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
| Снеговой район | Шаг раскрепления колонны в плоскости наименьшей жесткости, м | Высота до ННК, м | ||
|---|---|---|---|---|
| 5,0 | 7,0 | 9,0 | ||
| IV | 4 | 25Ш1 | 35Ш1 | 40Ш1 |
| 35Б1 | 40Б1 | 40Б2 | ||
| 25К1 | 30К1 | 35К1 | ||
| 6 | 30Ш0 | 35Ш1 | 40Ш1 | |
| 40Б1 | 40Б2 | 45Б2 | ||
| 25К1 | 30К1 | 35К1 | ||
| 8 | — | 35Ш1 | 40Ш1 | |
| 70Б2 | 70Б2 | |||
| 30К1 | 35К1 | |||
| VIII | 4 | 35Ш1 | 35Ш1 | 40Ш1 |
| 40Б1 | 40Б1 | 50Б1 | ||
| 25К1 | 30К1 | 35К1 | ||
| 6 | 35Ш1 | 35Ш1 | 40Ш1 | |
| 40Б2 | 45Б2 | 55Б1 | ||
| 25К1 | 30К1 | 35К1 | ||
| 8 | —* | 35Ш2 | 40Ш1 | |
| 70Б2 | 70Б2 | |||
| 30К1 | 35К1 | |||
* Выделены профили с наименьшей массой погонного метра.
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
Чтобы упростить задачу, рассмотрим ветровое воздействие в торец рамы — при назначении нагрузок V ветрового района нагрузка увеличится в 2 раза. Снеговой район — IV, как и в базовом варианте, высота до низа ригеля — 7,0 м.Таблица 2 — Ветровое воздействие в торец рамы
| Шаг раскрепления колонны в плоскости наименьшей жесткости, м | Высота до ННК** |
|---|---|
| 7,0 м | |
| 4 | 35Ш2 |
| 45Б2 | |
| 30К1 | |
| 6 | 40Ш1 |
| 55Б1 | |
| 30К1 | |
| 8 | 40Ш2 |
| 70Б2 | |
| 30К4 |
* Выделены профили с наименьшей массой погонного метра
** Низ несущих конструкций
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.
