Подходы при выборе типа двутавра для колонн одноэтажных зданий

ГОСТ 57837 предоставляет проектировщику достаточно широкий выбор сечений двутавров: помимо основной линейки Б, Ш и К, есть и дополнительные серии. Кажется, что для колонн подходят К, а для изгибаемых элементов — Б или Ш, но на практике все не так однозначно. Вопрос, который возникает: какой же тип двутавра окажется наиболее экономичным при обеспечении требуемой несущей способности? В статье рассмотрены некоторые закономерности между эффективным сечением и параметрами, такими как расстояние между раскреплениями в плоскости наименьшей жесткости двутавров, высота колонн и величина нагрузок.

Описание расчетной модели для теста

Для простоты рассмотрим типовую поперечную раму, в которой колонна в плоскости рамы жестко защемлена; стропильная ферма шарнирно опирается на колонну; опирание фермы на колонну с боковым примыканием:

• снеговой район — IV и VIII;
• ветровой район — II;
• сталь С255;
• пролет рамы — 30 м;
• шаг рам — 6 м;
• высота до низа несущих конструкций:
  • 5,0 м, высота колонны по карнизу — 6,0 м;
  • 7,0 м, высота колонны по карнизу — 8,0 м;
  • 9,0 м, высота колонны по карнизу — 10,0 м.

Рисунок 1 — Расчетная схема рамы

Оценка влияния различных параметров

Шаг раскрепления и высота колонны

Можно проследить, как тип двутавра зависит от шага раскрепления в плоскости наименьшей жесткости и величины вертикальной нагрузки. В этом примере рассматриваются IV и VIII снеговые районы, где нагрузка отличается в 2 раза.
Результаты расчета представлены в таблице:

Таблица 1 — Зависимость типа двутавра от шага раскрепления в плоскости наименьшей жесткости

Полученные зависимости типов двутавров приведены ниже в виде графиков, в которых в массе погонного метра учтена масса распорок для каждого сечения в зависимости от шага раскрепления (распорка — профильная труба 120х4).

Рисунок 2 — График для рамы высотой до низа ригеля 7 м, нормальные нагрузки

Для рассматриваемой расчетной схемы при шаге раскрепления колонн из плоскости рам 4 м эффективен двутавр типа Б, при шаге 6-8 м — тип Ш.

Рисунок 3 — График для рамы высотой до низа ригеля 7 м, повышенные вертикальные нагрузки

Как видно из графика, для рассматриваемой расчетной схемы, увеличение вертикальной нагрузки изменяет зависимость между двутаврами типа Б и Ш. Тип Б эффективен при шаге раскрепления 4 м, а при шаге 6-8 м — тип Ш. Для раскрепления с шагом 8 м широкополочный профиль приблизился по массе к колонному.

Рисунок 4 — График для рамы высотой до низа ригеля 5 м, нормальные нагрузки

При уменьшении высоты колонны картина принципиально не меняется, для шага раскрепления 4 м эффективен тип Б, для 6 м — тип Ш.

Рисунок 5 — График для рамы высотой до низа ригеля 5 м, повышенные вертикальные нагрузки

А вот увеличение вертикальной нагрузки меняет зависимость между двутаврами типа Ш и К — при шаге раскрепления 6 м эффективнее колонный двутавр.

Рисунок 6 — График для рамы высотой до низа ригеля 9 м, нормальные нагрузки

Увеличение высоты колонны влияет на зависимость между типами Б и Ш для шага раскрепления 6 м При шаге раскрепления колонн из плоскости рам 4-6 м эффективен двутавр типа Б, при 8 м — тип Ш.

Рисунок 7 — График для рамы высотой до низа ригеля 9 м, повышенные вертикальные нагрузки

Балочный тип эффективен при шаге раскрепления 4 м, а при шаге 6-8 м — широкополочный. В целом график аналогичен исходному варианту с повышенной вертикальной нагрузкой.

Шаг раскрепления и величина горизонтальной нагрузки

Таблица 2 — Ветровое воздействие в торец рамы

Рисунок 8 — График для рамы высотой до низа ригеля 7м, повышенные горизонтальные нагрузки

Этот график показывает, что величина ветровой нагрузки напрямую влияет на зависимость между двутаврами типов Ш и К, тогда как график для балки типа Б не меняет своей формы. Также очевидно, что при шаге раскрепления 4 м более эффективен тип Б, а при шаге распорок из плоскости колонн 6-8 м — тип К.

Какие можно сделать выводы

Итак, на основе вышеизложенных данных:

• нормальный двутавр типа Б отлично подходит при небольшой расчетной длине колонны в плоскости наименьшей жесткости (около 4 м);
• балки типа Ш и К эффективны при значительной расчетной длине в плоскости наименьшей жесткости (6 м и более);
• колонный двутавр (К) эффективен при больших расчетных длинах (8 м и более) и больших нагрузках (большепролетные здания, тяжелые краны, повышенные снеговые нагрузки);
• изменение высоты колонны не влияет на основные закономерности между типами двутавров в зависимости от шага раскрепления в плоскости наименьшей жесткости;
• увеличение горизонтальной нагрузки способно сделать колонный двутавр эффективным при небольших расчетных длинах из плоскости стенки (от 6 м);
• для колонн высотой до 7 м и при небольших горизонтальных нагрузках — наименьшая металлоемкость при распорках в карнизе, при значительных ветровых нагрузках — при шаге распорок 4-6 м.