Играй гармонь

О жестком диске из профилированного настила

В действующих нормах [1] и [2] в нескольких местах упоминается термин "жесткий диск" в отношении сплошного профилированного настила покрытия. При этом на такой "диск" возлагаются ответственные функции по уменьшению расчетных длин колонн, обеспечению устойчивости основных несущих конструкций, а раздел 23.4 [2] допускает использование настила, в том числе для восприятия и перераспределения горизонтальных нагрузок.

При этом указаний по тому, как конкретно его задавать в расчетную схему, не приведено.

Указанный выше раздел 23.4 содержит лишь требования по обеспечению надежного крепления настила к основным конструкциям.

В иностранных нормах [3] содержатся более подробные указания, и вводится понятие сдвиговой жесткости настила S, которая может быть использована в расчетных моделях.

В расчетном смысле покрытие из профнастила представляет собой ортотропную плиту с толщиной, равной толщине листа. Модуль сдвига принимается пониженным, как и модуль упругости в направлении поперек гофров, т.к. в этом направлении лист складывается подобно гармошке. В [4] приведены формулы для определения характеристик по направлениям ортотропии для таких плит:

На первый взгляд задача кажется решенной - нужно просто задать пластину с данными характеристиками и произвести расчет. 

Но, как известно, просто бывает примерно никогда. 

Если  вернуться к рекомендациям [3], то можно найти примечание 10(6) о том, что сдвиговая жесткость "S" должна определяться испытаниями.

Это объясняется необходимостью учета комплекса факторов, которые вне испытаний учесть достаточно проблематично:

1) Изменение начальной формы гофров настила при сдвиге 

2) Податливость креплений профлиста к основным конструкциям

3) Взаимный сдвиг листов в продольных стыках

4) Нагрузка приложена к настилу с эксцентриситетом (а не в ц.тяжести), т.к. он укладывается непосредственно по верху несущих конструкций

В нашей стране были проведены испытания и результаты опубликованы в [5] для наиболее распространенных марок профлистов того времени.

Для Н60-782-0,8 приведены следующие характеристики: Ex=9.6 Мпа, Eу=276000 Мпа, пуассонХ=0,97, G=1850 Мпа.

В развитие данных иследований был выпущен документ [6], а на 5 лет позже - [7], где были рассмотрены уже более разнообразные конструктивные решения покрытий и марки профлиста.

Чтобы убедиться, что без экспериментальных данных описать жесткость конструкции корректно не получится, зададим плоские схемы покрытия с жестким диском тремя способами: ортотропной плитой с характеристиками из [5] (слева), плитой с показателями ортотропии, определенными по формулам [4] (в середине) и с заменой диска фиктивными крестовыми связями по [6]. Профлист Н60-682-0.8. Для средней расчетной схемы определим по формулам Ex=14.8 Мпа, Eу=326000 Мпа, пуассонХ=0,3, пуассонУ (определится в программе), G=49500 Мпа.

Сравнивая перемещения, отмечаем очень близкие результаты по 1 и 3 схемам, в то время как по 2-й схеме видим очень значительную недооценку перемещений (сказывается разница в модуле сдвига G). 

На основании этого сравнения можно рекомендовать для классических конструктивных решений и стандартных марок профлиста (Н60, Н75, Н114) моделировать жесткий диск условными стержнями по [7].

В иных случаях, а так же для нестандартных типоразмеров настила (Н153, Н158 и т.д.) необходимо принимать сдвиговые характеристики по результатам испытаний. Для первичной грубой оценки возможно определять их по формулам [4] с дальнейшим  примерным понижением по аналогии со стандартными профилями.

1) СП16.13330.2017 "Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81"

2) СП 294.1325800.2017 "Конструкции стальные. Правила проектирования"

3) Еврокод 3. Часть 1-3. "Дополнительные правила для холоднодеформированных элементов и профилированных листов"

4) "Non-linear finite element analysis of light gage steel shear diaphragms" Erdal Atrek, Arthur H.Nilson, MiUST, 1971

5) Айрумян Э.Л., Буданов В.И. Работа профилированных металлических настилов в пространственных системах покрытия - Международная конференция по облегченным пространственным конструкциям покрытий для строительства в обычных и сейсмических районах. Алма-Ата 13-16 сентября 1977 г. : Доклады/. - Москва : Стройиздат, 1977. - С.242-248.

6) "Рекомендации по учету жесткости диафрагм из стального профилированного настила в покрытиях одноэтажных производственных зданий при горизонтальных нагрузках", ЦНИИПСК, 1980

7) "Рекомендации по применению стальных профилированных настилов нового сортамента в утепленных покрытиях производственных зданий", ЦНИИПСК, 1985.