Каркас модульного здания из гнутого профиля vs сварной рамы: сравнение жесткости
Сравнение несущих конструкций, выполненных из гнутого проката и сварных элементов, требует учета геометрии сечения, способов соединения, условий нагружения. В случае с рамами из тонкостенного проката, жесткость зависит от конфигурации профиля, способа его крепления и длины элемента. Изделия такого типа изготавливаются методом холодной гибки, при этом сечение сохраняет минимальную массу при заданной инерции, что важно для снижения нагрузки на фундамент.
Сварные конструкции формируются путем соединения прокатных элементов — уголков, швеллеров, труб — в пространственную или плоскую раму. Такие соединения требуют точной сварки с минимальными деформациями. При проектировании учитывают нормы СП 16.13330 и СП 260.1325800. Расчетная гибкость элементов ограничивается предельным значением 200. Для рамы из сварных стержней, работающей в условиях внецентренного сжатия, допустимая гибкость составляет не более 150.
Для определения прогиба в балках из гнутого профиля применяют формулу f = (5ql⁴) / (384EI), где q — распределенная нагрузка, l — пролет, E — модуль упругости, I — момент инерции. В случае профиля С-образного типа с толщиной 2 мм и шириной полки 50 мм при пролете 3 м и нагрузке 1 кН/м, прогиб может достигать 18–20 мм. При тех же условиях, сварной элемент из квадратной трубы сечением 80х80 мм и толщиной 4 мм даёт значение в 9–11 мм. Сравнение показывает, что в равных условиях жесткость сварного элемента превышает характеристики профиля, выполненного гибкой.
Существенное значение имеет узловая жёсткость соединений. В случае применения гнутых деталей монтаж чаще всего осуществляется на саморезы, болты, клепки. Расчётный момент сопротивления такого соединения ограничен прочностью крепежных элементов и площадью их контакта. При нагрузке более 2 кН возможен проворот или локальная деформация стенки. Сварные узлы, выполненные с полным проваром шва, дают устойчивость до 6–8 кН без потери устойчивости, при этом моментное соединение сохраняет форму под действием изгибающих нагрузок.
Часто при проектировании учитывается пространственная работа каркаса. Жесткость отдельных элементов дополняется устойчивостью всей схемы. В сборке из гнутых профилей пространственная устойчивость достигается через монтаж диагональных связей, которые воспринимают нагрузку в плоскости и вне плоскости рамы. Установка таких элементов требует точной подрезки и надёжного крепежа, иначе возможны смещения. В случае со сварной рамой, пространственную жёсткость можно достичь за счёт жестких угловых соединений и наличия поперечных ребер, свариваемых с основными поясами.
Масса конструкций также влияет на поведение при эксплуатации. Легкие схемы из гнутого металла быстрее монтируются, но хуже гасят динамические нагрузки. При ветровой нагрузке 0,3 кПа на пролёт 6 м элементы гибкого типа начинают колебаться с амплитудой до 10 мм, что недопустимо при размещении оборудования. Сварные схемы при тех же условиях демонстрируют отклонение не более 3–4 мм, особенно при использовании дополнительных связей по кровле.
Дополнительной нагрузкой на систему может выступать кровельный пирог. При массе покрытия 35 кг/м² и шаге прогонов 1,2 м, изгибающий момент на горизонтальный элемент составляет порядка 25 Н·м. В случае с тонкостенными элементами сечением 60х40 мм и толщиной 1,5 мм, момент сопротивления составляет 5 см³, что даёт напряжение свыше 50 МПа. У сварной балки сечением 100х60 мм и толщиной 3 мм момент сопротивления около 14 см³, напряжение не превышает 18 МПа, что оставляет значительный запас по пределу текучести стали марки С245.
Марка материала влияет на результаты расчета. Гнутые изделия чаще всего производятся из стали с пределом текучести не ниже 280 МПа, а сварные элементы — из стали С255 или С345, что даёт дополнительные преимущества в несущей способности. При этом следует помнить, что в местах изгиба гнутого профиля возможна локальная потеря прочности до 10–12% из-за остаточных напряжений.
При выборе каркаса необходимо учитывать температурный режим эксплуатации. Сварные узлы сохраняют прочность при температуре до 400 °C без потери свойств, тогда как резьбовые и заклёпочные соединения ослабляются при 250 °C. В складских комплексах или производственных помещениях с температурным колебанием от -30 до +40 °C сварные системы обеспечивают равномерную работу всех узлов без риска расшатывания крепежа.
При транспортировке и монтаже гнутые схемы демонстрируют высокую удобность за счёт малого веса и компактности. Один профиль длиной 6 м весит около 8 кг, его можно установить вручную. Сварной блок той же длины и сечением 100х100 мм весит около 35–40 кг, что требует применения подъёмного оборудования. Однако на объекте такое решение обеспечивает минимум доработок, так как элементы уже собраны и выверены по осям.
Для временных зданий с небольшими нагрузками и непродолжительным сроком эксплуатации оправдано применение каркасов из холодногнутых элементов. В случаях, когда требуется высокая жёсткость, значительный срок службы и устойчивость к нагрузкам, более целесообразны сварные конструкции. При монтаже в сейсмоопасных районах сварные соединения выигрывают за счёт способности воспринимать не только статические, но и циклические воздействия. При расчётной нагрузке в 1,5G по горизонтали, схема с гнутыми соединениями теряет устойчивость после 4–5 циклов, в то время как сварная сохраняет форму до 15–17 повторений.
Устойчивость стоек также отличается. Гнутые колонны требуют дополнительных распорок на высоте 1,5–2 м. Без связей стойка сечением 100х50 мм при длине 3 м теряет устойчивость при продольной нагрузке более 6 кН. Аналогичная сварная колонна сечением 100х100 мм, при той же длине, выдерживает до 18 кН без необходимости в дополнительных элементах. Это существенно упрощает схему и уменьшает количество соединений.
Рассматривая совмещение схем, можно комбинировать лёгкие прогоны из гнутого профиля с опорными стойками сварного типа. В такой компоновке достигается экономия массы и скорости сборки при сохранении необходимой прочности. При проектировании такой гибридной системы важно согласовать тип соединений, чтобы не возникали дополнительные напряжения на границах жёстких и гибких участков. Болтовые фланцы, применяемые на границе, должны быть усилены ребрами из листовой стали толщиной не менее 4 мм.
При расчете на ветровую нагрузку и снеговую массу необходимо учитывать норму СП 20.13330.2016. В III снеговом районе проектная нагрузка составляет 1,2 кПа. При шаге прогона 1,5 м и пролёте 4 м на одну балку приходится до 7,2 кН. При таких условиях сварной элемент выдерживает нагрузку с запасом по прогибу и напряжению, в то время как профили из тонкого металла требуют уменьшения шага или увеличения сечения, что ведёт к усложнению конструкции.