Methodology for Designing the Steel Frames of Variable Cross-Section from Rolled I-Beams

Introduction. The article tackles the problem of finding the most efficient in terms of metal consumption I-shaped crosssection for creating a frame of variable section. In this paper from various options of creating the variable in length frame elements the authors study the option of creating the elements from the ordinary I-beams by diagonal slitting followed by welding as one of the most technologically advanced one. To obtain the most efficient in terms of metal consumption cross-section, it is proposed to use a monosymmetric I-beam composed of two different assortment items.

Materials and Methods. The review of scientific works related to the topic of designing structures from I-beams allowed the authors to compile a methodology for calculating the optimal section parameters. The implementation of this methodology makes it possible to draw the parameters for finding the most efficient for application cross-sections from the existing assortment of rolled I-beams.

Results. The object considered in this study is a frame of a building designed as the braced frame structure from welded single-span frames with elements of variable cross-section (code 828KM). The calculation was made in accordance with the proposed methodology. The results of the calculation show that the use of a monosymmetrical I-beam, composed of two different I-beams, gives opportunity to use the load-bearing capacity of the section to the fullest extent.

Discussion and Conclusions. In the result of implementation of the proposed methodology, it became possible to reduce the mass of an I-beam of a variable cross-section compared to the serial one used under similar loads. The result of the study allows us to conclude that the use of frames of variable section formed of I-beams of various cross-sections by diagonal slitting and subsequent welding in the construction of industrial frame buildings is highly perspective.

1. Наружный, В. Е. Импортозамещение в России: исторический опыт и текущие перспективы / В. Е. Наружный, В. А. Титов, Ю. А. Оболенская // Управленческое консультирование. — 2019. — № 11. — С. 101–112.

2. Избранные задачи по строительной механике и теории упругости. Под общ. ред. Н. П. Абовского. — М.: Стройиздат, 1978. — 189 с.

3. Скачков, С. В. Решение задачи оптимизации конструктивных параметров безраскосных ферм с поясами из тавров / С. В. Скачков // Легкие строительные конструкции: Сб. науч. тр. — Ростов-на-Дону: Рост. гос. строит. ун-т, 1999.

4. Запросян, А. О. Оптимизация сечений сварных составных балок / А. О. Запросян // Легкие строительные конструкции: Сб. науч. тр. — Ростов-на-Дону: Рост. гос. строит. ун-т, 1999.

5. Joseph, E. Bowles. Structural Steel Design. McGraw Hill Book Company. 2007. — 536 p.

6. Катюшин, В. В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения: Монография / В. В. Катюшин. — Москва: Изд-во АСВ, 2018. — 1072 с.

7. Беляев, Б. И. Оптимизация сечений балок с поясами из прокатных тавров и стенкой из листовой стали / Б.И. Беляев // Изготовление металлических и монтаж строительных конструкций: Экспресс-информация. — Москва: ЦБНТИ Минмонтажспецстроя СССР, 1990. — Вып. 4. — 226 с.

8. Milan Jirasek, Zdenek P. Bazant. Inelastic Analysis of structures. JohnWiley & Sons, Ltd., 2008. — 734 p.

9. Каплун, Я. Л. Оптимизация сортамента прокатных профилей: Автореф. дис…. канд. техн. наук. — Москва: Наука, 1971. — 32 с.

10. ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. Пособие по проектированию стальных конструкций. — Москва: ЦИТП, Стройиздат, 1989. — 40 с.

11. Лемберг, Е.В. Учет пластических деформаций при колебаниях балки // Конструкторское проектирование и Архитектура. — 2013. — том 3. — № 1. — С. 27‒29.

12. Gillman, A.; Fuchi, K.; Buskohl, P.R. Truss-based nonlinear mechanical analysis for origami structures exhibiting bifurcation and limit point instabilities. Int. J. Solids Struct. 2018. — P 80‒93.

13. Соболев, Ю.В. О проектировании стальных составных балок рационального сечения / Ю.В. Соболев // Строительство и архитектура. — 1985. — № 1. — С. 18‒21.

14. Sidney, M. Levy. Construction Calculations Manual. Elsevier, 2012. — 692 p.

15. Dharmit Thakore. Finite Element Analysis with Open Source Software. Dharmit Thakore, 2014. — 92 p.