СТРОИТЕЛЬНАЯ ПАНЕЛЬ

Область техники
Полезная модель относится к области строительства, в частности к элементам строительных конструкций. Данное техническое решение может быть использовано при возведении гражданских и промышленных зданий.
Уровень техники
В строительной практике применяются различные конструктивные решения панелей покрытий промышленных и гражданских зданий, в том числе трехслойные типа «сэндвич». Недостатком этих панелей является недостаточная несущая способность, поэтому пролет элементов таких конструкций составляет не более 2 м, что влечет увеличение числа элементов в конструкции покрытия. Применяются также панели с ребристым стальным каркасом, пролет которых может быть увеличен до 18 м. Однако, и такие конструкции панелей имеют существенный недостаток - малую жесткость, что и как следствие, невозможность эффективного использования сталей повышенной прочности.
Известны конструкции стальных крупно-размерных панелей покрытий пролетом до 24 м с предварительным натяжением обшивки из профилированного тонкого листа (профнастила). Такие конструкции обладают повышенной жесткостью и характеризуются меньшей материалоемкостью. Например, покрытия из прямоугольных панелей в форме гипара с применением профилированного листа [1, с. 130]. Такие панели состоят из пространственного опорного контура и пролетной конструкции и имеют прямоугольный план. Размер короткой стороны прямоугольника (ширина панели) - 3 м, а размер длинной стороны (длина панели) равен пролету здания. Углы панелей, лежащие на разных диагоналях прямоугольника, расположены по вертикали в двух уровнях с разностью отметок от 1 до 1,5 м (см. Фиг. 1).
Пролетная конструкция панели образуется из листов профилированного настила с расположением гофр вдоль длинной стороны опорного контура. Незначительная поперечная жесткость профнастила позволяет образовать поверхность в виде гиперболического параболоида.
Недостатком рассмотренной конструктивной формы является складчатая поверхность покрытия зданий (складки до 3 м). Это способствует скоплению снега на таком покрытии и увеличивает нагрузку. Кроме этого, перед монтажом требуется дополнительная технологическая операция - укрупнительная сборка монтажных блоков из четного количества панелей.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении жесткости конструкции строительной панели за счет применения продольных ребер прокатного или гнутого профиля, поперечных ригелей с двумя консолями из гнутого профиля, анкерных балок по концам продольных ребер, листовых вставок между распорками анкерных балок и продольными ребрами, стального профилированного настила по верхним полкам поперечных ригелей.
Кроме того, использование в конструкции сталей повышенной прочности повышает эксплуатационные качества предлагаемой строительной панели.
Описание полезной модели
Предлагается конструкция крупно-размерной стальной панели, используемая при постройке зданий и не создающая складчатую поверхность покрытия.
Строительная панель имеет пространственную конструкцию. Конструкция состоит из продольных ребер прокатного или гнутого профиля, поперечных ригелей с двумя консолями из гнутого профиля, стального профилированного настила по верхним полкам ригелей. В процессе изготовления создается предварительное натяжение профилированного настила за счет изгибной жесткости продольных ребер, которое уменьшается до минимума при возрастании внешней нагрузки. За счет этого повышается жесткость конструкции и появляется возможность эффективного использования сталей повышенной прочности.
Конструктивная схема панели состоит из продольных ребер в виде гнутых или прокатных профилей, поперечных ригелей в виде поперечных рам с двумя консолями, анкерных балок по концам продольных ребер, листовых вставок между распорками анкерных балок и продольными ребрами, стального профилированного настила по верхним полкам поперечных ригелей (см. Фиг. 2).
На Фиг. 2 приведены: схема (а) положения в плане элементов каркаса панели; схема (б) продольного разреза панели, на котором обозначено относительное положение элементов по высоте.
На Фиг. 3 показано относительное положение этих же элементов на поперечном разрезе s-s панели.
На Фиг. 2 и 3 обозначены: 1 - продольные ребра; 2 - поперечные ребра; 3 - каркасы анкерных балок; 4 - профилированный настил; 5 - листовые вставки, обозначены пересекающимися стержнями; 6 - стойки поперечных рам; ℓ - длина панели; b - ширина панели; h - высота поперечного сечения панели.
Изготовление панели производится по стендовой технологии в следующем порядке:
- сборка стержневого каркаса, включающего продольные ребра, поперечные ригели в виде П-образных рам с двумя консолями (с заданным шагом), стержневые распорки между крайними смежными ригелями в опорных участках панели;
- приложение к продольным ребрам каркаса вертикальной поперечной нагрузки, которая равна внешней расчетной нагрузке;
- установка и закрепление профилированного настила к верхним полкам поперечных ригелей каркаса панели;
- установка и закрепление листовых вставок между распорками и продольными ребрами в опорных участках панели;
- снятие поперечной нагрузки, создавшей предварительное натяжение профнастила панели.
Рассмотрим пример расчета и конструирование элементов стальной панели покрытия с предварительным натяжением обшивки из профилированного листа.
x
x
4
3
2
Конструкция панели состоит из: двух продольных ребер; поперечных ригелей в виде П-образных рам между продольными ребрами с шагом 0,6-8×1,135-0,6 м; стального профилированного настила по верху рам; анкерных балочных элементов по концам панели; листовых вставок между анкерными балочными элементами и продольными ребрами. Пролет панели составляет 12 м; ширина равна 2,25 м; расстояние от оси балки до оси настила составляет 0,6 м; профнастил Н57-750-0,7; A=7,7 см; J=53,8 см; W=14,8 см; m=8,7 кг/м (принимается три листа на ширину панели).
у
2
Материал для продольных ребер: сталь C345, R=33,5 кн/см.
с
у
с
2
Коэффициент γ=0,9 (R×γ=30,15 кн/см).
Расчетный пролет продольных ребер ℓ=12 м, ширина грузовой площади для двух ребер b=2,25 м. По продольным ребрам установлены поперечные рамы с переменным шагом 0,6-8×1,135-0,6 м. Конструктивная схема расположения элементов панели приведена на Фиг. 2 и 3.
Расчет продольных ребер панели
Предварительное напряжение продольных ребер создается равномерно распределенной нагрузкой, по величине равной внешней нагрузке 4 кн/м. Расчетная схема ребра: однопролетная шарнирно опертая балка.
Максимальные усилия равны
Из условия прочности на изгиб, требуемый момент сопротивления
x
x
x
3
4
2
Принимается сечение Гн С 400×160×50×3, W=303,68 см, J=6073,68 см, A=24,01 см, i=15,91 см, m=18,85 кг/м по ГОСТ 8282-93 и ТУ 67-559-83. Прогиб от предварительного напряжения равномерно распределенной нагрузкой
По условию жесткости, без предварительного натяжения обшивки
Требуется принять сечение каждого ребра из 2Гн С 400×160×50×3.
После приложения поперечной нагрузки, создающей предварительное напряжение в продольных ребрах, по поперечным рамам панели укладывается и закрепляется стальной профилированный настил. Затем, эта нагрузка снимается. В результате, панель получает обратный выгиб и создает растяжение затяжки - профнастила. При этом расчетная схема меняется (Фиг. 4): балка с затяжкой по верхнему поясу работает как комбинированная система.
Перемещения узлов и расчетные усилия от реактивного отпора приведены в таблицах 1 и 2.
Результаты показывают, что обратный прогиб ребра от реактивного отпора, после снятия предварительного нагружения, составляет 3,6 см.
Далее рассмотрим напряженное состояние этой конструкции от эксплуатационной нагрузки, приложенной к профнастилу сверху вниз. Расчетная схема (Фиг. 5) остается без изменения.
Расчетные усилия в элементах панели и перемещения узлов приводятся в таблицах 3 и 4.
Из таблицы 4 видно, что прогиб от эксплуатационной нагрузки составляет 3,2 см. Следовательно, жесткость панели с учетом растянутого настила повысилась почти в 3 раза (3,2 см вместо 9,7 см). При этом суммарное усилие в продольном ребре минимально (-8,87+7,90=-0,97 т).
Относительный прогиб панели от расчетной нагрузки, в процессе эксплуатации, составляет - 3,2/1200=(1/ 375)×ℓ, что в пределах нормы (менее 1/250).
Рассмотрим спецификацию и материалоемкость панели с учетом требуемой жесткости в таблице 5.
2
Расход металла составляет 30,3 кг/м.
2
Для сравнения составим спецификацию панели без учета предварительного натяжения профнастила. При этом учтем уменьшение в такой упрощенной конструкции в таблице 6. Расход металла составляет 44,6 кг/м.
Расчет устойчивости продольного ребра панели от действия предварительного напряжения, до приложения внешней нагрузки
Расчет устойчивости производится как внецентренно сжатого стержня. Расчетная длина составляет 12,0 м. Изгибающий момент в середине пролета балки определяется сложением изгибающего момента от предварительной нагрузки и момента от реактивного отпора ребра, после закрепления профнастила и снятия предварительной нагрузки: 81-39,41=41,59 кн × м. Продольное усилие - 88,7 кн.
Относительный эксцентриситет рассчитывается
Условная гибкость стержня -
Коэффициент формы сечения .
e
Коэффициент продольного изгиба φ=0,175.
Условие устойчивости ребра, в плоскости момента, после предварительного напряжения выполняется
Проверим общую устойчивость продольного ребра «из плоскости момента» Гибкость стержня из плоскости момента
у
c
λ<λ. Следовательно, β=1.
Условие устойчивости ребра, из плоскости момента, имеет вид
Устойчивость продольного ребра из плоскости момента обеспечена. Рассмотренный пример расчета показал, что предварительное напряжение повышает жесткость конструкции, за счет чего снижается материалоемкость до 40%. При этом, панель имеет традиционную плоскую поверхность, что также повышает эксплуатационные качества.
Источник информации
1. Справочное пособие «Мембранные конструкции зданий и сооружений», под редакцией В.И. Трофимова и П.Г. Еремеева, (ч. 1). - М.: Стройиздат, 1990.
Таблица 1
№ узла
X (мм)
Z (мм)
1
0
0
2
-0,089
3,999
3
-0,297
15,260
4
-0,518
26,253
5
-0,752
33,993
6
-0,993
36,760
7
-1,234
33,993
8
-1,468
26,253
9
-1,689
15,260
10
-1,897
3,999
11
-1,986
0
Таблица 2
№ элемента
Сечение
N (тс)
Му (тс × м)
Qz (тс)
22
1
-7,347
4,247
-2,649
22
2
-7,347
2.657
-2.649
23
1
-7,644
2.747
-2.350
23
2
-7,644
-0.426
-2.350
24
1
-8,134
-0.273
-1.615
24
2
-8,134
-2.453
-1.615
25
1
-8,600
-2.309
-0.956
25
2
-8,600
-3.600
-0.956
26
1
-8,871
-3.515
-0316
26
2
-8,871
-3.941
-0.316
27
1
-8,871
-3,941
0,316
27
2
-8,871
-3,515
0,316
28
1
-8,600
-3,600
0,956
28
2
-8,600
-2,309
0,956
29
1
-8,134
-2,453
1,615
29
2
-8,134
-0,273
1,615
30
1
-7,644
-0,426
2,649
30
2
-7,644
2,747
2,649
31
1
-7,347
2,657
31
2
-7,347
4,247
Таблица 3
№ элемента
Сечение
N (tc)
My (тс × м)
Qz (тс)
22
1
6,444
-3,719
2,363
22
2
6,444
-2,302
2,363
23
1
6,725
-2,384
2,055
23
2
6,725
0,390
2,055
24
1
7,148
0,258
1,399
24
2
7,148
2,146
1,399
25
1
7,554
2,020
0,830
25
2
7,554
3,141
0,830
26
1
7,790
3,067
0,274
26
2
7,790
3,437
0,274
27
1
7,790
3,437
-0,274
27
2
7,790
3,067
-0,274
28
1
7,554
3,148
-0,830
28
2
7,554
2,020
-0,830
29
1
7,148
2,258
-1,399
29
2
7,148
0,258
-1,399
30
1
6,725
0,390
-2,055
30
2
6,725
-2,384
-2,055
31
1
6,444
-2,302
-2363
31
2
6,444
-3,719
-2,363
Таблица 4
№ узла
X (мм)
Z (мм)
1
0
0
2
0,078
-3,510
3
0,261
-13,368
4
0,455
-22,969
5
0,660
-29,722
6
0,872
-32,135
7
1,084
-29,722
8
1,290
-22,969
9
1,484
-13,368
10
1,667
-3,510
11
1,745
0
Таблица 5
- Спецификация металла на панель преднапряженную (12×2,25 м)
№
Элемент
Сечение
Длина (м)
к-во (шт)
масса ед, (кг)
масса (кг)
1
продольная балка
Гн С 400×160×50×3
12
2
18,85
452
2
поперечный ригель
Гн [ 60×40×3,0
2,25
11
2,98
73,75
3
ребро оп,
Гн L 75×5,0
1,0
4
5,8
23,2
4
стойки
Гн [ 50×50×2,5
0,7
11
2,72
20,94
5
распорка
Гн [ 50×50×2,5
0,5
6
2,72
8,16
6
накладка
Гн С 40×40×2,0
0,5
6
1,74
5,22
7
профнастил (27 м<sup>2</sup>)
Н57-750-07
27 м<sup>2</sup>
1
8,7
235
всего по панели
818,27
2
Расход металла составляет 30,3 кг/м.
Таблица 6
- Спецификация металла на панель преднапряженную (12×2,25 м)
№
элемент
сечение
Длина (м)
к-во (шт)
масса ед, (кг)
масса (кг)
1
продольная балка
Гн С 400×160×50×3
12
4
18,85
904
2
поперечный ригель
Гн [ 60×40×3,0
2,25
8
2,98
53,64
3
ребро оп,
Гн L 75×5,0
0,5
4
5,8
11,6
4
профнастил (27 м<sup>2</sup>)
Н57-750-07
27 м<sup>2</sup>
1
8,7
235
всего по панели
1204,2
2
Расход металла составляет 44,6 кг/м.