Конструкция балок с гофрированной стенкой

Конструктивные решения балок различаются в связи с разнообразием видов гофров стенок. В качестве гофрированной стенки могут применяться ленты, вырезанные из листов профилированного настила. Наиболее технологичны в изготовлении треугольные гофры, более устойчивы волнистые гофры.

Гофр имеет два параметра — длину волны а и высоту волны f. Используются и относительные параметры: а/h, f/a и f/t.

Для изготовления балок с гофрированной стенкой необходимо на универсальных заводах металлических конструкций создавать участки с прессами для гофрирования и специальными стендами для сварки поясных швов автоматами, которые могут перемещаться по линиям примыкания гофрированной стенки к поясу. На рисунке показана одна из установок для гофрирования тонкого листа. Плоский лист подается между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу. На поверхности валков по окружности устанавливаются и закрепляются съемные пластины, которые и осуществляют перегиб плоского листа при повороте валков. Замена съемных пластин дает возможность изготавливать гофрированный лист с различными параметрами гофров. Образование криволинейных гофров более сложно. При тонких стенках используют съемные элементы с соответствующими поверхностями. Такие же гофры можно получить прессованием стенки, изгибая ее между двумя матрицами. Изменять параметры гофров в этом случае сложнее — нужно иметь достаточно большой набор матриц.

Для повышения местной устойчивости стенок предлагается гофрировать стенку не поперечными, а нисходящими гофрами, оптимальный угол их наклона к поясам 45 ... 50°, изготовление таких стенок усложняется. Сечение балок с гофрированной стенкой» как правило, двутавровое с поясами из листов. В отличие от балок с гибкой стенкой сечение поясов можно изменять в соответствии с очертанием эпюры изгибающих моментов это обеспечивает дополнительную экономию металла.

Область применения балок с тонкими гофрированными стенками та же, что и балок с гибкой стенкой. Однако, первые могут использоваться и в качестве подкрановых, а также в тех случаях, когда требуется повышенная жесткость на кручение. Для оценки надежности и долговечности подкрановых балок, определения рациональных режимов работы и грузоподъемности кранов необходимы дополнительные экспериментальные исследования.В Казахском отделении ЦНИИПСКа запроектированы покрытия производственных зданий пролетами 18, 24 и 30 м, у которых в качестве стропильных и подстропильных конструкций используются балки с тонкими гофрированными стенками. Высота стенки для пролета 18м — 1200мм (около 1/16,5 пролета), для пролетов 24 и 30 м — 1500 мм (до 1/20 пролета), толщина стенок — 3 ... 4 мм, их гибкость — 300,... 500. Гофры приняты треугольные с длиной волны а = 250 мм (или a/h_ω = 1/4,8 ... 1/6), высотой волны f = 40 мм (или f/a = 1/6,25; f/t_ω = 13 ... 10). Монтажные стыки балок — фланцевые на высокопрочных болтах.

Часто в пределах покрытий производственных зданий размещают различные коммуникации — газопроводы, водопроводы, электропроводы, вентиляционные трубы и т. п. Для этого в балках с гофрированными или гибкими стенками устраивают круглые отверстия, окаймленные гнутым листом и укрепленные специальными ребрами. Максимальный диаметр отверстия в стенке не должен превышать половины высоты стенки. Результаты разработок двутавровых балок о гофрированной стенкой свидетельствуют о возможности снизить в них расход металла до 20 ... 25 % по сравнению с обычными балками при одинаковых марках сталей. Они экономичнее двутавровых балок с гибкой стенкой при одинаковой ее гибкости: на 8 ... 10 % — за счет уменьшения числа поперечных ребер и еще на 8 ...10 %— за счет переменности сечения поясов.

а – прямоугольные, б – трапецеидальные, в – треугольные, г - волнистые Рисунок 10.1 – Виды гофров стенок

Балки с перфорированной стенкой: общие положения

Современные прокатные двутавры с параллельными гранями полок, в том числе широкополочные высотой до 1 м, дают возможность перекрывать пролеты 13 ... 15 м при значительных нагрузках. Удельная трудоемкость изготовления их по основным операциям в 2 ... 2,5 раза меньше, чем в аналогичных по пролету фермах. Однако расход металла на сопоставимые конструкции в 1,5 раза больше, чем в фермах, а высота двутавров в 2,5 раза меньше. Снижение высоты конструкции всегда выгодно, но при малой высоте уменьшается плечо изгибающего момента, а следовательно, возрастает усилие в поясах и площадь последних. К тому же стенки в двутаврах по условиям прокатки довольно толстые (1/50 ... 1/65 высоты).

Поиски путей повышения эффективности прокатных двутавров привели исследователей еще в первые десятилетия нашего века к оригинальной идее. Стенка прокатного двутавра разрезается по зигзагообразной линии с помощью газорезки или методом прессования. Затем разрезные части балки соединяются в местах примыкания выступов с помощью сварки, образуя сплошные перемычки. Получается своеобразная конструктивная форма — двутавр с отверстиями в стенке. В технической литературе он получил несколько названий - двутавр с перфорированной стенкой, двутавр с развитым сечением, сквозной двутавр .Далее будет употребляться первое наименование, использованное в нормах. Эффективность двутавра с перфорированной стенкой по сравнению с исходным объясняется тем, что высота первого увеличивается примерно в 1,5 раза, толщина стенки составляет 1/75 - 1/95 от высоты и, наконец, благодаря отверстиям в стенке нового двутавра из нее как бы изымается до 35 ... 40 % материала;

Рисунок 11.1 – Тип реза стенки (симметричный и несимметричный)

Двутавры с перфорированной стенкой обеспечивают 20 ... 30 % экономии металла по сравнению с прокатнымидвутаврами и дешевле последних на 10 ... 18 %. По трудоемкости изготовления они на 25 ... 35 % эффективнее, чем сварные двутавры, за счет сокращения операций обработки и объема сварки.

Особенности работы

Работа двутавров с перфорированной стенкой отличается от работы сплошностенчатых балок. Эпюры нормальных напряжений, выявленных в результате многочисленных испытаний балок, показаны на рисунке. По поясам по сечению 1—1 нормальные напряжения в упругой стадии распределяются по линейному закону. У углов отверстий в сечении 2—2 вследствие влияния концентраторов напряжений (резкое изменение сечения) имеет место нарушение линейного закона. На небольшом участке напряжения существенно возрастают и пластические деформации могут появляться сравнительно рано, хотя в целом на несущую способность балки это не оказывает заметного влияния. При низких температурах, действии циклических или ударных нагрузок пластичность в углах сковывается, в этих местах могут зарождаться трещины. На сплошном участке (сечение 3—3) хотя и имеет место некоторое искривление эпюры нормальных напряжений, но это довольно близко к тому, как распределяются нормальные напряжения в обычных двутаврах. Наконец, в сечении 4—4 показана эпюра нормальных напряжений.

Работа поясов балок с перфорированной стенкой осложняется тем, что они испытывают дополнительный изгиб от поперечных сил в пределах отверстий. Предельное состояние наступает тогда, когда пластичность пронизывает сечение пояса, причем при поперечном изгибе могут появиться шарниры пластичности в четырех углах отверстия. Эти шарниры возникают и при сложном напряженном состоянии в поясах. Прогибы балок с перфорированной стенкой превышают на 5 ... 40 % прогибы, вычисленные, как в обычных балках, с учетом момента инерции по ослабленному сечению. Потеря местной устойчивости перемычек происходит в основном от сдвига. Испытания показывают, что перемычка при потере местной устойчивости закручивается пропеллерообразно. Растянутая часть остается в плоскости стенки, сжатая выгибается из плоскости. В связи с тем, что стенка одного из тавровых поясов сжата или сжато-изогнута, она также может потерять местную устойчивость, после чего исчерпывается несущая способность всей балки. На основе данных экспериментальных исследований были разработаны методики расчета.

Рисунок 11.2 – Эпюры нормальных напряжений в поясах и перемычке балки