Перфобалка — применение и граничные условия

При оптимизации проектов специалисты Инженерного центр Евраз для некоторых конструкций рекомендуют применять стальные балки с перфорированной стенкой. При этом у проектировщиков возникает ряд вопросов к таким конструкциям:

1. Для каких элементов конструкций рационально применить перфобалку, какие граничные условия применения?
2. Как рассчитать перфорированные балки?
3. Какая экономика решения в сравнении с обычной прокатной балкой на том же пролете?

Данные вопросы раскроем в этой статье.

Область применения перфобалок

Перфорированная балка — это стальная двутавровая балка с многоугольными или круглыми отверстиями в стенке. Изготавливается из прокатного двутавра, после разрезания его стенки по волнообразной линии, продольного смещения и сварки разрезанных частей. В результате увеличивается высота стенки составной балки, по сравнению с прокатной балкой. Высота балки может быть дополнительно увеличена за счет листовых вставок, ввариваемых по выступающим гребням стенки двутавра. Высота и несущая способность двутавра увеличивается в 1,2-1,5 раза.

Рисунок 1 — Формирование составной перфобалки

Перфорированные балки занимают нишу между двутавровыми балками сплошного сечения и ферменными конструкциями.
Рациональная область применения перфорированных балок при нормальных нагрузках — 10...24м. Применяются перфорированные балки как для перекрытий, так и для покрытий.

Рисунок 2 — График рациональной области применения различных решений ригеля в зависимости от пролета

Перфорированные балки могут быть как постоянного по высоте сечения, так и переменного, при разрезке стенки по линии не параллельной полкам.

Рисунок 3 — Перфорированная балка переменного по высоте сечения

Преимущества перфорированных балок

Перфорированные балки имеют меньшую высоту по сравнению с фермами. Благодаря этому их широко применяют для конструкций перекрытий. Кроме того, через отверстия в балках можно проложить инженерные сети и дополнительно сэкономить полезный объем здания.
Применение перфорированных балок в качестве ригеля покрытия позволяет сократить высоту здания, а значит уменьшить эксплуатационные расходы на отопление/охлаждение помещений. Снижение высоты также уменьшает объем стеновой обшивки здания.

Примеры использования перфорированной балки

Балка в перекрытии

Перфобалка в перекрытии рассмотрена в альбоме технических решений: Перекрытия с перфорированным ригелем — технические решения ЕВРАЗа.
Запроектированы 3 типоразмера балочной клетки (6х12, 9х12 и 12х12м) при четырех вариантах нагрузок на перекрытие.

Рисунок 4 — Типоразмеры балочной клетки

Результаты сравнили с подобными расчетами для прокатных двутавров и сварных балок.
"Лучше всего перфорированная балка показала себя при сетке колонн 12х12 и нагрузках 0,5-2 т/м². В подавляющем диапазоне нагрузок она оказалась легче сварной балки на 11%."

Рисунок 5 — Сравнение металлоемкости перекрытий

Балка в покрытии

Перфобалка в покрытии рассмотрена в альбоме технических решений: 1.01.07-1 Перфобалка переменного сечения ESE.
Для ригеля пролетом 24м запроектирована перфорированная балка с переменной высотой стенки.
При рассмотренной в альбоме сетке колонн 12х24м при III снеговом районе перфобалка в покрытии немного тяжелее покрытия с ферменными конструкциями. Общая металлоемкость покрытия с перфорированными балками — 23,5 кг/м² против 19 кг/м² для покрытия с фермами из профильных труб. При этом высота ригеля становится меньше в 2,5 раза.

Как рассчитывать перфорированные балки?

Для расчетной модели здания можно использовать стержневую схему, моделировать перфорированные балки пластинами необязательно. В общей расчетной схеме перфобалка моделируется как обычный двутавр, но увеличивается его стенка (например, задается как сварной двутавр). В такой модели можно получить нормальные напряжения в поясах балки, учесть жесткость балки в общей схеме здания.
Расчет самого сечения перфорированной балки и необходимости ребер жесткости выполняется отдельно. Для подбора сечения и ребер можно использовать калькулятор Подбор перфорированного двутавра.

Сравнение перфорированных двутавров и сплошностенчатых прокатных двутавров

Для сравнения выбрано несколько пролетов балок: 8м, 10м, 12м, 15м. Грузовая ширина балки — 6м. Раскрепление из плоскости стенки с шагом 3м, сталь С355. Плита перекрытия — монолитная по профилированному настилу. Степень развития профиля перфорированной балки по высоте — 1,5.

Таблица 1 — Варианты эксплуатационной нагрузки на перекрытие

Таблица 2 — Постоянные нагрузки на конструкции каркаса в зависимости от нагрузки на перекрытие

Таблица 3 — Полученные сечения балок

* указанные профили не освоены и не производятся

Таблица 4 — Графики металлоемкости балок

Сравним стоимость изготовления балок.

1. Стоимость прокатного двутавра принята 95 000 руб/тонна.
2. Стоимость передела прокатной сплошностенчатой балки — 60 000 руб/тонна, балки с перфорированной стенкой — 100 000 руб/тонна.

Стоимость передела для перфорированной балки принята средней для нескольких заводов металлоконструкций. Стоит учитывать, что не все ЗМК обладают оборудованием, чтоб изготавливать такие конструкции. Также от типа имеющегося оборудования может изменяться и стоимость передела.

Таблица 5 — Графики стоимости балок

* при оценке стоимости масса перфорированных балок увеличена на 5% для учета массы ребер жесткости.

По полученным графикам очевидно, что масса перфорированной балки во всех случаях ниже, чем у прокатной сплошностенчатой. Однако, из-за высокой стоимости изготовления балка с перфорированной стенкой становится выгодной при пролетах не менее 12м.

Какие выводы?

1. Балка с перфорированной стенкой имеет значительно меньшую высоту в сравнении со стропильными фермами, что позволяет компактно разместить коммуникации, сократить эксплуатируемый объем здания и сэкономить на ограждающих конструкциях.
2. Позволяет расширить текущий сортамент горячекатаных двутавров. Такой тип балок можно применить в случае, если освоенного сортамента прокатных двутавров недостаточно.
3. Решение целесообразно применять для пролетов, при которых собственный вес балки дает заметный вклад в нагрузки. Т.к. в таком случае увеличение стоимости изготовления компенсируется снижением веса элемента конструкции.

В итоге при достаточных пролётах применение балок с перфорированной стенкой — рациональное решение.