Сравнительный анализ структур типовых пролетов

Рассмотрим квадратные в плане структуры размерами 24×24, 30×30 и 36×36 м с капителями и без капителей. Структуры имеют консольные свесы и опираются на 4 колонны. При наличии капителей пролеты структур в осях колонн составляют соответственно 12×12, 18×12 и 24×24 м. При отсутствии капителей пролеты составят 15×15, 21×21 и 27×27 м.

Такие конструкции могут использоваться в покрытиях промышленных зданий различного назначения, а также в гражданских зданиях зрелищного, спортивного и торгового назначения. При этом расположение колонн и величины консольных свесов могут отличаться от предложенных выше.

При анализе структур с типовыми схемами рассмотрим влияние таких факторов, как наличие капителей, различные типы сечений стержней и конструкции узлов, а также использование различных марок стали.

Структуры 24×24 м.

Создадим задачи и сгенерируем схемы структур 24×24 м с капителями и без капителей, высота структуры — 1,5 м (рис. 2.8, 2.9). Первоначально примем сечения стержней из круглых труб, а расчетное сопротивление стали — 230 МПа. Далее эти параметры будем варьировать.

Рис. 2.8. Схема структуры 24×24 м с капителями

Выполнив расчет, получим массу 6312 кг, или 11 кг/м2. Наибольшее сечение имеют стержни капителей — из трубы 127×3 мм; пояса имеют сечение 83×2, а раскосы — 89×2 мм. Отметим, что ввиду малого пролета большинство стержней недогружены.

Аналогично выполним расчет для структуры без капителей (рис. 2.9). Масса получилась равной 10 646 кг, или 18,48 кг/м2. Столь значительная разница с предыдущим примером объясняется тем, что теперь опорные раскосы имеют максимальной сечение из трубы 127×3 мм, но поскольку все раскосы выполнены из одного типоразмера, то масса структуры почти вдвое больше, чем при наличии капителей.

Поэтому в случае отсутствия капителей опорные раскосы нужно выделять в отдельный типоразмер. Присвоив каждой четверке раскосов над колоннами типоразмер 4, после расчета получим массу 7292 кг, или 12,66 кг/м2. При этом опорные раскосы имеют максимальное сечение 127×3 мм, а остальные раскосы — 83×2 мм. Тем не менее, структура без капителей оказалась тяжелее на 13,1%.

Структуры из круглых труб имеют наилучшие показатели расхода металла, но по конструктивным соображениям могут применяться описанные в гл. 1 системы из уголков, швеллеров и гнутых профилей. Сравним показатели трубчатых и уголковых структур, для чего в примере без капителей на вкладке «Данные-Типоразмеры» заменим трубы на одиночные уголки. На вкладке «Нормативы» установим расчет по минимальному радиусу инерции.

Масса уголковой структуры получилась равной 20 056 кг, что в 2,75 раза больше, чем у трубчатой структуры. Понятно, что использование такой системы нецелесообразно, но уголки можно использовать для малонагруженных стержней при использовании в поясах более жестких профилей — например, из швеллеров или двутавров.

При замене одиночных уголков на спаренные, без учета минимального радиуса инерции, масса структуры снижается до 17 654 кг, но и этот показатель превышает массу трубчатой структуры в 2,42 раза. Поэтому замена труб на другие профили может быть оправдана только соображениями доступности профилей и упрощения узловых соединений.

Рассмотрим также влияние прочности стали на показатели структурных конструкций. Примем расчетное сопротивление стали равным 270 МПа — в 1-ом случае для всех типоразмеров, а во втором случае — только для поясов.

Результаты расчета следующие. При использовании стали повышенной прочности во всех типоразмерах удельная масса структура составила 10,9 кг/м2, а при использовании обычной стали 11 кг/м2, т. е. масса практически не изменилась. Если же сталь повышенной прочности используется только в поясах, то масса составит 11,73 кг/м2, т. е. увеличилась на 6,6%. Объясняется это тем, что многие стержни недогружены, поэтому повышение прочности стали для них не имеет значения.

Структуры 30×30 м.

Создадим задачи и сгенерируем схемы структур 30×30 м с капителями и без капителей, высота структуры также 1,5 м (рис. 2.10, 2.11). По результатам предыдущего примера рассматриваем только сечения стержней из круглых труб, а расчетное сопротивление стали — 230 МПа.

Рис. 2.10. Схема структуры 30×30 м с капителями

Выполнив расчет, получим массу 16 248 кг, или 18,05 кг/м2. Наибольшее сечение имеют стержни капителей — из трубы 152×4 мм; пояса имеют сечение 89×3, а раскосы — 114×3 мм. Здесь также большинство стержней недогружены.

Аналогично выполним расчет для структуры без капителей (рис. 2.11). При этом сразу выделим опорные раскосы в отдельный типоразмер. Масса получилась равной 20 552 кг, или 22,84 кг/м2. Увеличение массы по сравнению со структурой без капителей составило 26,5%.

Рис. 2.11. Схема структуры 30×30 м без капителей

Структуры 36×36 м.

Создадим задачи и сгенерируем схемы структур 36×36 м с капителями и без капителей, высота структуры 1,8 м (рис. 2.12, 2.13). По результатам предыдущих примеров рассматриваем только сечения стержней из круглых труб, а расчетное сопротивление стали — 230 МПа.

Выполнив расчет, получим массу 38 556 кг, или 29,75 кг/м2. Наибольшее сечение имеют стержни капителей — из трубы 219×5 мм; пояса имеют сечение 127×3, а раскосы — 159×3,5 мм. Здесь также большинство стержней недогружены.

Аналогично выполним расчет для структуры без капителей (рис. 2.13). При этом сразу выделим опорные раскосы в отдельный типоразмер. Масса получилась равной 42 976 кг, или 33,16 кг/м2. Увеличение массы по сравнению со структурой без капителей составило 11,46%.

Рис. 2.12. Схема структуры 36×36 м без капителей

Полученные данные сведем в таблицу.

Таблица 2.1.

Как видно по результатам проведенного анализа, структуры с опиранием через капители экономичнее по сравнению с непосредственным опиранием через нижние пояса на 11−26%, поэтому при отсутствии каких-либо ограничений следует применять капители, тем более что и с архитектурной точки зрения такое опирание выглядит привлекательнее.

С увеличением размеров структуры в плане расход стали нарастает быстрее, чем пролет, к тому же профили стержней становятся очень большими. Поэтому дальнейшее увеличение пролетов без специальных мероприятий, рассмотренных в гл. 3, нецелесообразно.

Кроме того, нецелесообразно применение уголковых профилей в стержнях, а также сталей повышенной и высокой прочности.