Влияние деформаций рам на работу конструкций кровли
|
В зданиях из металлических конструкций, профлист кровли часто используется для создания диска жесткости, заменяющего горизонтальные связи покрытия. Методика расчета таких дисков жесткости разработана ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова и изложена в рекомендациях. При этом усилия, возникающие в плоскости профлиста определяются только от внешних горизонтальных нагрузок, а крепления листов к прогонам и прогонов к рамам рассчитываются исходя исключительно на эти нагрузки. Однако, изгибные деформации рамных конструкций переменного сечения оказывают определенное влияние на работу профлиста покрытий. В основном это проявляется в появлении дополнительных сжимающих усилий в профлисте и срезающих усилий в узлах крепления профлиста к прогонам покрытия. Для оценки величины этих усилий рассмотрим совместную работу деформируемого элемента ригеля и прикрепленного к нему через прогоны профлиста (рис. 8).  Для дальнейших расчетов примем следующие допущения: 1. При определении деформаций элемента ригеля учитываются только изгибающие моменты. Влиянием продольных и поперечных сил пренебрегаем. 2. Влияние профлиста на деформации элемента ригел не учитывается вследствие большой разницы в жесткостных характеристиках. 3. Изгибающие моменты меняются по длине элемента ригеля согласно линейному закону. Суммарный угол поворота опорных сечений элемента ригеля равен:  Момент М(х) определится как  Момент инерции сечения J(x) для двутаврого сечения:  или, приближенно  Тогда выражение (1) примет вид:  Если бы профлист отстуствовал (допущение 2), то условные консоли, соединяющие нейтральную ось сечения и места крепления профлиста к прогонам, свободно повернулись и сблизились на рас стояние ΔΣ. Ввиду малости угла поворота примем tgΘ = Θ и тогда  Здесь h0,hs — расстояние от нейтральной оси двутавра до его наружной полки и высота сечения прогона покрытия соответственно. Усилия сжатия в профлисте, вызванные деформациями ригеля, можно найти, зная перемещения и податливость системы «профлист — узел крепления — ригель»:  Податливость δΣ равна сумме податливостей отдельных частей этой системы  Величина δ1 определяется по формуле:  Здесь Aef = S*t — расчетная площадь сечения профлиста, включаемая в работу и на ширине, приблизительно равной двум гофрам для разрезных прогонов и 3—3,5 гофрам для неразрезных прогонов с перехлестами над опорой. S — периметр сечения профлиста на расчетном участке. Остальные участки профлиста в расчет не принимаются из-за возможности свободных деформаций прогонов между рамами и взаимных сдвигов профлиста в плоскости кровли. Податливость креплений профлиста к прогонам δ2 определим в соответствии с работой Е. Брайан:  Податливость крепления прогонов к рамам δ3 зависит от конструктивных решений этих креплений. На рис. 9 а—г приведены значения δ3 для различных типов креплений, заимствованные из работы. При креплении прогонов к рамам через вертикальную пластину шириной t, высотой hs и толщиной ts (рис. 9 д), податливость δ3 определяется по формуле:  В качестве примера рассмотрим элемент ригеля длиной 12 м, нагруженный на концах изгибающими моментами M1= 110 тм и M2 = 50 тм. К ригелю, через прогоны, из швеллера № 20, при помощи двух самонарезающих винтов прикреплен профлист Н57—750—08. Опорный узел прогона выполнен по схеме, показанной на рис. 9 г. Размеры опорной пластины будут равны: b*hs*ts = 20x20x0,8 см.  Суммарный угол поворота торцевых сечений элемента ригеля равен ΘΣ=0,021 рад; возможное перемещение крайних точек крепления профлиста ΔΣ=1,211 см. Податливости системы «профлист — крепления профлиста» (см/кг):  Суммарная податливость будет равна: δΣ = 14,2*10-4 см/кг, а усилие сжатия, возникающее в профлисте при деформировании ригеля рамы — N = ΔΣ/δΣ = 1,211/14,2*10-4 = 853 кг. При этом на один крепежный элемент будет приходиться усилие в 426 кг, что сопоставимо с несущей способностью дюбеля или самонарезающего винта. Предполагая, что при расчетах была допущена ошибка даже в 2—3 раза, нагрузки действующие на соединение все же имеют значительную величину. Таким образом, при использовании профлиста в качестве жесткого диска покрытия в зданиях с каркасами из рамных конструкций переменного сечения, необходимо учитывать возможность повреждения самого профлиста и его креплений при деформировании ригелей рам. Очевидно в отдельных случаях, следует предусматривать специальные мероприятия, позволяющие повысить податливость крепления профлиста, и тем самым уменьшить дополнительные продольные усилия, что позволит одновременно уменьшить и усилия, возникающие вследствие температурных деформаций. Вообще, к вопросу применения профлиста в качестве жесткого диска покрытия следует подойти не только со стороны потенциальных возможностей профлиста, но и целесообразности такого конструктивного решения связей покрытия. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Применение профлиста в качестве диска покрытия требует выполнения следующих обязательных условий: 1. Профлист покрытия должен обладать достаточной прочностью и жесткостью для восприятия вертикальных нагрузок, а также сдвиговых нагрузок от горизонтальных сил. Это достигается в основном за счет значительной, по сравнению с зарубежными аналогами, толщиной профлиста — до 0,8—0,9 мм; 2. Отдельные листы должны быть надежно скреплены между собой по длине, что достигается увеличением числа комбинированных заклепок, которые в зоне диафрагм ставятся в 2—2,5 раза чаще чем обычно; 3. Крепление профлиста к прогонам в зоне диафрагм жесткости осуществляется в каждой волне, причем возможны случаи, когда в одну волну ставится по два самонарезающих винта или дюбеля; 4. Профлист в зоне диафрагм должен прикрепляться к прогонам в нижней волне по каждой гофре; 5. Прогоны в зоне диафрагм жесткости должны иметь специальные опорные крепления, препятствующие их повороту вокруг собственной оси и передающие сдвиговые усилия от рам на диск жесткости; 6. В диске покрытия нельзя делать отверстия под фонари, воздуховоды и др., с размерами, превышающими допустимые; 7. В соответствии с нормами, разрешается устраивать диск жесткости из профлиста в кровлях с уклоном не более 10°; 8. В зданиях с диском жесткости из профлиста покрытия сложно устраивать легкосбрасываемые кровли. Таким образом, использование профлиста в качестве жесткого диска покрытия сопряжено с рядом проблем, а именно: Во-первых, отверстия в нижних гофрах профлиста нарушают герметичность кровли, что для холодных кровель практически неприемлимо; Во-вторых, из-за необходимости передачи сдвиговых усилий через профлист невозможно уменьшить его толщину до минимально необходимой из условия его несущей способности при действии вертикальных нагрузок; В-третьих, постановка тыс. дополнительных заклепок, дюбелей и самонарезающих болтов требует значительных затрат труда и может быть дороже, чем постановка горизонтальных связей (особенно гибких); В-четвертых, отсутствие горизонтальных связей приводит к необходимости установки временных связей и распорок при монтаже каркаса; В-пятых, коррозия профлиста в местах повреждения его отверстиями под крепежные метизы приводит к увеличению отверстий и снижению сдвиговой жесткости диска; В-шестых, жесткое крепление профлиста к прогонам препятствует его температурным деформациям и к появлению дополнительных усилий; В-седьмых, наличие большого числа относительно слабых связей (дюбели, заклепки и т.д.) может привести к их локальному неконтролируемому разрушению при действии неучтенных в расчете усилий, связанных с деформированием ригелей рамы, температурным деформациям профлиста и т.д. Как видно, использование профлиста в качестве жесткого диска покрытия, наряду с положительными, имеет и отрицательные стороны. Зарубежный и отечественный современный опыт показывает, что в большинстве случаев рационально использовать тонкий профлист (0,55—0,6 мм) и легкие крестовые связи из круглого прутка, а профлист использовать для обеспечения изгибно-крутильной устойчивости облегченных прогонов. Разделение функций между каркасом, как несущей системой, и профлистом, как ограждающей системой, позволяет по иному подходить к проектированию зданий. Учитывая повышенную деформативность рамных конструкций, скорее всего не следует стремиться к жестким ограждающим конструкциям. Наоборот, ограждение должно быть «мягким» и податливым, подобно коже и также податливо прикрепляться к каркасу, что позволит избежать многих негативных последствий перечисленных выше. |
