СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СЕЧЕНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФЕРМЫ

COMPARATIVE ANALYSIS OF METAL TRUSS SECTIONS

Letov Andrey Artemovich

Master's Student, Department of Building Structures, Kuban State Technological University,

Russia, Krasnodar

Farfilova Angelina Valerievna

Master's Student, Department of Building Structures, Kuban State Technological University,

Russia, Krasnodar

Leonova Anna Nikolaevna,

Ph.D., Associate Professor of the Department of Building Structures, Kuban State Technological University,

Russia, Krasnodar

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен сравнительный анализ двух сечений фермы. Проанализированы общие характеристики фермы. Был произведен расчет двух видов сечений. Выводом статьи можно сделать, что ферма из труб лучше для применения, но уголки имеют свои преимущества.

ABSTRACT

The article considers a comparative analysis of two truss sections. The general characteristics of the farm are analyzed. Two types of cross sections were calculated. The conclusion of the article is that a pipe truss is better for use, but corners have their advantages.

Ключевые слова: шпренгельная ферма, профиль «Молодечно», фасонка, прогиб, местная устойчивость.

Keywords: spring farm, Molodechno profile, shape, deflection, local stability.

Ферма в современном строительстве считается одной из наиболее распространённых форм покрытия. Большую популярность ферма приобрела в большепролетных зданиях. Она может быть совершенно разной. Они отличаются как по габаритным размерам, длине, высоте и ширине, так и по материалам и сечениям конструкций. Фермы могут изготавливаются из разных материалов, таких как: железобетон, металл, дерево и другие материалы, часто используемые в строительстве. Наиболее распространены стальные фермы, они нашли обширное применение в гражданском и промышленном строительстве. Их широко используют для создания покрытий и перекрытий производственных площадей, спортивных сооружений и других объектов.

Фермы классифицируются по ряду признаков. Фермы различаются по очертанию поясов, назначению и работе в пространстве, а также типу решетки. Пояса ферм имеют свои особенности. Они бывают: арочные, с параллельными, треугольными, трапециевидными и полигональными поясами. Решетки различают: раскосные, с треугольной или ромбической решеткой и другими очертаниями.

Фермы получили широкое применение при возведении эстакад, мостов и их опор. Пространственные фермы могут образовывать «пространственную балку», для восприятия разнообразных нагрузок.

Марка стали также очень важна для конструирования фермы. Сталь класса высокой прочности обладает характеристиками, которые способны обеспечить такую же несущую способность, какой обладают материалы тяжелее, такие как железобетон. В современном строительстве металлические фермы гораздо упростили процесс производства работ. Так процедура транспортировки и монтажа гораздо облегчается, а также достаточно небольшой вес, по сравнению с железобетоном, снижает нагрузку на фундамент.

Важным пунктом проектирования фермы является правильный подбор сечений элементов. Это влияет на внутренние усилия, способ монтажа конструкции и также на ее оптимизацию. С этой целью был произведен расчет для определения сечений элементов фермы и сравнения их работы.

Расчеты проведены в программном комплексе ЛИРА-САПР методом конечных элементов.

Для расчета прикладываются группы нагрузок: постоянные, длительные, временные и особые. Постоянные нагрузки отображают собственный вес конструкций. Собственный вес определяется автоматически, посредством встроенных функций программного комплекса ЛИРА-САПР, в соответствии требованиям ГОСТа. Временные нагрузки разделяются на кратковременные и длительные.

Ферма может быть как из круглого сечения, так и из квадратного, как из двух уголков, так и из тавров или двутавров. Но стоит заметит, что в производстве чаще всего находят применения фермы именно из двух уголков и квадратных труб.

Ферма состоит из поясов, решеток и стоек. Каждый элемент выполняет свои функции в конструкции. Пояса фермы предполагают работу на сжатие и растяжение: верхний пояс - на сжатие, а нижний – на растяжение.

Поскольку верхний пояс работает на сжатие, то нагрузка от кровли передается именно ему. Конструкция нижнего пояса работает на растяжение. Из этого следует, что вся конструкция фермы работает на изгиб. Стойки и раскосы, соединяющие пояса, распределяют усилия внутри фермы и предотвращают изгиб поясов.

Учитывая влияние сечения на несущую способность фермы, осуществлен сравнительный анализ влияния изменения сечения фермы на ее работу.

Был произведен расчет двух вариантов сечения конструкций покрытия, в программном комплексе ЛИРА-САПР. По результатам расчета выполнен подбор сечений элементов ферм, с помощью встроенных функций побора сечений в расчетной программе. Расчетные усилия не должны превышать 100% использования сечений по первой и второй группе предельных состояний и местной устойчивости.

В варианте 1 ферма выполнена из спаренных равнополочных уголков. Верхний и нижний пояс представлены из уголков сечением 160х160х10 мм по ГОСТ 8509-93. Стойки фермы выполнены из двух равнополочных уголков 100х100х8 мм. Раскосы приняты сечением из спаренных уголков 125х125х8 мм и 100х100х8 мм. Шпренгели приняты из равнополочных спаренных уголков 75х75х6 мм. Класс стали для конструкций фермы принят С255.

Вариант 2 выполнен из труб сечения профиля «Молодечно». Было принято сечение для верхнего и нижнего пояса равное 200х6 мм по ГОСТ 30245-2003. Стойки приняты сечением 80х6 мм, а раскосы сечением 50х5 мм, 80х6 мм, 120х5 мм. Ферма также выполнена из стали С255.

К фермам варианта 1 и варианта 2 были приложены идентичные нагрузки и эксплуатационные условия, выбран одинаковый пролет 33 метра, высота фермы принята 4,5 метра. Для расчета была выбрана шпренгельная ферма.

Расчет выполнен в соответствие со всеми стандартами и нормами.

По результатам расчета можно сделать вывод, что усилия в ферме из уголков равняются: максимальные N_max = 48,8 т и минимальные N_min = 47,7 т, а в ферме из труб: максимальные N_max = 42,7 т и минимальные N_min = 45,8 т. Следовательно, усилия в ферме из труб меньше, чем в ферме из уголков.

Вертикальные и горизонтальные перемещения свойственны покрытию и составляют: в варианте 1 - вертикальный прогиб равен 34,3 мм, а горизонтальное перемещение – 11,2 мм; в варианте 2 - вертикальный прогиб составил 47,5 мм, а горизонтальное перемещение равняется 8,35 мм. На основе этих данных можно сделать вывод, что ферма из труб имеет больший прогиб, но меньшее горизонтальное смещение. В обоих случаях ферма выполняет условие по допустимому горизонтальному и вертикальному перемещению.

Проверка прочности по первой и второй группам предельных состояний и местной устойчивости осуществлена.

Конструкции фермы из равнополчных уголков по первому предельному состоянию используют сечение на 96,1%, по второму предельному состоянию использовано 77%, по расчету на местная устойчивость использовано 98% сечения. Конструкции фермы из профиля «Молодечно» используют по предельному состоянию первой группы 94,4% сечения, по второму предельному состоянию 79,4%, по местной устойчивости 83,4%. Оба варианта проходят расчеты по требованиям устойчивости и предельным состояний, но в ферме из уголков сечения использются больше.

Масса фермы из равнополчных уголков составляет 7,31 т, а ферма из профилей «Молодечно» весит 3,56 т. Ферма из уголков сожержит в себе по два элемента сечения, а в ферме из квадратных труб сечение единое. На основе этого можно сделать вывод, что ферма из профилей «Молодечно» гораздо легче, чем из ферма уголков. Это делает ее более удобной для монтажа и транспортировки.

Монтаж конструкций из уголков и из труб колоссально отличается. Конструкция фермы из двух уголков требует приварки фасонок через определенное расстояние для соединения элементов. Сварка ведется в нижнем положении с одной стороны фермы. Укрупнительная сборка отправочных марок фермы производится при помощи сварных швов.

Для более удобного и быстрого производства, уголки для ферм нарезаются перпендикулярно. Такой метод не трубует высокой квалификации работников.

Поскольку элементы фермы из уголков варятся к одной единой фасонке, то потребность подгонки деталей друг к другу значительно снижается. Также варить нахлесточные соединения уголков с фасонкой, даже с двух сторон, сварщикам намного удобнее, чем сваривать в стык трубы. Уголки легче зажать механизмом на кондукторе или разделочном столе. Сдвоенные уголки позволяют снизить значимость мелких погрешностей при резке.

Ферма из профилей «Молодечно» имеет замкнутые сечения. Это повышает не только ее прочность, но и устойчивость к деформации, поскольку нагрузка распределяется равномернее по сечению.

Для производства монтажных работ, все части фермы выкладывают на ровной поверхности. С помощью приборов трубы фиксируются в требуемом положении, чтобы избежать каких-либо смещений при процессе сварки.

Трубы требуется резать под сложным уголом, чтобы избежать пустот при сварке, поэтому квадратные трубы требуют идеальной точности и высокой квалификации рабочих.

Вопрос коррозии также очень важен, когда речь идет о металлоконструкциях. Поскольку профили «Молодечно» обладают замкнутым сечением, то в них может возникать скрытая коррозия, так как внутренние полости труднодоступны для обработки атикорроизонными покрытиями. Обработка уголков проще, так как их сечение полностью открыто.

Был произведен расчет и его анализ данных, по результатам которого можно сделать вывод, что ферма из профилей «Молодечно» по усилиям работает лучше, но в то же время сильнее прогибается.

Ферма из уголков сильнее использует сечения по предельным состояниям и местной устойчивости, чем ферма из профилей «Молодечно».

И на фермы из уголков, и на фермы из труб существует большое количество типовых серий, поэтому выбор проектировщиков часто расходится как во мнении, так и в выборе. Процесс монтажа фермы из уголков гораздо проще, поэтому не редко выбор падает именно на нее.

В строительстве не мало важной частью является финансовая составляющая. Так как ферма из труб по своей массе легче, то и ее стоимость материалов для производства выходит дешевле.

Оба варианты имеют место быть в производстве, но в современном процессе больше популярность все таки приобретает именно ферма из труб. Она не уступает по характеристикам, выигрывает за счет своей меньшей цены и эстетической составляющей.

Список литературы:

1. Стрелец-Стрелецкий Е.Б. ЛИРА–САПР. Книга I. Основы / Е.Б. Стрелец-Стрелецкий, А.В. Журавлев, Р.Ю. Водопьянов. Под ред. Академика РААСН, докт. техн. наук, проф. А.С. Городецкого. - Издательство LIRALAND, 2019. - 154с.
2. Запросян А.О., Глушкова И.В. Определение оптимальной высоты стропильной фермы. Студенческий вестник. 2019;41–4(91):52–53.
3. Устименко Е.Е., Скачков С.В. Экспериментальное исследование рамно-стержневых конструкций с элементами из тонкостенных стальных профилей. Инженерный вестник Дона. 2019;5(56):53.
4. Кудишин, Ю. И. Металлические конструкции : учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования / [Ю. И. Кудишин, Е. И. Беленя, В. С. Игнатьева и др.] ; под ред. Ю. И. Кудишина. — 13-е изд., испр. — Москва : Издательский центр «Академия», 2011. — 688 с.
5. ЛИРА-САПР 2017. Обучающие примеры: учеб. пособие / Под общ. ред. А. С. Городецкого. — Электрон. дан. — М. : Издательство LIRALAND, 2017. — 535 с.
6. Снарский В. И., Снарский С.В. Технология возведения гражданских и промышленных зданий: учеб. Пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010.