Выбор типа двутавра для поясов стропильных ферм

Использование прокатных двутавров для поясов стропильных ферм во многих случаях имеет большую экономическую выгоду 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.

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

Рассмотрим зависимость типа сечения верхнего и нижнего поясов от шага кровельных связей и вертикальной нагрузки.

Для примера запроектирована стропильная ферма, в которой:

• опирание фермы на колонну - шарнирное;
• пролет фермы - 30м, шаг рам - 6м;
• высота фермы в коньке - 2,8м, 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 из плоскости рам).

Рисунок 1 — Расчетная схема фермы

Зависимость типа двутавра для верхнего пояса от шага раскрепления в плоскости наименьшей жесткости, типа нагрузки, усилия в поясе и марки стали.

Результаты расчета представлены ниже в матрице решений:

Таблица 1 — Матрица решений для верхнего пояса

Получим 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 6м и 3м эффективен профиль типа К, для постоянного раскрепления - тип Б.
Сталь С390 эффективна при шаге раскрепления 3м - снижение металлоемкости на 17%, и при постоянном раскреплении - снижение погонной массы профиля на 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 6м эффективен профиль типа К, для шага 3м - типы Б и К, для постоянного раскрепления - тип Б.
Применение стали С390 рационально для постоянного раскрепления - 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, как и ранее, эффективная при шаге раскрепления 3м, и при постоянном раскреплении - снижении металлоемкости 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;
• при шаге раскрепления верхнего пояса из плоскости стенки 6м и 3м эффективен колонный двутавр;
• применение стали повышенной прочности (С390) оправдано во всех случаях - снижается коэффициент использования сечений, наибольший эффект - при раскреплении в плоскости наименьшей жесткости двутавра с шагом 3м или при постоянном раскреплении балки жестким настилом;
• применение стали С390 в случае значительных нагрузок в поясе повышает вероятность перейти на профиль меньшего сечения (при небольших нагрузках проблематично перейти на меньший профиль из-за дискретности сортамента двутавров - соседние профили значительно отличаются по своим характеристикам).

Зависимость типа двутавра для нижнего пояса от шага раскрепления в плоскости наименьшей жесткости, усилия в поясе, марки стали по прочности.

Результаты расчета представлены ниже в матрице решений:

Таблица 2 — Матрица решений для нижнего пояса

Получим 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 9м - 15м эффективен профиль типа Ш.
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 в плоскости наименьшей жёсткости 9м - 15м также эффективен профиль типа Ш.
Применение стали С390 рационально для шага раскрепления 9м - 12м - снижение металлоемкости на 3% и на 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. Поэтому наиболее эффективный профиль - наиболее точно попавший в требуемую площадь сечения, вне зависимости 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, критичный фактор проверки - прочность, а не гибкость из плоскости стенки.
Сталь С390 эффективна во всех случаях, т.к. подбор сечения ведется по прочности.

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

• графики имеют меньшую амплитуду, чем графики для верхнего пояса - шаг раскрепления из плоскости меньше влияет на металлоемкость, т.к. нижний пояс растянут и не теряет устойчивость;
• при небольших и средних усилиях в нижнем поясе наименьшая металлоемкость пояса и распорок - при шаге раскрепления 12м и двутавре типа Ш;
• при значительных усилиях в нижнем поясе (более 1450 кН) наименьшая металлоемкость нижнего пояса и распорок - при шаге распорок 15м;
• 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).