В настоящее время остро стоит проблема снижения материалоемкости стальных металлоконструкций. Это предопределяет применение экономичных профилей, внедрение которых обеспечивает снижение стоимости конструкции. Для внедрения экономичных холодногнутых профилей необходимо уточнить методы расчета этих конструкций. В связи с этим проводятся натурные испытания стропильных ферм.
За последние несколько лет в России сформировалась новая отрасль строительной индустрии – производство тонкостенных холодногнутых профилей из оцинкованной стали. А вместе с тем в отечественной строительной практике возрос интерес к использованию таких профилей в легких несущих конструкциях зданий и сооружений.

Основная область их внедрения — стальные каркасы малоэтажных зданий и коттеджей, а также несущие элементы металлических кровель и вентилируемых фасадов, мансард и торговых павильонов и в различных районах России, включая сейсмические и Крайнего Севера. Применение этих конструкций дает значительный экономический эффект благодаря их малой удельной металлоемкости; снижению нагрузок на фундаменты и сейсмических нагрузок; сокращению транспортных расходов, трудоемкости монтажа и сроков строительства.

Однако, при расчете несущих элементов из гнутых профилей возникает ряд проблем, обусловленных их тонкостенностью. Так, согласно действующим строительным нормам, непозволительно использовать профили с определенным соотношением их высоты и толщины, свесом полок, радиусом изгиба и т.д. Ни один из гнутых профилей этим требованиям не удовлетворяет, поэтому при нагружении конструкции из этих профилей возможно возникновение локальной потери устойчивости стенок и/или полок. Но локальное выпучивание стенок и/или полок не означает еще исчерпания несущей способности конструктивного элемента. Принципиально строительные нормы допускают использование профилей с гибкостью стенок, превышающей критическую. Для этого предусмотрен алгоритм уменьшения (редуцирования) фактической площади поперечного сечения элемента за счет отбрасывания части, потерявшей устойчивость стенки. Однако, описанные в настоящее время алгоритмы расчета тонкостенных сечений применительны к узко ограниченному набору сечений. Это не дает возможности использовать его для расчета всего ассортимента конструктивных элементов, представленных на рынке.
Первые попытки расчета тонкостенных конструкций появились еще в 30-х годах.

Это направление исследований непосредственно вытекало из требований строительства применять в ряде случаев большепролетные пространственные системы – оболочки. Разработанная Василием Захаровичем Власовым «Строительная механика оболочек» принципиально упростила и значительно углубила по сравнению с зарубежными работами расчет этих конструкций и способствовала их распространению. Представление о том, что любой незамкнутый стержень является, по существу, такой же пространственной оболочкой, позволило перенести эти идеи на расчет отдельных стержней и разработать особое пространственное сопротивление материалов тонкостенных стержней. Вытекающие отсюда новые положения – отказ от закона плоских сечений, введение новых силовых функций (бимоментов) – придали этому направлению исследований очень большой теоретический и практический интерес.

В настоящее время создано большое число вычислительных комплексов и пакетов прикладных программ по проектированию строительных конструкций, которые среди прочего могут прогнозировать запас по прочности в определенных стержнях, но в виду того, что услилия в тонкостенных стержнях могут «перетекать» из элемента в элемент (концентрироваться в узлах или рёбрах жесткости), показать критическую нагрузку (до потери устойчивости сооружения в целом или разрушения его элемента) они не могут

Для решения этой проблемы решено было выполнить натурное испытание блока ферм из оцинкованных холодногнутых профилей пролетом 18 метров с шагом 3 метра, провести эксперимент до разрушающих нагрузок, обработать результаты и сравнить теоретические расчеты с экспериментальными значениями.
Нагружение проводилось ручными лебедками, через специально разработанную систему нагружения из блоков, траверс и полиспастов. Напряжение в элементах замерялось тензодатчиками (всего около 330 штук) в различных узлах.
Проведено несколько этапов натурных испытаний несущих металлоконструкций стропильных ферм, в результате чего удалость установить следующее:

1. Качественная картина напряженно-деформированного состояния конструкции до конца не совпадает ни с одной из теоретических моделей, в процессе испытаний вскрылись некоторые недостатки проектирования: в частности отсутствие совместной работы элементов фермы. В теоретическом расчете нагрузка на элементы распределялась равномерно на каждый профиль в сечении, что давало одинаковые значения напряжений в сечении; экспериментальное исследование показало неравномерность распределения напряжений по сечению элементов, причиной этого является именно несовместная работа элементов. Это приводит к перегрузке одного из профилей в сечении и недогрузке другого.

Особенностью работы данной конструкции является переход в упруго-пластическую стадию некоторых наиболее нагруженных элементов, а поскольку критическое отношение площади поперечного сечения стенки к площади полок, для тонкостенных профилей превышено, то определение истинного характера работы таких элементов вызывает затруднение. Редукция поперечного сечения элементов приводит к перераспределению усилий в стержнях, а также несовместная работа полуферм не позволяет с достаточной точностью определить эти явления. Степень несовместности работы полуферм невозможно оценить количественно из-за неравномерности опирания прогонов. Прогон опирается в узле ферм на два стержня, при этом опорная реакция прогона распределяется между этими стержнями неравномерно, поскольку нет пластин, которые жестко соединяют два профиля в сечении. Все эти условия не позволяют смоделировать схему близкую по характеру напряженно – деформированного состояния к реальной конструкции.

2. На характер работы данной фермы большое влияние имеет точность и качество монтажа (точность установки прогонов, их крепление, соосность элементов и т.д.), а также наличие связей.

Таким образом, экспериментально выведены следующие особенности работы конструкции:
1. Несовместность работы, как разных ферм, так и отдельных профилей в одном сечении;
2. Основная работа конструкции проходит в пластической стадии;
3. В некоторых элементах напряжения значительно превышали расчётные, что подразумевает большие прогибы, перемещения, а также усилия. Это говорит опять же о несовместности работы элементов ферм.

Итогом проделанной работы является то, что экспериментально доказана возможность применения данного типа профилей в несущих конструкциях, в связи с чем возникает необходимость обновить нормативную базу в области проектирования и строительства из тонкостенных металлоконструкций.
Кроме того, для расчета данного типа конструкций, экспериментальным путём был выведен коэффициент условия работы, позволяющий оценить степень нагруженности элементов и модели в целом.

Ключевые слова: тонкостенные холодногнутые профили, испытание, ферма

Аннотация: В статье описан опыт по определению разрушающих нагрузок для блока стропильных ферм из тонкостенных холодногнутых профилей. Установлено несоответствие расчетной модели фактическому опытному образцу.