• +7 (915) 126 34 64
  • +7 (977) 815 20 60
  •   129344, г. Москва,ул. Енисейская, дом 1, строение 8, этаж 2, помещение 12
  •   info.arhs@yandex.ru

Оставьте заявку
на расчёт стоимости работ

Обратная связь

Ваше сообщение было успешно отправлено

Основные ошибки при проектировании ферм из ГСП

К написанию этой небольшой статьи нас подтолкнули распространённые однотипные дефекты конструкций из ГСП, встречающиеся во время обследования зданий и сооружений или анализе аварийных ситуаций на объектах капитального строительства.

Для начала, давайте расшифруем аббревиатуру «ГСП». Итак, это замкнутые гнутые профили прямоугольного и квадратного сечения, изготовленные на специализированных станках путем формирования их геометрического сечения с устройством продольного сварного шва (Рис. 1). Сечение профилей ГСП

Рис. 1. ГСП в сечении.

В нашей стране данные профили нашли наибольшее применение при изготовлении несущих стропильных ферм. Причиной этому является обманчивая простота проектирования и изготовления данных конструкций ввиду бесфасоночного (непосредственного) примыкания решетки ферм к поясам, а также удобного сортамента и большой номенклатуры классов прочности труб.

В то же время, в рамках настоящего исследования, полезным будет ознакомиться с мнением сотрудников ведущего в РФ института по проектированию металлоконструкций, касательно ферм такого рода: по ряду причин, оно выражается в крайнем недоверии к подобным конструкциям. Рассмотрим основные из них:

1. Недостаточность исследований характера работы элементов фермы в узлах примыкания.

2. Высокая сложность работ по усилению данного вида конструкций, вызванная следующими факторами:

 - стесненностью узлов верхнего пояса (при наличии опирания покрытия);

 - необходимостью выполнения работ по месту и осуществления 100 % контроля качества соединений элементов усиления с существующими конструкциями, и их точной подгонке.

3. Низкая культура изготовления ответственных соединений на заводах по производству металлоконструкций (далее по тексту – ЗМК). К сожалению, по итогам посещения десятков производств по всей стране и проведения соответствующего анализа конструкций, выявлены:

- грубые нарушения технологических правил на ЗМК;

- отсутствие должного контроля за зазорами между элементами конструкций;

- неравномерная глубина проплавления элементов.

4. Статистические данные института по обследованию и анализу результатов аварий данного вида ферм.

По нашему мнению, к этому списку также необходимо добавить еще один немаловажный фактор, а именно недопустимость внесения изменений в конструкцию серийных ферм – данные серии в пояснительной записке содержат прямой запрет на это (см. п. 2.5 Серии 1.460.3-14).  

Несмотря на вышеперечисленные факты, фермы из ГСП продолжают массово применяться в строительстве. Так, анализируя конструктивные решения в 10 проектах общеобразовательных школ Московской области, выложенных на госзакупки в 2016-2017 гг. для проведения тендеров на строительство, можно увидеть, что фермы из ГСП в покрытиях актовых и спортивных залов применены в 8 из 10 школах. Причем, при дальнейшем детальном анализе документации, можно обнаружить, что в 5 из 8 проектах допущены ошибки, снижающие несущую способность покрытия и влияющие на безопасность объекта. К слову, данные ошибки проектирования также встречаются и в складских зданиях, где данный тип ферм применен практически повсеместно.

Ниже приведем наиболее распространённые ошибки, которые мы встречаем при обследовании зданий и аудите документации для изготовления таких конструкций, и на которые мы рекомендуем обратить пристальное внимание при проектировании.

1. Собственный вес конструкций.

На первый взгляд, допустить ошибку на этапе сбора нагрузок достаточно тяжело и практически невозможно. Однако, «дьявол кроется в деталях», и «критическая масса» из ошибок и неточностей, которые впоследствии приведут к аварии, может начать накапливаться уже на данном этапе. Дело в том, что коэффициент надёжности по нагрузке для собственного веса конструкций, приведенный в СП 20.13330 для металлических конструкций и равный 1.05, не отражает в полной мере массу реальной конструкции.  По факту, этот коэффициент учитывает лишь допуск при изготовлении проката. Но, как показывают многочисленные исследования и примеры (многие исследования изложены еще в советской научной литературе), реальное значение данного коэффициента для разных конструкций лежит в широких пределах от 1.07 для ферм (фермы из ГСП 1.07-1.1, из одиночных уголков 1.15-1.18, из двойных уголков 1.2-1.3) до 1.7 для несущих колонн. Связано это с расходом металла на узлы примыкания.

Приведем пример. На рисунках (рис. 2, рис. 3) ниже приведены чертежи КМД ферм из ГСП пролетом 24 м и 18 м соответственно. К слову, по результатам расчета установлено, что коэффициент использования элементов этих ферм составляет 120 %, а это означает, что они перегружены. КМД фермы 24 м

Рис. 2. Чертежи КМД ферм из ГСП пролетом 24 м.

Как видим из чертежа, вес полуфермы со всеми дополнительными элементами (фасонками для крепления связей, фланцами стыка, опорного ребра) составляет 1603.6 кг, из них 104.7 кг — это масса дополнительных элементов. Вычислим коэффициент надежности по нагрузке для собственного веса конструкции: γ=1+104.7/1603.6=1.065 или 6.5 %. КМД ферма ГСП 18м

Рис. 3. Чертежи КМД ферм из ГСП пролетом  18 м.

Аналогичная ситуация и для фермы пролетом 18 м. Полный вес полуфермы составил 912.6 кг, из которых 94.3 кг - масса дополнительных элементов. Коэффициент для данной фермы составит: γ=1+94.3/912.6=1.103 или 10.3 %.

Как видим из этих примеров, 5 %, приведенные в СП 20.13330, даже для таких простых конструкций недостаточны. По факту, частично эта разница компенсируется дополнительным учетом полной геометрической длины элементов, т.к. масса элементов в расчете определяется как для элементов с длиной, равной расстоянию между точками пересечения осей, а в КМД трубы обрезаны под грань поясов. Но, тут стоит отметить, что в примерах показаны полуфермы, без учета необходимого числа примыкающих к ним связей.

Давайте для еще большей наглядности, произведем такой же анализ для ферм, выполненных из прокатных уголков на фасонках. Ниже приведен чертеж КМД такой фермы для пролета 18 м (коэффициент использования элементов равен 70 %) (рис. 4). КМД ферма из уголков 18м

Рис. 4. Чертеж КМД фермы из прокатных уголков на фасонках для пролета 18 м

Масса полуфермы - 1116.2 кг, из которых 350.2 кг — это масса доп. элементов (фасонок, ребер, «сухарей»). Коэффициент составит: γ=1+350.2/1116.2=1.31 или 31 %. Вывод очевиден.

2. Неразрезность настилов и плит, опирающихся на фермы.

При сборе нагрузок на конструкции, в дополнение к вышесказанному, в большинстве случаев многие проектировщики не учитывают неразрезность опирающихся на фермы настилов и плит. Существует два решения покрытия по фермам из ГСП — это прогонная система и безпрогонная (этому решению будет посвящена отдельная статья). В обоих из них неразрезность настила влияет на распределение нагрузок (см. рис 5). Так, в случае неразрезного настила, опорная реакция на крайние и средние прогоны фермы различна. Неразрезная схема работы настила

Рис. 5. Неразрезная схема работы настилов и плит.

3. Подбор сечений элементов ферм.

Современные достижения науки и техники позволяют свести ошибку в подборе сечений к минимуму. В настоящее время существует большая номенклатура расчетных программ и комплексов, позволяющая проектировщику в считанные минуты выполнить проверку прочности и деформативности элементов конструкций, а также провести их вариантное проектирование. Однако, при проектировании ферм из ГСП стоит обратить особое внимание на учет расцентровок осей элементов фермы, т.к. тут есть ряд нюансов, которые нужно учесть инженеру независимо от того, производит ли он расчет в программном комплексе, или ручным счетом. Для возможности наложения сварных швов элементы решетки раздвигают друг от друга на необходимое расстояние. В широко распространённых сериях 1.460.3-14 и 1.460.3-23.98 эта раздвижка составляет 20 мм и 30 мм соответственно. На практике может произойти то, что показано на рис. 6, где раздвижка элементов решетки фермы по факту составила 120 мм. Фактическое исполнение узлов фермы из ГСП

Рис. 6. Фактическое исполнение узлов фермы.

Такое конструктивное решение создает в элементах дополнительные изгибающие моменты, для учета которых необходимо создавать в узлах фермы расцентровки осей. При подборе элементов конструкций расчетные программы используют понятие «тип элемента», от назначения которого зависят учитываемые усилия при подборе сечения. Так, колонны учитывают в расчете: N, My, Qz, Mz, Qy; балки: My, Qz, Mz, Qy; фермы только N, а канаты - N+. На данный момент времени, во многих расчетных комплексах, программисты создали так называемые «универсальные типы», которые учитывают наименее благоприятный вариант, однако, если вы не создадите условие возникновения дополнительных моментов, то при подборе сечения элементов они не учтутся. В п. 15.2.2 СП 16.13330 имеется указание касательно того, что дополнительные моменты при определенных соотношениях высоты сечения элемента к его длине могут не учитываться, поэтому каждый конструктор обязан оценить влияние этого фактора в каждой конкретной ситуации.

4. Расчет узлов. Расчет узлов фермы из ГСП

Рис. 7. Расчет узлов фермы из ГСП.

Как показывает практика, для многих проектировщиков вопрос расчета ферм из ГСП заканчивается подбором сечений элементов. По неизвестной причине, такие инженеры зачастую считают несущую способность фермы априори обеспеченной, забывая о таком важном этапе проектирования, как расчет узлов на прочность и устойчивость.  Между тем, СП 16.13330 обязывает конструктора проводить данные проверки. Методики расчета узлов ферм из ГСП приведены в п. 14.3 СП 294.1325800, а также в иностранных нормативных документах (Еврокод раздел 7 EN 1993-1-8). К чему может привести такая некомпетентность инженера, кстати, хорошо показано в Еврокоде: для наглядности, ниже приведем картинку с основными вариантами потери устойчивости узлов. Схемы потери устойчивости узлов ферм из ГСП

Рис. 8. Варианты потери устойчивости узлов фермы из ГСП .

В вопросе расчета узлов особое внимание хотелось бы уделить учету узловых моментов. Анализируя большинство расчетных формул, видно, что во всех них присутствует изгибающий момент, который зависит от сечения решетки фермы. При увеличении сечения решетки фермы растет влияние изгибающего момента. Например, для приведенного на фотографии выше узла, вклад момента в несущую способность узла составил 5 %. В некоторых случаях это может стать решающим фактором в аварийности объекта.

Следует отметить, что зачастую определяющим критерием при проектировании ферм из ГСП является как раз несущая способность узлов. Как минимум, это относится к опорным и первым, наиболее нагруженным узлам со сжатым и растянутым раскосом, из-за чего в этих узлах часто и появляются фасонки, накладки на стенки поясов и прокладки под раскосы. К сожалению, в отечественных нормативных документах практически отсутствуют (кроме случая прокладки от продавливания) утвержденные формулы расчета таких элементов (правда, такие формулы есть в EN 1993-1-8, но расчет по данным формулам проектировщик проводит под свой страх и риск), что принуждает конструктора к моделированию данных узлов. Опорные узлы фермы из ГСП

Рис. 9. Опорные узлы фермы из ГСП.

При конструировании не стоит, также, забывать и о требованиях по соотношению размеров сечений поясов и решетки, приведенных в п.14.5.2-14.5.4 СП 294.1325800. Автору этой статьи известен случай, когда нарушение п. 14.5.3 повлекло за собой неполное наложение сварного шва, с последующим разрушением узла.

В заключение вопроса по расчету узлов, хотим дать рекомендации по проектированию стыка нижнего пояса фермы. Учитывая наш опыт проектирования, данный стык рекомендуем конструировать в виде фрикционного соединения на накладках на высокопрочных болтах класса не ниже 10.9, вместо используемого ранее повсеместно растянутого фланца. Это упростит монтаж данных ферм, а также облегчит возможность усиления таких ферм в будущем.

5. Связи.

Отсутствие продуманной и соответствующей нормативным документам системы связей покрытия является достаточно распространённой ошибкой проектировщиков. Мы часто встречаем решения, где инженеры ограничиваются при конструировании только «жестким» диском покрытия из профлиста (к слову, это надо доказать и соответствующим образом учесть в расчете) и парой распорок. Отметим, что данное замечание характерно и для других типов ферм.

На этом список основных ошибок при проектировании ферм из ГСП исчерпан, предлагаем перейти к выводам. Как видим, конструирование данного вида ферм не является достаточно легкой задачей, как принято считать в среде инженеров-проектировщиков. В настоящей статье мы максимально подробно описали все недостатки и преимущества, а также возможные проблемы, на которые стоит обратить особое внимание при проектировании таких элементов покрытия. Применять ли такой тип ферм, решать только Вам совместно с Вашим Заказчиком.

Со своей стороны, мы дадим еще один совет: если Вы все же решились использовать данный тип конструкций, в обязательном порядке выполняйте жесткий контроль на всех этапах работ, начиная от проектирования, и до процесса изготовления металлоконструкций на заводе. Однако, пожалуй, наиболее верным решением будет все-таки обращение к нашим специалистам, профессионально оказывающим услуги по конструированию такого рода ферм, а также по проверке уже разработанных проектных решений и выполнению контроля за изготовлением металлоконструкций на ЗМК.

ЗАДАТЬ ВОПРОС

Captcha

Введите капчу

Не медлите, мы с нетерпением ждем Вашего звонка!

+7 (915) 126 34 64

Или оставьте заявку
на расчёт стоимости работ

Обратная связь

Ваше сообщение было успешно отправлено