Когда речь идёт о пролёте в 42 метра, требования к надёжности и экономичности конструкции возрастают кратно. Такие размеры — это уже не стандартное решение, а инженерная задача, требующая внимательного инженерного подхода. Важно не только обеспечить прочность и устойчивость, но и сделать ферму максимально технологичной в производстве и монтаже.
Иногда достаточно небольшого изменения в проекте, чтобы получить заметный экономический эффект. Рассказываем на примере: как переход на сталь С390 и пересмотр сечений позволили облегчить ферму, сохранить несущую способность, при этом упростив ее изготовление.
Цель оптимизации
Найти более рациональное конструктивное решение, которое позволит:
- уменьшить объём стали при сохранении необходимых прочностных и эксплуатационных характеристик;;
- унифицировать сечения, чтобы сократить число типоразмеров и упростить производство;.
Проще говоря, мы стремимся получить конструкцию, которая так же хорошо работает, но при этом весит меньше, собирается проще и стоит дешевле.
Исходные данные
Рассматриваемая конструкция — стальная стропильная ферма пролетом 42 метра, типичная для промышленных зданий.
Пояса выполнены из прокатных двутавров (сталь С355). Решётка из гнуто-сварной трубы на фасоночных узлах (рисунок 1).
Кровельная система — прогонная, нагрузка прикладывается к узлам фермы. Шаг раскрепления верхнего пояса составляет 3 метра.
Рисунок 1 — Чертеж исходной фермы
Анализ исходного решения и предпосылки к оптимизации
В результате анализа напряженно-деформированного состояния элементов был выявлен потенциал оптимизации фермы за счет повышения класса прочности стали в поясах (подробнее об области рационального применения С390 можно узнать в статье)
- Верхний пояс — сжатый элемент с низкой гибкостью (λ_y=14; λ_z= 25), критическим фактором является устойчивость;
- Нижний пояс — растянутый элемент, критическим фактором является прочность.
Путем сравнения несущей способности (элементов поясов) по прочности при действии продольной силы были определены профили для возможной замены:
| Тип элемента | Исходный профиль | Профиль замены |
\frac{R_{y}^{390} \cdot A_{\text{зам}}^{390}}{R_{y}^{355} \cdot A_{\text{исх}}^{355}} \cdot 100\%
|
|---|---|---|---|
| Верхний пояс | 35К1 С355 | 35К1 С390 | 110% |
| 35К2 С355 | 35К1 С390 | 88% | |
| Нижний пояс | 30К1 С355 | 25К2 С390 | 91% |
| 30К3 С355 | 30К2 С390 | 98% |
Замена сечения 30К1 на 25К2 в нижнем поясе не рассматривается, поскольку это бы усложнило выполнение монтажных стыков (рисунок 2). В данном случае было принято решение сохранить исходный профиль для обеспечения технологичности соединения.
Рисунок 2 — Монтажный стык нижнего пояса
Предлагаемое решение
Расчёт показал, что подобранные сечения поясов проходят проверки по 1 группе предельных состояний. Результаты расчета сведены в таблицу:
| Элемент | Продольное усилие, кН | Исходное сечение | КИ исходного сечения | Сечение замены | КИ сечения замены | Разница металлоёмкости |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Верхний пояс | –1 730 |
35К1 С355 |
65 |
35К1 С390 |
68 |
– |
| –3 230 |
35К2 С355 |
79 |
35К1 С390 |
90 | –20% | |
| Нижний пояс | +2 260 |
30К1 С355 |
70 | – | – | – |
| +3 280 |
30К3 С355 |
92 |
30К2 С390 |
92 | –11% |
При уменьшении сечений фермы снижается ее изгибная жесткость, поэтому важно убедиться, что конструкция проходит проверку по второй группе предельных состояний:
77\ \text{мм} < \frac{43500}{300} = 145\ \text{мм}
Результат: расчётный прогиб — 77 мм при допустимом 145 мм. Конструкция соответствует требованиям норм — в случае несоответствия было бы необходимо предусмотреть строительный подъем фермы.
Рисунок 3 — Проверка фермы по второй группе предельных состояний
Результаты
За счёт перехода на сталь более высокого класса (С390) и внимательного подбора сечений, удалось добиться ощутимого эффекта: металлоёмкость фермы снизилась на 9% — при обеспечении требований по надежности конструкции.
Важен не только достигнутый результат по снижению металлоёмкости, но и проведённая унификация сечений, которая способствует повышению технологичности конструкции и сокращению затрат на ее изготовление.
В условиях современного строительства, где на первом плане стоят эффективность, точность и скорость, такие решения становятся особенно ценными. Это пример того, как небольшая корректировка проектных решений может привести к повышению экономической эффективности без ущерба для надёжности.
Рисунок 4 — Исходное и предлагаемое решение фермы
