Для снижения стоимости строительства новых промышленных зданий необходимо снизить материалоемкость строительных конструкций. Одним из способов решения этой задачи является оптимальное распределение материала по площади поперечного сечения в зависимости от напряженно-деформированного состояния. Наиболее эффективным сечением для изгибаемых элементов является двутавр. В стенке балок двутаврового сечения, для уменьшения общей массы, применяется тонколистовая сталь. Но при большой высоте сечения балки, стенка из тонколистовой стали теряет устойчивость. Для повышения устойчивости стенки ей придают пространственную форму с помощью гофрирования.
Ключевые слова: гофрированная стенка, ребра жесткости, балки, устойчивость.
Постоянный поиск новых конструктивных решений, способных снизить материалоемкость конструкций без снижения ее надёжности привел к появлению конструкций с тонкой гофрированной стенкой.
Впервые данные конструкции стали применяться в кораблестроении и авиации при изготовлении элементов жесткости корпуса. В дальнейшем данная технология с успехом была применена в строительстве в качестве изгибаемых элементов.
Данные балки представляют собой конструкции двутаврового сечения с поясами из стальных листов и стенкой из тонколистовой гофрированной стали.
Рис. 1. Балки с гофрированной стенкой. Источник [10]
Придание стенке пространственной формы путем гофрирования повышает ее устойчивость, что влияет на площадь сечения стенки только из условия прочности на сдвиг и устраняет надобность устройства ребер жесткости.
Увеличение гибкости стенки двутаврового сечения до 300…600 позволяет сконцентрировать материал в поясах и добиться до 30 % экономии стали. Гофрирование тонкой стенки повышает сдвиговую жесткость балки, что дает возможность толщину стенки в 2...4 раза по сравнению с традиционными решениями. Исключение значительного количества ребер жесткости обеспечивает снижение трудозатрат на изготовление до 25 %.
Конструктивные решения балок зависят от формы гофров. В настоящее время наиболее распространенной формой гофрированной стенки, применяемой в нашей стране, являются треугольные гофры (здания типа Алма-Ата, арочные здания ЦНИИпроектстальконструкция им. Мельникова и т. п.) и волнистые (фима ЗЕМАН).
Рис. 2. Балка с треугольным гофрированием стенки. Источник [11]
Первыми исследования в данной области является работа В. Н. Горнова. В своей работе [5] автор предложил применять для стенок высоких балок волнистое железо. На основании экспериментальных исследований четырех моделей балок длинной 110 см, В. Н. Горнов доказал возможность использования вертикальных гофрированных стенок при работе балок на изгиб.
Дальнейшие исследования Острикова Г. М., Максимова Ю. С., Степаненко А. Н., Аржемачева Олькова Я. И., Зверева В. В., Жидкова К. Е. показали эффективность и работоспособность данного конструктивного решения.
Вместе с тем расположение ребер жесткости с постоянным шагом, а также назначение равной амплитуды гофров определяет неизменность сдвиговой прочности на всем пролете тонкостенной балки. Таким образом, при восприятии равномерно-распределенной нагрузки, на менее напряженных участках возникает излишний запас прочности. Причем перерасход стали возрастает по мере ужесточения требований прочности на сдвиг.
Ранее, в 1981 [7] и 2008 [6] годах, предлагалось решение, направленное на экономию, стали в балках с гофрированной стенкой с учетом характера действия напряжений. Предлагалось устраивать более жесткие гофры на опорах и постепенно снижать интенсивность гофрирования к середине пролета, вплоть до гладкой поверхности. Однако, данные конструктивные решения не нашли применения на практике по причине отсутствия методики проектирования, соответствующего оборудования и недостаточной изученности НДС.
Широкое распространение данных конструкций сдерживается рядом факторов:
– проектирование в условиях отсутствия нормативной документации обязательного применения;
– в ряде случаев необходимость научного сопровождения на стадиях изготовления, монтажа и эксплуатации.
Как правило, объем средств, покрывающих перечисленные затраты, тем больше, чем сильнее отличается новое техническое решение от традиционного.
При этом в большинстве случаев на стадии вариантного проектирования оказывается затруднительной точная оценка размера дополнительных затрат.
Несмотря на определенные трудности данные конструкции с успехом применяются в промышленном и гражданском строительстве в качестве производственных зданий (крановых и бескрановых), складов, укрытий, административно-бытовых сооружений, физкультурно-оздоровительных комплексов и т. п.
Литература:
- Ааре И. И. Расчет и проектирование тонкостенных металлических балок/ Труды Таллинского политехнического института. — 1968. Серия А, № 259. — С. 29–58.
- Ааре И. И., Иднурм С. И. Исследование работы стенки тонкостенной металлической балки после потери устойчивости от сдвига и изгиба / Труды Таллинского политехнического института. — 1968. — Серия А, № 259. — С. 15–28.
- Ажермачев Г. А. Исследование сварных стальных балок с волнистыми стенками: автореф. дис. канд. техн. наук — Новосибирск: НИСИ, 1969. — 16 с.
- Бирюлев В. В., Кошин И. И., Крылов И. И., Сильвестров А. В. проектирование металлических конструкций. Специальный курс. — Л.: Стройиздат, 1990. С. 46–59. 174.
- Горнов В. Н. Новые тонкостенные конструкции / Проект и стандарт. — 1937. — № 3. — С 25–28.
- Рыбкин И. С. Совершенствование конструктивных решений, методов моделирования и расчета гофрированных элементов: автореф. дис. канд. техн. наук. — М.: МГСУ, 2008–536 с.
- Строительный элемент типа балки: а. с. 857389 СССР: Е 04 С 3/07 / И. А. Штейнбок, А. И. Тимофеев, О. В. Тислак (СССР). — № 2840548/29–33; заявл. 21.11.79.; опубл. 23.08.81. — Бюл. № 31. — 2 с.
- Металлическая колонна двутаврового сечения / Зайцев Г. Е., Огневой В. И., Зверев В. В., Жидков К. Е., Мязин В. А.: патент на изобретение RUS 2339772 12.05.2006.
- Эффективные строительные металлоконструкции на основе объемно-формованного тонколистового проката (исследование, проектирование, изготовление) / Зверев В. В.: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Липецк, 2000.
- https://msm24.ru/upload/iblock/220/220d2ff27108ab1ee16f33d74a6360ec.jpg
- https://konspekta.net/infopediasu/baza16/4498789237440.files/image088.jpg
