О возможности изменения угла наклона верхнего пояса серийной фермы из гнутосварных профилей

Основной задачей при возведении кровли любой конфигурации и вида является максимальное обеспечение защиты здания от негативного воздействия внешних факторов. Устойчивость изготавливаемых крыш будет зависеть от качества ее несущей конструкции, в основе которой находится стропильная ферма. Данное изделие должно выдерживать существенные нагрузки, состоящие из веса пирога кровли, а также массы снега, который накапливается в зимний период времени. Оказывает влияние и сильный ветер. Задачей ферм является передача общей нагрузки с кровли на несущий каркас здания.

При строительстве одноэтажных промышленных зданий применяются сэндвич-панели - один из востребованных кровельных материалов. Их можно устанавливать в любое время года. Монтаж сэндвич-панелей представляется легким и быстрым по сравнению с другими видами кровельного покрытия. Они обладают высокими эксплуатационными качествами и способностью выдерживать существенные нагрузки. Согласно [1] панели могут эксплуатироваться в снеговых районах I–VI, то есть рассчитаны под нагрузку до 400 кг/м2, а также обеспечивают эффективный сток воды с крыши. Благодаря надёжной теплоизоляции сэндвич панель можно применять в любой климатической зоне России. Панели имеют сравнительно небольшой вес и одновременно выполняют функцию финишного покрытия и утеплителя. Именно по этим причинам кровля из сэндвич-панелей пользуется высоким спросом среди застройщиков.

В настоящей статье изучается серия 1.460.323.98 «Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24 и 30 м из замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения с уклоном кровли 10 %» [2], которая заменяет собой серию 1.460.3-14 «Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24 и 30 м с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа "Молодечно". Чертежи КМ» [3], в которой ферма запроектирована с параллельными поясами, имеющими строительный подъем 0,015 %. В действующей серии 1.460.3-23.98 уклон кровли составляет 10%. СП 17.13330.2011 «Кровли» [4], где приведены предпочтительные уклоны кровель в зависимости от применяемых материалов, не дает ответа насчет сэндвич-панелей. Наиболее близкий к сэндвич-панелям материал, который фигурирует в [4] - это профилированный металлический лист. Для этой позиции (стальной оцинкованный, с полимерным покрытием, из нержавеющей стали, медный, цинк-титановый, алюминиевый лист) установлено значение «больше или равно 12 %», то есть больше или равно углу в 7° [5].

В связи с этим возникает необходимость в проектировании стропильной фермы с увеличенным уклоном верхнего пояса. В определении того, как повлияет изменение уклона на усилия, возни-

Рис. 1. Геометрия стропильной фермы по серии 1.460.3-23.98

кающие в элементах фермы, и заключается цель данного исследования. Общий вид стропильной фермы с уклоном кровли 10 % приведен на рис. 1 [2].

Применение ферм из гнутосварных профилей обусловлено рядом преимуществ, начиная от прочности и заканчивая более эстетичным и архитектурно выразительным внешним видом. Также данную ферму можно использовать в условиях повышенной агрессивности окружающей среды, так как закрытые сечения стержней позволяют уменьшить открытые площади, подвергаемые коррозии, в два раза по сравнению с открытыми [6]. Трубы прямоугольного сечения обладают достаточной конструктивной жесткостью и прочностью, также их применение позволяет снизить общую металлоемкость любой конструкции на четверть, что значительно удешевляет ее стоимость [7]. Причем прочность конструкции легко регулировать, используя при монтаже прямоугольные трубы с различной толщиной стенок.

Но, используя данный тип ферм, стоит обратить внимание на существующие недостатки, такие как трудоемкость изготовления и возникнове- ние изгибающего момента в узлах соединения поясов и раскосов за счет того, что оси данных элементов не пересекаются в одной точке. На рис. 2 видно, что оси раскосов пересекаются с неким эксцентриситетом, который увеличивается по мере приближения к середине фермы.

Перед тем как спроектировать ферму с уклоном 15 %, в ПК SCAD Office была выполнена проверка сечений раскосов и поясов с узловым соединением последних. За счет увеличения уклона на 5 % увеличилась высота фермы, что в свою очередь привело к уменьшению усилий в элементах фермы. В таблице приведена информация об усилиях в ферме с уклоном 10 % [2], с уклоном 15 % и о принятых в серии сечениях. Из таблицы видно, что продольные усилия в элементах фермы уменьшились. Следовательно, сечения, принятые в серии, можно оставить без изменений, что позволило получить новую геометрию фермы (рис. 3).

Однако увеличение уклона верхнего пояса также привело к увеличению эксцентриситетов (рис. 4), что, в свою очередь, привело к увеличению величины изгибающих моментов в узлах фермы.

Рис. 2. Основные узлы стропильной фермы по серии 1.460.3-23.98

Чебоксаров Д.В., Минеева А.Д., Шубин А.М.

Таблица

Элементы фермы	Обозначение элементов	Марка стали по ГОСТ 27772-88	Допускаемая расчетная нагрузка в тс/м
			2,9
			Усилие в ферме с уклоном 10 %	Сечение	Усилие в ферме с уклоном 15 %
			N, тс		N, тс
Верхний пояс	B1	C345-3 (R=3400 кг/см2)	–36,8	Гн. □ 180х140х6	–35,08
	B2		–82,1	Гн. □ 180х140х6	–72,01
	B3		–97,5	Гн. □ 180х140х6	–81,49
	B4		–95,6	Гн. □ 180х140х6	–77,7
Нижний пояс	Н1		+66,3	Гн. □ 140х6	+59,87
	Н2		+94,1	Гн. □ 140х6	+79,74
	Н3		+99,2	Гн. □ 140х6	+81,19
	Н4		+91,5	Гн. □ 140х6	+73,3
Раскосы	Р1		+44,9	Гн. □ 120х5	+42,64
	Р2		–40,2	Гн. □ 120х5	–35,53
	Р3	С255 (R=2450 кг/см2)	+20,5	Гн. □ 100х3	+15,93
	Р4		–18,0	Гн. □ 100х3	–13,99
	Р5		+4,3	Гн. □ 100х3	+1,37
	Р6		–3,8	Гн. □ 100х3	–1,13
	Р7		–7,3	Гн. □ 100х3	–8,1
	Р8		+6,8	Гн. □ 100х3	+7,71

Рис. 3. Геометрия стропильной фермы с уклоном верхнего пояса 15 %

Рис. 4. Узлы стропильной фермы с уклоном верхнего пояса 15 %

Рис. 5. Эпюра изгибающих моментов стропильной фермы с уклоном верхнего пояса 15 %

Для оценки прочности элементов фермы с измененным углом наклона верхнего пояса в ПК SCAD Office [8] была смоделирована ферма с учетом данных эксцентриситетов. Результат расчета показан на рис. 5, по которому видно, что максимальный изгибающий момент возникает в месте пересечения раскоса Р2 и нижнего пояса Н1, но расчет на прочность сварного шва производится для раскоса Р1, так как в нем действует продольная растягивающая сила совместно с изгибающим моментом. Если проверка выполнится в данном узле, в оставшихся прочность будет обеспечена.

Расчет сварных соединений с угловыми швами при совместном действии момента М, равного 0,37 т·м или 329,2 кН·см, и продольной силы N, равной 418,2 кН, в плоскости, перпендикулярной к плоскости расположения швов, выполнен на условный срез по двум сечениям [9, 10]:

по металлу шва: т <  R wf у c ;

по металлу границы сплавления: т <  R_{w Z}Y_C, где R wz , R wf - расчетное сопротивление металла на границе сплавления;

Y с = 0,9 - коэффициент условия работы по

[9, табл. 1];

R wf = ^{0,55 R} wun ; R wz = 0,45 R un ,           (1)

Y wm где Rwun = 49 кН / см2 - нормативное сопротивление металла по [9, табл. Г.2];

Run = 49 кН / см2 - нормативное сопротивле- ние стали;

Ywm = 1,25 - коэффициент надежности по ме таллу шва [9].

По металлу шва:

^т = Ж^т n ^{+ т} м ) ;

N        418, 2

^Т N "р f k f l w " 0,9 - 0,5 - 63,4

кН

= 14,66     ;

см2

M 329, 2      кН

ТM  Wf   216   1,52 см2, т = J(14,66 +1,52)2 = 16,18 -кН-;

см2

16,18 кН/см² <  21,6 - 0,9 = 19,44кН/см².

По металлу границы сплавления:

N       418,2          кН tn === 12,56   -;

N   в z k f l w   1,05 - 0,5 - 63,4         см²

M 329, 2    кН т = — =----= 1,3 —^;

^M   W z   252     см²

кН т = <тN +тм ) = 13,86--2";              (9)

см

13,86 кН/см² <  22,1 - 0,9 = 19,89 кН/см²,  (10)

где в f . в z - безразмерный коэффициент, определяемый по [9, табл. 38];

k f - катет шва, принятый 5 мм по серии [2];

l_w - длина шва равная 12 см; принимаем длину того шва, который работает на растяжение, т. е. одну из сторон прямоугольника. Оставшуюся часть растянутого сварного шва примем в запас для напряжения от изгибающего момента. Для расчета по продольной силе - полная длина, равная 63,4 см.

Wf, Wz - моменты сопротивления расчётных сечений сварного соединения по металлу шва и по металлу границы сплавления соответственно;

в Ai22   0 9-0 5-122

Wf = f-fw = 0,9 0,5 12 = 216 см2;(11)

w   Р zkflW 1,05 - 0,5 -122

Wz = —2— =---------= 252 см .(12)

Условия выполняются, прочность сварного соединения обеспечена.

На основе вышеизложенного сделаны сле- дующие выводы:

• 1.    Увеличение уклона верхнего пояса фермы возможно без изменения сечений элементов. Уве-

• личение уклона привело к уменьшению продольных усилий в элементах фермы и увеличению изгибающего момента в местах соединения раскосов и панелей поясов.

• 2.    Прочность сварных швов с учетом действия увеличенных изгибающих моментов обеспечена.

• 3.    Разработаны основные узлы фермы с уклоном верхнего пояса 15 %.

• 4.    Спроектированная ферма применима для устройства кровли из сэндвич-панелей.