Область применения сварных двутавров с гофрированными стенками должна значительно расшириться в связи с введением с 01 июня 2007 года на территории Казахстана РДС РК 5.04-24-2006 «Сортамент сварных двутавровых профилей обычного типа и с гофрированными стенками, соответствующие по прочностным характеристикам прокатным». Во введенном сортаменте взамен одного профилеразмера прокатного двутаврового сечения с плоскими стенками введено три варианта профилеразмеров сварного двутаврового сечения с гофрированными стенками.
Сечения сварных двутавров с гофрированными стенками во всех вариантах подобраны из условия достижения равенства или превышения момента сопротивления Wхгофр ≥ Wхпрокатпри максимальной экономии стали в сравнении с базовым прокатным двутавром.
Основное отличие вариантов сварных двутавров с гофрированными стенками одного профилеразмера заключается в их высоте:
- у сварных двутавров первого варианта общая высота в 1,5 - 2,5 раза превышает общую высоту базового прокатного профиля,
- в третьем варианте высота сварного и прокатного профилей одинаковая.
Такой широкий диапазон предложенных в сортаменте сварных двутавров с гофрированными стенками дает возможность пользователю, в зависимости от конкретных условий проекта, применять любой из вариантов, получая при этом различную экономию стали, а, следовательно, и стоимости конструкций. Еще больший эффект от применения тонкостенных гофрированных конструкций будет достигнут в сочетании с применением сталей повышенной прочности.
В литературных источниках приводятся различные критерии оценки экономичности изгибаемых профилей. Разработаны восемь критериев оценки эффективности двутавровых профилей. Наиболее приемлемым из них, по нашему мнению, считается безразмерная удельная характеристика площади профиля. Чем больше значение удельной характеристики профиля, тем рациональнее в нем использован материал.
где: А – площадь всего профиля, см2;
W – упругий момент сопротивления, см3.
Удельные характеристики показывают, насколько рационально использован материал в поперечном сечении профиля для получения наибольшего значения расчетной характеристики. Показатель удельной площади профиля Āw правомерно может быть использован только при одинаковых конструктивных формах стенок и поясов сравниваемых изгибаемых двутавровых профилей. В случаях же когда конструктивные формы поясов или стенок сравниваемых профилей существенно отличаются друг от друга, например, плоские и гофрированные стенки, то применение этого показателя даст искаженный результат. Для выявления рациональности использования материала в поперечном сечении при сравнении двутавровых профилей со стенками разной конструктивной формы, предлагается использовать в качестве безразмерной характеристики Āw, пр - удельную приведенную площадь профиля, т. е. условную площадь поперечного сечения двутаврового профиля, момент сопротивления которого равен единице
Āw,пр = Āпр / W2\3. (2)
где: Āпр – условная площадь поперечного сечения всего профиля, см2;
W – упругий момент сопротивления, см3.
Для стальных профилей условная площадь Āпр вычисляется по формуле
Āпр = 10*g / 7,85 ≈ 1,2739 g в см2 ,(3)
где: g – масса 1 погонного метра профиля в кг.
Только с помощью данного показателя при сравнении рациональности использования материала в условном поперечном сечении двутаврового профиля с гофрированной стенкой появляется возможность учесть увеличение массы стенки за счет увеличения ее длины при гофрировании и получить точный результат оценки рационального использования материала.
С введением данного показателя стало возможным производить количественную оценку экономичности сварных профилей двутаврового сечения с гофрированными стенками, имеющими различные параметры гофров, с прокатными профилями путем вычисления относительной экономичности по формуле:
ΔА = [(Āw,пр / Āw,1) - 1] *100% ,(4)
поскольку соблюдается главное условие сопоставимости, а именно: сравниваются условные площади поперечных сечений сварных двутавровых профилей, учитывающие увеличение длины гофрированной стенкой по сравнению с длиной плоской стенки, с фактической площадью прокатных профилей при одинаковых моментах сопротивления, равных единице.
В данной формуле: Āw,1 – удельная площадь поперечного сечения заменяемого (прокатного) профиля;
Āw, пр - удельная приведенная площадь поперечного сечения заменяющего (сварного) профиля;
± ∆А - перерасход или экономия металла.
При Āw,1 > Āw, пр получим экономию металла и значение ∆А отрицательное.
При Āw,1 < Āw, пр получим перерасход металла и значение ∆ А положительное.
Ниже приведены результаты анализа вычисленных показателей относительной экономичности ∆А (%) для стальных сварных двутавровых профилей с гофрированными стенками типов БГС, ШГС и КГС в сравнении соответственно с прокатными профилями типов Б, Ш и К.
Для стальных сварных профилей двутаврового сечения типа БГС выполненный сопоставительный анализ по рациональному использованию стали в сечении данных профилей показал, что показатель относительной экономичности по удельной массе (в %) имеет отрицательное значение, т.е. сечения всех профилей типа БГС являются экономичнее по использованию стали, по сравнению с прокатными профилями, причем экономия стали составляет:
- для сварных профилей равной высоты с прокатными профилями от 5,6% (35/35БГС2) до 20,6% (70/70БГС0),
- для сварных профилей с незначительным увеличением высоты по сравнению с высотой соответствующих прокатных профилей экономия стали составляет от 13,8% (14/16БГС1) до 37,2% (70/92БГС0),
- для сварных профилей при максимальном увеличении высоты по сравнению с высотой соответствующих прокатных профилей экономия стали составляет от 20,0% (12/18БГС1) до 48,6 % (50/103БГС3).
Для стальных сварных профилей двутаврового сечения типа ШГС выполненный сопоставительный анализ по рациональному использованию стали в сечении данных профилей показал, что показатель относительной экономичности по удельной массе (в %) также имеет отрицательное значение, т.е. сечения всех профилей типа ШГС являются экономичнее по использованию стали, по сравнению с прокатными профилями, причем экономия стали составляет:
- для сварных профилей равной высоты с прокатными профилями от 2,0% (40/39ШГС2) до 19,2% (100/99ШГС1),
- для сварных профилей с незначительным увеличением высоты по сравнению с высотой соответствующих прокатных профилей экономия стали составляет от 10,3% (35/38ШГС1) до 35,6% (70/101ШГС2),
- для сварных профилей при максимальном увеличении высоты по сравнению с высотой соответствующих прокатных профилей экономия стали составляет от 26,1% (35/51ШГС1) до 53,6% (70/175ШГС5).
Для стальных сварных профилей двутаврового сечения типа КГС выполненный сопоставительный анализ по рациональному использованию стали в сечении данных профилей показал, что показатель относительной экономичности по удельной массе в (%) также имеет отрицательное значение, т.е. сечения всех профилей типа КГС являются экономичнее по использованию стали, по сравнению с прокатными профилями, причем экономия стали составляет:
- для сварных профилей равной высоты с прокатными профилями от 6,2% (20/20КГС1) до 14,2% (40/43КГС5),
- для сварных профилей с незначительным увеличением высоты по сравнению с высотой соответствующих прокатных профилей экономия стали составляет от 17,1% (35/40КГС1) до 32,8% (40/56КГС4),
- для сварных профилей при максимальном увеличении высоты по сравнению с высотой соответствующих прокатных профилей экономия стали составляет от 26,7% (35/45КГС1) до 45,8% (40/73КГС5).
На рисунках 1 - 3 приведены конкретные значения показателей относительной экономичности по удельной массе (в %) для рассмотренных выше профилей в интервале их высот от 200 до 500 мм (для БГС и ШГС) и от 200 до 400 (для КГС), как наиболее часто применяемых в практике строительства
Рисунок 1. Относительная экономичность (%) по удельной приведенной площади сварных профилей типа БГС в сравнении с прокатными профилями типа Б. |
|
Рисунок 2. Относительная экономичность (%) по удельной приведенной площади сварных профилей типа ШГС в сравнении с прокатными профилями типа Ш |
| |
|
|
 Рисунок 3. Относительная экономичность (%) по удельной приведенной площади сварных профилей типа КГС в сравнении с прокатными профилями типа К |
Для подтверждения полученных выше результатов теоретического анализа эффективности технико-экономических характеристик сортамента сварных двутавровых профилей с гофрированными стенками в сравнении их с аналогичными показателями прокатных профилей были выполнены соответствующие расчеты для конкретного объекта с металлическими несущими конструкциями.
В качестве конкретного объекта был выбран проект КМ «Средняя школа на 1200 учащихся в г. Капшагай» в Алматинской области, запроектированный в 2006 году. Сейсмичность района строительства 7 баллов. Для обеспечения требуемой нормами жесткости авторы проекта применили жесткое соединение ригелей с колоннами в поперечном и в продольном направлениях блоков. По технической спецификации металла проекта КМ на несущие конструкции каркаса потребовалось 957,8 тонны металлопроката, в том числе масса прокатных двутавров из стали С245 составляет 440,0 тонн, масса листовой стали 517,8 тонн, из которой 132,6 тонны - сталь С345 и 385,2 тонны - стали С245 и С255.
Поскольку выполненный теоретический анализ показал высокую эффективность замены прокатных профилей сварными с гофрированными стенками, то были выполнены соответствующие расчеты по замене прокатных профилей на сварные с гофрированными стенками.
В нижеприведенной таблице представлена итоговая информация о суммарном расходе стали, ее стоимости и стоимости «в деле», посчитанные для трех вариантов:
- первый вариант – металлоконструкции блоков школы выполнены в соответствии с проектом КМ с применением прокатных двутавров и листовой стали;
- второй вариант - металлоконструкции блоков школы выполнены с применением только листовой стали, а прокатные двутавры заменены сварными двутаврами с гофрированными стенками по РДС РК 5.04-24-2006 из стали С245;
- третий вариант - металлоконструкции блоков школы выполнены с применением только листовой стали, а прокатные двутавры заменены сварными двутаврами с гофрированными стенками по РДС РК 5.04-24-2006 из стали С245 и поясами из стали С345.
В строке 3 таблицы приведена информация об эффективности второго варианта с использованием сварных двутавровых профилей с гофрированными стенками только из стали С245, из которой следует, что применение сварных двутавров с гофрированными стенками взамен прокатных двутавров:
- уменьшило массу металлоконструкций на 35,66т или на 7,83% (графа 3) и уменьшило стоимость закупаемой стали (графа 4) для их изготовления на 30,47 млн. тенге (41,34%);
- уменьшило стоимость «в деле» (графы 5 и 6) металлоконструкций несущих каркасов блоков школы в среднем на 15,5 млн. тенге (11,5%).
В строке 5 таблицы приведена информация об эффективности третьего варианта с использованием сварных двутавровых профилей с гофрированными стенками из стали С245 и поясов из стали С345, из которой следует, что применение сварных двутавров с гофрированными стенками взамен прокатных двутавров:
- уменьшило массу металлоконструкций на 80,70т или на 17,73% (графа 3) и уменьшило стоимость закупаемой стали (графа 4) для их изготовления на 39,42 млн. тенге (53,49%);
- уменьшило стоимость «в деле» (графы 5 и 6) металлоконструкций несущих каркасов блоков школы в среднем на 23,8 млн. тенге (17,73%).
Таблица. Суммарный расход стали, ее стоимость и стоимость металлоконструкций каркасов школы "в деле" для трех вариантов проектных решений (цены ноября 2007 года)
№
п/п |
Вариант |
Масса (т) проката или листа для БГС с 1,03 |
Стоимость металлопро-ката или листа БГС тыс.тг |
Минимальная стоимость в деле тыс.тг |
Максимальная стоимость в деле тыс.тг. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
1 |
Первый вариант: По проекту КМ:
прокатные профили из стали С245 |
455,26 |
73703,71 |
132025,4 |
136578,0 |
2 |
Второй вариант: Сварные профили БГС: пояса и стенки из листовой стали С245 |
419,60 |
43230,97 |
116271,4 |
121283,2 |
3 |
Эффективность показателей второго варианта по сравнению с первым вариантом |
35,66 |
30472,74 |
15754,0 |
15294,8 |
7,83% |
41,34% |
11,93% |
11,20% |
4 |
Третий вариант: Сварные профили БГС: стенки из листовой стали С245, пояса из листовой стали С345 |
374,56 |
34276,75 |
108622,1 |
112367,6 |
5 |
Эффективность показателей третьего варианта по сравнению с первым вариантом |
80,70 |
39426,96 |
23403,3 |
24210,4 |
17,73% |
53,49% |
17,73% |
17,73% |
Таким образом, расчеты показывают, что, например Казахстану, экономически невыгодно закупать и применять прокатные двутавры, завозимые из других стран, для строительных металлоконструкций, так как применение сварных двутавровых профилей с гофрированными стенками БГС-Казахстан взамен прокатных двутавров дает возможность:
- снизить стоимость «в деле» металлоконструкций на 11,0% - 17,0% и более;
- увеличить возможность обеспечения загрузкой отечественные заводы по выпуску листовой стали и по изготовлению металлоконструкций;
- повысить обеспечение занятости, не допуская роста уровня безработицы и создания условий для посткризисного развития строительной отрасли, поскольку потенциально заводы Казахстана могут производить металлоконструкции в объеме, позволяющем не только закрыть всю потребность республики, но и продавать готовую наукоемкую продукцию в Россию, Киргизию, Узбекистан, Китай и т.д.
