Научная Статья по ЛСТК. Субхон_статья 1. Mail. ru Общие принципы проектирования и вопросы эффективности применения конструкций из легких тонкостенных профилей
 Скачать 156.35 Kb.
|
|
УДК. Содиков Субхонитдин Джамшедшедович, Магистрант, 2 курс, направление 08.04.01 Строительство, кафедра Металлических и деревянных конструкций (Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет) E-mail: subhon00.00@mail.ru Общие принципы проектирования и вопросы эффективности применения конструкций из легких тонкостенных профилей. Развитие рынка гражданского и промышленного строительства с применением конструкций из легких тонкостенных профилей все чаще поднимает вопрос об эффективности применения различных сечений. У большинства производителей разработаны собственные каталоги и сортаменты профилей, которые отвечают требованиям производства, транспортировки и монтажа таких конструкций. Вместе с тем вопрос эффективности того или иного профиля лежит в плоскости его расчета: определения напряженно-деформированного состояния конструкции, соответствующей редукции и получаемых в итоге геометрических характеристик. С этой точки зрения становится неочевидно, как профили, обладающие редукцией, могут оставаться эффективными, и как вообще можно определить оптимальные параметры таких профилей. В статье рассматривается новый подход к определению количественной оценки эффективности профилей ЛСТК, который базируется на сравнении геометрических параметров горячекатаных и холодногнутых сечений. Ключевые слова: ЛСТК, эффективность сечений, редукция сечений Введение. В строительной индустрии одной из постоянно актуальных проблем является оптимизация сроков и затрат на возведение конструкций при минимальной потере качества и сложности монтажа. Среди технологий быстрого строительства, каркасная система из легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) все больше привлекает спрос и активно внедряется на рынок. Это связано с доступностью, распространённостью и эффективностью применения данной технологии. Основными преимуществами ЛСТК являются низкая металлоемкость, которая достигается благодаря оптимальной конструктивной форме, размерам сечений и использованию стали повышенной прочности. Также к их преимуществам относятся доступность изготовления и транспортировки, высокая технологичность и быстрая скорость возведения. Профили ЛСТК отличаются большим разнообразием геометрических форм и типоразмеров (см. рис 1.). Площадь сечения элементов при этом может быть эффективно разнесена относительно центра тяжести, что многократно повысить его изгибную жесткость без увеличения погонной массы.  Рис. 1. Сечения стержневых элементов из тонкостенных профилей Их легкость позволяет производить быстрый и качественный монтаж на строительной площадке, как правило с отказом от применения грузоподъемных механизмов. Соединения элементов (см. рис 2.) чаще всего осуществляют на самонарезающих винтах и вытяжных заклепках, обеспечивающих высокую скорость и удобство монтажа, реже на болтовых соединениях, являющихся более надежным. Важно отметить, что использование ЛСТК снижает затраты на строительство объекта с нулевого цикла.  Рис. 2. Элементы соединения тонкостенных холодногнутых профилей: а) болты, б) самонарезающие винты, в) вытяжные заклепки, Основными строительными элементами зданий из конструкций ЛСТК являются балки перекрытий, колонны, стены, стропильная система кровли. Элементы ЛСТК выполняют из профилированных или перфорированных оцинкованных стальных тонкостенных профилей, которые изготовляются из стальных листов путем гибки в профиле. Каркас из ЛСТК является основой здания, построенного по этой технологии, и обладает необходимой жесткостью и прочностью. Благодаря небольшому весу зданий из ЛСТК, часто применяют фундамент мелкого заложения или винтовые сваи, что также снижает трудозатраты на возведение конструкций. Особенности расчета ЛСТК. Расчет ЛСТК элементов существенно отличается от расчета привычных классических элементов из горячекатаных профилей. Связано это с возможностью потери местной устойчивости сжатых элементов профиля до достижения предела текучести стали, что приводит к редуцированию сечения, и как следствие к снижению несущей способности относительно полных характеристик сечения элемента. При расчете конструкций, профиль рассматривается как совокупность длинных пластин, жестко соединенных в местах изгиба, и принимается, что местная потеря устойчивости происходит в упругой стадии. Потому в окончательных расчетах площадь профиля может быть уменьшена на значение, соответствующее участкам пластинчатых элементов, потерявших контур при местной потере устойчивости. В связи особенностями изготовления профилей ЛСТК, следует отметить: 1) Наличие остаточных напряжений, который появляется из-за неоднородности пластической деформации материала, которая возникает вследствие неоднородного по сечению холодного деформирования. 2) Геометрические несовершенства формы. Как правило для конструкций из горячекатаных элементов выделяют два основных вида геометрических несовершенств: общие отклонения конструкций и отклонения от прямолинейности отдельных элементов (рис. 3). Внедрение начальных локальных несовершенств элементов в глобальный анализ приводит к изменению внутренних сил и моментов внутренних сил и моментов по всей длине элементов по сравнению с тем, когда несовершенства не учитываются. Особенно важным учет геометрических несовершенств является для элементов, воспринимающих большие сжимающие нагрузки, чаще всего к ним относится колонны.  Рис. 3. Определение форм потери устойчивости стержней В качестве альтернативного метода эффекты геометрического несовершенства наклона и локальные дефекты изгиба могут быть заменены системами дополнительных эквивалентных горизонтальных сил, введенных для каждого элемента(рис.4). Для корректного учета влияния несовершенств под конкретное загружение конструкции направление начального несовершенства или дополнительных горизонтальных сил необходимо задавать по направлению наиболее вероятной формы потери устойчивости.  Рис. 4. Слева – глобальные несовершенства наклона и изгиба вместе с переходом к эквивалентным нагрузкам. 3) Подверженность к коррозии, который также могут негативно повлиять на надежность конструкции. Проектирование защиты от коррозии выполняется с учетом вида и степени агрессивности среды и при строительстве надо учесть сведения о климатических условиях района по СП 131.13330; В связи с необходимостью учитывать вышеупомянутые проблемы при проектировании конструкций из ЛСТК, их расчет необходимо выполнять с применением специализированных методик. До введения в пользование СП 260.1325800.2016 "Конструкции стальные тонкостенные из холодногнутых оцинкованных профилей и гофрированных листов [3]. Правила проектирования" в России не было нормативных документов для расчета и проектирования конструкций из легких стальных тонкостенных профилей, и для их проектирования использовались зарубежные стандарты, такие как Еврокод 3 и американский стандарт AISI-360. Существующий стандарт СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции" практически не рассматривает вопросы потери местной устойчивости в явном виде и поэтому может быть использован для расчета элементов с толщиной не менее 4 мм. Введенный в действие [3] расширяет область применения [4] на профили с толщиной менее 4мм и учитывает редукцию, опираясь в основном на [1]. К вопросу об эффективности профилей ЛСТК. Рассмотренные выше преимущества профилей ЛСТК, а также сложности их расчета не дают рядовому инженеру количественное понимание об их эффективности. С одной стороны, при их расчетах должно быть учтено редуцирование площади сечения (т.е. его фактическое уменьшение), а с другой, говорится об их эффективности с точки зрения металлоемкости. В настоящей работе предлагается подход, по которому возможно количественно оценить эффективность профилей ЛСТК по сравнению с классическими прокатными профилями на основе сравнения геометрических параметров их сечений.  Рис. 5. Классический профиль (1); Профили ЛСТК (2;3). Характерной особенностью классических сечений из горячекатаных профилей является их относительно большая толщина, значение которой в большинстве рассматриваемых случаев обеспечивает условия не допускающие потерю местной потери устойчивости сечения. Взяв за основу такой профиль (сечение 1 на рисунке 5), можно оценить его эффективность сечения по основным геометрическим параметрам: площади и моменту инерции. Для того чтобы сравнить эффективность такого профиля с эффективностью эквивалентного профиля ЛСТК предлагается постепенно уменьшать толщину сечения, сохраняя при этом его площадь и соотношения основных геометрических размеров h/b. Материал сечения при этом будет разносится относительно центра тяжести, за счет чего момент инерции будет быстро увеличиваться. Однако, с какого то момента начнет проявляться редукция сечения за счет потери местной устойчивости, которая будет снижать эффект увеличения геометрических характеристик. В какой-то момент будет получена оптимальная толщина сечения для рассматриваемого типа сечения. Расчет планируется выполнять с использование методики [3] в части местной потери устойчивости и устойчивости потери формы сечений. Последовательность расчета представлена ниже: Назначение нового значения относительного периметра; Определение геометрических параметров полного сечения; Определение напряженно-деформированного состояния сечения; Определение зон редуцирования в связи с потерей местной устойчивости; Корректировка сечения в связи с учетом потери устойчивости формы сечения; Определение основных геометрических характеристик редуцированного сечения. Результаты планируется получать с применением специализированного программного обеспечения, разрабатываемого в настоящее время в рамках исследования по настоящей тематике. Выводы. Количественная оценка эффективности ЛСТК профилей является сложной задачей, зависящей от многих параметров: конкретных размеров сечений, его напряжённо-деформированного состояния, условий закрепления, материала стали профиля. По предлагаемому подходу в оценки эффективности можно решить задачу определения оптимальных толщин профилей элементов ЛСКТ и соотношения размеров сечений в зависимости от конкретных усилий в элементах. Библиографический список Eurocode 3. Design of Steel Structures. Part 1.1 General rules and rules for buildings. CEN. 2004. AISI-S100-2016. North American Specification for the design of cold-formed steel structural members. Washington: American Iron and Steel Institute, 2016. 198 p. СП 260.1325800.2016. Конструкции стальные тонкостенные из холодногнутых оцинкованных профилей и гофрированных листов/ Минстрой России. – М.: 2016 – 124 с. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*» (с Поправкой, с изменениями N 1, 2). – М., 2017г. Кузнецов, А.Ю., Прочность и пространственная устойчивость составных стержневых элементов конструкций из холодногнутых профилей: дисс. … к-та тех. наук: 05.23.01 / А.Ю. Кузнецов; СПбГАСУ. – СПб., 2013. – 25с. Легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК). Проектирование, изготовление, монтаж. Учебное пособие для ВУЗов / Астахов И.В., Кузнецов А.Ю,, Гудков А.Н., и др.; под общей ред. Зверева В.В. – М.: Издательство «Перо», 2023 – 412 с., ил. |