Методическое пособие 782

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

DOI 10.36622/VSTU.2021.61.1.001 УДК 624.014

НОВЫЙ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ УЗЕЛ ВЕРХНЕГО ПОЯСА ДВУСКАТНОЙ ФЕРМЫ С ЛИСТОВЫМИ ФАСОНКАМИ НА БОЛТАХ

И. Л. Кузнецов 1, Р. Г. Гайнетдинов 2

Казанский государственный архитектурно-строительный универитет 1, 2 Россия, г. Казань

1Д-р техн. наук, проф. кафедры металлических конструкций и испытания сооружений, тел.: (898)729-63-234, e-mail: kuz377@mail.ru

2Аспирант кафедры металлических конструкций и испытания сооружений, тел.: (893)777-01-095,

e-mail: rishat.gajnetdinov@bk.ru

Постановка задачи. В скатных фермах из стальных тонкостенных холодногнутых и стеклопластиковых профилей, где элементы соединяются непосредственно на болтах с помощью листовых фасонок, основной проблемой является недостаточная жесткость центрального узла верхнего пояса, что существенно влияет на устойчивость фермы в процессе транспортировки, монтажа и ее эксплуатации. В связи с этим предлагается рассмотреть новое узловое соединение верхнего пояса двускатной фермы.

Результаты. Установлено, что предлагаемое новое решение центрального узла верхнего пояса скатной фермы позволяет повысить жесткость узла из плоскости. Отмечается, что конструктивное решение может найти применение при изготовлении решетчатых конструкций из стальных тонкостенных холодногнутых и стеклопластиковых профилей.

Выводы. Рассмотрено новое узловое соединение центрального узла верхнего пояса двускатной фермы. Доказано, что решение позволяет увеличить момент сопротивления сечения из плоскости. Узловое соединение обеспечивает устойчивость из плоскости фермы на стадии транспортировки, монтажа и ее эксплуатации.

Ключевые слова: двускатная ферма, стальной тонкостенный холодногнутый профиль, стеклопластиковый профиль, листовая фасонка, центральный узел верхнего пояса, болтовое соединение.

Введение. В настоящее время в строительстве, в частности в несущих конструкциях, активно применяются современные строительные материалы – стальные тонкостенные холодногнутые [12, 13, 15] и стеклопластиковые профили [11, 19-22]. Из этих профилей уже изготавливаются рамные конструкции [2, 5, 10, 16], фермы пролетом до 15 м [1, 6, 17, 18], больше 15 м [4, 8]. Однако в данных конструкциях имеются недостатки узловых соединений стальных тонкостенных холодногнутых и стеклопластиковых профилей. Одним из существенных недостатков двускатных ферм является центральный узел верхнего пояса. Он образуется из двух профилей и стержней решетки, соединенных листовой фасонкой на болтах. В результате момент сопротивления сечения из плоскости в узле недостаточен для обеспечения устойчивости фермы на стадии транспортировки, монтажа [7] и эксплуатации [14]. Од-

© Кузнецов И. Л., Гайнетдинов Р. Г., 2021

11

Научный журнал строительства и архитектуры

ним из вариантов решения отмеченной проблемы является выполнение центрального узла верхнего пояса скатной фермы из стальных тонкостенных холодногнутых профилей с применением Н-образной листовой фасонкой [3]. Экспериментальные исследования такой фермы показали, что классическое решение центрального узла верхнего пояса не обеспечивает устойчивость фермы из плоскости и требует дальнейшего исследования и усовершенствования [8]. В связи с этим в работе [9] выполнено дополнительное исследование узла фермы, в результате предложено выполнить листовую фасонку двутаврового сечения. При этом размеры верхней и нижней полки фасонки могут уточняться для возможности варьирования центра тяжести сечения узла. Очевидно, что конструктивные решения, как в [3], так и в [9], позволяют обеспечить жесткость узла из плоскости, но при этом увеличивается удельный вес узла за счет приварки стальных листов, что является непопулярным решением вопроса проектирования легких стальных конструкций. Стоит также отметить, что исключение сварочных работ в стальных тонкостенных холодногнутых и в стеклопластиковых профилях усложняет мероприятия по конструктивному изменению узла для обеспечения требуемой жесткости.

Целью исследования является совершенствование центрального узла верхнего пояса из тонкостенных холодногнутых и стеклопластиковых профилей с возможностью обеспечения требуемой жесткости из плоскости. Очевидно, что для дальнейшего внедрения несущих конструкций из тонкостенных холодногнутых и стеклопластиковых профилей необходимо совершенствовать традиционные узловые решения и разрабатывать новые. В данной статье рассматривается новый центральный узел верхнего пояса двускатной фермы с листовыми фасонками на болтах.

1. Двускатная ферма из тонкостенных холодногнутых и стеклопластиковых про-

филей. Двускатная ферма представляет собой стержни из стальных тонкостенных холодногнутых и стеклопластиковых профилей, соединенные листовой фасонкой на болтах (рис. 1). Верхний пояс фермы может выполняться из парных уголков, швеллеров, С-образных сечений и из двойных профилей с трапециевидной стенкой.

Рис. 1. Фрагмент двускатной фермы и центрального узла с фасонками на болтах

Основным недостатком указанной двускатной фермы является узел А, где профили верхнего пояса для обеспечения уклона кровли устанавливаются под углом. В результате на

ется меньше момента сопротивления сечения W y 2 из плоскости по 2-2, где сечения верхнего

пояса выполнены из спаренных профилей (рис. 2). Данное решение не позволяет обеспечить устойчивость фермы на стадии транспортировки, монтажа и эксплуатации.

12

Рис. 2. Центральный узел верхнего пояса двускатной фермы:

1, 2 – парные стержни верхнего пояса фермы; 3 – стержни решетки; 4 –листовая фасонка; 5 – болты (верхний пояс условно показан из спаренных швеллеров)

В виду исключения сварочных мероприятий в тонкостенных холодногнутых и стеклопластиковых профилях увеличение момента сопротивления сечений из плоскости вызывает трудности. Следовательно, необходимо разрабатывать новые конструктивные решения.

2. Конструкция двускатной болтовой фермы. Для разработки центрального узла верхнего пояса рассмотрена ферма пролетом 18 м с уклоном верхнего пояса i 3,5%.

Шаг установки ферм – 3 м, состав кровли – профилированный лист с опиранием на прогоны, снеговой район – IV. Геометрическая схема фермы при расчетной постоянной

Рис. 3. Геометрическая схема фермы

Верхний пояс рассматриваемой фермы принято выполнять из спаренных тонкостенных

холодногнутых швеллеров, соединенных листовой фасонкой на болтах М16 . В результате по расчетным усилиям подобрано сечение верхнего пояса по ТУ 1122-023-129063390-2009:

ля: АП-100-1,5; высотой H 100мм , толщиной t 1,5мм, из стали класса С350 . Листовая фасонка из стали С245, толщина принята – tф 8мм , высота фасонки определена, исходя из

габаритов, уклона верхнего пояса и сечения раскосов. Высота фасонки в сечении 1-1:

H ф 300 мм (рис. 2).

13

Научный журнал строительства и архитектуры

После конструирования центрального узла верхнего пояса двускатной фермы определим момент сопротивления сечения по 1-1 (рис. 2).

по 2-2: Wy 3,42см3 .

3. Новый центральный узел верхнего пояса двускатной болтовой фермы. Новый центральный узел верхнего пояса двускатной болтовой фермы представляет собой стержни из стальных тонкостенных холодногнутых и стеклопластиковых профилей, соединенных листовой фасонкой на болтах. Верхний пояс двускатной фермы при этом выполняется из парных швеллеров, С-образных сечений, уголков, профилей с трапециевидной стенкой (рис. 4).

Рис. 4. Новый центральный узел верхнего пояса скатной фермы: 1, 2 – парные стержни верхнего пояса фермы;

3 – стержни решетки; 4 –листовая фасонка; 5 - болты

Устройство центрального узла верхнего пояса двускатной фермы выполняется в следующей последовательности. С одной стороны листовой фасонки 4 устанавливается первый одинарный стержень верхнего пояса 1 до конца фасонки, а второй стержень 2 доводится до соприкосновения с ним. С другой стороны фасонки 4 подобные стержни 1 и 2 устанавливаются зеркально. После установки стержней верхнего пояса 1 и 2 относительно фасонки 4 их соединяют болтами 5 (рис. 4).

Для определения жесткости предлагаемого узла из плоскости вычислены момент сопротивления сечения по 1-1 (рис. 4), сечения профилей, высота и толщина фасонки приняты так же, как по результатам конструирования существующего узла (рис. 2). При заданном уклоне пояса:

Видно, что предлагаемое решение (рис. 4) позволяет увеличить момент сопротивления узла в 1,12 раза из плоскости фермы по сравнению с традиционным конструктивным исполнением (рис. 2). Следует также отметить, что новый центральный узел верхнего пояса двускатной фермы с фасонками на болтах является технологичным, без применения сварочных работ, легким в отличии от узла с фасонкой двутаврового и Н-образного сечения. Предлагаемое решение в дальнейшем может найти применение при изготовлении двускатных, тре-

14

угольных ферм, рамных конструкций с уклоном пояса из стальных тонкостенных холодногнутых и стеклопластиковых профилей.

Выводы. Рассмотрен новый центральный узел верхнего пояса двускатной фермы с фасонками на болтах. Показано, что решение позволяет увеличить момент сопротивления сечения из плоскости в узле, следовательно, повышается устойчивость из плоскости фермы, что очень важно при транспортировке, монтаже и эксплуатации конструкции. Новый центральный узел верхнего пояса в дальнейшем может найти применение при изготовлении двускатных, треугольных ферм, рамных конструкций с уклоном пояса из стальных тонкостенных холодногнутых и стеклопластиковых профилей.

Библиографический список

1.Белый, Г. И. Исследования работы стальной фермы из холодногнутых профилей с учётом их местной и общей устойчивости / Г. И. Белый, Э.Л. Айрумян // Промышленное и гражданское строительство. — 2010. — № 5. — С. 41–44.

2.Енджиевский, Л. В. Тарасов А.В. Численные и экспериментальные исследования рамы каркаса

здания из тонколистовой оцинкованной стали / Л. В. Енджиевский, А. В. Тарасов // Промышленное и гражданское строительство. — 2012. — № 10. — С. 52—54.

3. Жидков К. Е. Повышение несущей способности узловых соединений конструктивных элементов ферм / К. Е. Жидков, В. В. Зверев, А. С. Семенов, Ю. Л. Стуканев // Академический вестник УРАЛНИИПРОЕКТ РАССН. — 2015. — № 4. — С. 88—90.

4.Зверев В. В. Влияние податливости болтовых соединений на деформативность фермы из тонкостенных гнутых профилей / В. В. Зверев, А.С. Семенов // Строительство и архитектура. Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. — 2008. — № 2 (10). — С. 9—7.

5.Зверев, В. В. Экспериментальные исследования рамных конструкций из холодногнутых профилей повышенной жесткости / В. В. Зверев, К. Е. Жидков, А. С. Семенов, И. В. Сотникова // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительства и архитектура. — 2011. — № 4. — С. 20—24.

6.Колесов, А. И. Опытное исследование стальных ферм из тонкостенных холодногнутых профилей на самонарезающих винтах / А. И. Колесов, А. А. Лапшин, И. А. Ямбаев, Д. А. Морозов // Приволжский научный журнал. — 2013. — № 4 (28). — С. 15–19.

7.Колесниченко В.Г. Расчет металлических конструкций и приспособлений при производстве

монтажных работ / В.Г.Колесниченко // Будiвельник. — 1978. — 161 с.

8.Кузнецов И. Л. Стенд и результаты испытания фермы пролетом 24 м со стержнями из оцинкованных холодногнутых профилей / И. Л. Кузнецов, М. А. Салахутдинов, Р. Г. Гайнетдинов // Известия КГАСУ. — 2018. — № 4. — С. 193–199.

9.Кузнецов И. Л. Центральный узел верхнего пояса стропильной фермы из стержней холодногнутого профиля / И. Л. Кузнецов, Р. Г. Гайнетдинов // Известия КГАСУ. — 2019. — № 1. — С. 140—146.

10.Кузнецов И.Л. Разработка и экспериментальные исследования конструкций навеса над трибунами из пултрузионных стеклопластиковых профилей / И.Л. Кузнецов, М.А. Салахутдинов, Д.Н. Арипов, А.Э. Фахрутдинов // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2019. — № 9 (729). — С. 96—108.

11.Кузнецов И.Л. Болтовое соединение в стержневых конструкциях из пултрузионных стеклопластиковых профилей (ПСП) / И.Л. Кузнецов, А.Э. Фахрутдинов, Д.Н. Арипов // Известия КГАСУ. —

2018. — № 4. — С. 200—207.

12.Санникова, О. А. Юшков Б.С. Малоэтажное строительство из легких тонкостенных конструкций / О. А. Санникова, Б. С. Юшков // Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика — 2013. Т. 2. — С. 374–382.

13.Советников, Д. О. Легкие стальные тонкостенные конструкции в многоэтажном строительстве /

Д. О. Советников, Н. В. Виденков, Д. А. Трубина // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2015. —

№3. — С. 152–165.

14.СТО НОСТРОЙ 77-2012 Монтаж стальных конструкций одноэтажных и многоэтажных зданий. — М: Национальное объединение строителей. — 2012.

15.Dubina, D. Cold-formed steel trusses with semi-rigid joints, thin-walled structures / D. Dubina, R. Zaharia //

Special Issue on Cold-Formed Steel and Aluminium Structures, Elsevier Science Ltd. — 1998. — Vol. 29. — P. 1—4.

16.Teofil, F. Experimental studies of the back-to-back connected cold formed steel profile joints / F. Teofil, Galatanu, I. P. Ciongradi, M. Budescu, Octavian Ros¸ca // Buletinul Institutului Politehnic Din Ias¸I Publicat de Universitatea Tehnica «Gheorghe Asachi» din Ias¸i, Sect¸ia Сonstruct¸ii. Arhitectura. — 2009.— P. 17—28.

17.Je Chenn Gan. Expermental study on the effect of heel plate thickness on the structural integrity of cold formed steel roof trusses / Je Chenn Gan, Jee Hock Lim, Siong Kang Lim, Horng Sheng Lin // 14 th International Conference on Concrete Engineering and Technology. — 2018. — P. 1—9.

15

Научный журнал строительства и архитектуры

18.Tan Cher Siang. Numerical study on roof truss with cold-formed steel section / Tan Cher Siang, Mahmood Md Tahir, Shahrin Mohammad, Arizu Sulaiman // The International Conference on Sustainable Built Environment for Now and the Future. March. 26—27, 2013. — Hanoi, 425—430.

19.M.D.Raghunathan. On the tensile capacity of Single-bolted Connections between GFRP Angles and

Gusset Plates-Testing and Modelling / M.D. Raghunathan, R.Senthil, and G.S. Palani // KSCE Journal of Civil Engineering. — 2016. — Vol.21. No.6. — P. 2259—2272.

20.Russo S. Performance of a PFRP structure covering a historic building struck by an earthquake // Proc. 5th Int. Conf. Advanced Composites in Construction, NetComposites, Chesterfield, U.K. — 2011. — P. 51—57.

21.Russo S. Experimental and finite element analysis of a very large pultruded FRP structure subjected to free vibration // Compos. Struct. — 2012. — Vol.94. No. 3. — P. 1097 — 1105.

22.Russo S. Damage assessment of GFRP pultruded structural elements // Compos. Struct. — 2013. — Vol.96. — P. 661 — 669.

References

1. Belyy G.I. Issledovaniya raboty stalnoy fermy iz kholodnognutykh profiley s uchetom ikh mestnoy i obshchey ustoychivosti [Investigations of the work of a steel truss from cold-formed profiles taking into account their local and general stability] / Belyy G.I., Ayrumyan E.L // Promyshlennoye grazhdanskoye stroiteltvo [Industrial and civil engineering]. 2010. No. 5. Pp. 41–44. (In Russian)

2.Endzhievsky L.V. Chislennyye i eksperimentalnyye issledovaniya ramy karkasa zdaniya iz tonkolistovoy otsinkovannoy stali [Numerical and experimental research frames frame building of sheet galvanized steel] / Endzhievsky, L.V., Tarasov, A.V. // Promyshlennoye grazhdanskoye stroiteltvo [Industrial and civil engineering]. 2012. No. 10. Pp. 52–54. (In Russian)

3.Zhidkov K.E. Povysheniye nesushchey sposobnosti uzlovykh soyedineniy konstruktivnykh elementov

ferm [Increasing of the load bearing capacity of the nodal connections of structural elements of the trusses made] / Zhidkov K. E. Zverev V. V., Semenov A. S., Stukanev Y. L. // Vestnik URALNIIPROEKT RAASN [Academic Bulletin URALNIIPROEKT of RASN]. 2015. No. 4. Pp. 88–90. (In Russian).

4. Zverev V.V. Vliyaniye podatlivosti boltovykh soyedineniy na deformativnost fermy iz tonkostennykh gnutykh profiley [Influence of bolted connections compliance on deformability of girder made from slender roll-formed sections] / Zverev V.V., Semenov A.S // Stroitelstvo i arkhitektura nauchnyy vestnik. Voronezhskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitelnogo universiteta [Construction and architecture. Scientific Bulletin of Voronezh state University of architecture and construction]. 2008. No. 2 (10). Pp. 9–17. (In Russian)

5. Zverev, V.V. Eksperimentalnyye issledovaniya ramnykh konstruktsiy iz kholodnognutykh profiley povyshennoy zhestkosti [Experimental researches of frame constructions from cold-formed profiles of raised rigidity] / Zverev, V.V., Zhidkov, K.Y., Semenov, A.S., Sotnikova, I.V // Stroitelstvo i arkhitektura nauchnyy vestnik. Voronezhskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitelnogo universiteta [Construction and architecture. Scientific Bulletin of Voronezh state University of architecture and construction]. 2011. No. 2. Pp. 20-24. (In Russian)

6. Kolesov A.I. Opytnoye issledovaniye stalnykh ferm iz tonkostennykh kholodnognutykh profiley na samonarezayushchikh vintakh [Experimental study of steel trusses from thin-walled cold-formed profiles on selftapping screws] / Kolesov A.I., Lapshin А.А., Yambaev И.A., Morozov D.A. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal // [The Privolzhsky scientific journal]. 2013. No. 4 (28). Pp. 15–19. (In Russian)

7. Kolesnichenko V.G. Raschet metallicheskikh konstruktsiy i prisposobleniy pri proizvodstve montazhnykh rabot [Calculation of metal structures and fixtures during installation work] / Kolesnichenko V.G. // Budivelnik [Budivelnik]. 1978. 161 p.

8. Kuznetsov I.L. Stend i rezultaty ispytaniya fermy proletom 24 m so sterzhnyami iz otsinkovannykh kholodnognutykh profiley [Stand and test results of a 24m span truss with elementss of galvanized cold-formed profiles] / Kuznetsov I.L., Salakhoutdinov M.A., Gainetdinov R.G // Izvestiya KGASU [News of the KSUAE]. 2018. No. 4. Pp. 193–200. (In Russian)

9.Kuznetsov I.L. Tsentralnyy uzel verkhnego poyasa stropilnoy fermy iz sterzhney kholodnognutogo profilya [The central node of the upper belt truss from rods cold-formed profile] / Kuznetsov I.L., Gainetdinov R.G. // Izvestiya KGASU [News of the KSUAE]. 2019. No. 1. Pp. 140–146. (In Russian).

10.Kuznetsov I.L. Razrabotka i eksperimentalnyye issledovaniya konstruktsiy navesa nad tribunami iz

pultruzionnykh stekloplastikovykh profiley. [Development and experimental studies structures of the canopy over the stands from pultruded glass fiber reinforced profles] / Kuznetsov I.L., Salakhutdinov M.A., Aripov D.N., Fakhrutdinov A.E. // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Stroitelstvo. [News of Higher Educational Institutions. Construction]. 2019. No. 9. Pp. 96–108. (In Russian)

11. Kuznetsov I.L. Boltovoye soyedineniye v sterzhnevykh konstruktsiyakh iz pultruzionnykh stekloplastikovykh profiley (PSP) [Bolted joint in pultruded glass-reinforced plastic (GRP) profile framings] / Kuznetsov I.L., Aripov D.N., Fakhrutdinov A.E. // Izvestiya KGASU [News of the KSUAE]. 2018. No. 4. Pp. 200–207. (In Russian)

16

12.Sannikova O.A. Maloetaznoye stroitelstvo iz legkikh tonkostennykh konstruktsiy [Low-rise construction of light thin-walled structures] / Sannikova O.A., Yushkov B.S // Ekologiya I nauchno-teknicheckiy progress [Ecology and scientific and technical progress. Urbanistics]. 2013. Pp. 374–382. (in Russian)

13.Sovetnikov D.O. Legkiye stalnyye tonkostennyye konstruktsii v mnogoetazhnom stroitelstve [Light gauge

steel framing in construction of multi-storey buildings]. / Sovetnikov D.O., Videnkov N.V., Trubina D.A // Stroitelstvo unikalnykh zdaniy i sooruzheniy. [Construction of Unique Buildings and Structures]. 2015. No. 3. Pp. 152–165.

14.STO NOSTROY 77-2012 Montazh stalnykh konstruktsiy odnoetazhnykh i mnogoetazhnykh zdaniy [Erection of steel structures in one-story and multi-story buildings]. - M: National Association of Builders. — M: Natsionalnoye obyedineniye stroiteley. — 2012.

15.Dubina, D. Cold-formed steel trusses with semi-rigid joints, thin-walled structures / D. Dubina, R. Zaharia //

Special Issue on Cold-Formed Steel and Aluminium Structures, Elsevier Science Ltd. — 1998. — Vol. 29. — P. 1—4.

16.Teofil, F. Experimental studies of the back-to-back connected cold formed steel profile joints / F. Teofil, Galatanu, I. P. Ciongradi, M. Budescu, Octavian Ros¸ca // Buletinul Institutului Politehnic Din Ias¸I Publicat de Universitatea Tehnica «Gheorghe Asachi» din Ias¸i, Sect¸ia Сonstruct¸ii. Arhitectura. — 2009.— P. 17—28.

17.Je Chenn Gan. Expermental study on the effect of heel plate thickness on the structural integrity of cold formed steel roof trusses / Je Chenn Gan, Jee Hock Lim, Siong Kang Lim, Horng Sheng Lin // 14 th International Conference on Concrete Engineering and Technology. — 2018. — P. 1—9.

18.Tan Cher Siang. Numerical study on roof truss with cold-formed steel section / Tan Cher Siang,

Mahmood Md Tahir, Shahrin Mohammad, Arizu Sulaiman // The International Conference on Sustainable Built Environment for Now and the Future. March. 26—27, 2013. — Hanoi, 425—430.

19.M.D.Raghunathan. On the tensile capacity of Single-bolted Connections between GFRP Angles and Gusset Plates-Testing and Modelling / M.D. Raghunathan, R.Senthil, and G.S. Palani // KSCE Journal of Civil Engineering. — 2016. — Vol.21. No.6. — P. 2259—2272.

20.Russo S. Performance of a PFRP structure covering a historic building struck by an earthquake // Proc., 5th Int. Conf. Advanced Composites in Construction, NetComposites, Chesterfield, U.K. — 2011. — P. 51—57.

21.Russo S. Experimental and finite element analysis of a very large pultruded FRP structure subjected to free vibration // Compos. Struct. — 2012. — Vol.94. No. 3. — P. 1097 — 1105.

22.Russo S. Damage assessment of GFRP pultruded structural elements // Compos. Struct. — 2013. — Vol.96. — P. 661 — 669.

NEW CENTRAL NODE OF THE UPPER BELT OF THE PITCHED TRUSS

I. L. Kuznetsov 1, R. G. Gainetdinov 2

Kazan State University of Architecture and Engineering 1, 2

Russia, Kazan

1 D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Metal Structures and Testing of Structures, tel.: (898)729-63-234, e-mail: kuz377@mail.ru

2 PhD student of the Dept. of Metal Structures and Testing of Structures, tel.: (893)777-01-095, e-mail: rishat.gajnetdinov@bk.ru

Statement of the problem. In pitched trusses made of steel thin-walled cold-formed and fiberglass plastic profiles, where the elements are connected directly on bolts using sheet gusset, the main problem is the lack of rigidity of the central node of the upper belt, which significantly affects the stability of the farm during installation and operation. Therefore, it is suggested that a new node connection of the upper belt of the pitched truss is considered.

Results. It is established that the suggested new solution of the central node of the upper belt of the pitched truss allows the rigidity of the node to be increased. It is noted that the structural solution can be employed in manufacturing lattice structures of steel thin-walled cold-formed and fiberglass plastic profiles.

Conclusions. The new node connection of the central node of the upper belt of the pitched truss is considered, it is proved that the solution enables an increase in the moment of resistance of the section from the plane. The node connection allows stability to be provided from the plane of the truss at the stage of installation and its operation.

Keywords: pitched truss, steel thin-walled cold-formed profile, fiberglass profile, sheet gusset, center node of the upper belt.

17

Научный журнал строительства и архитектуры

DOI 10.36622/VSTU.2021.61.1.002 УДК 69.04

ПОДСТРОПИЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ОДНОЭТАЖНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ СТУПЕНЧАТО-ПЕРЕМЕННОЙ ВЫСОТЫ

И. И. Шишов 1, М. С. Лисятников 2, А. В. Лукина 3

Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых 1, 2, 3 Россия, г. Владимир

1Канд, тех. наук, проф. кафедры строительных конструкций, тел.: (4922)47-98-10, e-mail: shishov@shishov777.elcom.ru

2Канд, тех. наук, доц. кафедры строительных конструкций, тел.: (4922)47-98-10, e-mail: mlisyatnikov@yandex.ru

3Канд, тех. наук, доц. кафедры строительных конструкций, тел.: (4922)47-98-10, e-mail: pismo33@yandex.ru

Постановка задачи. Для железобетонного покрытия промышленного здания с пролетами 30 м и шагом осей 18 м предлагается подстропильная балка ступенчато-переменного сечения. Необходимо разработать алгоритм расчета прочности, трещиностойкости и деформативности для нового вида конструкции – железобетонной балки двутаврового сечения переменно-ступенчатой высоты. Результаты. Выполненные расчеты показали, что принятое распределение жесткостей по длине подстропильной балки, опирание ее на спаренные колонны и жесткое соединение смежных частей обеспечивают ей достаточную прочность и высокую жесткость.

Выводы. Предложена и научно обоснована новая подстропильная конструкция – двутавровая балка ступенчато-переменной высоты для покрытий большепролетных одноэтажных промышленных зданий. Написанная программа расчета позволяет увеличивать число участков различной высоты и добиваться лучшего соответствия жесткостей балки эпюре изгибающих моментов. Это позволит создавать рациональные и экономичные проектные решения для промышленных зданий.

Ключевые слова: железобетон, подстропильная конструкция, балки, промышленные здания.

Введение. Железобетонные конструкции с различными формами поперечного сечения (прямоугольного, таврового, двутаврового, трапециевидного и др.) составляют значительную часть сборных, монолитных и сборно-монолитных конструкций [1, 5].

Теоретические и экспериментальные исследования деформативности изгибаемых железобетонных элементов различных сечений приводятся в работах [9, 6, 10, 12, 19].

Однако в большепролетных зданиях использование железобетонных конструкций затруднительно [7, 14, 20]. Целесообразность использования железобетонных конструкций заключается в их повышенных прочностных свойствах, надежности, возможности использования в зданиях с минимальным отоплением.

Одноэтажные промышленные здания с пролетами до 30 м строятся для многих отраслей промышленности. Элементы покрытия довольно громоздки и требуют предварительного напряжения арматуры. Они трудоемки в изготовлении, транспортировании и монтаже; покрытие получается высоким и увеличивает высоту здания. Ребристые плиты в работу стропильных конструкций не вовлекаются и не усиливают их. Ограниченность номенклатуры железобетонных элементов для большепролетных зданий порождает поиск новых экономичных конструкций, что является актуальной задачей. Все это дает повод к поиску новых решений.

Для таких зданий с пролетами 30 м и шагом поперечных осей 18 м предлагается подстропильная конструкция в виде балки двутаврового поперечного сечения ступенчато пере-

© Шишов И. И., Лисятников М. С., Лукина А. В., 2021

18

менной высоты на спаренных колоннах – две колонны с расстоянием 3 м между ними. Соединение смежных балок предполагается жестким – сваркой выпусков арматуры или закладных деталей по растянутой и сжатой зонам. Расчетная схема подстропильной балки показана на рис. 1.

Рис. 1. Подстропильная балка при пролетах здания 30 м и шаге поперечных осей 18 м: а) расчетная схема метода конечных разностей;

б) поперечное сечение в крайних зонах I и III протяженностью 2,6 м;

в) поперечное сечение в средней зоне II протяженностью 12,8 м; F – реакции колонн; A и B – законтурные точки на смежных балках.

Применяется метод конечных разностей. Балка длиной 18 м разделяется на 24 участка длиной по 0,75 м. В точках 2 и 22 прикладываются силы F – реакции колонн. Жесткое соединение смежных балок позволяет принять перемещения в законтурных точках A и B равными перемещениям в точках 1 и 23 соответственно.

Крайние зоны балки имеют протяженность по 2,6 м, средняя – 12,8 м. Балка выполняется из бетона класса В50, армируется стержневой арматурой класса А500С без предварительного напряжения.

1. Расчет прочности подстропильной конструкции ступенчато-переменной высо-

ты. Крайние зоны балки имеют протяженность по 2,6 м, средняя – 12,8 м. Балка выполняется из бетона класса В40, армируется стержневой арматурой класса А500С без предварительного напряжения.

Расчет подстропильной балки производится с учетом нелинейности деформирования железобетона исходя из следующих предпосылок:

руководство гипотезой плоских сечений;

деформирование бетона сжатой зоны нелинейным способом в соответствии с рекомендованной нормами трехлинейной диаграммой;

19

Научный журнал строительства и архитектуры

деформирование арматуры растянутой зоны класса А500C в соответствии с рекомендованной нормами двухлинейной диаграммой;

косвенный учет работы бетона растянутой зоны с помощью коэффициента s ,

где Mcrc – момент образования трещин; M – момент от внешней нагрузки.

Распределение деформаций и напряжений по высоте поперечного сечения балки представлено на рис. 2.

Рис. 2. Распределение деформаций и напряжений по высоте поперечного сечения балки:

h - высота балки поперечного сечения балки, h1 - толщина верхней полки, h2 – толщина нижней полки, h3 - расстояние от центра арматуры до кромки сечения, d – ширина верхней полки сечения,

d1 - толщина стенки сечения, d2 – ширина нижней полки, ε´b – деформация на уровне нижней кромки верхней полки,

εb1 – деформация по границе между упругой и пластической зонами, εs – деформация растянутой арматуры,

εbt,u - деформация крайнего волокна растянутой зоны при моменте Mcrc, σb – напряжение крайнего волокна сжатой зоны,

σbt – напряжение, соответствующее упругой деформации εbt,u Δσ = σbt – Rbt,ser , х – высота сжатой зоны, хt – высота растянутой зоны, у – высота пластической зоны

Момент образования трещин определяется с учетом неупругих деформаций бетона растянутой зоны на основе следующих предпосылок:

гипотеза плоских сечений;

в сжатой зоне бетон работает упруго при начальном модуле упругости Eb ;

в растянутой зоне напряжения в бетоне возрастают упруго до величины расчетного сопротивления бетона растяжению для предельных состояний второй группы Rbt,ser , при

дальнейшем деформировании остаются постоянными;

деформация наиболее напряженного волокна растянутой зоны достигает предельного значения для кратковременной нагрузки bt,u 0,00015 ;

арматура деформируется упруго.

Поперечное сечение балки при моменте, равном Mcrc , разделяется на упругую и пла-

стическую зоны, с деформацией 'b Rbt.ser / Eb по границе.

Скорость изменения деформаций по высоте пластической зоны y и всего сечения можно найти по формуле:

20