Известно, что ГОСТ 57837 предоставляет проектировщику достаточно широкий выбор сечений двутавров: помимо основной линейки Б, Ш и К имеются двутавры дополнительных серий. Казалось бы, для колонн выбираются К, для изгибаемых элементов Б или Ш, но на деле все не так очевидно. Какой же тип прокатного двутавра будет иметь меньшую металлоемкость при обеспечении требуемой несущей способности? В статье рассмотрены некоторые закономерности между эффективным сечением и такими параметрами как расстояние между раскреплениями в плоскости наименьшей жесткости двутавров, высота колонн и величина нагрузок.
Описание расчетной модели для теста
Для простоты можно рассмотреть типовую поперечную раму, в которой колонна в плоскости рамы имеет жесткое защемление, а из плоскости — шарнирное; стропильная ферма шарнирно опирается на колонну, которая плоскостью наибольшей жесткости ориентирована в плоскости рамы; опирание фермы на колонну с боковым примыканием, эксцентриситет при расчете учтен:
- 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;
- 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 зависимость типа двутавра от шага раскрепления в плоскости наименьшей жесткости, а также величины вертикальной нагрузки (в данном примере рассмотрены IV и VIII снеговой районы, нагрузка между которыми 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.
Ниже полученные зависимости типов двутавров представлены 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 7м, 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 7м, 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, 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 5м, нормальные нагрузки
При уменьшении высоты колонны зависимость между типами профилей принципиально не меняется, для шага раскрепления 4м эффективен тип Б, для 6м — тип Ш.
Рисунок 5 — График для рамы высотой до низа ригеля 5м, повышенные вертикальные нагрузки
Увеличение вертикальной нагрузки меняет зависимость между двутаврами типа Ш и К - при шаге раскреплений 6м эффективнее колонный двутавр.
Рисунок 6 — График для рамы высотой до низа ригеля 9м, нормальные нагрузки
Как видно по графику, увеличение высоты колонны повлияло на зависимость между типами Б и Ш для шага раскрепления 6м. При шаге раскреплении колонн из плоскости рам 4-6м эффективен двутавр типа Б, при 8м — тип Ш.
Рисунок 7 — График для рамы высотой до низа ригеля 9м, повышенные вертикальные нагрузки
Тип Б эффективен при шаге раскрепления 4 м, при шаге 6-8м — тип Ш. В целом график аналогичен исходному варианту с повышенной вертикальной нагрузкой.
Шаг раскрепления и величина горизонтальной нагрузки
Для простоты можно рассмотреть 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 |
** Низ несущих конструкций
Рисунок 8 — График для рамы высотой до низа ригеля 7м, повышенные горизонтальные нагрузки
Из графика можно сделать вывод, что величина ветровой нагрузки имеет прямое влияние на зависимость между двутаврами типов Ш и К, график же для балки типа Б не меняет своей формы. Так же очевидно, что при шаге раскрепления 4м эффективен тип Б, а при шаге распорок из плоскости колонн 6-8м — тип К.
Какие можно сделать выводы
Как итог, из полученных выше данных:
- нормальный двутавр типа Б эффективен при небольшой расчетной длине колонны в плоскости наименьшей жесткости (около 4м);
- балки типа Ш и К эффективны при значительной расчетной длине в плоскости наименьшей жесткости (6м и более);
- двутавр типа К эффективен при больших расчетных длинах (8м и более) и больших нагрузках (большепролетные здания, тяжелые краны, повышенные снеговые нагрузки);
- изменение высоты колонны не меняет принципиальных закономерностей между типами двутавров в зависимости от шага раскрепления в плоскости наименьшей жесткости;
- при увеличении горизонтальной нагрузки колонный двутавр становится эффективен при небольших расчетных длинах из плоскости стенки (от 6м);
- для колонн высотой до 7м и небольших горизонтальных нагрузках наименьшая металлоемкость при распорках в карнизе, при значительных ветровых нагрузках — при шаге распорок 4-6м.
