Сравнение действительной работы ферм при плоской и пространственной расчетной схеме

Comparison of the actual work of trusses with a flat and spatial design scheme

Daria Tokareva

Master student Tyumen Industrial University, Russia, Tyumen

Irina Anashkina

Master student Tyumen Industrial University, Russia, Tyumen

Efimov Alexander

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor in Tyumen Industrial University, Russia, Tyumen

Аннотация. Резервы запаса прочности конструкций могут обуславливаться не только коэффициентами надежности, назначаемыми на стадии проектирования, но и за счет совместной работы каркаса зданий и сооружений. В данной статье будет рассмотрено влияние жёсткого диска покрытия на работу элементов стальных стропильных ферм.

Abstract. The safety reserves of structures can be determined not only by the reliability factors assigned at the design stage, but also due to the joint work of the frame of buildings and structures. This article will examine the effect of the hard disk cover on the operation of the elements of steel truss trusses.

Ключевые слова: действительная работа стальных ферм; дефект; пространственная схема; резерв несущей способности.

Keywords: actual work of steel trusses; defect; spatial scheme; bearing capacity reserve.

Объект исследования – здание Детско-юношеской школы №1 в г. Заводоуковске. В 2016 году было проведено обследование объекта, причина – обнаружение дефектов несущих стропильных конструкций, которые могли привести к обрушению покрытия.

Здание ДЮСШ представляет собой 3-блочное бескаркасное прямоугольное кирпичное строение с продольными и поперечными несущими стенами с размерами в плане 15,02×51,24 м. Стены здания выполнены из керамического кирпича, перекрытия и покрытия над 2-этажными блоками устроены из плоских пустотелых плит толщиной 220 мм. Покрытие над 1-этажным блоком устроено из железобетонных ребристых плит размерами 1,5×6,0 м, опирающихся на стальные стропильные фермы и поперечные несущие стены. Пространственная жесткость обеспечивается совместной работой стен, дисков перекрытий и покрытия. Над основной частью здания крыша чердачная 4-скатная, устроена по деревянным стропильным конструкциям, поперечный разрез здания представлен на рис. 1.

Рисунок 1. Поперечный разрез здания

Объект неоднократно был реконструирован, что усложняло обследование и анализ причин появления критических дефектов.

Обследуемые конструкции – стропильные стальные 2-скатные фермы с уклонами верхних поясов 1:9 изготовлены из стальных уголков сечением L 75×50×7 и швеллеров [ №16. Из спаренных стальных уголков указанного размера изготовлены все элементы решетки, включая опорные раскосы. Из швеллеров изготовлены нижние и верхние пояса. Верхние пояса дополнительно усилены стальными уголками сечением L 56×36×5.

Результаты обследования выявили следующие критические дефекты:

• опорные раскосы в крайних панелях всех стропильных ферм за исключением двух панелей выгнуты из плоскости ферм, ыгибы опорных раскосов в крайних панелях стропильных ферм составляют 50÷180 мм, выгнуты из плоскости также и узловые пластины, к которым приварены опорные раскосы;
• электросварные швы между дополнительными стойками и опорными раскосами разрушены с образованием горизонтальных трещин шириной до 20÷25 мм.

По результатам обследования стропильных конструкций можно заключить, что они находятся в аварийном состоянии, поэтому дальнейшая эксплуатация здания не допустима.

Для проверки усилий, возникающих в ферме, и проверки условий прочности и устойчивости элементов ферм, выполняется поверочный расчет.

Сбор нагрузок. Обследуемый объект расположен в Тюменской области, г. Заводоуковск.

По ветровому давлению Тюменская область относится ко II-му ветровому району. Величина нормативного ветрового давления составляет w0 = 0,23 кН/м2 [3].

По весу снегового покрова г. Заводоуковск относится к III-му снеговому району. Расчетное значение веса снегового покрова на горизонтальной поверхности земли составляет sq = 1,5 кН/м2 [3].

Расчет фермы производится с учетом следующих нагрузок:

1) Постоянная нагрузка учитывает в себе:

• Стропильная система и собственный вес покрытия (опирается в 3-х точках)
• Собственный вес плит покрытия
• Слои арболита, стяжки и полистиролбетона

Таблица 1.

Вид нагрузки

Средний шаг стропильных рам составляет В = 1,35 м.

Величина расчетной распределенной постоянной нагрузки от покрытия составляет 0,03 тс/м, нормативной 0,027 тс/м.

Величины сосредоточенных сил на ферму определялись с учетом шага стропильных рам 1,35 м и шага ферм 6 м с повышающим коэффициентом k = 6/1,35 = 4,44 по отношению к нагрузкам от опор стропильной рамы.

Определение величин расчетных нагрузок на 1 м2 от перекрытия спортзала и полезной нагрузки в чердачном помещении приведено в таблице 2.

Таблица 2.

Определение величин расчетных нагрузок на 1 м2 от перекрытия спортзала и полезной нагрузки в чердачном помещении

Нагрузки передаются на верхний пояс фермы от железобетонных ребристых плит шириной 1,5 м.

Рисунок  2. Суммарная постоянная нагрузка постоянная нагрузка (Загружение L1)

2) Временные нагрузки включают:

• Полезная нагрузка на чердачное перекрытие (прикладывается аналогично собственному весу плит покрытия)
• Снеговая нагрузка (равномерно распределённая)

Полезная нагрузка на чердаке g=70 кгс/м2.

Рисунок 3. Временная полезная нагрузка на чердачное перекрытие (Загружение L2)

Снеговая нагрузка приложена равномерно, μ=1,0 для всей ширины покрытия.

Рисунок 4.  Снеговая нагрузка (Загружение L3)

Статический расчет стропильной фермы выполнен в ПО SCAD++, версия: 21.1.1.1.

Ферма закреплена в плоскости шарнирно подвижно в одном узле опирания на стены и шарнирно неподвижно в другом, сопряжение элементов фермы также шарнирное. Из плоскости в опорных узлах принято жесткое защемление.

При пространственном расчете каркас рассматривается как система плоских рам, соединенных между собой горизонтальными продольными дисками.

Сравнение распределения усилий между пространственной и плоской расчётными схемами будет производиться по комбинации загружений от собственного веса плит покрытия, кровельного покрытия, стропильной системы, равномерно распределенной снеговой нагрузки с µ=1 и полезной нагрузки на чердаке.

Рисунок 5. Эпюра продольных усилий N от комбинации L1+L2*0.9+L3*0.7, тс

При переходе к пространственной схеме сосредоточенные силы в узлах ферм преобразовываются в равномерно распределенные.

Собственный вес железобетонных плит учитывается программой, плиты заданы пластинами с размером полок h=275мм, b=93мм, и плитной частью толщиной 50 мм. Бетон класса B30, объемный вес равен 2,5 т/м3

Рисунок 6. Расчетная схема пространственной модели каркаса

Загружения при расчете пространственной схемы:

L1 – собственный вес стропильных ферм и поит покрытия;

L2 – собственный вес стропильной системы;

L3 – Нагрузка от слоев арболита, стяжки и полистиролбетона;

L4 – Полезная нагрузка на чердачное перекрытие;

L5 – Снеговая равномерно распределнная нагрузка.

Рисунок 7. Эпюра продольных усилий N при комбинации загружений L1+L2+L3+0.7*L4+0.9*L5, тс

Необходимо выявить резервы несущей способности металлических ферм при учете совместной работы с плитами покрытия.

Сравним коэффициенты использования элементов стропильных ферм:

Рисунок 8. Коэффициенты использования при плоской схеме

Рисунок 9. Коэффициенты использования при учете пространственной работы каркаса

Результаты расчетно-теоретического анализа показали:

Сравнивая продольные усилия, можно сделать вывод, что полное включение железобетонных плит покрытия в совместную работу со стропильными фермами оказывает наибольший разгружающий эффект на элементы верхнего пояса. В крайних панелях коэффициент использования превышает допустимые значения по п. 9.1.1 [1] (Прочность при совместном действии продольной силы и изгибающих моментов), это можно объяснить тем, что плиты не опираются непосредственно в узлы фермы, что создает возникновение значительных по величине изгибающих моментов (до 6 т*м).

Также стоит отметить, что влияние на остальные элементы решетки незначительно.