Ограждающие и несущие строительные конструкции из стальных тонкостенных профилей
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Строительные конструкции
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Авторы:
Енджиевский Лев Васильевич, Крылов Иосиф Иосифович, Кретинин Андрей Николаевич, Терешкова Александра Викторовна
Год издания: 2010
Кол-во страниц: 282
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7638-1987-8
Артикул: 617609.01.99
В монографии сделана попытка обратить внимание специалистов всех уровней строительного профиля и студентов строительных специальностей на новые типы несущих строительных конструкций, основой которых являются холодногнутые оцинкованные профили. Рассмотрены конструктивные решения и результаты комплексных исследований двух балочных конструкций, объединяющих в единую конструктивную форму С-образные гнутые оцинкованные профили и профилированный лист, и двух типов пространственных систем с основными конструктивными элементами из оцинкованного профилированного листа.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Л.В. Енджиевский, И.И. Крылов, А.Н. Кретинин, А.В.Терешкова Ограждающие и несущие строительные конструкции из стальных тонкостенных профилей Монография Красноярск СФУ 2010
УДК 626.86 ББК 38.54 Е 62 Рецензенты: В.В. Москвичев, доктор технических наук, профессор, зам. председателя Президиума КНЦ СО РАН (г. Красноярск); В.В. Зверев, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Металлические конструкции» Липецкого государственного технического университета (г. Липецк) Енджиевский, Л.В. Е62 Ограждающие и несущие строительные конструкции из стальных тонкостенных профилей: монография/ Л.В. Енджиевский, И.И. Крылов, А.Н. Кретинин, А.В. Терешкова. – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. – 282 с. ISBN 978-5-7638-1987-8 В монографии сделана попытка обратить внимание специалистов всех уровней строительного профиля и студентов строительных специальностей на новые типы несущих строительных конструкций, основой которых являются холодногнутые оцинкованные профили. Рассмотрены конструктивные решения и результаты комплексных исследований двух балочных конструкций, объединяющих в единую конструктивную форму С-образные гнутые оцинкованные профили и профилированный лист, и двух типов пространственных систем с основными конструктивными элементами из оцинкованного профилированного листа. Приложения смотреть на CD-диске. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Красноярского краевого фонда науки № 16F46. УДК 626.86 ББК 38.54 ISBN 978-5-7638-1987-8 © Сибирский федеральный университет, 2010
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ........................................................................................................ 7 Введение ............................................................................................................... 8 Глава 1. Отечественный и зарубежный опыт использования стальных гофрированных листов как конструктивных элементов в различных типах строительных конструкций ............................................................................ 9 1.1. Общая характеристика профилированных листов. Возможности их использования в ограждающих и несущих элементах конструкций ...........................................................10 1.1.1. Особенности работы и расчета профилированного листа ..................................................13 1.1.2. Способы соединения профилированных листов ......................18 1.2. Ограждающие конструкции с обшивками из профилированного листа ...................................................................... 20 1.2.1. Стеновые сэндвич-панели заводской готовности ..................21 1.2.2. Кровельные сэндвич-панели заводской готовности ...............23 1.2.3. Панели послойной сборки ...........................................................23 1.3. Несущие конструкции из стальных тонкостенных профилей ........30 1.3.1. Балки ............................................................................................ 30 1.3.2. Фермы из тонкостенных оцинкованных профилей ................36 1.3.3. Арочные конструкции ................................................................38 1.3.4. Рамы из тонкостенных оцинкованных профилей ...................39 1.3.5. Каркасы малоэтажных зданий из тонкостенных оцинкованных конструкций .................................................................39 1.3.6. Конструкции мансард зданий из тонкостенных профилей ................................................................43 1.4. Элементы составных несущих конструкций из тонкостенных профилей в комбинации с профилированными листами и особенности их расчета ............................................................45 1.4.1. Совмещенные плиты покрытия с применением профилированных листов ....................................................................45 1.4.2. Каркасные покрытия с частичным включением в работу профлистов, выполняющих ограждающие функции ...... 48 1.5. Пространственные совмещенные конструкции ................................50 1.5.1. Пространственные системы, в которых верхний несущий пояс выполнен только из профлиста ..................................50 1.5.2. Конструкции с предварительно напряжённым верхним несущим поясом из профилированного листа ..................................53
Глава 2. Тонкостенные балки из гнутых оцинкованных профилей: составных поясов коробчатого сечения и гофрированных стенок ....... 55 2.1. Основные положения ............................................................................56 2.2. Экспериментальные исследования крупномасштабных моделей балок из гнутых оцинкованных профилей ................................58 2.3. Особенности работы соединений тонколистовых оцинкованных элементов ...........................................................................71 2.4. Теоретические исследования и численное моделирование тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей .....................75 2.5. Экспериментальное исследование НДС балки из гнутых оцинкованных профилей пролетом 9 м ....................................................77 2.6. Инженерная методика расчета тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей..........................................................83 2.7. Опытное внедрение конструкций ...................................................... 86 2.8. Рекомендации по изготовлению тонкостенных балок из гнутых оцинкованных профилей..........................................................91 Глава 3. Рамные системы из тонкостенных оцинкованных профилей ............................................................................... 95 3.1. Область применения ............................................................................ 96 3.2. Схемы поперечных рам и их компоновка в каркасы зданий .......... 96 3.3. Основные положения расчета элементов рам ..................................101 3.3.1. Расчет элементов на осевые силы и изгиб ............................101 3.3.2. Проверка устойчивости стенок и полок изгибаемых и сжатых элементов .........................................................................103 3.4. Соединения элементов рам ................................................................105 3.4.1. Особенности работы одноболтовых фрикционных сдвигоустойчивых соединений тонкостенных оцинкованных профилей ..............................................................................................106 3.4.2. Двухболтовые фрикционные сдвигоустойчивые соединения тонкостенных оцинкованных профилей .....................109 3.4.3. Многоболтовые фрикционные сдвигоустойчивые соединения на основе тонкостенных оцинкованных профилей С-образного сечения...........................................................................115 3.5. Рекомендации по конструированию и расчету болтовых соединений из тонкостенных оцинкованных профилей ......................120 Глава 4. Пространственные блоки покрытий с поясами из металлического профилированного листа .......................................... 123 4.1. Формообразование как главный фактор повышения эффективности конструкций с элементами из тонкостенных металлических листов ................................................124
4.2. Линзообразные блоки покрытия ......................................................134 4.2.1. Конструктивные решения линзообразных блоков ................134 4.2.2. Технология изготовления линзообразных блоков ..................144 4.2.3. Численные исследования напряженно-деформированного состояния линзообразных блоков и отдельных фрагментов .......153 4.2.4. Экспериментальные исследования фрагментов покрытия из линзообразных блоков .................................................160 4.3. Двухпоясное преднапряженное арочное покрытие с поясами из стальных профилированных листов ................................172 4.3.1. Конструктивное решение двухпоясного арочного покрытия ............................................................................172 4.3.2. Численные исследования НДС фрагмента арочного покрытия ............................................................................176 4.3.3. Экспериментальные исследования фрагмента двухпоясного арочного покрытия .....................................................196 4.4. Обобщенные технико-экономические показатели .........................213 4.5. Рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению конструкций линзообразных блоков покрытия и двухпоясного преднапряженного арочного покрытия с поясами из стальных профилированных листов ........................................................................214 Глава 5. Пространственные блок-фермы покрытий и секции зданий-укрытий арочного типа из линзообразных блоков....................219 5.1. Конструктивные решения ..................................................................220 5.2. Численные исследования пространственных блок-ферм и блок-секций зданий, сформированных из линзообразных блоков ......237 5.2.1. Обобщенный алгоритм статического расчета конструкций ........................................................................237 5.2.2. Численные исследования деревометаллической блок-арки .............................................................................................239 5.2.3. Численные исследования блок-фермы из монометалла .......254 5.3. Экспериментальные исследования фрагмента пространственной блок-секции ...............................................................265 5.3.1. Последовательность и особенности сборки опытной конструкции .......................................................................266 5.3.2. Статические испытания конструкции .................................274 Библиографический список ..........................................................................277
Предисловие Цель монографии – попытка обратить внимание специалистов всех уровней строительного профиля и студентов строительных специальностей на новые типы несущих строительных конструкций, основой которых являются холодногнутые оцинкованные профили. По структуре монография состоит из введения и пяти глав, библиографического списка и приложений. В первой главе приводится отечественный и зарубежный опыт использования стальных гофрированных листов как конструктивных элементов в различных типах строительных конструкций. Во второй и третьей главах рассмотрены конструктивные решения и результаты комплексных исследований двух балочных конструкций, объединяющих в единую конструктивную форму С-образные гнутые оцинкованные профили и профилированный лист. Четвертая и пятая главы посвящены пространственным системам с основными конструктивными элементами из оцинкованного профилированного листа. Главы 1, 4, 5 написаны чл.-корр. РАСН, д-ром техн. наук, проф. Л.В. Енджиевским и канд. техн. наук А.В. Терешковой; гл. 2, 3 - канд. техн. наук, проф. И.И. Крыловым и канд. техн. наук А.Н. Кретининым.
Введение В современных экономических условиях при всеобщей структурной перестройке с ориентацией на разукрупнение предприятий, на создание мелких и средних производственных структур с более конкретной специализацией с прогнозируемым бурным ростом нефте- и газодобычи в северных районах Сибири и Дальнего Востока России, где нет развитой стройиндустрии, потребность в быстровозводимых, легко транспортируемых облегченных строительных конструкциях и модульных зданиях возрастает. Развивающаяся экономика России и связанная с ней высокая конкуренция на строительном рынке требуют эффективных конструктивных решений строительных конструкций. Необходимы технологичные современные системы с наименьшей ресурсоемкостью. Один из путей решения указанной проблемы – разработка и использование эффективных плоских и пространственных формообразований из стандартного металлического профилированного листа и других холодногнутых профилей, в особенности оцинкованных с толщинами до 3 мм. Зарубежный и отечественный опыт применения конструкций на их основе выявил ряд преимуществ перед традиционными конструкциями из прокатных профилей: низкий расход металла, высокая коррозионная стойкость, возможность изготовления на строительной площадке, что в итоге позволяет снизить стоимость конструкций «в деле». В таких конструктивных формах в полной мере используются прочностные свойства материала за счет совмещения ограждающих и несущих функций. В данной монографии сделана попытка обратить внимание специалистов всех уровней строительного профиля и студентов строительных специальностей на новые типы несущих строительных конструкций, основой которых являются холодногнутые оцинкованные профили. Рассмотрены конструктивные решения и результаты комплексных исследований двух балочных конструкций, объединяющих в единую конструктивную форму С-образные гнутые оцинкованные профили и профилированный лист, и двух типов пространственных систем с основными конструктивными элементами из оцинкованного профилированного листа.
Глава 1 Отечественный и зарубежный опыт использования стальных гофрированных листов как конструктивных элементов в различных типах строительных конструкций
1.1. Общая характеристика профилированных листов. Возможности их использования в ограждающих и несущих элементах конструкций Профнастил (или профлист) – это металлический лист со сформированным профилем (ребрами жесткости) (рис. 1.1). Он широко используется в практике строительства в качестве ограждающих, несущих и совмещенных элементов конструкций. К современным ограждающим и несущим конструкциям предъявляют следующие требования: - в полной мере удовлетворять всему комплексу функциональных требований на плановый срок безаварийного функционирования сооружения; - минимальная материалоемкость, трудоемкость монтажа, удобство транспортировки; - максимальная заводская готовность, позволяющая сократить количество рабочих на строительной площадке и повысить качество строительномонтажных работ; - минимальная стоимость за счет снижения затрат по отдельным строительно-монтажным операциям и сокращения сроков строительства. Вышеперечисленным требованиям удовлетворяют профилированные листы как отдельные элементы, так и в качестве обшивок кровельных и стеновых панелей. Рис. 1.1. Профнастил
1.1. Общая характеристика профилированных листов. Возможности их использования… 11 Профилированный лист (настил) изготавливается из листовой стали толщиной 0,6…1,5 мм. В поперечном сечении (рис. 1.2) выделяются следующие размеры профилированного листа: В – ширина профиля; hг – высота гофра, которая колеблется от 10 до 158 мм; S – шаг гофров; b1 и b2 – ширина, соответственно, верхней и нижней полки. В процессе изготовления специальными роликами в плоском оцинкованном листе из стали С235 или С245 выдавливают продольные углубления в виде трапеции. В полках профилированного листа может быть выполнено продольное гофрирование, что увеличивает несущую способность профиля по критерию местной устойчивости. Для стенового ограждения применяют профилированный лист с высотой гофра от 10 до 44 мм и толщиной от 0,55 до 0,7 мм. Такой тип профилированного листа используют либо в виде самостоятельного элемента холодных неотапливаемых зданий, либо в составе обшивки панелей типа «сэндвич», обшивки каркасных трехслойных панелей и обшивки каркасных ограждающих конструкций раздельного типа. Стеновой профилированный лист изготавливается из стали С235-245. Профилированный лист применяется также и для кровель. В случае использования профилированного листа в кровельных конструкциях высота гофр от 44 до 156, толщина от 0,7 до 1,5 мм. Обозначения, геометрические характеристики профилированных листов с трапециевидной формой гофра, изготавливаемые отечественными заводами для строительства по ГОСТу 24045-94, приведены в прил. 1. По назначению профилированные листы подразделяются на типы: Н – для настила покрытий; НС – универсальный профиль для настила и стеновых ограждений; С – для стеновых ограждений. Кровельные профилированные листы (Н) имеют большую высоту, чем стеновые, и их форма определена исходя из необходимости укладки по ним плитного утеплителя. B hS b1 b2 Рис. 1.2. Поперечное сечение профилированного листа
Глава 1. Отечественный и зарубежный опыт использования стальных гофрированных… 12 В прил. 2 приведена таблица предельной равномерно распределенной нагрузки для различных марок и расчетных схем профилированных листов по ГОСТу 24045-94. В строительстве нежилых зданий конструкции из оцинкованных тонкостенных профилей находят применение, в первую очередь, в виде ограждающих конструкций. Однако в последние два-три десятилетия был разработан и нашел достаточно широкое внедрение ряд технических решений, позволяющих заявить о конкурентоспособности и несущих конструкций из оцинкованных тонкостенных профилей как для производственных и сельскохозяйственных зданий, так и для малоэтажных коттеджей комплектной поставки. Достаточно широко применяют такие конструкции и при реконструкции зданий: надстройке мансардных этажей, создании вентилируемых фасадов и замене плоских рулонных кровель на малоуклонные металлические с герметичными стыками. Классификация конструкций из тонкостенных оцинкованных профилей приведена на рис. 1.3. Здания с использованием тонкостенных оцинкованных профилей возводят по всей территории России, включая и районы с высокой сейсмичностью. Производство таких профилей освоили многие отечественные предприятия: ЗАО «Эксергия» (г. Липецк), ООО «Венталл» (г. Обнинск), «Балтпрофиль» (г. Санкт-Петербург), «Профиль-центр» (г. Новосибирск), «Волжскполимер» (г. Волжский), ИСК «Финеско» (г. Саратов), «Волжскспецстрой» (Нижний Новгород), ИНСИ (Челябинск), «Терминал» (Ростов-на-Дону) и др. Наиболее крупные зарубежные предприятия, освоившие и развивающие данное направление строительных технологий, - Lindab (Швеция) и Marinoware (США). Рис. 1.3. Классификация конструкций из тонкостенных оцинкованных профилей
1.1. Общая характеристика профилированных листов. Возможности их использования… 13 Тонкостенные оцинкованные конструкции характеризуют следующие отличительные особенности: 1. Толщина применяемой стали не превышает 3 мм. 2. Для производства профилей используется рулонный холоднокатаный оцинкованный лист с суммарной массой цинка не менее 275 г/м2. 3. Одна из отличительных черт при строительстве жилых и офисных зданий – применение для ограждающих конструкций (стены, потолки и пр.) тонкостенных профилей повышенной жесткости с отгибами, с предварительной перфорацией стенки (так называемые термопрофили) для улучшения теплотехнических параметров теплового контура здания. 4. Соединение всех несущих (нагруженных) и ненесущих элементов конструкций выполняется без применения сварки при помощи высококачественных самонарезающих винтов или болтов из углеродистой стали с цинковым или кадмиевым покрытием. 5. Конструктивные решения с применением гнутых оцинкованных профилей полностью интегрируются в понятие «сухое строительство», которое нашло сегодня широкое применение благодаря техническим наработкам таких компаний, как KNAUF, REGIPS и др. 6. Предварительное проектирование и конструирование на базе современных программ (в том числе 3D-моделирование) позволяет существенно сократить массу стальных конструкций, следовательно, уменьшить стоимость строительства, при этом существенно сокращаются и сроки производства работ. 7. Интегрирование пространственного моделирования конструкций (автоматическое получение конструкторской и проектной документации) с автоматизированным процессом производства элементов конструкций позволяет получать полностью идентифицируемые фрагменты, которые собираются (укрупняются) на строительной площадке в короткие сроки с машиностроительными допусками. 8. Легкость в сочетании с прочностью и устойчивостью (особенно на сейсмические нагрузки), простота и удобство сборки элементов, совмещение несущих и ограждающих функций тонкостенных профилей – тоже преимущества таких систем, которые позволяют повысить производительность труда в 1,5…2 раза, приближают отрасль металлостроительства по уровню технического развития к машиностроению. 1.1.1. Особенности работы и расчета профилированного листа В зависимости от функционального назначения в конструкции профилированный лист может работать на изгиб, растяжение (сжатие), сдвиг и т.д.
Глава 1. Отечественный и зарубежный опыт использования стальных гофрированных… 14 Факторы, обусловливающие особенности работы профилированного листа: - тонкостенность; - форма гофров; - несимметричность сечения; - существенные различия в значениях изгибных жесткостей для сечений вдоль и поперек гофров; - начальные несовершенства; - условия сопряжения (соединение с другими несущими эле ментами по торцам и в промежуточных точках опирания); - ранняя стадия потери местной устойчивости сжатых широких граней. Инженерные методики расчета таких конструкций разработаны, как правило, на основе экспериментальных исследований и учитывают многие из этих факторов в упругой и упругопластической стадиях работы. В настоящее время в нашей стране и за рубежом ведется интенсивная работа по совершенствованию методики расчета конструкции из гнутых профилей. Выпущен ряд нормативных документов и рекомендации по расчету и проектированию конструкций из гнутых тонколистовых профилей [1, 2]. В работе [3] сделали попытку учета влияния уровня напряжения на рабочую ширину сжатых полок при их работе в закритической области. Одна из главных особенностей работы профилированных листов заключается в том, что при продольном изгибе и сжатии их грани могут потерять устойчивость и частично выключиться из работы при напряжениях, не достигших предела текучести стали. В результате геометрические характеристики сечений, фактически участвующих в работе (моменты сопротивления и инерции эффективного сечения), снижаются в зависимости от уровня сжимающих напряжений и соотношения ширины и толщины сжатых плоских участков граней. После местной потери устойчивости профилированные настилы, как правило, продолжают работать в закритической стадии. При определенных видах напряженно-деформированного состояния (НДС) работа профилированного листа может быть эквивалентно описана уравнениями теории ортотропных пластинок, оболочек переменной кривизны, системы жестко или гибко сочлененных пластинок, определенного подбора конечных или суперконечных элементов. В работах по изучению НДС профлиста, подверженного действию поперечной нагрузки, в зоне максимального изгибающего пролетного момента отмечалось, что после потери устойчивости сжатых широких полок ребра (под ребрами в профилированных листах подразумеваются линии пересечения полок и наклонных граней) остаются прямолинейными и служат для них жесткими опорами, а наклонные грани создают упругую заделку по