При проектировании зданий всегда учитываются четыре
основных требования: функциональности, несущей способности, художественного
оформления (архитектуры) и экономичности. В настоящее время соблюдение принципа
экономической эффективности по важности соизмеримо с учетом несущей способности
той или иной конструкции. Заказчик нередко ограничен во вложении денежных
средств, а значит команда проектировщиков должна максимально снизить материальные
затраты.
В строительстве зданий с металлическим каркасом
большую долю затрат составляет расход металла, особенно основных несущих
конструкций – ригелей, колонн. С ходом времени такие конструкции
совершенствовались, что привело к появлению, так называемых, легких металлических
конструкций. Перфорированные балки, составные двутавровые балки, балки
переменного сечения, гофрированные балки – все это неполный список конструкций
с меньшим расходом металла. Такие конструкции могут снизить расход стали на
25-50%.
Перфорация балок может иметь различную конфигурацию:
отверстия ромбовидной, прямоугольной, круглой, синусоидальной форм. Согласно
исследованиям, ромбовидная перфорация отличается большим уровнем концентрации
напряжений из-за наличия острых углов отверстий. Однако, все же такие балки
являются более выгодными, так как изготавливаются по безотходной технологии
путем роспуска балочных или широкополочных прокатных двутавров.
Цель настоящей статьи – выявить конструкцию наиболее
эффективную с точки зрения металлоемкости.
Исследования проводились на двух типах балок (моделей)
– составной сварной и перфорированной с ромбовидными отверстиями. Пролет для
балок – 18 м, нормативная и расчетная равномерно-распределенная нагрузка
принята – 12 и 16 кН/м соответственно. Расчетная схема балки – шарнирно-опертая
на двух опорах. Верхний пояс балки принят раскрепленным из плоскости с целью
обеспечения общей устойчивости.
Создание расчетных схемы велось в программном
комплексе «ЛИРА САПР». Конструирование моделей балок производилось с максимизацией
нормальных напряжений в обеих моделях. Нагрузки прикладывались к пластинчатым
элементам верхнего пояса балок, распределенным на ширину пояса.
Стенка и пояса балки разбивались на сетку
четырехугольных конечных элементов, с следующими характеристиками:
— 
=
2,06e+008 кН/м2 – модуль упругости;
— 
=
0,3 – коэффициент Пуассона;
— 
=
78,5 кН/м3 – удельный вес стали.
Конструкция перфорированной балки принята в
соответствии с рекомендациями по проектированию и соответствует размерам,
указанным на рисунке 1.
Рисунок
1. Конструкция перфорированной балки
Конструкции составной балки приняты исходя из заданных
нагрузок и размеры сечения соответствуют, указанным на рисунке 2.
Рисунок
2. Конструкция составной балки
Методом конечных элементов в комплексе ЛИРА САПР,
получены следующие результаты:
по прогибам
Рисунок 3. Мозаика перемещений составной балки
Рисунок 4. Мозаика перемещений перфорированной балки
по напряжениям
Рисунок 5. Мозаика нормальных напряжений составной
балки
Рисунок 6. Мозаика нормальных напряжений
перфорированной балки
Сведем полученные результаты в таблицу.
Таблица 1. Результаты расчетов
|
|
Составная балка |
Перфорированная балка |
Предельные значения |
|
|
72,0 мм |
75,2 мм |
76,9 мм |
|
|
23,1 кН/см2 |
22,9 кН/см2 |
24 кН/см2 |
|
mмет |
16,05 кН |
15,60 кН |
|
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1.
При
практически равнозначных величинах нормальных напряжений применение
перфорированной балки вместо составной снижает расхода металла на 0,45 кН = 45
кг с одного несущего ригеля;
2.
Максимальные
прогибы балок не превышают допустимого уровня, но при этом составная сварная
балка имеет меньшие перемещения по вертикали.
Использованные источники:
1.
Казакова
И.С. Легкие металлические конструкции: методические указания и примеры расчета
для студентов всех форм обучения / И.С. Казакова. – Вологда: ВоГТУ, 2012. – 40
с.
2.
Кудишин
Ю.И. Металлические конструкции / Ю.И. Кудишин, Е.И. Беленя, В.С. Игнатьева. – М.:
Стройиздат, 2007. – 683 с.
3.
Белый
Г.И. Предельные состояния в сечениях двутаврового элемента с перфорированной
стенкой / Г.И. Белый, В.М. Дарипаско // Труды Молодых ученых. – СПбГАСУ. – 1999.
– Ч.1. – С. 48-52.
4.
Притыкин
А.И. Прогибы перфорированных балок-стенок с прямоугольными вырезами / А.И.
Притыкин // Известия ВУЗов. Строительство. – 2009. – №10. – С. 110-116;
5.
Емельянов
К.А. Конечно-элементный анализ напряженного состояния и устойчивости балок с
ромбовидной перфорацией / К.А. Емельянов, А.И. Притыкин // Вестник науки и
образования северо-запада России. – 2018. — №3. – С. 81-88;
6.
Соловьев
А.В. Анализ жесткостных характеристик перфорированных балок с круглой
перфорацией стенки / А.В. Соловьев, И.А. Васюков // Промышленное и гражданское
строительство. – 2014. – №3. – С. 36-38.
7.
Полевщиков
А.С. Перфорированные балочные конструкции / А.С. Полевщиков. Л.В. Елькина, М.Н.
Крупин // Advanced science.
– 2017. – №3. – С. 300-307;
8.
Брудка
Я. Легкие стальные конструкции / Я. Брудка, М. Лубиньски. – М.: Стройиздат,
1974. – 342 с.
n
