Новые конструкции гофробалки для легких металлокаркасов зданий

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ГОФРОБАЛКИ

ДЛЯ ЛЕГКИХ МЕТАЛЛОКАРКАСОВ ЗДАНИЙ

кандидат технических наук Ракшин Э. Д.

   Металлические конструкции пользуются повышенным спросом в связи с развитием в нашей стране промышленных предприятий, сельского хозяйства и других отраслей, вследствие чего возрастает потребность в складских помещениях, производственных, торговых, спортивных и других зданиях [1, 2].

    Стальные конструкции значительно легче конструкций из камня, железобетона и дерева, так как высокие механические качества стали позволяют выносить таким конструкциям наибольшие нагрузки.

    За показатель материалоемкость изделия обычно принимается отношение удельного веса материала из которого оно изготовлено к допускаемому напряжению.

   Несмотря на большой удельный вес стали, этот показатель для стальных конструкций выражается наименьшим числом С=5*10-4 (1/м), в то время как для дерева С=6*10-4 (1/м), а для бетона С=4*10-3 (1/м). Таким образом, стальные конструкции требуют наименьших объемов материала для безопасного восприятия силового воздействия и поэтому являются самыми оптимальными.

   Металлические конструкции наиболее  пригодны на месте монтажа, так как при изготовлении они расчленяются на отдельные элементы (балки, фермы, колонны и т.п.), которые соединяют на месте постройки сваркой, болтами, самонарезающими винтами или заклепками. Разработанность, разнообразие и технологичность этих видов соединений дает возможность производить сборку металлических конструкций очень высокими темпами.

   Каркасные здания из металлоконструкций – архитектурное решение, обеспечивающее быстрое строительство промышленных, торговых и складских и др. объектов [1, 2].

         По выводам инвесторов:

- построить такое здание в конечном итоге выгоднее, чем реконструировать старое;

- сроки возведения здания из металлического каркаса в 2-3 раза меньше, чем аналогичного железобетонного;

- стоимость быстромонтируемого здания обходится в среднем на 10-15% дешевле, что объясняется экономией рабочей силы и техники (для монтажа достаточно автокрана), а также более простой конструкцией фундаментов, как правило столбчатых.

        Металлоконструкции для каркасов зданий изготавливаются из стальных прокатных профилей, выпускаемых металлургической промышленностью (рис. 1).

Рис.4. Балка из спаренных швеллеров и балка комбинированная из уголков.

       Однако не все технологи, продвигаемые на отечественном рынке, являются действительно передовыми. Большинство из них было известно и доступно еще в середине прошлого века и сейчас широко применяется во всем мире. Так что в настоящее время наш рынок стал, скажем так, «догоняющим».

          За рубежом же основным лейтмотивом разработки строительных технологий являются ресурсосбережение и прагматичность.

     В условиях жесткой конкуренции на строительном рынке лидирующие позиции занимают компании, использующие новые технологии в реализации объектов недвижимости. Одним из передовых подходов в строительстве является применение сварных балок с тонкой гофрированной стенкой (гофробалки (рис. 5, 6, 7)) в каркасе зданий [1, 2, 3].

Балка с гофрированной стенкой - это конструкция, состоящая из поясов, имеющих сечение плоской полосы, и тонкой металлической стенки, которая в поперечном направлении изогнута (гофрирована).

В настоящее время такие конструкции используются в качестве балок-перекрытий в многоэтажных сооружениях, большепролетных балок покрытия в промышленных зданиях, элементов купольных конструкций в административных зданиях, несущих колонн. Гофробалки позволяют уменьшить металлоемкость конструкций, тем самым, делая их использование в строительстве коммерческой недвижимости экономически выгодным.

      Традиционный сварной двутавр с плоской стенкой — один из самых распространенных строительных профилей. Однако он имеет один значительный недостаток — это «паразитирующая» плоская стенка, которая почти во всех случаях недогружена. В обычных балках толщина стенки, требуемая по условиям прочности на срез, примерно в 2–4 раза меньше, чем необходимо по условиям местной устойчивости. В таких балках расход стали на стенку достигает 35–60% от веса балки, а доля участия стенки для восприятия внутренних усилий в элементах не превышает 15–18%.

            Именно этого недостатка лишена гофробалка. К балкам с гофрированной стенкой относятся те, у которых в стенке для повышения их местной устойчивости созданы гофры различного очертания. Максимальное использование всех частей профиля балки с гофрированной стенкой позволяет добиться указанной экономии. Сама гофрированная стенка работает, как гармошка, и воспринимает только перерезывающие усилия, которые распределяются равномерно и полностью используют материал. При этом устойчивость стенки обеспечивается ее волнистой формой. Уменьшение толщины стенки в 2–3 раза по сравнению со сварными и в 4–6 раз по сравнению с прокатными уменьшает долю металла стенки в 1,5–2 раза. Все сжимающие усилия с максимальной эффективностью воспринимаются поясами.

           Таким образом, эти конструкции объединяют в себе все преимущества удобных в производстве и монтаже стальных балок и легкость и экономичность ферм. Снижение веса конструкций дает возможность не только удешевить и ускорить новое строительство, но и эффективно использовать гофробалки при реконструкции существующих зданий.

        Гофробалки могут использоваться без ограничения как пролетные конструкции, потолочные, крышные, рамные или как компоненты зданий в виде одиночных или рамных колонн. Оптимальными размерами для их использования в качестве пролетных конструкций являются 15–36 м, что соответствует большинству обычных зданий для промышленности, торговли и логистики.

            Основное преимущество гофробалок по сравнению с горячекатаными и сварными двутаврами заключается в существенно более выгодных весовых характеристиках. Среди преимуществ гофробалки можно также выделить следующие: ускорение монтажа, уменьшение металлоемкости до 40%, уменьшение стоимости, упрощение проектирования.

           Сам принцип укрепления конструкций «гофрой» был известен в России еще в 30–40 гг. Однако до недавнего времени производство гофробалки в стране практически отсутствовало. Сейчас у нас предложить качественную гофробалку могут не больше 7–10 компаний. 

Рис. 5. Балка с гофрированной стенкой.

Рис.7. Пример использования гофробалок в каркасе здания.

      Строительство зданий из легких тонкостенных профилей является другой передовой технологией [2]. В настоящее время лишь небольшое количество компаний способно предложить эти технологии на нашем рынка, и еще меньшее количество компаний является производителями качественных тонкостенных профилей. Производство и проектирование таких конструкций довольно наукоемко, а оборудование для их производства очень дорого и не по карману большинству компаний.

      Суть технологии заключается в том, что на специальном оборудовании стальной лист загибают в профильную деталь, которая благодаря своей сложной в разрезе форме (чаще в форме английских букв S или Z и т. п.) выдерживает значительные нагрузки, при этом весит относительно мало и экономит материал, что в итоге позволяет снизить стоимость конструкций для строительства зданий (рис. 8).

Каркас таких зданий возводится из профилей, которые соединяются между собой. Стеновое заполнение - утепленный минеральной ватой профилированный настил, сэндвич-панели или стеклопакеты, кровля – профилированный настил или металлочерепица. 

  Основным элементом технологии является холоднокатаный профиль из листа, который может быть использован как для сборки цельного каркаса здания так и для монтажа отдельных элементов реконструируемых или вновь строящихся объектов: наружных и внутренних стен, перегородок, междуэтажных перекрытий, стропильных конструкций мансард, крыш и многого другого. Специальная форма профиля гарантирует высокие прочностные характеристики.

    Крепление конструктивных элементов между собой производится при помощи сварки, болтов из высокопрочной стали, самонарезающих шурупов.

Рис. 8. Типы гнутых профилей.

Рис.9. Составные сечения из гнутых профилей.

   Между собой одиночные профили соединяются на самонарезающие винты, заклепки, или болты как непосредственно, так и через листовые прокладки и фасонные детали (рис. 10, 11).

Рис. 10. Фото каркаса здания из гнутых профилей.

Рис. 11. Фото каркаса из составных сечений гнутых профилей.

       Использование конструкций из гнутых профилей, составляющих сечения подобные двутавру, (рис. 9, 12) позволяет получить колонны, балки и фермы для высокоэффективных и экономичных металлокаркасов различных зданий [2, 4, 5, 6, 7].

Рис. 12. Составные сечения типа «двутавр» из гнутого профиля.

        Очевидно, что скомпоновав составное сечение балки, в котором в качестве поясов применить гнутые профили и соединить их с тонкой гофрированной стенкой, можно в такой конструкции балки интегрировать достоинства и эффективность и гофробалок и холодногнутых тонкостенных профилей (рис. 13).

• - буквенная часть обозначения – ГБГП (гофробалка из гнутого профиля) ;

• - цифровая, состоящая из значений размеров частей балки: высота гофрированной стенки, мм; толщина гофрированной стенки, мм; ширина балки ( ширина гнутого профиля ); высота полки гнутого профиля; толщина стенки и полки гнутого профиля.

Например, обозначение балки с гофрированной стенкой высотой 333 мм и толщиной гофрированной стенки 3 мм; с поясами из гнутого швеллера шириной 120 мм с высотой полки 50 мм и толщиной 3 мм будет выглядеть так:

ГБГП 333х3/120х50х3

      Используемые при конструкторских расчетах на прочность и жесткость характеристики сечений некоторых типоразмеров предлагаемой балки приведены в таблице 1.

Табл. 1. Расчетные геометрические характеристики сечений некоторых типоразмеров ГБГП:

     Сравнивая характеристики балок ГБГП с характеристиками обычных горячекатаных балок [ 1] и известных гофробалок с плоскими поясами ТУ 5261-001-01131690-2006, можно подобрать ГБГП по прочностным характеристикам взаимозаменяемые с известными балками (табл. 2, 3) .

Табл. 2. Снижение металлоемкости при замене катаных балок на равнопрочные ГБГП.

Из данных таблиц 2 и 3 можно увидеть, что равнопрочные балки конструкции ГБГП легче на 25-45%, чем катаные двутавры и на 10-35% чем гофробалки, производимые по ТУ 5261 - 001 - 01131690 -2006.

ВЫВОДЫ. 

                    1. Предложенная конструкция балки ГБГП с поясами из гнутых швеллеров, соединенных тонкой поперечно-гофрированной стенкой, имеет высокие прочностные характеристики.

                    2. Применение балок ГБГП позволяет снизить металлоемкость конструкций на 25-45% по сравнению с катанными двутаврами и на 10-35% по сравнению с известными гофробалками.

                    3. Требуется скорейшая разработка технологии производства, сертификации и внедрение в практику строительства балок ГБГП.

                 4. В ближайших производственных планах ЗАО « МАГСИБМЕТ» предусмотрено освоение производства и проведение сертификации балок ГБГП.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Металлические конструкции каркасов одноэтажных зданий: учебное пособие / М.М. Копытов. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2012. – 316 с.

2. Проектирование металлических конструкций., под ред. В.В Бирюлева. – Л., Стройиздат, 1990. – 433 с.

3. Максимов Ю.С., Остриков Г.М. Стальные балки с тонкой гофрированной стенкой — эффективный вид несущих конструкций покрытий производственных зданий // Промышленное строительство. 1984. – №4. – С.10–11.

4. Ватин Н.И., Синельников А.С. Холодногнутый стальной профиль в малых мостовых конструкциях. / Интернет-журнал "Строительство уникальных зданий и сооружений", 2012, №3, – с. 39 – 51.

5. Бирюлев В.В., Стрижаков Ю.Д. - патент RU 2105843. Владельцы патента: Новосибирская государственная академия строительства.

6. Кретинин Андрей Николаевич. ТОНКОСТЕННЫЕ БАЛКИ ИЗ ГНУТЫХ ОЦИНКОВАННЫХ ПРОФИЛЕЙ: СОСТАВНЫХ ПОЯСОВ КОРОБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ И ГОФРИРОВАННЫХ СТЕНОК АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск . 2008 – 11с.