1 стр. из 1

В статье «Расчет металлоконструкций: седьмая степень свободы» [1] уже рассказывалось об общей проблематике расчета элементов легких стальных тонкостенных конструкций (далее ЛСТК), все больше и больше применяемых в современном строительстве.

На конкретном примере было показано применение теории кручения тонкостенных стержней В. З. Власова и оценено влияние депланации поперечного сечения. И во всех рассуждениях предполагалась сплошностенчатость профилей ЛСТК. Однако не стоит забывать о том, что последние могут выполняться и с использованием перфорированных профилей (термопрофилей с просечками). Эта статья посвящена расчету легких металлических конструкций с учетом данной специфики.

Общая концепция термопрофиля

На сегодняшний день на Северо-Западе, и в частности в Санкт-Петербурге, существует несколько предприятий, имеющих свои линии по производству холодногнутых профилей. Однако спецификой легких металлических конструкций является то, что стандартного сортамента на их производство не существует, и каждая компания выпускает свои виды профилей.

Например, петербургские компании по производству легких металлических конструкций осуществляют массовое производство профилей из оцинкованной стали толщиной от 0,6 до 2 мм. Профили изготовляют методом непрерывной прокатки на профилегибочных станах.

Для снижения теплопроводности гнутых профилей на их стенках в процессе прокатки выполняется перфорация в виде продольных просечек. Перфорированные профили (или так называемые «термопрофили») обладают пониженной теплопроводностью, сопоставимой с деревянными элементами такой же площади сечения благодаря увеличению пути прохождения теплового потока между полками профиля.

Применение эффективного утеплителя в каркасах из термопрофиля позволяет получать значения коэффициента сопротивления теплопередачи до 5.9 без учета возможных вариантов утепления по фасаду. Это свойство позволяет значительно снизить издержки при эксплуатации зданий и уменьшить нагрузки на городские электросети. Высокие теплосберегающие показатели позволяют применять ЛСТК для экономичного строительства даже в условиях Крайнего Севера.

Сборка панелей производится на самонарезающихся винтах, некоторые соединения выполняются с использованием дополнительных соединительных элементов — уголковых профилей и др.

И если технология производства и сборки уже выработана годами, то вопросы моделирования и расчета подобных конструкций и их элементов во многом остаются открытыми.

Основной сложностью при моделировании термопрофилей является задание просечек. Как грамотно и с наименьшей погрешностью задать поперечное сечение с учетом просечек (термощелей)? Насколько влияет система термощелей на общую картину геометрических характеристик термопрофиля? На эти вопросы ответим далее.

СНиП или Еврокод?

Вначале обратимся к действующим нормам. К сожалению, действующие СНиП по проектированию стальных конструкций [2] не дают полного ответа на данный вопрос.

В главе 19, посвященной дополнительным требованиям по проектированию балок с перфорированной стенкой, содержатся детальные указания по проектированию и расчету балок с перфорацией всего лишь одного типа (по СНиП [2] рис. 23).
И рассматриваемому нами термопрофилю достаточно трудно подобрать эквивалентный профиль с перфорацией указанного типа как минимум по двум причинам. Во-первых, данные балки являются горячекатаными составного сварного сечения (а не холодногнутыми). А во-вторых, количество и форма отверстий перфорации далеко не соответствует термопрофилю.

Проанализировав данные таблицы 49 в СНиП [2], содержащие методику расчета (не будем останавливаться на ее детальном анализе), можно сделать вывод, что основной сложностью при моделировании просечек является определение геометрических характеристик поперечного сечения.

Более детальное решение данной проблемы содержится в Еврокоде [2], п. 10.4. Данный нормативный документ посвящен проектированию (именно проектированию) холодногнутых элементов (дополнительные требования). И приведенные там рекомендации по расчету так называемых «эффективных» толщин профиля ta,eff, tb,eff и tc,eff  действительно являются ценными для проектировщика.

Однако и в них содержится оговорка: «Эти правила расчета дают значения с запасом. Более экономичные решения могут быть получены по расчету, основанному на испытаниях…».

Моделирование просечек (термощелей). Основная проблема

Попробуем абстрагироваться от требований и рекомендаций каких-либо норм и взглянуть на проблему с точки зрения сопротивления материалов, а именно — теории и практики расчета геометрических характеристик сечения.

Разумеется, в нашу эру компьютерных технологий большим подспорьем в этом деле являются автоматизированные методы [6] решения данной задачи, основанные на численных, а не аналитических видах расчета.

Казалось бы, при наличии современных программных средств, таких, как «Тонус», «Конструктор сечений», «Эквивалентное сечение» (программы-сателлиты SCAD Office), а также других программных продуктов данная проблема могла быть разрешена с достаточной степенью точности. Однако при непосредственном задании отверстий сечение получается как бы «разорванным». Тот же «Тонус» выдает не полный спектр искомых характеристик. Момент инерции при свободном кручении, секториальный момент инерции, координата центра изгиба по оси Y, координата центра изгиба по оси Z, внутренний и внешний периметр не рассчитываются. Использование таких характеристик для задания параметров стержня в SCAD представляется невозможным.

Рассмотрим некоторые теории, позволяющие решить данную проблему.

Локальное утоньшение стенки профиля

Вопросу влияния термощелей посвящена научная работа [4] сотрудников Политехнического университета «Термопрофиль в легких строительных конструкциях». Авторы работы предлагают моделировать просечки в «Тонусе» в виде локального уменьшения толщины металла в сечении. При этом толщина металла в месте расположения просечки в сечении уменьшается пропорционально отношению длины продольного расстояния между просечками к сумме длины просечки и длины продольного расстояния между просечками.

К примеру, для длины просечки 75 мм и расстояния между просечками 25 мм (ввиду того, что независимо от марки профиля система термощелей выпускается на типовом конвейере) получаем, что толщина металла в месте локального утоньшения составит ¼ от полной толщины металла профиля.

Если толщина исследуемого профиля составляет 1,2 мм, то, следовательно, толщина локального утоньшения составит 0,3 мм.

Ширина локального утоньшения металла задается в пределах от 0 (аналогичный профиль ПН-175-1,2) до 270 мм, т. е. полной ширины заготовки.
Логическим продолжением данной теории, но базирующимся на несколько другом, усовершенствованном подходе, является способ, прделоженный ниже.

Введение элементов нулевой толщины. Суперпозиция сечений

В качестве исследуемого профиля тонкостенного стержня из всей серийно производимой номенклатуры выбран профиль наиболее типичный, широко применяемый и отражающий особенности профилей данного типа [8]. Здесь 204 и 2 — это соответственно высота и толщина стенки профиля в мм. Ширина полки для всех профилей данного типа составляет 50 мм.

Дело в том, что просечки по длине стенки распределены не равномерно, а как бы в шахматном порядке с шагом 100 мм и смещением 50 мм. Следует отметить, что при изготовлении профиля участок стали в месте расположения просечки не удаляется, а надрезается и отгибается. Поэтому отогнутый участок нельзя исключать из рассмотрения профиля в целом.

Таким образом, по длине стенки попеременно с одинаковой периодичностью наблюдается 3 типа поперечного сечения. Зададим в программе «Тонус» каждое из этих трех сечений. При этом для соблюдения сплошности сечения надрезанные участки заменим на элементы нулевой толщины.

В таблице приведены обработанные результаты расчета в программе «Тонус». В таблице представлены не все, а только наиболее важные для нас геометрические характеристики, используемые в расчетах тонкостенных стержней по теории
В. З. Власова [7].

Как видно из результатов, значения 1 и 2 (при одинаковом количестве просечек в сечении) практически не отличаются друг от друга. Небольшое отличие наблюдается лишь в третьем случае при увеличении количества просечек. Итоговое значение можно определить как среднеарифметическое трех значений.

Редуцированные характеристики поперечного сечения

Однако все полученные значения превышают расчетные, приведенные в сорта-менте. Это связано с тем, что эти величины являются редуцированными, полученными на основе редуцированной площади.

Редуцированная площадь — это площадь, уменьшенная за счет умножения на редукционный коэффициент. Редуцированная (уменьшенная) площадь сечения граней, потерявших местную устойчивость, определялась с учетом требования таблицы 6 СНиП 11-23-81* «Стальные конструкции» [2].

Соответственно, остальные геометрические характеристики сечений являются подобранными по эквивалентной площади.

Метод редуцированной площади применяется в расчетах на сжатие и изгиб. При расчете на растяжение указания рекомендуют применять истинные значения. Для расчетов с использованием программных комплексов на основе результатов «Тонус» необходимо использовать дополнительные коэффициенты условий работы и выполнять рекомендации по конструированию.

В заключение перейдем к выводам.

Как показали расчеты геометрических характеристик, влияние просечек на их численные значения является весьма незначительным. Но необходимо учитывать и другие факторы, такие, как локальная потеря устойчивости и взаимное влияние отдельных элементов профиля, «разорванных» перфорацией. Каков же ответ на главный вопрос — насколько велико влияние системы просечек на общую несущую способность?

На снимке развалин Шлиссельбургской крепости мы видим чуть ли не парадоксальный факт: балка, стенка которой практически полностью (!) выедена коррозией, продолжает из года в год висеть наравне с целыми балками.
И это в какой-то степени является аналогом системы просечек рассмотренных нами термопрофилей…

Другое дело, что балка не несет практически никакой нагрузки, кроме собственного веса. Но ведь и «естественная» перфорация, очевидно, является намного более опасной, нежели искусственно создаваемая на специальных конвейерах и рассмотренная нами.

Даже не производя детального обследования и не будучи специалистом, можно сделать вывод, что влияние просечек не является таким уж глобальным. Во всяком случае основные геометрические характеристики (момент сопротивления, момент инерции и секториальный момент инерции) не претерпевают существенных изменений. Однако с учетом совокупности этого и других факторов данное влияние может превышать 3% (инженерная погрешность). И в случае внедрения данного типа конструкций при инженерных расчетах необходимо так или иначе, прямо или косвенно учитывать систему перфорации, например, вводя редукционный коэффициент, а при грубых оценках прочности — делать обязательный запас по несущей способности.

Литература
1. Ватин Н. И., Рыбаков В. А. «Расчет металлоконструкций: седьмая степень свободы». // «СтройПРОФИль», № 3(57), 2007 г., стр. 32–35.
2. СНиП II-23-81* «Стальные конструкции».
Госстрой СССР. — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990 г.
3. Еврокод 3: Проектирование стальных конструкций. Часть 1–3. Общие правила. Дополнительные правила для холодногнутых элементов и листов. Английская версия.
4. Ватин Н. И., Попова Е. Н., «Термопрофиль в легких стальных конструкциях».  СПб, 2006 г., с. 63.
5. Жмарин Е. Н., Рыбаков В. А. «ЛСТК — инструмент для реализации программы «Доступное и комфортное жилье…». //«СтройПРОФИль», № 6 (60), 2007 г., стр. 166–167, № 7 (61), 2007 г., стр. 118–119.
6. Карпиловский В., Криксунов Э., Перельмутер А., Перельмутер М. «Формирование сечений и расчет их геометрических характеристик».
— К.: Изд-во «КОМПАС», 2000 г.
7. Власов В. З. Избранные труды, Т. 2. — М.: Изд-во АН СССР, 1963.1.
8. Айрумян Э. Л. «Рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу конструкций каркаса малоэтажных зданий и мансард из холодногнутых стальных оцинкованных профилей производства ООО «Балтпрофиль».
— М., 2004 г.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!