Местная потеря устойчивости

Основные типы тонкостенных стальных профилей, которые используются в строительстве, достаточно эффективны с точки зрения экономии материала. Однако небольшие толщины приводят к необходимости принимать во внимание местную потерю устойчивости и ее влияние на несущую способность поперечного сечения.

В соответствии с Еврокодом 3 все типы сечений стальных конструкций классифицируются в зависимости от предрасположенности их частей к потере местной устойчивости путем сравнения соотношений размеров (например, соотношения высоты к толщине стенки) с определенными предельными значениями. В результате этой процедуры каждому сечению присваивается класс, который в некоторых случаях также зависит от значений сжимающих напряжений в элементе. EN 1993-1-1 выделяет четыре класса сечений и дает для каждого из них правила проектирования, которые отображают влияние местной потери устойчивости на несущую способность сечения. Классификация варьируется от "класса 1", который присваивается сечениям, обладающим достаточным запасом местной устойчивости и прочностью на изгиб вплоть до образования шарнира пластичности, до "класса 4", который присваивается сечениям, в которых местная потеря устойчивости наступает до достижения напряжениями предела текучести стали. Несущая способность на изгиб сечений класса 4 меньше несущей способности поперечного сечения брутто в упругой стадии.

Подход, используемый в проектировании легких стальных тонкостенных конструкций, несколько отличен. Вместо проведения процедуры классификации поперечного сечения сразу принимается очевидное допущение, что сечение соответствует классу 4. Приняв такое предположение, расчет фокусируется на одной из основных задач проектирования тонкостенных стальных профилей – определении характеристик эффективного (редуцированного) сечения в соответствии с теми же процедурами, что применяются при расчете несущей способности сечений класса 4 согласно EN 1993-1-1. Использование характеристик эффективного сечения необходимо для упрощенного учета сложного распределения напряжений при потере местной устойчивости, с целью минимизировать количество расчетов, не закладывая при этом излишних запасов несущей способности.

КОНЦЕПЦИЯ ЭФФЕКТИВНОГО СЕЧЕНИЯ

Рассматривая местную потерю устойчивости стального тонкостенного профиля при определении эффективного сечения, профиль представляют как совокупность длинных пластин, жестко соединенных в местах изгиба. Также принимают, что гибкость пластин достаточно большая, и местная потеря их устойчивости происходит в упругой стадии. Потому площадь профиля может быть уменьшена в окончательных расчетах на значение, которому соответствуют участки пластинчатых элементов, потерявшие контур при местной потере устойчивости.

Используя метод эффективной ширины, как это проиллюстрировано на рис., может быть приблизительно проанализировано поведение гибких пластинчатых элементов при местной потере устойчивости

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Тонкостенные стальные профили часто используются для передачи осевых сжимающих нагрузок, например, в качестве стоек, колонн, раскосов ферм и т. д. Как и в ситуации с толстостенными сварными либо катаными аналогами, преобладающей формой утраты несущей способности тонкостенных стальных профилей, работающих на сжатие, является потеря устойчивости, а не прочности. В результате реальная несущая способность элемента оказывается значительно ниже предельного значения по прочности сечения. Следовательно, методика расчета такого элемента основана на расчете его несущей способности по потере общей устойчивости и во многом аналогична проектированию обычных нетонкостенных стальных колонн. Однако работа тонкостенных стальных стоек в ряде случаев отличается от поведения толстостенных профилей, и эти отличия должны приниматься во внимание при проектировании.

В отличие от колонн, которые в пределах каркаса работают как независимые элементы, тонкостенные стальные стойки часто используются в несущих панелях, соединенными с гипсокартоном и другими типами обшивки. Наличие обшивки обеспечивает некоторую степень раскрепления в своей плоскости, что может учитываться расчетом несущей способности по потере устойчивости. В то же время степень такого раскрепления должна быть подтверждена натурными испытаниями, с использованием стоек определенных типов с заданными гибкостями, а также обшивкой и креплениями, соответствующими реально применяемым на практике.

В отличие от горячекатаных стальных колонн, в которых определяющей обычно является потеря общей устойчивости в форме продольного изгиба, многие тонкостенные стальные профили также подвержены изгибно-крутильной потере устойчивости. Если изгибно-крутильная потеря устойчивости происходит при меньшем значении нагрузки, чем потеря устойчивости в форме продольного изгиба, естественно, что именно этот вид утраты несущей способности будет определяющим фактором при подборе сечения элемента. Данное обстоятельство отображено в правилах проектирования Еврокода, когда несущая способность в упругой стадии для тонкостенных профилей принимается меньшей из нагрузок потери устойчивости: продольного изгиба, крутильной и изгибно-крутильной форм.

Помимо этого тонкостенные стальные профили подвержены местной потере устойчивости и потере устойчивости формы сечения, обе из которых могут иметь негативное влияние на устойчивость элемента при сжатии. Это следует учитывать при расчете на сжатие путем использования геометрических характеристик эффективного поперечного сечения вместо характеристик поперечного сечения брутто.