История разработки
В 1963 году советскими учеными Бондаренко В.М., Зайцевым П.И. и Любимовым А.А. впервые был разработан метод расчета и конструирования подобных балок. А в 1971 году зарегистрирован патент №391245 от 1971.06.23, к авторскому свидетельству №1673291/29-14; авторы изобретения — Каплун Я.А., Бобровников А.П., Березин В.В., Вроно Б.М. Изобретение касается расчета, проектирования балки с перфорированной стенкой и оптимизированными весовыми параметрами. В 1975 году вышел СНиП III–18-75 «Правила производства и приемки работ. Металлические конструкции», в котором была ссылка на определение балки с перфорированной стенкой.
Обобщая результаты большого количества научных работ и проведенных в их рамках натурных испытаний, ЦНИИПСК в 1978 году утвердил «Руководство по проектированию стальных балок с перфорированной стенкой». Данное руководство актуально на сегодняшний день при использовании прокатной двутавровой балки-донора и методики расчета геометрических параметров прочности, деформативности и устойчивости балки с перфорированной стенкой с шестиугольными отверстиями.
Развитие в СССР
Отечественная строительная индустрия была исторически зачинщиком данного направления. ЦНИИЭПсельстрой и ЦИТП Госстроя СССР выпустили в 1989 году типовую серию 1.820.3-3 «Стальные конструкции несущего каркаса сельскохозяйственных зданий многоцелевого назначения на основе рам с переменной высотой сечения из перфорированных двутавров».
В ходе разработки и совершенствования данного типа балок использовались различные линии разрезки стенки донорского двутавра. Благодаря этому при сварке образовывались разные перфорационные отверстия: шестиугольные, восьмиугольные, прямоугольные, овальные. Стенка прокатного двутавра разрезается по зигзагообразной ломаной линии с регулярным шагом, и затем обе половины разрезанной балки соединяются сваркой в совмещенных между собой выступах стенки. В результате увеличивается высота балки, что позволяет перераспределить материал сечения ближе к полкам и существенно повысить прочностные характеристики.
Технические характеристики
Увеличение высоты сечения исходного двутавра примерно в 1,5 раза повышает во столько же его момент сопротивления (Wy) и почти в два раза момент инерции (Iy). Двутавры с перфорированной стенкой обеспечивают 10–25% экономии металла по сравнению с прокатными двутаврами, что перекрывает затраты на их изготовление. Широкое применение низколегированных сталей (С345, С390) и большие сечения базовых двутавров открывают новые возможности.
Современное применение
Перфорированные балки нашли применение в несущих конструкциях промышленных и гражданских зданий и сооружений при пролетах 18–24 м. При этом совершенствовалась нормативная база расчета и проектирования. В 2017 году вышло СП 294.1325800.2017 «Конструкции стальные. Правила проектирования», где п. 20.5 посвящен балкам с перфорированной стенкой. В 2018 году — СТО АРСС 1251254.001-018-3 «Руководство по проектированию стальных конструкций многоэтажных зданий».
Мировым лидером в применении балок с перфорированной стенкой является компания «АрселорМиттал», внедряющая этот продукт с 90-х годов. В России балки активно применяют компании «Ферро Строй» и «Евраз Холдинг». Пример — «Мультитемпературный склад» в Челябинской области (47 000 м²) и овощехранилище компании «АФК Националь» (16 000 тн). Донорские двутавры: 60Б1, 60Б2, 60Б3, 70Б3 из стали 09Г2С.
В апреле 2022 года в Нижнем Новгороде открыт многофункциональный центр «Океанис» площадью более 110 000 м², конструкции покрытия которого выполнены на балках с перфорированной стенкой.
Преимущества
- значительно меньший вес по сравнению с прокатными и сварными двутаврами;
- наиболее рациональное распределение материала;
- возможность пропуска коммуникаций в «теле» балки;
- экономия строительного объема здания по сравнению с фермами;
- возможность использования неразрезной схемы работы.
Перспективы
В течение последних десяти лет наблюдается рост использования балок с перфорированной стенкой. Более технологичным становится их производство, обновляется нормативная база для расчета и проектирования. Такие балки позволяют получать новые оптимизированные по материалоёмкости и надежности решения, совмещая их с функциональностью: пропуск инженерных сетей через отверстия. Эти преимущества стали катализатором идеи наладить промышленное производство балок на базе Группы Компаний «ГРАДИЕНТ».
Испытания
Для подтверждения фактической несущей способности балок ООО ПК «Химпэк» и ООО «Градтех» провели натурные испытания в пролетах 18 м и 19,8 м. Испытания проходили 12 ноября 2024 года в Московской области (Истринский район, Ивановское с/п, п.ст. Манихино).
Заключение
- Несущая способность испытательной балки по критерию второго предельного состояния:
- пролет 19,8 м — фактический прогиб 31,6 мм при нормативе 84,5 мм (К = 0,37 < 1,0);
- пролет 18 м — фактический прогиб 22,8 мм при нормативе 77 мм (К = 0,3 < 1,0).
- При нагружении балки до 44 тн не наблюдалось потери устойчивости стенки, выгибов или деформации настила кровли.
- После полной разгрузки геометрия балки вернулась в первоначальное положение.
