В данной статье рассмотрены различные формы перфорации, применяемые в «термопрофилях» ЛСТК. Проведен анализ отличия перфорации по длине, расстоянию между отверстиями и их расположению.
Задачей исследования является выявление зависимости напряжений и деформаций стержня от вида перфорации и определение оптимальной геометрии перфорации.
Ключевые слова: ЛСТК, тонкостенный стержень, перфорация, термопрофиль.
Термопрофиль представляет собой оцинкованный холодногнутый профиль с продольными просечками или перфорацией в стенке (см. рис.1). Перфорацию выполняют в шахматном порядке, благодаря чему увеличивается путь прохождения теплового потока и пропадают так называемые «мостики холода» (см. рис.2). Такое решение помогает предотвратить появление конденсата и исключает возможность промерзания стен изнутри сооружения.
Рис. 1. Перфорированный холодногнутый профиль (термопрофиль)
Рис. 2. Путь теплового потока в перфорированном профиле
Сфера применения термопрофилей достаточно широка — несущие каркасы малоэтажных зданий, дополнительное утепление наружных стен многоэтажных зданий с несущим железобетонным или стальным каркасом, промежуточные элементы в бесчердачных крышах из несущего профилированного листа, стеллажи в торговых производственных и складских комплексах.
На данный момент прочностные характеристики профилей легких стальных конструкций достаточно хорошо изучены. Но в случае с термопрофилями необходимо дополнительно учитывать их ослабление перфорацией.
Для подбора наиболее эффективного сечения перфорированного профиля необходимо проводить испытания совместно на несущую способность и теплотехнические показатели профилей.
В статьях [8], [9] установлена взаимосвязь теплотехнических характеристик термопрофилей с геометрией и видом их перфорации. В данной статье рассмотрим влияние формы перфорации на НДС профиля.
В качестве объекта исследования принят П-образный профиль марки SA-200–20-U-OUT производителя ООО «ПРОДОМ Тверь». Параметры и геометрические размеры см. рис.3.
Рис. 3. Размеры профиля SA-200–20-U-OUT
Моделирование производилось в ПК ANSYS. Длина элемента принята 1,5м. К верхнему торцу стержня приложена нагрузка 10Н. Стержень закреплен в опорной зоне и в оголовке шарнирно с запретом линейных перемещений. Граничные условия и нагрузку см. рис.4.
Рис. 4. Граничные условия и нагрузка
В данном исследовании были рассмотрены несколько модификаций перфорации вышеуказанного профиля:
1) Увеличение длины отверстия
2) Увеличение расстояния между отверстиями в поперечном направлении
3) Разделение перфорации на 2 группы относительно оси симметрии
4) Добавление дополнительных рядов отверстий.
Параметры измененной перфорации приведены в табл.1.
Таблица 1
Параметры перфорации образцов
|
№ образца |
Геометрические размеры |
|
1 |
|
|
2 |
|
|
3 |
|
|
4 |
|
Для каждого профиля были рассчитаны значения максимальных напряжений в стенке и максимальных деформаций (см. рис.5–6), а также проведен линейный анализ потери устойчивости с целью приблизительной оценки критической нагрузки, вызывающей потерю устойчивости (см. рис.7).
Рис. 5. Общие деформации профиля
Рис. 6. Напряжения в стенке профиля
Рис. 7. Одна из форм потери устойчивости
Результаты расчетов приведены в табл.2. В табл.3 указаны проценты отклонения значений измененных профилей от первоначального.
Таблица 2
Результаты расчетов
|
№ образца |
Максимальные напряжения в стенке профиля, МПа |
Максимальные деформации, 10– 3 мм |
Критическая нагрузка, вызывающая потерю устойчивости, кН |
|
без изменений |
0,0265 |
0,129 |
36,495 |
|
1 |
0,0257 |
0,132 |
31,78 |
|
2 |
0,0263 |
0,13 |
37,024 |
|
3 |
0,0251 |
0,13 |
35,527 |
|
4 |
0,0259 |
0,143 |
32,795 |
Таблица 3
Отклонение результатов измененных профилей от исходного
|
№ образца |
Максимальные напряжения в стенке профиля, % |
Максимальные деформации, % |
Критическая нагрузка, вызывающая потерю устойчивости, % |
|
1 |
+0.5 |
+2.3 |
-12.9 |
|
2 |
+0.4 |
+0.8 |
+1.4 |
|
3 |
-0.1 |
+0.8 |
-2.7 |
|
4 |
+2.8 |
+10.9 |
-10.1 |
Согласно исследованиям, приведенным в статье [8], выявлено, что наибольшее влияние на теплотехнические свойства профилей оказывает количество отверстий, расположенных по одной линии поперечного сечения. Однако, по результатам расчета, при добавлении дополнительных рядов перфорации (образец № 4) резко возрастает деформативность и снижается устойчивость профиля.
В случае увеличения длины элемента перфорации (образец № 1) также сильно снижается устойчивость профиля.
Наиболее оптимальными решениями являются увеличение расстояния между отверстиями в поперечном направлении (образец № 2) и разнесение перфорации на 2 группы относительно оси симметрии (образец № 3), так как в этих вариантах слабо меняются прочностные характеристики, а теплотехнические свойства улучшаются.
Стоит отметить, что данные расчеты выполнены без учета начальных геометрических несовершенств и нелинейных свойств материала. Для увеличения точности результатов рекомендуется провести более подробный расчет с учетом данных факторов, а также выполнить нелинейный анализ потери устойчивости.
Для более конкретных решений требуются дополнительные исследования профилей совместно на теплопроводность и несущую способность.
Литература:
- СП 260.1325800.2016 Конструкции стальные тонкостенные из холодногнутых оцинкованных профилей и гофрированных листов. Правила проектирования (с Изменением N 1). — введ. с 04.06.2017 — М.: Госстрой России — 116 с.
- Расчет элементов из стальных холодноформованных профилей в соответствии с Еврокодом 3 / Э.Уэй [и др.]; — К.: УЦСС, — 2015. — 96 с.
- Легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК) проектирование, изготовление, монтаж. Учебное пособие для ВУЗов/ Астахов И. В, Гудков А. Н., Жидков К. Е. и др.; под общей ред. Зверева В. В. — М.:Издательство «Перо», 2023–412 с., ил.
- Туснина В. М. Перспективы строительства доступного и комфортного жилья на основе стальных каркасов // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 6. С.43–46
- Илюхина, Е. А. Мировая практика применения технологии ЛСТК в строительстве / Е. А. Илюхина, А. А. Соболев. — Текст: непосредственный // Ползуновский альманах. — 2018 — № 1 — С. 89–92.
- Айрумян Э. Л. Рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу конструкций каркаса малоэтажных зданий и мансард из холодногнутых стальных оцинкованных профилей производства ООО конструкций «БалтПрофиль». М., 2004
- Айрумян Э. Л. Перспективы ЛСТК в России / Э. Л. Айрумян, Н. И. Каменщиков, М. А. Липленко // СтройПРОФИЛЬ. 2013. № 10. С. 12–17.
- Безбородов Е. Л. Влияние перфорации на теплотехнические характеристики «термопрофилей» легких стальных тонкостенных конструкций // Инновации и инвестиции. 2019. № 2. С.191–194.
- Безбородов Е. Л. Геометрические характеристики современных «термопрофилей» легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) // Инновации и инвестиции. 2020. № 2. С.141–143.
- Ватин Н. И., Попова Е. Н. Термопрофиль в легких стальных строительных конструкциях. СПб, 2006.
