раскосов выполняет стенка, работающая в направлении растянутой диагонали, а функции стоек - вертикальные ребра жесткости и примыкающие к ним участки стенки. Критерии предельных состояний, отвечающие тому или иному физическому состоянию находящейся под воздействием расчетной нагрузки конструкции, рекомендуется принимать дифференцированно в зависимости от характера нагрузки и её воздействия на отсеки балки, а также от условий эксплуатации балки.
В балках с гибкой стенкой (гибкостью свыше 400) допускается потеря местной устойчивости стенки с образованием так называемых «хлопунов». Как показывают исследования И.И. Ааре, Н.П. Мельникова, В.В. Бирюлева и И.К. Погадаева, масса таких балок за счет использования закритической стадии работы стенки на 25-40% меньше обычных. Однако И.К. Погадае-вым не рекомендуется применение балок с гибкими стенками в случае, если значение временной нагрузки на балку более чем в 2 раза превышает значение постоянной, а также при приложении сосредоточенных сил к поясам вне ребер жесткости. Эти условия значительно снижают область применения таких балок. Балки с гофрированной стенкой
В обычных балках толщина стенки, требуемая по условиям прочности на срез, примерно в 2-4 раза меньше, чем по условиям обеспечения местной устойчивости [76]. Поперечные ребра жесткости, обеспечивающие местную устойчивость стенки, одновременно являются диафрагмами, повышающими крутильную жесткость балок. Стремление обеспечить эти требования при одновременном снижении расхода металла привело к идее гофрирования стенок (рис. 1.2), причем гофры могут быть нормальные и наклонные к поясам. Гибкость стенок повышается, отпадает необходимость в поперечных ребрах жесткости, за исключением опорных; как и в тонкостенных балках с плоской стенкой, снижается металлоемкость по сравнению с традиционными балками.
Исследования, проведенные в ЦЫИИПСК, позволили выявить ряд положительных свойств балок с вертикально гофрированной стенкой: возможность применения в них стенок с гибкостью до 600, высокая изгибно-крутильная жесткость, способность воспринимать значительные сосредоточенные нагрузки, и нагрузки, приложенные к сжатому поясу с эксцентриситетом в пределах высоты гофра, пригодность для автоматизированного изготовления на поточной линии.
Анализ исследований балок с вертикально гофрированными стенками показал, что в таких конструкциях определенно дифференцируется работа поясов и стенки. Стенка не воспринимает напряжений, направленных перпендикулярно гофрам и находится в условиях чистого сдвига, тогда как изгибающий момент полностью воспринимается поясами. Наличие вертикальных гофр дает возможность развить сечение балки в высоту и с наименьшими затратами материала получить жесткую конструкцию, причем конфигурация гофр в поперечном их сечении может быть не только волнистой, но и коробчатой.
На кафедре металлических конструкций ЛИСИ были исследованы тонкостенные балки, вертикальные гофры стенок которых имели прямоугольное, треугольное, синусоидальное и полукруглое очертания, а также с переменными размерами волн.
Некоторые трудности представляет неудобство крепления перпендикулярно или наклонно гофрированной стенки к поясам. Для упрощения технологии изготовления балок предлагалось формировать стенку прокаткой так, чтобы поперечные гофры переходили в плоский лист в местах крепления к поясам (рис. 1.3).
Теория расчета балок с гофрированной стенкой разрабатывалась в Алма-атинском отделении ІЩИИПСК Остриковым Г.М., Максимовым Ю.С. [76], где они получили достаточно широкое применение. Проводимые, наряду с теоретическими, экспериментальные исследования показали, что гофрированные стенки хорошо сопротивляются действию поперечных сил, при наклоне гофр последние работают на растяжение или сжатие в зависимости от направления наклона. Однако гофры почти не сопротивляются поперечным к ним воздействиям. Вот почему при изгибе балки нормальные напряжения в стенке у поясов быстро падают и их практически можно не учитывать в расчетах, считая, что изгибающие моменты воспринимаются только поясами.
Методика проведения экспериментальных исследований соединений
Для экспериментальных исследований были подготовлены модели соединений следующих типов: а) на самонарезающих винтах диаметром 5,5 и 6,3 мм (наиболее рас пространенных в практике строительства); б) на болтах М8, М10, М12 нормальной точности (работающих в со единении на смятие тонколистовых элементов); в) на болтах М8, М10, М12 класса прочности 8.8 с предварительным натяжением.
Модели включали в себя пластины с комбинациями толщин 0,7, 0,8, 1,5 и 2 мм из стали С245. Фактические характеристики стали, определенные путем механических испытаний стандартных образцов (рис. 3.1) по ГОСТ 1497-84, показаны в таблице 3.1. Механическая обработка пластин, образование отверстий выполнялись способами, исключающими изменение характеристик материала.
Общий вид экспериментальных моделей показан на рис. 3.2. С целью учета возможного неравномерного распределения усилий в двухболтовых соединениях, установленных вдоль и поперек усилия были выполнены со ответствующие модели (рис 3.2 б, в). Для оценки деформаций на моделях устанавливались индикаторы часового типа с точностью измерений 0,01 мм,
Испытательная установка Р-5
В качестве силовой установки для испытаний была использована электромеханическая разрывная машина Р-5. Модель зажималась по краям в испытательной установке, работающей на растяжение (рис. 3.3). Соединения работали на восприятие взаимного сдвига элементов. Нагрузка прикладывалась ступенями по 10 кг, после каждого нагружения осуществлялась выдержка до полной остановки приращения деформаций, после чего снимался отчет. Всего было выполнено по 5 испытаний моделей в различных комбинациях, с доведением в каждом случае до потери несущей способности
Обработка результатов экспериментального исследования производилась с использованием распределения Стьюдента, для чего определялись: 1. среднее значение по формуле: =-2Х (3-і) где п - количество испытаний; 2. оценка средней дисперсии (и-1) 3. среднеквадратическая ошибка среднего =+; (3.3) 4. коэффициент Стьюдента t, зависящий от уровня доверительной вероятности Р и количества испытаний; 5. модуль доверительного интервала Ax = sx(P,n-l); (3.4) 6. результат в виде X = х± Ах при доверительной вероятности Р.
До начала испытаний соединений на высокопрочных болтах с предварительным натяжением необходимо было решить вопрос о методике создания предварительного натяжения. В практике строительства наибольшее распространение получило два способа контроля усилия - по величине крутящего момента и по углу закручивания. Доступность и простота использования динамометрических ключей, позволяющих развивать и контролировать небольшой (до 20 кгм) крутящий момент предопределила дальнейшую работу над вопросом по первой методике. Коэффициент пропорциональности между величиной крутящего момента и усилием натяжения болта (коэффициент закручивания) можно определить, воспользовавшись теорией прикладной механики, выразив прикладываемый к гайке момент через со
Динамометрический прибор ставляющие, оказывающими ему сопротивление. Однако эта задача практически не имеет решения из-за неопределенности входящих в такие зависимости величин. Поэтому коэффициент закручивания определяют экспериментально. Он зависит от марки стали болта и гайки, качества выполнения резьбы, состояния соприкасающихся поверхностей торца гайки и шайбы. Для решения задачи был разработан динамометрический прибор (рис. 3.4), состоящий из силовой рамы и динамометра сжатия ДОС-50. Натяжение болтов производилось динамометрическим ключом "Force" производства Германии. По паспортным данным погрешность работы такого ключа не превышает 4%. Для испытания были приняты болты, гайки М8, М10 и М12 класса прочности 8.8 ГОСТ 7798-70, а также шайбы различных размеров. Определялись как величины расчетных крутящих моментов, так и максимальные усилия, воспринимаемые болтами. Полученные путем испытания достаточного количества болтов данные показали высокую стабильность результатов даже при использовании метизов различных фирм-производителей.
Результаты численных исследований моделей балок
Расчетные схемы и напряженно-деформированное состояние моделей одно- и двустенчатых балок пролетом 3,2 м представлены на рис 4.4...4.7. При построении моделей использовались плоские треугольные конечные элементы оболочек; назначались толщина и характеристики металла для групп элементов в соответствии с реальными характеристиками профилей -составных элементов экспериментальных балок. Места приложения нагрузки, опорные ребра также моделировались оболочечными конечными элементами, толщина которых задавалась в соответствии с реальной конструктивной схемой нагружения.
Анализ степени соответствия результатов численного моделирования результатам экспериментов показывает о достаточной сходимости уровня напряжений (менее 5-7%). Однако в связи с тем, что деформации локального смятия металла элементов в соединениях не учитывались, расхождение значений общих прогибов реальных балок и компьютерных моделей достигали 15%.
Подтверждены выявленные ранее в экспериментальном исследовании особенности напряженно-деформированного состояния одностенчатых балок. Так, нормальные напряжения стх в гофрированной стенке практически отсутствуют, а по поясам распределяются неравномерно, в соответствии с линейным законом, через нейтральную ось. Касательные напряжения тху в стенке распределяются равномерно по всей её" высоте.
В стенках двустенчатых безраскосных балок наблюдаются нормальные напряжения (Ту на участках перехода стенок гофров в полки. Деформации стенок, особенности напряженно-деформированного состояния таких балок подтверждают выдвинутое после экспериментальных исследований предположение, что такие системы работают по принципу балок Веренделя, в которых и пояса, и стойки решетки испытывают локальный изгиб. Однако в разрабатываемых двустенчатых балках жесткость элементов, в особенности, стенок, слишком мала для обеспечения достаточной работоспособности конструкции при работе на поперечный изгиб. Таким образом, введение раскосов в такую систему (балка Б4) было оправданным мероприятием для повышения несущей способности. Однако снижение технологичности ввиду большого количества дополнительных элементов, малозагруженность большей части стенки явились факторами, требовавшими поиск более эффективного конструктивного решения, позволявшего при двустенчатой компоновке и отсутствии раскосов обеспечить работоспособность конструкции.
Предложено сдвинуть стенки балки на величину Ь/2 (рис. 4.9). Технологичность такой системы сохранится практически неизменной как для двустенчатой безраскосной балки. Несущая способность такой системы, предположительно, должна повыситься благодаря исключению локального изгиба составляющих балку профилей. Для обеспечения этого условия стенки должны выполняться из такого типа профилированного листа, у которого прикрепляемая к поясам часть гофра больше либо равна остальной его части.
Был выполнен расчет модели-аналога балок Б1-Б4, в которой применен сдвиг стенок. Результаты расчетов приведены на рис. Как видно по деформированным схемам и картине распределения напряжений, обеспечивается исключение локального изгиба поясов и включение стенки на восприятие поперечной силы, что приводит к повышению несущей способности балки.
Установлено, что в балках со смещением стенок полки гофров профилированного листа, прикрепленные к поясам, находятся в условиях чистого сдвига. В таких отсеках стенок возможна потеря местной устойчивости с образованием диагональных складок (рис. 4.11, б). Работа такой балки аналогична тонкостенным балкам с ребрами жесткости, с тем отличием, что поперечная сила воспринимается стенками поочередно. Гофры такой балки служат ребрами жесткости.
Для определения критических касательных напряжений было проведено численное исследование моделей отсеков, находящихся в условиях чистого сдвига. Изменялись соотношения размеров сторон отсеков. Полученные данные, а также зависимость критических касательных напряжений Тимошенко СП. и Броуде Б.М. приведены на рис. 4.12.
На основании хорошей сходимости численных исследований с результатами экспериментальных исследований выполнена коррекция зависимости Тимошенко-Броуде: і ГІЛЛ о,7бюо02 тсг=кх 1,02+ -V (4.1) V М А а J где к\ = 1,1 - найденный в результате численного анализа поправочный коэффициент; а - меньшая из сторон пластинки (ширина полки гофра профилированного листа, прикрепленного к поясам); t — толщина стенки; ц = —, где h - высота сечения балки. а 4.5. Результаты численных исследований
Из проведенного численного исследования тонкостенных балок из гнутых профилей можно сделать следующие выводы:
1. Установлены и подтверждены результатами экспериментальных исследований параметры численного моделирования работы балок; отмечено расхождение напряжений, полученных теоретически и экспериментально, в 3-7%, общих деформаций в 15%, что подтверждает корректность принятых расчетных схем по методу конечного элемента;
Выбор конструктивной формы и назначение генеральных размеров тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей
Возможные варианты компоновки покрытия с использованием стальных балок из холодногнутых оцинкованных профилей представлены на рис. 6.1. В качестве нижележащих конструкций возможно использовать как несущие стены, колонны, так и подстропильные конструкции, позволяющие расположить стропильные балки с необходимым шагом. В зависимости от состава кровли и требуемого уклона компоновка покрытия с применением в качестве несущих конструкций тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей может назначаться прогонной либо беспрогонной.
Следует подчеркнуть, что при применении тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей желательно избегать их нагружения сосредоточенными силами, в особенности к верхнему сжатому поясу ввиду возможной потери местной устойчивости элементов балки, которые в тонкостенных балках, как правило, являются определяющим фактором при определении несущей способности. Конструктивные мероприятия, которые необходимо выполнить для обеспечения работоспособности прогонной компоновки, помимо усложнения приводят к удорожанию конструкций. При соответствующем технико-экономическом обосновании возможен вариант "холодной" кровли, при котором вместо прогонов укладывается несущий профилированный настил, водосток обеспечивает ограждающий настил из наиболее дешевого листового профиля, укладываемый в поперечном направлении основному настилу.
Шаг балок назначается из условия, чтобы максимальная поперечная сила, возникающая в балках от расчетных нагрузок, была в пределах 3,0 5,0 тс. Первая граница значения поперечной силы определяется из условия минимизации трудоемкости изготовления балок. Вторая граница близка к максимальной поперечной силе, воспринимаемой тонкостенными балками из условия несущей способности соединений.
Выбор отношения высоты сечения балки к перекрываемому пролету (h/L) является определяющим фактором, влияющим как на расход металла, так и на конечную стоимость конструкций покрытия здания. Для оценки оптимального соотношения высоты сечения балки к пролету были произведены расчеты более 80-ти балок для пролетов от 6 до 15 м, в которых данное соотношение варьировалось от 1/7 до 1/12. Компоновка покрытия принята беспрогонной с условной суммарной расчетной нагрузкой на покрытие
300 кг/м . Нормативное значение нагрузки принято равным 300x0,7=210 кг/м2. Расчет производился для однопролетной разрезной схемы работы балок при их раскреплении по всей длине для предотвращения потери общей устойчивости. Прогиб балок ограничен величиной, принятой в соответствии с требованиями СНиП "Нагрузки и воздействия" []. Стоимость составляющих - С-образного профиля и профилированного листа - принята ос-редненной по состоянию на середину 2008 года. Графики, показывающие зависимость стоимости стенки, поясов и суммарной стоимости конструкции от соотношения h/L показаны на рис. 6.2-6.5.
Данные зависимости сведены в диаграмму на рис. 6.6. Как видно из приведенных графиков, минимизация стоимости балок достигается при соотношении h/L = 1/8.. Л/9.
При конструировании покрытий отапливаемых зданий необходимо стремиться к минимизации высоты балок, так как создаваемый при этом отапливаемый объем не используется функционально, а "лишняя" высота отражается на стоимости стенового ограждения. Для нахождения оптимальной высоты из соображений экономичной эксплуатации применяется уравнение: тп -V/ :f+a(n + \)h" (i//w cw/З) \lya + \їВссткс + Bl(ce + cj)] = 0 (6.1) где В - шаг балок; Сет, ce, сэ - стоимость стен, р/м , единовременных и эксплуатационных затрат на отопление и вентиляцию (р/м3, р/м3год); Г-расчетный период окупаемости; кс - коэффициент, учитывающие долю торцевых стен; y/f, y/w - соответствующие строительные коэффициенты, учитывающие дополнительный расход металла на конструктивные элементы - ребра, накладки и другие при их наличии; с/, cw - удельная стоимость металла поясов и стенки.
Практическое применение формулы с учетом всех входящих в такую зависимость компонентов вызывает затруднения ввиду неопределенности и непостоянства многих составляющих.
Разрабатываемые балки состоят из поясов, выполняемых из Сообразных профилей и стенки из профилированного листа с трапецеидальным очертанием гофров. Для применения в тонкостенных балках рекомендуются следующие типы профилей: С-образные профили по ТУ1120.100.4751.5705-00 с высотой 100-200 мм и толщиной 1,5 и 2 мм, профилированный лист С44-1000 толщиной 0,6, 0,7, 0,8 и 0,9 мм по ГОСТ 24045-94. Данные типы профилей в полной мере соответствуют концепции тонкостенных балок при их достаточной доступности. Другие типы профилей для применения не исключаются, однако для выявления особенностей их работы потребуется проведение дополнительных исследований.
