Системы прогонов в зданиях с каркасами из рам переменного сечения
|
Прогоны являются одними из важнейших конструкций здания, на которые приходится существенная часть общей массы каркаса. Как справедливо отмечал Н.С. Стрелецкий: «...прогон является ведущим звеном всей конструкции шатра и как таковой он заслуживает первейшего внимания». Действительно, эффективность конструктивных решений системы прогонов во много определяет общий расход стали на каркас и это связано даже, не столько с самими прогонами, но, в большей степени, с основными несущими конструкциями. Рассмотрим каркас здания пролетом L, состоящий из основных несущих рам и кровельных прогонов сплошного сечения (рис. 1). Проанализируем изменение общей массы каркаса Ms, равной сумме масс рам Mp и прогонов Mпр при изменении шага самих рам b. С увеличением шага рам растет пролет прогонов b. При этом масса прогонов также начинает расти, причем здесь можно выделить как бы два этапа. Как показано в данной работе, при относительно небольшом пролете прогона, его масса определяется прочностью и увеличивается прямо пропорционально пролету (участок 1 на графике). При достижении некоторого пролета, сечение прогона определяется его предельными деформациями, а масса будет ускоренно расти пропорционально пролету в степени 4/3 (участок 2). Указанные зависимости довольно хорошо описывают изменение массы прогонов из гнутых и прокатных профилей.  Увеличение шага приводит и к увеличению массы одной рамы. Однако, расход стали от рам на 1 м2 здания уменьшается приблизительно пропорционально степени 2/3 от увеличения шага (нагрузки на раму). Здесь действует правило: чем больше шаг рам, тем меньше расход стали на них. Следует отметить еще и тот положительный факт, что при увеличении шага рам, определяющим фактором, влияющим на их сечение, становится расчет на прочность, а факторы связанные с деформативностью и конструктивными ограничениями, оказывают все меньшее влияние. Из этого видно, что одним из основных сдерживающих факторов на пути уменьшения суммарной массы каркаса является ускоряющийся рост массы прогонов. Оптимальным путем является применение эффективных статических схем прогонов, позволяющих одновременно уменьшить их массу и намного увеличить критический пролет, когда сечение прогона определяется общей деформативностью. Для различных зданий общая доля стеновых и кровельных прогонов по массе составляет от 25 до 40 %. Таким образом, повышение эффективности прогонной системы зданий является одним из основных путей снижения общей металлоемкости здания. В целом, здесь возможны следующие основные варианты: 1. Уменьшение массы прогонов за счет применения эффективных сечений; 2. Уменьшение расчетных усилий в прогоне и его деформаций, а следовательно, его массы, за счет применения эффективных расчетных схем. 3. Включение прогонов в общую работу каркаса и уменьшение, за счет этого, массы других конструкций, выполняющих ранее эти функции; 4. Комбинация различных вариантов. Беспрогонные системы каркасов здесь не рассматриваются. При выборе статических схем и конструктивных решений прогонов следует учитывать то, что их число в зданиях достигает многих сотен и тыс., что на одно из первых мест выдвигает требования простоты их изготовления и монтажа. Ниже будут рассматриваться только прогоны сплошного сечения, выполняемые из прокатных или гнутых профилей. Повышение экономичности профилей прогонов, в основном связано с использованием тонкостенных гнутых сечений. Этим вопросам посвящены обширные исследования, и др. и поэтому здесь они не рассматриваются. Эффективным путем снижения массы прогонов является применение неразрезных схем. В основном различают два типа неразрезных схем: без локального увеличения сечения над опорами и с локальным увеличением сечения. Такие схемы широко применяются при строительстве зданий из деревянных конструкций, для которых из-за низкого модуля упругости древесины, вопросы деформативности стоят очень остро. Неразрезные прогоны без локального увеличения сечения над опорами обычно выполняются по двухпролетной схеме 2x6 м, что обусловлено обычными транспортными габаритами, равными 12 м (рис. 2 а). Применение многопролетных прогонов без локального усиления связано с необходимостью устройства относительно сложного монтажного стыка, что в условиях массового применения прогонов нецелесообразно. Основным преимуществом двухпролетных прогонов является их пониженная деформативность по сравнению с однопролетными. Так, деформации двухпролетной балки в 2,5 раза меньше, чем деформации однопролетной балки такого же сечения. Используя зависимости, полученные в данной работе можно определить, что максимальное снижение массы двухролетных прогонов при этом составит 2,50’33 = 1,36 раз. Таким образом, применение двухпролетных прогонов без локального усиления сечения над опорой выгодно при относительно небольших нагрузках, когда определяющим является второе предельное состояние.  Вместе с тем, анализ эпюры изгибающих моментов в двухпролетных прогонах показывает, что определяющим является опорный момент, действующий на относительно небольшом участке над средней опорой. При этом опорный момент в 1,79 раза превышает пролетный (рис. 2 а), что приводит к излишним запасам несущей способности прогонов в пролете, а следовательно, к повышенному расходу стали. Дальнейшего снижения массы прогонов можно достигнуть за счет применения неразрезных многопролетных прогонов с перехлестом отдельных отправочных элементов на опорах (рис. 2). В этом случае на опоре образуется двойное сечение, что в большей степени соответствует распределению изгибающих моментов в неразрезных балках.  Среди зарубежных производителей зданий из стальных конструкций наибольшее применение неразрезные прогоны нашли в зданиях фирмы «BUTLER», «Robertson» и др. При этом прогоны имеют Z-образное сечение, которые позволяет вкладывать прогоны друг в друга при их перехлесте над опорами (рис. 3 а). Аналогичные решения применяются и в зданиях промышленной компании BEHTAЛЛ (Россия). При отсутствии Z-профилей неразрезные прогоны можно выполнять из прокатных или гнутых швеллеров. Это решение широко применяется на объектах фирмы УНИКОН (рис. 3 б). Необходимо отметить, что благодаря развитому в поперечном направлении симметричному опорному сечению, образованному из двух швеллеров, появляется возможность увеличить несущую способность прогонов на опорах за счет учета пластической стадии работы (в среднем на 7—12 %), а также увеличить крутильную жесткость и общую устойчивость таких прогонов по изгибно-крутильной форме. Применение неразрезных двух- или многопролетных прогонов требует особого подхода к определению нагрузок на основные рамы каркаса, а также к расчету самих прогонов. Наиболее близкой расчетной схемой будет неразрезная балка с податливыми монтажными соединениями, опирающаяся на упруго-податливые опоры. Опорные реакции такой балки являются нагрузкой для расчета самих рамных конструкций. На величину опорных реакций будут оказывать влияние следующие факторы: — различие в деформациях рамы вдоль пролета, особенно в середине пролета и вблизи стоек; — различия в деформациях соседних рам, обусловленные разницей опорных реакций прогонов как неразрезных балок; — существенные различия в деформациях рамы и конструкций торцевого фахверка, на которые опирается крайний неразрезной прогон. Первым фактором можно пренебречь, так как жесткость опор вдоль каждой нитки прогонов одинакова, а следовательно, будут примерно одинаковы и опорные реакции (за исключением крайних пролетов). Как показывают расчеты, наибольшее влияние на перераспределение изгибающих моментов в неразрезных прогонах оказывает последний фактор. Однако и здесь возможны конструктивные мероприятия, которые в значительной мере могут компенсировать это негативное влияние. Таким образом, наиболее существенным является различие в величине опорных реакциях прогона, которые, в данном случае, могут быть определены как для обычной неразрезной балки на жестких опорах. Погрешность применения такой расчетной схемы не превышает 5—8 %, что является вполне достаточным при сравнительном анализе.  Наибольшая неравномерность опорных реакций наблюдается у двухпролетных прогонов. Для одиночного двухпролетного прогона разница нагрузки на среднюю опору в 3,33 раза больше, чем на крайнюю. Для цепочки таких прогонов эта разница меньше, но все же достигает 1,67 раза (рис. 4 б). Таким образом, рамы, находящиеся под средней опорой двухпролетных прогона нагружены в 1,67 раза больше, чем соседние. Это приводит либо к перерасходу стали на рамы, либо к необходимости изготовления различных рам, под конкретную нагрузку, действующую на них. В качестве оптимального решения, может быть рассмотрена расстановка двухпролетных прогонов в шахматном порядке, как это показано на рис. 4 а. При этом нагрузки на каждую из рам примерно выравниваются, что позволяет их сделать одинаковыми и относительно легкими. Крайние однопролетные прогоны, необходимые при такой схеме, выполняются усиленными. Для многопролетных прогонов с равными пролетами перегрузка второй опоры (рамы) составляет приблизительно 16 % по сравнению с последующими рамами. Такая разница в загрузке приводит к некоторому утяжелению рам (около 8—10%) и в ряде случаев, например, для коротких зданий с малым числом рам, может не учитываться. Для длинных зданий, суммарный перерасход стали на рамы может быть значительным, и поэтому следует принимать определенные меры для его сокращения. Также, в многопролетных прогонах с одинаковыми пролетами, наиболее нагруженным является первый пролет, где изгибающие моменты в 1,7 раза превышают изгибающие моменты в средних пролетах. Назначение сечений всей цепочки прогонов по максимальному моменту приводит к большому перерасходу металла. Снижения расхода стали на рамы и прогоны, при сохранении одинакового шага, можно добиться следующими способами: 1. Для снижения расхода стали на рамы: индивидуальный подбор сечения первой, второй и остальных рам в соответствии с действующими на них нагрузками; 2. Для снижения расхода стали на прогоны: — установка в первом пролете усиленных прогонов, подобранных в соответствии с действующими усилиями; — увеличение толщины сечений в первом пролете для прогонов из гнутых профилей; — применение стали повышенной прочности для прогонов первого пролета; — установка дополнительных прогонов в первом пролете.  Универсальным способом, позволяющим добиться снижения расхода стали одновременно на прогоны и рамы, является уменьшение первого и последнего шагов рам по сравнению с промежуточными и уменьшением за счет этого крайних пролетов неразрезных прогонов. Это позволяет выровнять как изгибающие моменты в прогонах, так и их опорные реакции, т.е. нагрузки на рамы. На рис. 5 показано распределение изгибающих моментов и опорных реакций для равнопролетных прогонов и прогонов с уменьшенным крайним пролетом (k<1). Величина коэффициента к назначается из условий:  Для неразрезных прогонов из швеллеров при упругопластической работе опорных участков, имеющих форму двутавра, формула (1) приобретает вид:  При работе прогонов в упруго-пластической стадии следует учитывать соответствующее перераспределение изгибающих моментов. Однако, из-за удвоенного опорного сечения эффект от этого перераспределения будет почти в два раза меньше, чем для балок постоянного сечения, и им можно пренебречь. Знак приближенного равенства в формуле (1) означает, что добиться абсолютного выравнивания изгибающих моментов только за счет изменения крайнего пролета не удается, но следует стремиться к тому, чтобы их разница не превышала дискретности сортамента прогонов из гнутых или горячекатаных профилей. Для статического расчета неразрезных прогонов приводится таблица, по данным которой можно определить изгибающие моменты в прогонах, их опорные реакции и деформации:   Как видно из таблицы, максимальное выравнивание изгибающих моментов достигается при k = 0,8.  |
