Особенности стальных подкрановых балок с треугольно-гофрированной стенкой

Кудрявцев С. В., Беляева З. В., Вэйхан Ч., Пэнъюэ Ч. Особенности стальных подкрановых балок с треугольно-гофрированной стенкой // АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 2 | 2024

Введение

Комплекс подкрановых конструкций необходим для передвижения мостовых кранов в промышленном здании и включает в себя: непосредственно сами подкрановые балки, тормозные балки и фермы с тормозными листами, узлы крепления балок к колоннам, крановый рельс с креплениями его к подкрановой балке, а также крановые упоры в торцах здания. Как правило, в современном строительстве применяются стальные сплошные сварные подкрановые балки. В России еще в 1970–1980е гг. разработано несколько типовых серий для изготовления таких конструкций (1). В последнее время в строительстве, в том числе промышленных зданий, существует устойчивая тенденция на снижение металлоемкости как отдельных несущих конструкций, так и каркасов зданий в целом [1–3; 5–7; 13]. Многие заводы металлоконструкций освоили выпуск облегченных металлических конструкций, в том числе сварных профилей с гофрированной стенкой (2),(3).

(1) Типовая серия 1.426.2–7, вып. 3. Балки пролетом 6 и 12 м разрезные под краны общего назначения грузоподъемностью до 50 т. Чертежи КМ. М.: ЦНИИпроектстальконструкция, 1989. 91 с.

(2) ТУ 5261002773044662011. Балки двутавровые с поперечно-гофрированными стенками. Технические условия. Екатеринбург: ООО «МечелСервис», 2011. 35 с.

(2) ТУ 5283010854200772014. Сварные двутавровые профили с волнистыми стенками. Технические условия. Екатеринбург: ООО «Силур», 2014. 41 с.

Активно развивается нормативная база, необходимая для внедрения конструкций с гофрированной стенкой в практику строительства, — за несколько последних лет разработаны и введены в действие как нормы их проектирования (4), так и требования к изготовлению (5), а также сортамент основных типоразмеров профилей (6).

(4) СП 294.1325800.2017. Конструкции стальные. Правила проектирования. М.: Стандартинформ, 2017. 158 с.

(5) ГОСТ Р 70006–2022. Двутавры стальные сварные с поперечно-гофрированной стенкой для строительных конструкций. Технические условия. М.: Российский институт стандартизации, 2022. 14 с.

(6) ГОСТ Р 70571–2022. Двутавры стальные сварные с поперечно-гофрированной стенкой для строительных конструкций. Сортамент. М.: Российский институт стандартизации, 2023. 42 с.

Вместе с тем профили с гофрированной стенкой применяются, как правило, лишь для изготовления конструкций, находящихся под воздействием статических нагрузок (балок и ригелей покрытия и перекрытия, колонн каркасов и т. п.) [1–8; 9; 12; 14; 15]. Их использование для изготовления подкрановых балок интересно, в первую очередь, не тем, что дает возможность сэкономить металл и снизить металлоемкость конструкции, а тем, что в одном потоке и на одном оборудовании можно изготавливать весь каркас промышленного здания из сварных сечений, одинаковых в конструктивном отношении. При этом, разумеется, область применения конструкций с гофрированной стенкой, как и любых других легких металлических конструкций, ограничивается небольшими промышленными зданиями с кранами легкого и среднего режимов работы и небольшой грузоподъемности, а таких объектов в настоящее время возводится подавляющее большинство [1–3].

Идея использовать балки с гофрированной стенкой в качестве подкрановых конструкций не нова. Некоторые проектные работы и натурные испытания по данной теме проводились еще в 1980е и 1990е гг. в структуре ЦНИИпроектстальконструкция [5]. Были возведены отдельные опытные образцы подкрановых балок пролетом 6 м и 12 м с гофрированной стенкой под краны грузоподъемностью до 32 т среднего режима работы, которые благополучно эксплуатируются до настоящего времени (Иллюстрации 1, 2).

Цель настоящего исследования — показать потенциальную возможность применения профилей с гофрированной стенкой для использования в качестве подкрановых балок. При этом, разумеется, необходимо принимать во внимание имеющиеся недостатки подобных конструкций, которые особенно сильно могут проявляться при их использовании в качестве подкрановых конструкций, а именно:

• так называемый эффект «гармошки» [3–5], или эффект «аккордеона», как принято его обозначать в англоязычной литературе [9–16], т. е. неспособность изогнутой тонкой стенки воспринимать нормальные усилия в продольном направлении (вдоль балки);

• влияние поперечных сил, действующих в сечении, на общий прогиб конструкции [3; 5], что особенно важно именно для подкрановых балок, так как их прогибы очень жестко ограничены технологическими факторами;

• худшая по сравнению с обычными балками с плоской стенкой местная устойчивость сжатого верхнего пояса из-за больших свесов пояса в вершинах гофров [3; 5].

В настоящее время в России для изготовления несущих строительных конструкций применяются, как правило, профили с треугольно- и синусоидально-гофрированными стенками. Использование последних в конструкциях подкрановых балок, по нашему мнению, малоцелесообразно и возможно лишь под краны небольшой грузоподъемности (не более 5 т) легкого режима работы (1К–3К) при пролетах здания до 24 м, т. е. в тех случаях, когда в качестве кранового рельса допускается использовать не специализированный крановый рельс КР70 или железнодорожный рельс Р43, а квадратный профиль 50 × 50 мм. Это объясняется тем, что при синусоидальном профиле гофрирования высота волны гофра составляет лишь около 40 мм (от 40 мм до 43 мм в зависимости от толщины стенки 2…3 мм). По действующим строительным нормам, эксцентриситет передачи сосредоточенной нагрузки на пояс балки не должен превышать половины высоты гофра, что для синусоидально-гофрированной стенки составляет не более 20 мм. Расчетный же эксцентриситет передачи крановой нагрузки принимается (7) в размере не менее 20% от ширины подошвы кранового рельса и для специализированных крановых рельсов КР70 составляет как минимум 24 мм.

(7) СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. М.: Стандартинформ, 2017. 140 с.

Для треугольно-гофрированных стенок это ограничение легко преодолимо, поскольку технология их производства позволяет выполнять гофры высотой 50 мм, 60 мм, 70 мм и более при необходимости. Кроме того, треугольно-гофрированные стенки могут быть выполнены толщиной от 2 мм до 10 мм, что значительно расширяет область их применения в различных конструкциях, позволяя выполнять устойчивые гофрированные стенки большой высоты до 4 м [5].

Базой настоящего исследования послужили типовые стальные подкрановые балки (1), на основе которых разработаны новые решения таких конструкций с гофрированной стенкой (Иллюстрация 3). При этом высоты балок с гофрированной стенкой были приняты равными типовым решениям (Таблица 1). Для стенки и поясов всех балок принята сталь класса С255. Для стенки принят треугольный профиль гофрирования с параметрами гофров a × f = 150 × 60 мм.

Определение геометрических характеристик сечений

Из-за неспособности тонкой гофрированной стенки воспринимать нормальные усилия в продольном направлении в инженерных расчетах при определении геометрических характеристик таких сечений вклад стенки, как правило, игнорируется [3–5; 13]. Таким образом, расчетные геометрические характеристики сварного двутаврового сечения с гофрированной стенкой могут быть найдены по следующим формулам:

Следует отметить, что при расчете подкрановых балок на горизонтальные усилия в геометрические характеристики сечения включается лишь верхний пояс, на который непосредственно передается нагрузка, и тормозная конструкция. В настоящем исследовании тормозные конструкции условно не учитываются.

Нагрузки и расчетные усилия в подкрановой балке

Для расчета подкрановых балок с гофрированной стенкой в настоящей работе приняты краны грузоподъемностью Q = 5 т, Q = 10 т и Q = 12, 5 т легкого (1К–3К) и среднего (4К, 5К) режимов работы. База (расстояние между опорными катками) для всех кранов принята А = 5 000 мм, габарит моста крана В = 6 000 мм.

Максимальное нормативное давление на колесо принято: Pmax = 7, 5т для крана Q = 5 т; Pmax = 10,5 т для крана Q = 10 т; Pmax = 15,5 т для крана Q = 12, 5 т.

Рассмотрены случаи подкрановых балок пролетом 6 м и 12 м. Коэффициенты надежности по нагрузке, коэффициенты динамичности и коэффициенты сочетания нагрузки от двух мостовых кранов приняты по действующим нормам (8).

(8) СП 20.13330.2016, с изм. № 1, № 2, № 3, № 4. Нагрузки и воздействия. М.: Стандартинформ, 102 с.

Максимальные расчетные изгибающие моменты в сечениях подкрановых балок определялись при самом неблагоприятном положении одного и двух мостовых кранов по методу Винклера, т. е. при таком положении, когда равнодействующая всех сил, находящихся на балке, и ближайшая к ней сила равноудалены от середины пролета балки. При этом наибольший изгибающий момент возникает под силой, ближайшей к середине пролета балки (Иллюстрация 3). Результаты определения расчетных усилий в сечениях балок приведены в Таблице 2.

Проверка прочности подкрановой балки с гофрированной стенкой

Для подкрановых балок с гофрированной стенкой, так же как и для обычных балок с плоской стенкой, должны быть выполнены следующие условия прочности поясов соответственно верхнего и нижнего:

где Mx и My — расчетные изгибающие моменты в подкрановой балке в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно;

Wx1 и Wy1 — моменты сопротивления сечения в уровне верхнего пояса балки;

Wx 2 — момент сопротивления сечения в уровне нижнего пояса балки;

Ry — расчетное сопротивление материала пояса по пределу текучести;

γc — коэффициент условий работы конструкции.

Стенка подкрановой балки находится в условиях сложного напряженного состояния, и ее прочность оценивается из выражения

При проверке прочности балок с плоской стенкой было обнаружено, что для кранов грузоподъемностью 12,5 т размеры типовых балок не удовлетворяют действующим требованиям (7) и их прочность не обеспечивается.

По‑видимому, это связано с ужесточением требований к определению расчетных усилий в подкрановых балках в действующих нормах в 2010 г. Так, были увеличены коэффициент надежности по крановой нагрузке и коэффициент динамичности на 10 % по сравнению с действовавшими на момент разработки типовых серий в 1980‑е гг.

В связи с этим в настоящей работе предложены оптимизированные сечения типовых подкрановых балок с плоской стенкой, соответствующие требованиям действующих норм по прочности, устойчивости и деформативности (Таблица 1).

Проверка местной устойчивости сжатых поясов подкрановой балки с гофрированной стенкой

Особенностью элементов с гофрированной стенкой является худшая, по сравнению с классическими решениями с плоской стенкой, местная устойчивость сжатого пояса [3; 5]. Это объясняется тем, что при смещении стенки с продольной оси пояса вследствие ее гофрирования увеличиваются свесы сжатого пояса, он становится более гибким, а значит, менее устойчивым на локальных участках.

Расчетный свес сжатого пояса балки с гофрированной стенкой определяется из выражения

где bf и f — геометрические размеры сечения (Иллюстрация 1).

При этом гибкость свеса сжатого пояса ограничена так же, как и для балок с плоской стенкой, условием bef / tf ≤ 15.

При проверке местной устойчивости поясов типовых балок с плоской стенкой обнаружено, что некоторые типоразмеры поясов не удовлетворяют действующим требованиям (7) и местная устойчивость их сжатых поясов не обеспечивается. В связи с чем в настоящей работе предложены оптимизированные сечения типовых подкрановых балок с плоской стенкой, соответствующие требованиям действующих норм по прочности, устойчивости и деформативности (Таблица 1).

Особенности определения прогибов балок с гофрированной стенкой

Поперечные силы, действующие в сечении балки с гофрированной стенкой, существенно влияют на ее деформативные свойства — увеличивают прогиб по сравнению с балкой с плоской стенкой, находящейся в тех же условиях [3; 5].

Расчетный относительный вертикальный прогиб подкрановой балки с гофрированной стенкой должен удовлетворять условию

где E = 206 000 МПа и G = 78 000 МПа — модуль упругости и модуль сдвига стали соответственно;

[ f l ]x = 1 / 400 — предельный вертикальный прогиб подкрановых балок при мостовых кранах легкого и среднего режимов работы (1К–6К), ограниченный технологическими требованиями.

Расчетный относительный горизонтальный прогиб подкрановой балки с гофрированной стенкой должен удовлетворять условию

где [ f l ]y — предельный горизонтальный прогиб подкрановых балок, ограниченный технологическими требованиями.

Предельные горизонтальные прогибы подкрановых балок при кранах легкого режима работы (1К–3К) ограничиваются величиной 1 / 500, а при кранах среднего режима работы (4К–6К) — величиной 1 / 1 000. В рамках настоящего исследования влияние тормозных конструкций подкрановых балок условно не учитывалось. Все подобранные сечения балок удовлетворяют требованиям по деформативности без учета тормозных конструкций при работе кранов легкого режима работы (1К–3К), а с учетом тормозных конструкций и при работе кранов среднего режима работы (4К, 5К). Эксплуатация подкрановых балок без специальных тормозных конструкций при кранах среднего режима работы (4К и более) недопустима вне зависимости от типа стенки балки.

В настоящей работе выполнено сравнение металлоемкости подкрановых балок с гофрированной и плоской стенками (Иллюстрации 4, 5).

Заключение

Анализируя полученные в настоящей работе результаты, можно сделать следующие выводы:

1 Несмотря на укоренившееся в среде проектировщиков мнение, подкрановые балки с плоской стенкой, разработанные в типовых сериях 1980х и 1990х гг., не в полной мере соответствуют современным требованиям к таким строительным конструкциям. Их использование без выполнения дополнительных поверочных расчетов невозможно в новых проектах.

2 Сварные конструкции с синусоидальным профилем гофрирования стенки могут быть использованы в качестве подкрановых балок лишь под краны небольшой грузоподъемности (не более 5 т) легкого режима работы (1К–3К) при пролетах здания не более 24 м, т. е. в тех случаях, когда в качестве кранового рельса допустимо применять не специализированный крановый рельс КР70 или железнодорожный рельс Р43, а квадратный профиль 50 × 50 мм, что вызвано малой высотой их гофр.

3 Эксплуатация подкрановых балок при кранах легкого режима работы (1К–3К) возможна без специальных тормозных конструкций. При кранах среднего режима работы (4К и более) подкрановые балки обязательно должны эксплуатироваться совместно с тормозными конструкциями вне зависимости от типа стенки балки.

4 Для изготовления подкрановых балок рекомендуется применять стенки с треугольным профилем гофрирования с высотой гофр не менее 50 мм.

5 При одинаковой несущей способности подкрановые балки с гофрированной стенкой обладают меньшим весом по сравнению с подкрановыми балками с плоской стенкой, что позволяет сократить металлоемкость таких конструкций до 30% (Иллюстрации 4, 5).

6 Рациональной областью использования подкрановых балок с гофрированной стенкой считаем их применение в производственных зданиях пролетом до 30 м с мостовыми кранами грузоподъемностью до 12,5 т легкого и среднего режимов работы (1К–5К).

Список использованной литературы

[1] Брянцев А. А., Абсиметов В. Э., Лалин В. В. Эффективность применения двутавров с гофрированными стенками в производственных зданиях // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2017. — № 3 (54). — С. 93–104. — DOI 10.18720/CUBS.54.8.

[2] Гайфуллина К. В. Перспектива применения двутавров с гофрированными стенками в сейсмостойком строительстве в условиях импортозамещения // VII Международный студенческий строительный форум — 2022: сб. докл. VII Междунар. студ. строит. форума, Белгород, 24 ноября 2022 г. — Белгород: Белгород. гос. технол. унт им. В. Г. Шухова, 2022. — С. 33–39. — EDN PDJORP.

[3] Кудрявцев С. В. Расчет и проектирование сварных двутавровых профилей с волнистыми стенками. — Екатеринбург: Издво Урал. унта, 2017. — 60 c.

[4] Макеев С. А., Силина Н. Г., Красотина Л. В., Ступин М. А. Общая устойчивость сварных двутавровых балок с поперечногофрированной стенкой // Промышленное и гражданское строительство. — 2023. — №1. — С. 36–42. — DOI 10.33622/0869– 7019.2023.01.36–42. — EDN MCUXEM.

[5] Максимов Ю. С., Остриков Г. М., Ибраимов Н. Э. Строительные гофрированные конструкции. Результаты исследований, методика расчета, технология изготовления, опыт применения. — LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016. — 128 с.

[6] Попленкин М. С., Сенкевич А. Д., Рябоконь И. Р. Исследование балок с гофрированными стенками // Международная научнотехническая конференция молодых ученых БГТУ им. В. Г. Шухова, посв. 170летию со дня рождения В. Г. Шухова: сб. докл., Белгород, 16–17 мая 2023 г. Ч. 6. — Белгород: Белгород. гос. технол. унт им. В. Г. Шухова, 2023. — С. 241–251. — EDN MNQIFV.

[7] Уточкина Д. А. Особенности расчета и проектирования рам с переменной жесткостью из сварных двутавров с гофрированной стенкой // Молодой ученый. — 2023. — № 22 (469). — С. 119–124. — EDN UXTRAD.

[8] Шустиков И. К., Кадыров Р. Д. Разработка технологии изготовления двутавровой балки с гофрированной стенкой // Проспект Свободный — 2023: материалы XIX Междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, Красноярск, 24–29 апреля 2023 г. — Красноярск: Сиб. федер. унт, 2023. — С. 1563–1565. — EDN VEPEFS.

[9] FernandezLacabe D., Lopez C., Serna M. A. Elastic LateralTorsional Buckling of Girders with Corrugated Web: Equivalent Section Properties Approach // Proceedings in civil engineering. — 2022. — Vol. 5. Iss. 4. — P. 344–353.

[10] Jiang Z., Niu Z., Zhang A., Liu X. Desing method of axial compression stability for crosssection corrugated plate steel specialshaped column // ThinWalled Structures. — 2024. — Vol. 194, Part A. — 111243.

[11] Kudryavtsev S. V. A Generalized Approach to Estimating the Outofplane Buckling of Steel Sections with a Triangularly Corrugated Web // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1066 (2021) 012002. — DOI 10.1088/1757899X/1066/1/012002.

[12] Shaheen Y. B. I., Mahmoud A. M. Lateraltorsional buckling resistance of composite steel beams with corrugated webs // Structural Engineering and Mechanics. — 2022. — Vol. 8, № 6. — P. 751–767.

[13] Shon S., Jin S., Lee S. Minimum weight design of sinusoidal corrugated web beam using realcoded genetic algorithms // Hindawi Mathematical Problems in Engineering. — 2017. — 9184292.

[14] Swelem S. M., Fahmy A. S., Sherif N. F. E. Effect of different parameters on lateraltorsional buckling behavior of Igirders with circular corrugated webs // J. of Engineering and Applied Science. — 2022. — № 69, 23.

[15] Tohamy A. S., Badaran S. F., ElSerwi A. A. et al. Comparison of the efficiencies of web cutouts for steel plate girders with corrugated webs versus flat webs under pure shear // Civil and Environmental Engineering. — 2022. — Vol. 18, Iss. 2. — P. 641–654.

[16] Zewudie B. B., Zerfu K., Agon E. C. Numerical investigation of elasticplastic buckling performance of circular arched cellular steel beam using nonlinear finite element analysis method // Heliyon. — 2024. — Vol. 10. — e25292.