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).


Расчетная схема при выборе типа двутавра для поясов стропильных фермРисунок 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

Усилие в поясе, кН Шаг раскрепления верхнего пояса в плоскости наименьшей жесткости, м
Тип нагрузки
Сталь Критичный фактор проверки
С355 С390
Профиль КИ, % Профиль КИ, %
≈ -550кН 6
(сосредоточенная, прогонная кровля)
40Б2 97 40Б2 97 Устойчивость из плоскости действия момента
30Ш1 97 30Ш1 97
20К1 100 20К1 100
3
(сосредоточенная, прогонная кровля)
30Б1 89 30Б1 86 Устойчивость из плоскости действия момента
20Ш1 87 20Ш1 83
15К2 86 15К1 95
постоянное раскрепление жестким настилом
(распределенная, беспрогонная кровля)
20Б1 90 18Б2 82 Местная устойчивость стенки
20Ш0 69 20Ш0 63
15К1 73 15К1 68
≈ -950кН 6
(сосредоточенная, прогонная кровля)
40Б4 97 40Б4 97 Устойчивость из плоскости действия момента
35Ш1 87 35Ш1 85
25К1 82 25К1 80
3
(сосредоточенная, прогонная кровля)
35Б2 84 35Б2 95 Устойчивость из плоскости действия момента
25Ш1 96 25Ш1 92
20К1 83 20К1 78
постоянное раскрепление жестким настилом
(распределенная, беспрогонная кровля)
25Б2 93 25Б1 98 Устойчивость в плоскости действия момента
20Ш1 89 20Ш1 82
15К3 81 15К2 93
≈ -1650кН 6
(сосредоточенная, прогонная кровля)
70Б1 87 70Б1 87 Устойчивость из плоскости действия момента
40Ш1 88 40Ш1 86
30К1 85 30К1 81
3
(сосредоточенная, прогонная кровля)
40Б2 98 40Б2 94 Устойчивость из плоскости действия момента
35Ш1 83 35Ш1 79
25К1 84 20К3 99
постоянное раскрепление жестким настилом
(распределенная, беспрогонная кровля)
30Б3 100 35Б1 98 Прочность
30Ш0 93 30Ш0 91
20К2 98 20К2 92
* Выделены профили с наименьшей массой погонного метра.
** Критичный фактор проверки указан для сечения с наименьшей погонной массой.

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


График сечения верхнего пояса при усилии примерно -550кНРисунок 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%.

График сечения верхнего пояса при усилии примерно -950кНРисунок 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%.

График сечения верхнего пояса при усилии примерно -1650кНРисунок 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

Усилие в поясе, кН Шаг раскрепления верхнего пояса в плоскости наименьшей жесткости, м
Тип нагрузки
Марка стали по прочности Критичный фактор проверки
С355 С390
Профиль КИ, % Профиль КИ, %
≈ 550кН 15 35Б1 97 35Б1 97 Гибкость из плоскости стенки
25Ш0 91 25Ш0 91
15К3 99 15К3 99
12 30Б1 91 30Б1 91 Гибкость из плоскости стенки
20Ш0 85 20Ш0 85
15К1 81 15К1 81
9 20Б2 100 20Б2 100 Прочность
20Ш0 70 20Ш0 64
15К1 61 15К1 61
≈ 950кН 15 35Б1 97 35Б1 97 Гибкость из плоскости стенки
25Ш0 91 25Ш0 91
15К3 99 15К3 99
12 30Б1 91 30Б1 91 Прочность
20Ш1 91 20Ш0 83
15К1 89 15К1 81
9 25Б1 95 20Б2 100 Прочность
20Ш1 91 20Ш0 82
15К1 89 15К1 81
более 1450кН 15 35Б2 95 35Б1 97 Прочность
30Ш0 92 25Ш1 97
15К4 98 20К1 91
12 30Б3 92 35Б1 91 Прочность
30Ш0 91 25Ш1 96
20К1 99 20К1 90
9 25Б4 96 35Б1 98 Прочность
30Ш0 91 25Ш1 96
20К1 99 20К1 90
* Выделены профили с наименьшей массой погонного метра.
** Критичный фактор проверки указан для сечения с наименьшей погонной массой.

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).

График сечения нижнего пояса при усилии примерно 550кНРисунок 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.

График сечения нижнего пояса при усилии примерно 950кНРисунок 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.

График сечения нижнего пояса при усилии более 1450кНРисунок 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).
Скрыть навигацию
Не нашли ответ на свой вопрос?
Напишите нам. Наши инженеры готовы обсудить задачу и дать профессиональную консультацию
На сайте используются cookie-файлы, которые помогают показывать Вам самую актуальную информацию. Продолжая пользоваться сайтом, Вы даете согласие на использование ваших метаданных и Cookie-файлов.