Выбор типа двутавра для поясов стропильных ферм

Использование прокатных двутавров для поясов стропильных ферм

Что лучше, ферма или балки из горячекатаного двутавра? У каждой конструкции есть рациональная область применения.

В основном фермы из двутавра сравнивают с фермами из профильных труб по серии «Молодечно». Диапазон решений серии «Молодечно» — пролёт от 18 до 30 м, снеговой район при пролёте 30 м — не выше V, усилие в верхнем поясе не более 126 т.

При пролёте до 24 м альтернативой фермам из профильных труб могут быть шпренгельные фермы (см. статью Шпренгельные фермы - альтернатива стропильным фермам "Молодечно"), от 24 м — фермы с поясами из прокатного двутавра. Для пролётов менее 12 м применяют балки из горячекатаного двутавра вместо ферм.

Фермы «Молодечно» не всегда рационально применять, т. к. они имеют известные проблемы:

• прочность узлов (научно-исследовательский и проектный институт «Эксплуатационный ресурс конструкций»);
• коррозия тонкостенных труб (к вопросу влияния коррозионных повреждений на несущую способность стропильных ферм типа «Молодечно» — Белова — Научный рецензируемый журнал «Вестник СибАДИ»).

Двутавр в верхнем поясе стропильной фермы

Конкуренция с Молодечно

Применение прокатного двутавра взамен профильных труб для верхнего пояса ферм при пролетах до 30 м может быть эффективно при постоянном раскреплении из плоскости стенки (усилие в поясе до 130 т). Такое раскрепление обеспечивается профилированным настилом, образующим диафрагму, т.е. применяется беспрогонная кровля.

За рамками Молодечно

Устройство поясов из прокатного двутавра без постоянного раскрепления эффективно за рамками серии «Молодечно», т. е. при пролетах от 30 м, либо повышенных вертикальных нагрузках или уменьшении высоты стропильной фермы.

Ниже приведена расчетная схема стропильной фермы пролетом 30 м. Грузовая ширина — 6 м. Для этой фермы выполнено сравнение металлоемкости верхнего пояса в зависимости от:

• шага раскрепления пояса из плоскости фермы;
• снеговой нагрузки.

Рисунок 1 — Шаг раскрепления 30 м

Таблица 1 — Сравнение металлоемкости верхнего пояса из профильной трубы и прокатного двутавра

Параметры для верхнего пояса

Назначение того или иного типа сечения для верхнего пояса фермы нетривиальная задача. Параметры, с помощью которых проектировщик может повлиять на стоимость верхнего пояса:

• шаг раскрепления;
• тип сечения;
• материал (класс прочности);
• высота ригеля (влияет на усилие в поясе);
• приведенная толщина (п. 5.4.3 СП 2.13130.2020 «Системы противопожарной защиты»: если требуемый предел огнестойкости R15 и приведенная толщина металла элемента не менее 4 мм — допускается применять незащищенные стальные конструкции).

Выбор типа прокатного двутавра для верхнего пояса

После выбора двутавра для пояса необходимо определиться с его типом: Б, Ш или К. Ниже (таблица 2) приведена зависимость типа двутавра для верхнего пояса от:

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

Таблица 2 — Матрица решений для верхнего пояса

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

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 при шаге раскрепления 3 м позволяет снизить металлоемкость на 17%.

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

При средних по величине усилиях в верхнем поясе и шаге раскрепления 6 м, эффективен профиль типа К, для шага 3 м — типы Б и К, для постоянного раскрепления — тип Б.

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

Увеличение усилия в верхнем поясе принципиально не влияет на зависимость типа профиля от шага раскрепления из плоскости стенки.

Все графики имеют схожие очертания.

Общие выводы для элементов верхнего пояса конструкций ферм:

• наименьшая металлоемкость конструкций покрытия (включая связи) — при постоянном раскреплении верхнего пояса (профилированным листом) и двутавре типа Б;
• колонный двутавр эффективен при шаге раскрепления верхнего пояса из плоскости стенки 6 м и 3 м;
• применение стали С390 оправдано во всех случаях — снижается коэффициент использования сечений;
• применение стали С390 при высоких нагрузках в поясе повышает вероятность использования профиля меньшего сечения.

Двутавр в нижнем поясе стропильной фермы

Сравнение с Молодечно

Двутавр в нижнем поясе стропильной фермы эффективен:

• при усилии в поясе от 140 т (т. е. за рамками серии «Молодечно») при эквивалентных сталях С355;
• при усилии в поясе от 120 т при использовании стали повышенной прочности С390.

Для нижних поясов стропильных ферм обычно используются минимальные сечения прокатных двутавров с большой дискретностью сортамента, т.е. разница между соседними типоразмерами достаточно велика. Поэтому эффективно применять сталь повышенной прочности С390 для перехода на меньший типоразмер.

Ниже расчетная схема стропильной фермы пролетом 36 м. Грузовая ширина — 6 м. Шаг раскрепления нижнего пояса из плоскости фермы — 12 м. Выполнено сравнение металлоемкости нижнего пояса в зависимости от снеговой нагрузки.

Рисунок 5 — Шаг раскрепления 36 м

Рисунок 6 — Сравнение металлоемкости нижнего пояса из профильной трубы и прокатного двутавра

Для прокатного двутавра из стали С355 при усилии в поясе 120-140 т накладывается дискретность сортамента. Начиная с усилия в поясе в 140 т, прокатный двутавр легче профильной трубы. Двутавр из стали С390 при усилии в поясе 120 т сопоставим по массе с профильной трубой.

Параметры для нижнего пояса

На стоимость нижнего пояса стропильной фермы проектировщик может повлиять через следующие параметры:

• площадь сечения;
• материал (класс прочности);
• высота ригеля (влияет усилие в поясе);
• конструирование (шаг раскрепления);
• приведенная толщина (п. 5.4.3 СП 2.13130.2020 «Системы противопожарной защиты»: если требуемый предел огнестойкости R15 и приведенная толщина металла элемента не менее 4 мм — допускается применять незащищенные стальные конструкции).

Выбор типа прокатного двутавра для нижнего пояса

Далее определим тип двутавра для нижнего пояса.

Ниже (таблица 3) представлена зависимость типа двутавра для нижнего пояса от:

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

Таблица 3 — Матрица решений для нижнего пояса

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

Рисунок 7 — График сечения нижнего пояса при усилии ≈550кН

При шаге раскрепления 9-15 м профиль типа Ш наиболее эффективен.

Рисунок 8 — 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.

Рисунок 9 — График сечения нижнего пояса при усилии более 1450 кН

Увеличение усилия в нижнем поясе меняет зависимость типа профиля от шага раскрепления из плоскости стенки. Критерием подбора нижнего пояса при больших усилиях в нём является прочность. Поэтому профиль подбирается, исходя из требуемой площади сечения (чем ближе к ней — тем лучше), независимо от типа двутавра.

Общие выводы для элементов нижнего пояса конструкций ферм:

• шаг раскрепления из плоскости меньше влияет на металлоемкость, т. к. растянутый пояс не теряет устойчивость;
• при усилиях 550-950 кН наименьшая металлоемкость при шаге раскрепления 12 м и двутавре типа Ш;
• при усилиях более 1450 кН наименьшая металлоемкость — при шаге распорок 15 м;
• применение стали С390 рационально при подборе сечения нижнего пояса по критерию прочности.

Особенности конструирования ферм с поясами из прокатного двутавра

В качестве решетки в фермах с поясами из прокатного двутавра обычно используют профильные трубы. Узел соединения трубы с полкой двутавра может иметь меньшую несущую способность, чем сами элементы, образующие узел. В связи с этим может возникнуть необходимость усиления узла — установки наклонных планок. При этом нужна сварка, а пояс и стенка подкрепляются планкой.

Рисунок 10 — Узел фермы, усиленный наклонными планками

Однако часто наклонные планки устанавливают без необходимости. Это повышает трудоемкость производства фермы: каждая планка устанавливается и обваривается вручную.

Проверка необходимости усиления узлов крепления профильных труб к поясам ферм из прокатного двутавра приведена в п. 15 СП 294.1325800. Как выполняется эта проверка, описано в статье — Узлы стропильных ферм с наклонными планками.

Почему двутавры предпочтительнее для верхнего пояса ферм при беспрогонном покрытии?

Верхний пояс из двутавра снижает риск возникновения внутренней коррозии. Если верхний пояс выполнен из трубы, саморез для крепления профилированного настила прорезает стенку трубы, из-за чего влага может поступать внутрь профиля. В отапливаемых зданиях это приводит к постепенной, визуально незаметной коррозии. В неотапливаемых может привести к деформации или разрыву профиля в результате замерзания воды.

Выводы

Рациональная область применения ферм с поясами из прокатного двутавра — пролёты от 24 м и нормальные, либо повышенные вертикальные нагрузки (усилия в поясах от 110 т).

Постоянное раскрепление верхнего пояса профилированным настилом позволяет использовать меньшие типоразмеры двутавров (что ведёт к снижению толщины поясов). Кроме того, открытое сечение верхнего пояса позволяет избежать внутренней коррозии профиля, ряда проблем при эксплуатации здания или сооружения.

Для нижнего пояса рационально использовать сталь повышенной прочности С390, это может помочь перейти на мéньший профиль.

Для верхнего пояса применение стали С390 поможет снизить коэффициент использования сечений, а при высоких нагрузках в поясе повышает вероятность использования профиля меньшего сечения.

Полезные материалы

Для стропильных ферм пролётом 18-24 м разработаны альбомы технических решений — аналог серии на фермы с поясами из широкополочных двутавров:

• Система для кровель с уклоном 2%
• Система для кровель с уклоном 5%
• Система для кровель с уклоном 10%