Расчет и проектирование сварных двутавровых профилей с волнистыми стенками

Министерство образования и науки российской Федерации

уральский Федеральный университет
иМени первого президента россии б. н. ельцина

с. в. кудрявцев

расчет и проектирование
сварных двутавровых проФилей 
с волнистыМи стенкаМи

учебно-методическое пособие

рекомендовано методическим советом урФу  
для студентов, обучающихся по программам бакалавриата,  
магистратуры и специалитета по направлениям подготовки  
08.03.01, 08.04.01 «строительство»,
08.05.01 «строительство уникальных зданий и сооружений»

екатеринбург
издательство уральского университета
2017

удк 621.791.01:62=423(075.8)
ббк 30.4=02я73 + 30.616я73
        к88

р е ц е н з е н т ы:
кафедра «строительные конструкции и строительное производство»
уральского государственного университета путей сообщения
(заведующий кафедрой кандидат технических наук,  
доцент н. г. горелов);
с. п. тамакулов, кандидат технических наук,  
директор ооо «Фирма “уралкомплект-наука”»;  
а. а. караев, председатель совета директоров  
ооо «проектстальконструкция»,  
заслуженный строитель российской Федерации;  
Ю. с. Максимов, кандидат технических наук, профессор,  
директор тоо «институт проектстальконструкция» (г. алматы),  
почетный строитель казахстана

© уральский федеральный университет, 2017

Кудрявцев, С. В.
расчет и проектирование сварных двутавровых профилей 
с волнистыми стенками : учеб.-метод. пособие / с. в. кудряв-
цев ; М-во образования и науки рос. Федерации, урал. федер. 
ун-т. — екатеринбург : изд-во урал. ун-та, 2017. — 60 с.

ISBN 978-5-7996-2056-1

в учебно-методическом пособии приведены основные положения по 
расчету изгибаемых, сжатых и сжато-изгибаемых элементов из стальных 
сварных двутавровых профилей с волнистыми стенками с гофрами тре-
угольного очертания. указаны требования к их конструированию. даны 
примеры расчета и конструирования. 
для студентов, обучающихся по направлениям «строительство» 
и «строительство уникальных зданий и сооружений».

к88

ISBN 978-5-7996-2056-1

удк 621.791.01:62=423(075.8)
ббк 30.4=02я73 + 30.616я73

ОглаВление

предисловие ................................................................................................... 4
основные буквенные обозначения ............................................................... 5
 
1. общие положения ............................................................................... 6
 
2. Материалы ........................................................................................... 7
 
3. конструктивные требования ............................................................. 8
 
4.  геометрические характеристики сечения....................................... 10
 
5.  расчет элементов с волнистой стенкой при центральном  
растяжении и сжатии ............................................................................ 13
 
6.  расчет элементов с волнистой стенкой при изгибе ....................... 13
 
7.  расчет элементов с волнистой стенкой при действии продольной 
силы с изгибом ...................................................................................... 16
 
8.  устойчивость волнистых стенок профилей ................................... 18
 
9.  устойчивость поясных листов профилей ....................................... 21
 
10.  расчет по второй группе предельных состояний  
 
(по прогибам) .................................................................................... 22
 
11.  расчет сечений профилей, ослабленных круговыми  
 
отверстиями ....................................................................................... 23
Приложение А.  примеры расчета профилей с волнистой стенкой ........ 25
Приложение Б. сортамент сварных двутавровых профилей  
с волнистой стенкой типа «силур»  .................................................... 40
библиографические ссылки ........................................................................ 58

ПРеДиСлОВие

учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре «про-
мышленное, гражданское строительство и экспертиза недвижимо-
сти» строительного института. оно предназначено студентам, об-
учающимся по направлениям подготовки бакалавриата 08.03.01 
«строительство» и магистратуры 08.04.01 «строительство», а также 
по направлению подготовки специалитета 08.05.01 «строительство 
уникальных зданий и сооружений» всех форм обучения, для выпол-
нения практических занятий и курсового проекта по дисциплинам 
«Металлические конструкции, включая сварку», «строительные кон-
струкции зданий и сооружений» и «проектирование легких металли-
ческих конструкций».
в пособии приводятся основные положения по расчету изгиба-
емых, сжатых и сжато-изгибаемых элементов из стальных сварных 
двутавровых профилей с волнистыми стенками с гофрами треуголь-
ного очертания. указаны требования к конструированию. даны при-
меры расчета. приведенная методика расчета предназначена для 
практического инженерного проектирования элементов с волнистой 
стенкой и разработана на основе обобщения и систематизации резуль-
татов отечественных и зарубежных экспериментальных и теоретиче-
ских исследований конструкций с волнистыми и гофрированными 
стенками [5–10].
Материал пособия имеет практико-ориентированный характер. 
приобретенные студентами знания и навыки могут быть использова-
ны при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также в прак-
тической деятельности.

ОСнОВнЫе БУКВеннЫе ОБОЗнаЧениЯ

Усилия от внешних нагрузок в поперечном сечении элементов

M — изгибающий момент, N — продольная сила, Q — поперечная 
сила.

Характеристики материалов

Ru — расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу 
по временному сопротивлению
Ry — расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу 
по пределу текучести
Rs = 0,58Ry — расчетное сопротивление стали срезу
Е = 206 000 Mпа (2,06 · 106 кг/см2) — модуль упругости прокатной 
стали
G = 79 000 Mпа (0,79 · 106 кг/см2) — модуль сдвига прокатной стали
ρ = 7850 кг/м3 — удельный вес прокатной стали.

Характеристики поперечного сечения профиля

bf — ширина пояса профиля
tf — толщина пояса профиля
hw — высота волнистой стенки профиля
tw — толщина стенки профиля
f — высота волны стенки
a — расстояние между вершинами волн стенки (шаг гофров)

2
2

w
b
a
f
=
+
 — ширина панели гофра
A — площадь поперечного сечения профиля
Af — площадь поперечного сечения одного пояса профиля
Ix, Iy — моменты инерции сечения относительно осей x — x и y — y;
Wx, Wy — моменты сопротивления сечения относительно осей x — x 
и y — y
Sx — статический момент полусечения профиля относительно оси 
x — x
ix, iy — радиусы инерции сечения относительно осей x — x и y — y

1. ОБЩие ПОлОЖениЯ

представленная в настоящем пособии методика расчета может 
быть применена при проектировании несущих изгибаемых, сжатых 
и сжато-изогнутых стальных конструкций с волнистой (гофрирован-
ной) стенкой. как правило, к таким конструкциям относятся элемен-
ты покрытий и перекрытий, колонны и ригели поперечных рам зда-
ний и др., работающие при температуре не выше 100 °с и не ниже 
минус 60 °с.
при проектировании конструкций, находящихся в особых услови-
ях эксплуатации, например, подвергающихся сейсмическим воздей-
ствиям, интенсивным воздействиям температуры, радиации, агрес-
сивных сред, конструкций уникальных зданий и сооружений, зданий 
атомных электростанций, а также специальных видов конструкций 
(например, предварительно напряженных, пространственных, вися-
чих), следует соблюдать дополнительные требования, предусмотрен-
ные соответствующими нормативными документами, в которых отра-
жены особенности работы таких конструкций.
при проектировании конструкций с волнистой стенкой необходи-
мо соблюдать требования сп 16.13330.2011 «стальные конструкции. 
актуализированная редакция снип II-23-81*» [2] и требования на-
стоящего пособия.
конструкции изготавливаются, как правило, сварными, двутавро-
вого симметричного сечения, с волнистой стенкой с гофрами треу-
гольного очертания и поясами из полосовой стали.
конструкции с волнистой стенкой изготавливаются в заводских 
условиях на специализированной поточной линии, включающей 
участки раскроя и правки стального листа, участок гофрирования 
стенки, участки сборки и сварки конструкций.
сортамент сварных двутавровых профилей с волнистой стен-
кой, выпускаемых ооо «силур» (екатеринбург) по ту 5283-010-
85420077-2014 [6], приведен в прил. б.

2. МаТеРиалЫ

прокат, применяемый для изготовления элементов несущих стро-
ительных конструкций с волнистой стенкой, должен отвечать требо-
ваниям стандартов или технических условий на его поставку.
при выборе классов и марок стали следует учитывать степень от-
ветственности конструкций здания (сооружения), а также условия их 
эксплуатации в соответствии с прил. в сп 16.13330.2011 [2].
в качестве материала для изготовления волнистой стенки прини-
мают, как правило, прокат листовой горячекатаный по гост 19903-74 
из стали класса не ниже с245 по гост 27772-88 (вст3пс6 по гост 
380-88).
для изготовления поясов элементов конструкций с волнистой 
стенкой рекомендуется прокат стальной горячекатаный широкопо-
лосный универсальный по гост 82-70 и прокат листовой горячеката-
ный по гост 19903-74 из стали класса не ниже с245 по гост 27772-
88 (вст3пс6 по гост 380-88).
расчетные характеристики стали стенки и поясов конструкций 
принимают по табл. 1. 
Таблица 1

Характеристики стали для изготовления профилей  
с волнистыми стенками

сталь 
по гост 
27772

толщина 
проката, мм

нормативные и расчетные сопротивления  
при растяжении, сжатии, изгибе и срезе  
листового и широкополосного универсально-
го проката, Мпа

Ryn
Run
Ry
Ru
RS
с245
от 2 до 20
245
370
240
360
135

от 20 до 30
235
370
230
360
130

с255
от 2 до 20
245
370
240
360
135

от 20 до 40
235
370
230
360
130

с345
от 2 до 20
325
470
320
460
180

от 20 до 40
305
460
300
450
170

при изготовлении конструкций с волнистой стенкой следует при-
менять виды и технологии сварки, обеспечивающие полный провар 
одностороннего поясного шва и получение сварных соединений, не 
допускающих образования кристаллизационных сварочных трещин.

3. КОнСТРУКТиВнЫе ТРеБОВаниЯ

при расчете конструкций с волнистой стенкой рекомендуется счи-
тать, что волнистая стенка воспринимает только касательные напря-
жения, а изгибающий момент и продольная сила воспринимаются 
полностью поясами.
при проектировании допускается считать, что касательные напря-
жения по высоте волнистой стенки распределены равномерно.
расчет стальных конструкций с волнистой стенкой следует вы-
полнять с учетом назначения конструкций, условий их изготовления, 
транспортирования, монтажа, эксплуатации, а также свойств матери-
алов. 
при расчете конструкций с волнистой стенкой значения нагрузок 
и воздействий, а также предельные значения прогибов и перемеще-
ний элементов конструкций следует принимать согласно требованиям 
сп 20.13330.2011 [3].
за расчетную температуру в районе строительства следует прини-
мать температуру наружного воздуха наиболее холодных суток с обеспеченностью 
0,98 в соответствии с сп 131.13330.2012 [4]. расчетная 
технологическая температура устанавливается заданием на разработку 
строительной части проекта.
при расчете конструкций и соединений следует учитывать:
— коэффициенты надежности по ответственности γn, принимаемые 
согласно требованиям № 384-Фз от 30.12.2009 [1];
— коэффициент надежности γu = 1,3 для элементов конструкций, 
рассчитываемых на прочность с использованием расчетных сопротивлений 
Ru;
— коэффициенты условий работы элементов конструкций и 
соединений γc, γc1, γb, принимаемые по табл. 1, п. 7.1.2 и табл. 45 
сп 16.13330.2011 [2].

балки с волнистыми стенками следует выполнять, как правило, 
симметричного сечения (рис. 1). вертикальные нагрузки могут прикладываться 
в любом сечении по длине профиля.
высоту сечения балок следует назначать, исходя из конструктивных 
или архитектурно-планировочных соображений в пределах 1/12–
1/30 пролета элемента.
оптимальную высоту балок следует определять по формуле

 
3
0,9
w
opt
req
w

h
h
W
t
=
⋅
⋅
, 
(1)

где Wreq — требуемый момент сопротивления балки.
Минимальную высоту волнистых стенок балок, изготавливаемых 
без строительного подъема, следует определять из условия жесткости 
с учетом деформаций сдвига.
при пролетах балок покрытия 18 м и более следует предусматри-
вать строительный подъем, равный прогибу от постоянной и длитель-
ной нагрузок. при плоских кровлях строительный подъем следует 
предусматривать независимо от величины пролета, принимая его рав-
ным прогибу от суммарной нормативной нагрузки плюс 1/200 про-
лета.
гибкость волнистой стенки λw = hw/tw рекомендуется принимать в 
диапазоне 80–500.
деформации (прогибы) элементов с волнистой стенкой следует 
вычислять с учетом влияния поперечных сил.
параметры гофров следует назначать в следующих пределах:

— приведенная гибкость панели гофра 
2,3
y
w
c

w

R
b
t
E
λ =
≤
;

— отношение высоты волнистой стенки к шагу гофров 
7,5
w
h
a ≤
;

— высота волны 
30
35

w
h
f ≥
+
мм.

в целях использования существующего оборудования и техно-
логической оснастки рекомендуется проектировать волнистые стен-
ки с параметрами гофров a × f = 100 мм × 50 мм, 150 мм × 60 мм; 
200 мм × 70 мм.

в профилях с волнистыми стенками следует, как правило, приме-
нять односторонние поясные швы, выполняемые полуавтоматической 
или автоматической сваркой, обеспечивающей полный провар свар-
ного шва.
сварные поясные швы балок с волнистой стенкой рассчиты-
ваются так же, как и в балках с плоскими стенками, при этом раз-
меры и форма швов должны удовлетворять требованиям п. 14.1.7 
сп 16.13330.2011 [2].
в местах приложения сосредоточенных нагрузок от вышележа-
щих или примыкающих снизу конструкций, в узлах крепления свя-
зей, распорок и других элементов, около монтажных и опорных ребер 
следует применять двусторонние поясные швы, выходящие за конту-
ры прикрепляемого элемента (узла) на длину 30kf с каждой стороны. 
здесь kf — катет поясного шва, примыкающего к волнистой стенке.
при необходимости установки вертикальных ребер жесткости 
в балках с волнистыми стенками должны быть выполнены требова-
ния пп. 15.5.4 и 15.5.5 сп 16.13330.2011 [2].
заводские стыки поясов и гофрированных стенок следует вы-
полнять сварными. допускается заводские и монтажные стыки сте-
нок толщиной 5 мм и менее выполнять внахлест с напуском 50–60 мм 
и обязательной заваркой угловых швов с обеих сторон стыка.

4. геОМеТРиЧеСКие  
ХаРаКТеРиСТиКи СеЧениЯ

геометрические параметры профиля с волнистой стенкой приведены 
на рис. 1 и 2.
расчетные геометрические характеристики сечений профилей 
с волнистой стенкой рекомендуется определять по формулам, приведенным 
в табл. 2.

рис. 1. поперечное сечение профиля с волнистой стенкой  
с гофрами треугольного очертания

рис. 2. геометрические параметры волнистой стенки  
с гофрами треугольного очертания

a
a
a

bw

a

f

bf

bf

tw

f/2

tf
tf

y

x

нейтральная ось 
балки

h

hw

hf