Выбор типа двутавра для поясов стропильных ферм

Использование прокатных двутавров для поясов стропильных ферм

Использование прокатных двутавров для поясов стропильных ферм во многих случаях экономически целесообразно по сравнению с другими видами профилей (квадратные и прямоугольные трубы, спаренные уголки). Дополнительное преимущество такого решения — простота крепления решетки фермы к плоской поверхности пояса двутавра.

Преимущества двутавра в верхнем поясе фермы для беспрогонных систем описаны в статье «Особенности применения ферм с поясами из горячекатаного двутавра».

Но не всегда очевидно, какой тип двутаврового сечения рационально применить.

В статье рассмотрена зависимость типа сечения верхнего и нижнего поясов от шага кровельных связей и вертикальной нагрузки.

Для наглядности рассмотрена стропильная ферма со следующими параметрами:

• опирание фермы на колонну — шарнирное;
• пролет фермы — 30 м, шаг рам — 6 м;
• высота фермы в коньке — 2,8 м, уклон верхнего пояса — 10%;
• сталь С355 и С390;
• двутавры для поясов ориентированы стенкой в плоскости фермы;
• в качестве распорок применены прогоны покрытия (нет увеличения массы на распорки в случае более частого раскрепления верхнего пояса).

Рисунок 1 — Расчетная схема фермы

Зависимость типа двутавра для верхнего пояса

Ниже (таблица 1) приведена зависимость типа двутавра для верхнего пояса от:

• шага раскрепления в плоскости наименьшей жесткости;
• типа нагрузки;
• усилия в поясе;
• марки стали.

Таблица 1 — Матрица решений для верхнего пояса

* Выделены профили с наименьшей массой погонного метра.
** Критичный фактор проверки указан для сечения с наименьшей погонной массой.

Полученные зависимости типов двутавров представлены в виде графиков. Уточним, что в графиках масса погонного метра — погонная масса подобранных сечений.

Рисунок 2 — График сечения верхнего пояса при усилии ≈ −550кН

Для рассматриваемой расчетной схемы при раскреплении верхнего пояса из плоскости стенки с шагом 6 м и 3 м эффективен профиль типа К, для постоянного раскрепления — тип Б.
Сталь С390 хорошо подойдет при шаге раскрепления 3 м, так как позволяет снизить металлоемкость на 17%. При постоянном раскреплении профиля снижение погонной массы составляет 15%.

Рисунок 3 — График сечения верхнего пояса при усилии ≈ −950кН

При средних по величине усилиях в верхнем поясе и шаге раскрепления в плоскости наименьшей жёсткости 6 м, эффективен профиль типа К, для шага 3 м — типы Б и К, для постоянного раскрепления — тип Б.
Использование стали С390 рационально при постоянном раскреплении, что дает снижение металлоемкости на 13%.

Рисунок 4 — График сечения верхнего пояса при усилии ≈ −1650кН

Как видно из графика, увеличение усилия в верхнем поясе принципиально не влияет на зависимость типа профиля от шага раскрепления из плоскости стенки.
Сталь С390 эффективна при шаге раскрепления 3 м, и при постоянном раскреплении, снижая металлоемкость на 10%.

Из проведенных расчетов видно, что все графики имеют схожие очертания.
Общие выводы для элементов верхнего пояса конструкций ферм:

• наименьшая металлоемкость конструкций покрытия (включая связи) — при постоянном раскреплении верхнего пояса жестким настилом (профилированным листом) и применении двутавра типа Б;
• колонный двутавр эффективен при шаге раскрепления верхнего пояса из плоскости стенки 6 м и 3 м;
• применение стали повышенной прочности (С390) оправдано во всех случаях — снижается коэффициент использования сечений, наибольший эффект — при раскреплении в плоскости наименьшей жесткости двутавра с шагом 3 м или при постоянном раскреплении балки жестким настилом;
• применение стали С390 при высоких нагрузках в поясе повышает вероятность использования профиля меньшего сечения, однако при небольших нагрузках это затруднительно из-за значительных различий характеристик соседних профилей.

Зависимость типа двутавра для нижнего пояса

Ниже (таблица 2) представлена зависимость типа двутавра для нижнего пояса от:

• шага раскрепления в плоскости наименьшей жесткости;
• усилия в поясе;
• марки стали по прочности.

Таблица 2 — Матрица решений для нижнего пояса

* Выделены профили с наименьшей массой погонного метра.
** Критичный фактор проверки указан для сечения с наименьшей погонной массой.

Полученные зависимости типов двутавров представлены в виде графиков. Уточним, что в графиках в массе погонного метра учтена масса распорок для каждого сечения в зависимости от шага раскрепления пояса из плоскости стенки (распорка — профильная труба 120х4).

Рисунок 5 — График сечения нижнего пояса при усилии ≈550кН

Для рассматриваемой расчетной схемы при шаге раскрепления в плоскости наименьшей жёсткости 9-15 м, профиль типа Ш наиболее эффективен.
Графики для сталей С355 и С390 накладываются друг на друга.

Рисунок 6 — График сечения нижнего пояса при усилии ≈950кН

При средних по величине усилиях в поясе и шаге раскрепления 9-15 м также эффективен профиль типа Ш.
Использование стали С390 при шаге раскрепления 9-12 м позволяет снизить металлоемкость на 3% и 7% соответственно.

Рисунок 7 — График сечения нижнего пояса при усилии более 1450кН

Увеличение усилия в нижнем поясе меняет зависимость типа профиля от шага раскрепления из плоскости стенки. График для типа Б сталь С390 наложился на график типа К сталь С390.
Критерием подбора нижнего пояса при больших усилиях в нём является прочность. При этом наиболее важным критерием выбора является прочность, поэтому профиль подбирается, исходя из требуемой площади сечения (чем ближе к ней тем лучше), независимо от типа двутавра.
Как видно из графика, при больших усилиях в нижнем поясе наименьшая металлоемкость пояса и распорок — при более редком раскреплении. Это объясняется тем, что из-за значительных нагрузок сечение двутавра становится развитым, критический фактор проверки — прочность, а не гибкость из плоскости стенки.
Сталь С390 эффективна во всех случаях, так как подбор сечения ведется по прочности.

Выводы для нижнего пояса

Графики для небольших и средних усилий в нижнем поясе имеют схожую форму, однако для больших усилий они значительно отличаются.
Общие выводы для элементов нижнего пояса конструкций ферм:

• графики имеют меньшую амплитуду, по сравнению с верхним поясом — шаг раскрепления из плоскости меньше влияет на металлоемкость, т.к. нижний пояс растянут и не теряет устойчивость;
• при небольших и средних усилиях наименьшая металлоемкость пояса и распорок достигается при шаге раскрепления 12 м и широкополочном двутавре;
• при значительных усилиях (более 1450 кН) наименьшая металлоемкость нижнего пояса и распорок — при шаге распорок 15 м;
• применение стали повышенной прочности (С390) рационально во всех случаях, где основной критерий подбора сечения нижнего пояса прочность (критерием, по которому подбирается элемент, можно управлять шагом распорок).