ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ УЗЛОВ РАМНЫХ

На правах рукописи
ПЕРМИНОВ ДМИТРИЙ АНДРЕЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ УЗЛОВ РАМНЫХ
КАРКАСОВ С КОЛОННАМИ КОРОБЧАТОГО СЕЧЕНИЯ
05.23.01 – «Строительные конструкции, здания и сооружения»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ростов-на-Дону – 2016
2
Работа выполнена на кафедре строительных конструкций в Академии
строительства и архитектуры (структурное подразделение) Федерального
государственного автономного образовательного учреждения высшего образования
«Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского»
Научный руководитель:
Родин Станислав Владимирович,
кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Кришан Анатолий Леонидович,
доктор технических наук, профессор, ФГБОУ
ВПО
«Магнитогорский
государственный
технический университет имени Г.И. Носова»,
заведующий кафедрой проектирования зданий и
строительных конструкций, профессор
Бузало Нина Александровна,
кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ
ВПО «Южно-Российский государственный
политехнический университет имени М.И.
Платова (Новочеркасский политехнический
институт)»,
профессор
кафедры
«Промышленное и гражданское строительство,
геотехника и фундаментостроение»
Ведущая организация:
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального
образования
«Волгоградский государственный архитектурностроительный университет»
Защита состоится «17» марта 2016 г. в 12.00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.207.02 при Ростовском государственном
строительном
университете
по
адресу:
344022,
г.
Ростов-на-Дону,
ул. Социалистическая, 162, корп. 1, ауд.1125. Тел./факс 8 (863) 201-90-99. e-mail:
dis_sovet_rgsu@mail.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Ростовского
государственного строительного университета www.rgsu.ru.
Автореферат разослан «__» февраля 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
А.В. Налимова
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность избранной темы. В промышленном и гражданском
строительстве наибольшее распространение получили стальные рамные и
рамно-связевые каркасы. В таких каркасах наиболее сложным и ответственным
элементом каркаса, от надежности которого зависит несущая способность и
жесткость здания, является узловое сопряжение ригеля с колонной.
В США в связи с аварийными ситуациями, вызванными ошибочными
представлениями о работе рамного узла в предельном состоянии, было выполнено
большое количество экспериментальных и аналитических работ. В результате были
пересмотрены существующие методики расчета, а также предложены
конструктивные мероприятия.
При исследованиях работы рамных узлов, применяемых в отечественной и
зарубежной строительной практике, было выявлено, что наиболее уязвимым местом
является зона сварных швов, прикрепляющих пояса ригеля к стенке колонны. А
наличие концентраторов напряжений и дефектов в зоне сварных швов, вероятность
появления которых в условиях строительной площадки увеличивается, при высоких
напряжениях в поясах ригеля может приводить к разрушению.
В отечественных нормах не уделялось и не уделяется должного внимания
проектированию узловых соединений. Возникает проблема адекватности расчета
рамных узлов. В большинстве случаев это связано с отсутствием полной
информации по фактическому напряженному состоянию рамного узла. Кроме того,
по формулам определяются усредненные значения, и методика расчета элементов
рамного узла основана на допущениях, исключающих возможность появление
концентрации напряжений. Поэтому определение значения коэффициента
концентрации нормальных напряжений (далее коэффициента концентрации
напряжений) в околошовной зоне в поясе ригеля является одним из важных
вопросов.
Исходя из выше изложенного следует, что поиск путей повышения несущей
способности узлов за счет оптимизации конструкции, разработка точных методик
расчета являются актуальными.
Актуальность возрастает еще потому, что более 20% территории России
находится в сейсмоопасной зоне, где могут происходить землетрясения
интенсивностью 6-9 баллов. В этих районах находятся большие города и
промышленные комплексы, поэтому к вопросам сейсмостойкости зданий и
сооружений необходимо повышенное внимание. При циклических (сейсмических)
воздействиях к хрупкому разрушению приводит наличие концентраторов
напряжений в околошовной зоне сварных швов, прикрепляющих пояса ригеля к
стенке колонны. Следовательно, оптимизация конструктивного решения рамного
узла, позволяющего снизить концентрацию напряжений в околошовной зоне в
поясе ригеля, приведет к повышению сейсмостойкости стального рамного каркаса в
целом.
Степень разработанности избранной темы.
Результаты исследований стальных каркасов многоэтажных зданий и их
элементов в обычных районах рассмотрены в работах С.И. Билыка, А.И. Голоднова,
4
Ю.А. Дыховичного, Е.Е. Кочерговой, И.Н. Лебедича, И.В. Молева, К.Д. Морозова,
А.А. Нилова, А.Б. Павлова, С.Ф. Пичугина, А.Е. Святощенко, А.В. Семко,
Н.С. Стрелецкого, Г.А. Шапиро и др.
Исследованием работы узлов стальных каркасов в сейсмических районах
занимались: Г.А. Ажермачев, Л.Ш. Килимник, И.Л. Корчинский, Л.Э. Лаврентьева,
Ю.С. Максимов, Г.М. Остриков и др.
В результате обзора отечественных и зарубежных литературных источников
было установлено, что основным конструктивным решением рамного узла, является
сопряжение ригеля с колонной двутаврового сечения на горизонтальных и
вертикальных накладках. Также возможен вариант применения колонны
коробчатого сечения. Гораздо реже применяется конструктивное решения рамного
узла без горизонтальных и вертикальных накладок, когда пояса ригеля соединяются
со стенкой колонны сварным стыковым швом.
По результатам многочисленных экспериментальных исследований и
обследований зданий, подвергшихся землетрясениям, было установлено, что в зоне
примыкания ригеля к колонне на ограниченной площади передаются значительные
по величине усилия, которые вызывают существенную концентрацию напряжений,
особенно в околошовной зоне в поясе ригеля. Кроме того сварные швы
выполняются при монтаже и могут иметь скрытые дефекты, которые при высоких
напряжениях приведут к разрушению.
Также рассмотренная в литературных источниках методика расчета элементов
рамного узла не учитывает наличие концентрации напряжений.
Исходя из выше сказанного следует, что проблема концентрации напряжений
в элементах рамного узла не была достаточно рассмотрена, поэтому требует более
детального изучения.
Цель исследования: повысить несущую способность узлов рамных каркасов
с колоннами коробчатого сечения путем разработки нового конструктивного
решения, позволяющего снизить напряжения в околошовной зоне в поясе ригеля.
Задачи исследования:
- разработать новое конструктивное решение узла рамного каркаса с
колоннами коробчатого сечения, позволяющее снизить напряжения в околошовной
зоне в поясе ригеля, и методику его расчета;
- определить на основании численных исследований зависимость значения
коэффициента концентрации напряжений в околошовной зоне в поясе ригеля от
параметров конструкции узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения;
- усовершенствовать методику определения нормальных напряжений в
околошовной зоне в поясе ригеля для узла рамного каркаса с колоннами
коробчатого сечения;
- экспериментально изучить распределение напряжений в элементах узла
рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения и сравнить с результатами,
полученными при численных исследованиях.
Объект исследования.
Рамный узел, включающий колонну коробчатого сечения и двутавровый
ригель, применяемый в каркасах многоэтажных производственных и гражданских
зданий в обычных и сейсмических районах.
5
Предмет исследования.
Распределение напряжений в околошовной зоне в поясе ригеля в зависимости
от конструктивного решения узла рамного каркаса с колоннами коробчатого
сечения.
Научная новизна:
- разработано новое конструктивное решение узла рамного каркаса с
колоннами коробчатого сечения, позволяющее снизить напряжения в околошовной
зоне в поясе ригеля, защищенное патентом;
- получена зависимость значения коэффициента концентрации напряжений
в околошовной зоне в поясе ригеля от геометрических параметров и
конструктивных решений узлов рамных каркасов с колоннами коробчатого сечения;
- усовершенствована методика определения нормальных напряжений в
околошовной зоне в поясе ригеля для различных конструктивных решений узлов
рамных каркасов с колоннами коробчатого сечения;
- выявлено распределение напряжений в дополнительной вертикальной
диафрагме, установленной между горизонтальными диафрагмами в плоскости
стенки ригеля в колонне.
Теоретическая и практическая значимость работы. Используя результаты
данной работы, можно определить нормальные напряжения в околошовной зоне в
поясе ригеля, значение коэффициента концентрации напряжений для разных
конструктивных решений узлов рамных каркасов с колоннами коробчатого сечения.
Это позволяет с большей точностью выполнять расчет узлов рамных каркасов с
колоннами коробчатого сечения и оценить их работу при экстремальных
воздействиях.
Предложенное новое конструктивное решение узла рамного каркаса с
колоннами коробчатого сечения позволяет снизить максимальные напряжения в его
элементах, повысить жесткость и несущую способность сопряжения. Кроме того,
применение нового конструктивного решения узла рамного каркаса с колоннами
коробчатого сечения в каркасах зданий и сооружений, возводимых в сейсмически
опасных районах, позволяет повысить сейсмостойкость каркаса в целом.
Результаты работы могут быть использованы при проектировании и расчете
стальных каркасов многоэтажных зданий в обычных районах, а также в сейсмически
опасных.
Предложенная методика расчета узлов стальных рамных каркасов
использована ООО «Архонт-Крым» (г. Симферополь), ООО «Профессионал»
(г. Симферополь) при разработке рабочих проектов зданий со стальным каркасом.
Методология и методы диссертационного исследования.
Теоретические – с использованием методов теории упругости, численные – с
использованием метода конечных элементов, экспериментальные – в лабораторных
условиях с определением деформаций.
Положения, выносимые на защиту:
- конструктивное решение узла рамного каркаса с колоннами коробчатого
сечения, позволяющее снизить напряжения в околошовной зоне в поясе ригеля,
защищенное патентом;
6
- формулы для расчета значения коэффициента концентрации напряжений в
околошовной зоне в поясе ригеля для различных конструктивных решений узлов
рамных каркасов с колоннами коробчатого сечения;
- методика определения нормальных напряжений в околошовной зоне в
поясе ригеля для различных конструктивных решений узлов рамных каркасов с
колоннами коробчатого сечения;
- анализ
результатов
выполненных
экспериментальных
и
расчетно-теоретических исследований распределения напряжений в элементах узла
рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность
приведенных
результатов
подтверждена
данными
теоретических и экспериментальных исследований, применением математического
моделирования на основе метода оконченных элементов и методов математической
статистики для обработки экспериментальных данных, применением аналитических
и численных методов при решении задач исследования, сопоставлением
теоретических решений с данными натурных испытаний, апробацией работы на
практике.
Основные положения и результаты выполненных исследований по теме
диссертационной работы представлены на восьми научно-технических
конференциях, в том числе международных: «Металеві конструкції: сьогодення та
перспективи розвитку» (г. Киев, 2008), «Проблемы энергосбережения «Энергия
2009» (г. Алушта, 2009), «Проблемы энергосбережения «Энергия 2010»
(г. Евпатория, 2010), «Геодинамика, сейсмическая опасность, сейсмостойкость
сооружений» (г. Алушта, 2011), «Ресурсоэкономные материалы, конструкции,
здания и сооружения» (г. Ровно, 2011), «Инновационные технологии жизненного
цикла объектов жилищно-гражданского, промышленного и транспортного
назначения» (г. Ялта, 2012), «Строительство в сейсмических районах Украины»
(г. Ялта, 2012), «Инновационные технологии жизненного цикла объектов
жилищно-гражданского, промышленного и транспортного назначения» (г. Ялта,
2013).
Публикации.
Основные научные результаты по теме диссертации, которые отражают ее
основное содержание, опубликованы в 12 научных работах, в том числе: 5 – в
специализированных изданиях, 3 – в других научных изданиях, 3 – в зарубежных
изданиях, 1 – патент на полезную модель.
Структура диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из вступления, пяти разделов, общих
выводов, списка использованных источников из 182 наименований и 2 приложений.
Работа изложена на 180 страницах, в том числе содержит 118 страниц основного
текста, 39 полных страниц с рисунками и таблицами, 20 страниц списка
использованных источников, 3 страницы приложений.
7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обосновывается актуальность темы, изложены цель и задачи
исследований, научная новизна, практическая значимость и общая характеристика
работы.
Первый раздел диссертаций посвящен аналитическому обзору литературных
источников. Рассмотрены стальные каркасы многоэтажных зданий и их
конструктивные схемы.
Стальные каркасы могут применяться для строительства зданий в обычных, а
особенно в сейсмически опасных районах, к которым относится часть территории
России, потому что они имеют незначительный вес, который позволяет снизить
инерционные сейсмические силы, которые действуют на здание. Относительно
небольшие сечения колонн и ригелей позволяют увеличить полезные объемы
здания.
Проведен анализ результатов исследований стальных каркасов многоэтажных
зданий и их элементов в обычных районах, которые рассмотрены в работах
С.И. Билыка, А.И. Голоднова, Ю.А. Дыховичного, Е.Е. Кочерговой, И.В. Молева,
И.Н. Лебедича, К.Д. Морозова, А.А. Нилова, А.Б. Павлова, С.Ф. Пичугина,
А.Е. Святошенко, А.В. Семко, Н.С. Стрелецкого, Г.А. Шапиро и др.
Рассмотрены основные конструктивные решения рамных узлов, применяемых
в отечественной и зарубежной строительной практике. Рассмотрены существующие
методики расчетов узловых соединений. Рамные узлы, в зависимости от ряда
особенностей, могут иметь разную конструктивную схему, но расчетная методика и
основные расчетные предпосылки остаются неизменными.
Приведены результаты обследований зданий после землетрясений и
установлены причины разрушения рамных узлов стальных каркасов. Исследованием
работы узлов стальных каркасов в сейсмических районах занимались:
Г.А. Ажермачев, Л.Ш. Килимник, И.Л. Корчинский, Л.Э. Лаврентьева,
Ю.С. Максимов, Г.М. Остриков.
Вопросом сейсмостойкого строительства и расчетов многоэтажных зданий
посвящены многочисленные исследования. Большой вклад в развитие теории
сейсмостойкости внесли ученые: Я.М. Айзенберг, М.Ф. Барштейн, В.А. Быховский,
И.И. Гольденблат, В.К. Егупов, А.М. Жаров, Т.Ж. Жунусов, К.С. Завриев,
И.Л. Корчинский, В.С. Кукунаев, А.И. Мартемьянов, С.В. Медведев, А.Г. Назаров,
Ю.И. Немчинов, Н. Ньюмарк, Ф. Омори, С.В. Поляков, Б.Г. Пустовитенко,
В.Т. Рассказовский, В.А. Ржевский, Э. Розенблют, А.П. Синицын, М.Т. Уразбаев,
Э.И. Хачиян и др.
По результатам анализа приведенного материала получено, что основным
конструктивным решением рамных узлов, которое наиболее распространено в
отечественной и зарубежной строительной практике, является соединение ригеля с
колонной двутаврового сечения на горизонтальных и вертикальных накладках. В
таком конструктивном решении узла стенка и пояс колонны двутаврового сечения
находится в сложном напряженном состоянии, поэтому необходимо устанавливать в
колонне в уровне горизонтальных накладок диафрагмы, приваренные к стенке и
поясам колонны.
8
Кроме того, рядом с рассмотренным решением, получило распространение
конструктивное решение рамного узла без горизонтальных накладок, когда пояса
ригеля непосредственно соединяются сварным стыковым швом с поясом колонны.
Преимуществом данного узла являются снижения металлоемкости и трудоемкости
при монтажи, потому что уменьшается длина монтажных сварных швов, а также
исключается необходимость изготовления горизонтальных накладок сложной
геометрической формы. Указанные конструкции рамных узлов с двутавровым
ригелем и колонами двутаврового или коробчатого сечения могут применяться при
проектировании как в обычных, так и в сейсмоопасных районах.
По результатам обзора принята к дальнейшему исследованию конструкция
рамного узла с двутавровым ригелем и с колонной коробчатого сечения,
применяемая при строительстве в обычных и сейсмических районах.
На основании аналитического обзора была обоснована актуальность
избранной
темы,
установлены
направления
научных
исследований,
сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во втором разделе исследованы наиболее нагруженные элементы узла
рамного каркаса с колонами коробчатого сечения. Усовершенствована методика
определения нормальных напряжений в околошовной зоне в поясе ригеля узла
рамного каркаса с колонами коробчатого сечения без горизонтальных и
вертикальных диафрагм и с их наличием.
С этой целью стенка колонны представлена как пластина, к которой
приложена распределенная нагрузка вдоль оси x (рисунок 1). Стороны пластины,
параллельные оси y , закреплены жестко, а стороны, параллельные оси x , –
свободно оперты.
При исследовании вопроса об изгибе стенки колонны как пластины
использовалось решение М. Леви.
Формулу для выражения прогиба пластины было задано в форме
бесконечного ряда:

w   X n sin
n 1
ny
.
b
(1)
В результате преобразований, решение уравнения и
определение
произвольных
постоянных,
которые
определяются из предельных условий, получена формула
для выражения X n в таком виде:
Xn 
K0
[1 
ch n a  1
sh n x  ch n x 
sh n a   n a

sh n a
ch n a  1
 n x
sh n x   n x
ch n x ],
sh n a   n a
sh n a   n a
Рисунок 1 – Расчетная
схема пластины.
где K 0 
5
n
n
nx 0
2q
nm
sin
sin
, n 
.
2
a
2a
b
Db n
(2)
9
Прогиб пластины представлен в таком виде:

w
n 1
K0
 n5
[1  Fn sh n x  ch n x 
(3)
ny
 E n  n xsh n x  Fn  n xch n x ] sin
.
b
где коэффициенты при переменных Fn 
ch n a  1
sh n a
, En 
.
sh n a   n a
sh n a   n a
С помощью формулы (3) можно определить прогиб в любой точке стенки
колонны при разном значении распределенной нагрузки.
Для практического использования предлагается сводная таблица 1, с
помощью которой можно определить прогиб в плоскости действия усилия. Для
определения прогиба пластины достаточно табличные значения относительного
прогиба умножить на соотношение заданных величин
bi3
, где ti
t i3
- толщина
пластины.
V
m
a
1
0,8
0,6
0,4
0,2
Таблица 1 – Относительный прогиб пластины
Значение относительного прогиба пластины w  10 6 в точке с
относительными координатами (мм) при нагрузке q  10кН/a
т. 0
т. 1
т. 2
т. 3
т. 4
т. 5
т. 6
т. 7
т. 8
т. 9
т. 10
(0,0а) (0,1а) (0,2а) (0,3а) (0,4а) (0,5а) (0,6а) (0,7а) (0,8а) (0,9а) (1,0а)
0
0,030 0,085 0,139 0,176 0,189 0,176 0,139 0,085 0,030
0
0
0,028 0,083 0,136 0,173 0,186 0,173 0,136 0,083 0,028
0
0
0,022 0,070 0,121 0,157 0,170 0,157 0,121 0,070 0,022
0
0
0,015 0,049 0,090 0,122 0,134 0,122 0,090 0,049 0,015
0
0
0,008 0,025 0,047 0,067 0,075 0,067 0,047 0,025 0,008
0
Для построения эпюры нормальных напряжений в околошовной зоне
сварного шва, который прикрепляет пояс ригеля к стенке колонны рамного узла с
установленными горизонтальными и вертикальными диафрагмами, достаточно
построить эпюру напряжений по ширине пояса ригеля в околошовной зоне для узла
без вертикальных и горизонтальных диафрагм и выполнить ее масштабирование на
коэффициент k  :
k  0,604 e 0, 275bк  0,022 b 3f  0,118 b 2f  0,078 b f  1,253  3,045 e 0, 23tк 
  0,11t f  1,816  1,068 e 0,103tд
(4)
Для определения напряжений в горизонтальной диафрагме использованная
методика, разработанная Б.Б. Лампси, согласно которой были выведены формулы
для определения напряжений:
10
1 q д  3 2
3
q
2
2
x 
  д   д    д  ,  y  
4 tд  2
5
2t д
 2   д 3   д2  
3q д

,  xy 

1   д2 .
4
8t д


(5)
Также во втором разделе рассмотрено напряженное состояние стенки
колонны. Методика определения напряжений поперек толщины проката приведена
в работах П.Н. Троицкого и И.В. Леветанского и основанная на результатах
исследований, выполненных в ЦНИИСК им. Н.П. Мельникова. В этих работах
отмечена связь сжимающих напряжений вдоль стенки и растягивающих поперек
стенки. Устанавливается связь нормальных напряжений вдоль и поперек толщины
проката, а также возможность появления ламелярних трещин. Таким образом,
увеличение одного из компонентов нормальных напряжений приводит к
уменьшению допустимого значения второго компонента напряжений.
В третьем разделе рассмотрено напряженное состояние элементов узла
рамного каркаса с колонами коробчатого сечения, приведена методика
планирования численных исследований и выполнена обработка результатов. В
результате были выведены формулы для определения значения коэффициента
концентрации в околошовной зоне в поясе ригеля. Численные исследования
выполнены с помощью программного комплекса «ЛИРА».
Для определения параметра оптимизации и факторов, которые влияют на него,
в первую очередь, рассмотрено распределение напряжений в элементах узла
рамного каркаса с колонами коробчатого сечения для разных конструктивных
решений. Было выбрано конструктивное решение узла соединения колонны
коробчатого сечения с двутавровым ригелем, на которое получен патент (рисунок
2).
В случаях, когда ширина пояса ригеля меньше ширины колонны,
устанавливают дополнительные планки. Планки могут быть прямоугольной или
трапециевидной формы. Ширина трапециевидных планок уменьшается по мере
отдаления от стенки колонны, что необходимо для более плавной передачи усилий.
В стенке колонны в местах прикрепления краев пояса ригеля возникает
значительная концентрация напряжений при отсутствии планок. Кроме того,
максимальные напряжения по ширине пояса ригеля возрастают на 5-10%.
Установка горизонтальных диафрагм в колонне в уровне поясов ригеля,
необходимых для снижения концентрации напряжений по ширине пояса в
околошовной зоне, приводит к тому, что эпюра напряжений становится более
равномерной и максимальные значения напряжений уменьшается в 2,0-2,5 раза
(рисунок 3).
Вертикальные диафрагмы, установленные в колонне между горизонтальными
диафрагмами в плоскости стенки ригеля и приварены к внутренней стенке колонны
и горизонтальным диафрагмам, позволяют снизить на 5-7% напряжения в
околошовной зоне в поясе ригеля (рисунок 3) за счет включения в работу на
восприятие изгибающего момента стенки ригеля.
11
Рисунок 2 – Предложенная конструкция узла рамного каркаса с колонами
коробчатого сечения:
1 – колона коробчатого сечения; 2 – ригель; 3 – вертикальная накладка;
4 – горизонтальные диафрагмы; 5 – вертикальные диафрагмы;
6 – продольные сварные швы.
Напряжения σ, МПа
200
160
120
80
40
0
-40
0,25
0,5
0,75
1
Относительная ширина пояса ригеля, b'f/bf
Series1
Series2
Series3
Рисунок 3 – Эпюра напряжений в околошовнойзоне в поясе ригеля:
Ряд 1 – для узла без горизонтальных и вертикальных диафрагм; Ряд 2 – для узла с
горизонтальными диафрагмами; Ряд 3 – для узла с горизонтальными и
вертикальными диафрагмами.
12
Для исследования распределения напряжений
в элементах узла рамного каркаса с колонами
коробчатого сечения была создана численная модель
конструктивного решения узла рамного каркаса с
колонами коробчатого сечения, представленная на
рисунке 2, и загруженная в соответствии со схемой
(рисунок 4), по которой работает узел при действии
нагрузок на каркас. По результатам расчетов
численной модели определено распределение
напряжений в элементах узла рамного каркаса с
Рисунок 4 – Расчетная
колонами коробчатого сечения. Зная фактическое
схема вузла рамного
распределение
напряжений
и
области
с
каркаса с колоннами
концентрацией напряжений в элементах узла
коробчатого сечения.
рамного каркаса с колонами коробчатого сечения,
возможно наиболее корректно проектировать подобные сопряжения.
Для оптимизации численных исследований выполнено планирование. При
планировании численного эксперимента были поставлены две задачи: 1) установить
количественную зависимость между параметром оптимизации и факторами; 2)
найти условия состояния объекта, при которых параметр оптимизации достигает
экстремального значения. Для решения поставленных задач выбрана
математическая модель объекта исследования – линейная функция.
Основной целью планирования эксперимента является получение параметра
оптимизации, в качестве которого было выбрано значение коэффициента
концентрации напряжений.
Анализ
априорной
информации
–
результатов
проведенных
экспериментальных исследований узлов стальных рамных каркасов позволил
определить наиболее значимые факторы: толщину стенки колонны ( ~x1 ), ширину
стенки колонны ( ~x 2 ), ширину пояса ригеля ( ~x 3 ), толщину пояса ригеля ( ~x 4 ), усилие в
поясе ригеля от внешнего нагрузки ( ~x 5 ).
Основной методикой планирования эксперимента избранный полный
факторный эксперимент типа 2 k . Для рассматриваемой задачи уровни и интервалы
варьирования факторов представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Уровни и интервалы варьирования
Фактор
Уровни
~
~x , мм
~x , мм
~x , мм
x 3 , мм
1
2
4
Основной уровень
15
360
260
15
Интервал варьирования
5
40
60
5
Верхний уровень
20
400
320
20
Нижний уровень
10
320
200
10
~
x 5 , кН
650
350
1000
300
В соответствии с выбранным методом для каждого из трех конструктивных
решений УЛ-1, УЛ-2, УЛ-3 было проведено по 32 опыта.
13
Первая модель узла рамного каркаса с колонами коробчатого сечения УЛ-1
состояла из пустотелой колонны коробчатого сечения и двутаврового ригеля. На
свободном конце ригеля установлены вертикальные ребра для предотвращения
потери местной устойчивости стенки ригеля при передачи внешней нагрузки
(рисунок 5).
Рисунок 5 – Конструкция модели УЛ-1.
Вторая модель УЛ-2 отличается от первой наличием горизонтальных
диафрагм, установленных в колонне в уровне поясов ригеля (рисунок 6). В третьей
модели УЛ-3 дополнительно установлена в колонне вертикальная диафрагма,
расположенная в плоскости стенки ригеля между горизонтальными диафрагмами
(рисунок 7). Схема приложения нагрузки была одинаковой во всех экспериментах
(рисунок 5, 6, 7).
Размеры в скобках соответствуют нижнему пределу варьируемых факторов.
Рисунок 6 – Конструкция модели УЛ-2.
14
Рисунок 7 – Конструкция модели УЛ-3.
В результате обработки экспериментальных данных были получены значения
коэффициента концентрации напряжений для трех моделей. Для оценки
правильности полученных результатов были выполнены проверки. По формулам
вычислены коэффициенты регрессии и выведены уравнения регрессии с
кодированными значениями факторов, по которым определена зависимость
параметра оптимизации и факторов.
Для решения интерполяционной задачи для натуральных значений факторов
были выведены уравнения регрессии, полученные с использованием формул
перехода, которые имеют вид:
k ср1  11,46  3,89t к (1  0,001hk  0,03b f  0,06t f  0,5  105 N )  0,06hk 
 (1  0,71t f  8  105 N )  0,22b f (1  0,5t f  3,7  105 N )  2,58t f (1  2  105 N ) 
(6)
 36,7  105 N ,
k ср2  2,53  0,1t к (1  0,04hk  0,05b f  t f  16  10 5 N )  0,04hk 
 (1  0,02b f  0,1t f  2  10 5 N )  0,004b f (1  1,8t f  13  10 5 N ) 
(7)
 0,3t f (1  2  10 5 N )  3  10 5 N ,
k ср3  2,83  0,2t к (1  0,01hk  0,01b f  0,8t f  4  10 5 N )  0,03hk 
 (1  0,03b f  0,15t f  2  10 5 N )  0,01b f (1  t f )  0,2t f  2  10 5 N ,
где k ср – коэффициент концентрации напряжений;
t к – толщина стенки колонны (см);
h к – ширина стенки колонны (см);
b f – ширина пояса ригеля (см);
t f – толщина пояса ригеля (см);
(8)
15
N – усилие в поясе ригеля от внешней нагрузки (кН).
Формулы позволяют определить значение коэффициента концентрации в
околошовной зоне в поясе ригеля.
Установлено, что оптимальным конструктивным решением является рамный
узел, состоящий из двутаврового ригеля и колоны коробчатого сечения, в котором
установлены горизонтальные диафрагмы, приваренные к внутренней стенке
колонны, в уровне поясов ригеля. Данное конструктивное решение узла рамного
каркаса с колонами коробчатого сечения позволяет снизить значение коэффициента
концентрации напряжений в 3,7 раза по сравнению с узлом без горизонтальных и
вертикальных диафрагм.
В
четвертом
разделе
приведены
методика,
результаты
физического
эксперимента.
Экспериментальными
исследованиями по изучению напряженного
состояния элементов рамных узлов занимались
такие научные работники: Г.А. Абовян,
Г.А. Ажермачев, В.А. Балдин, Е.И. Беленя,
А.В.
Гемерлинг,
П.С.
Карпеченко,
Л.Ш.
Килимник,
И.Л.
Корчинский,
Л.Э.
Лаврентьева,
И.Н.
Лебедич,
И.В.
Левитанский,
Я.М.
Лихтарников,
Рисунок 11 – Экспериментальная Ю.С. Максимов, Н.П. Мельников, И.В. Молев,
установка.
Т.Н. Морачевский, Г.М. Остриков, А.Б. Павлов,
С.Ф. Пичугин, С.В. Поляков, А.Е. Святощенко,
Н.С. Стрелецкий, А.В. Семко, П.Н. Троицкий, Г.Я. Эстрин, A.K.Chopra, R.K.Goel,
K.H. Leeи др.
В заводских условиях была изготовлена экспериментальная модель в виде
двух спаренных рамных узлов, каждый из которых имел свои конструктивные
особенности (рисунок 11, 12). Конструктивной особенностью узла УЭ-3 было то,
что между горизонтальными диафрагмами была установленная вертикальная
диафрагма в плоскости стенки ригеля.
При экспериментальных исследованиях измерялись деформации в поясах и
стенках ригелей, в горизонтальных и вертикальных диафрагмах, по результатам
определялось значение коэффициента концентрации напряжений и несущая
способность узлов.
Деформации в элементах узлов замерялись с помощью тензодатчиков
сопротивления типа ПКБ-20, схема расположения показана на рисунках 11, 12.
Показания
тензорезисторов
регистрировали
с
помощью
цифрового
тензометрического моста
ЦТМ-3 через ручной переключатель. Нагрузка
создавалась с помощью гидравлического домкрата ДГ-10. Нагрузка прикладывалась
ступенями 5 кН.
16
Рисунок 12 – Узлы УЭ-2, УЭ-3.
Проведенные экспериментальные исследования рамных узлов стальных
каркасов показали:
1. Эпюра нормальных напряжений по ширине пояса ригеля в околошовной зоне
в месте соединения ригеля с колонной имеет параболическую форму.
Максимальные значения напряжений возникают по краям пояса ригеля.
Дополнительная установка вертикальной диафрагмы в узле УЭ-3 позволяет снизить
напряжение в месте соединения пояса ригеля со стенкой колонны на 5-7% за счет
включения стенки ригеля на восприятие изгибающего момента.
2. Уровень концентрации напряжений в околошовной зоне в поясе ригеля
определяется коэффициентом концентрации, зависящим от конструктивного
решения узла и составляющим 1,3-2,0, а в горизонтальных диафрагмах – 2,6-3,0.
3. В узле УЭ-3, в результате установки вертикальной диафрагмы, напряжения в
стенке ригеля линейно изменяются от отрицательных до положительных значений и
17
носят классический характер распределения. В узле УЭ-1 значение напряжений в
стенке ригеля на 10-20% больше, чем в узле УЭ-3.
4. В узлах УЭ-3 и УЭ-2 через диафрагмы на стенки колонны с поясов ригеля
передается 50-80% усилий. При этом, чем выше жесткость диафрагмы, тем большую
часть усилия с пояса ригеля она воспринимает.
5. Доля усилия, передающегося с пояса ригеля на диафрагму, составляет
0,88-0,96 для испытываемых узлов.
6. Расхождение между экспериментальными значениями напряжений и
вычисленными
по
формулам
находится
в
пределах
10%,
между
экспериментальными и полученными с помощью ПК «ЛИРА» – 5%.
Для получения картины разрушения образцов был выполнен расчет
численной модели в упругопластической стадии. Установлено, что в узле УЭ-3
раньше, чем в узле УЭ-2, возникают напряжения равные пределу текучести стали, и
при нагрузке 41 кН происходит разрушение в околошовной зоне по краям пояса
ригеля в местах концентрации напряжений. Расположение зон разрушения узла
УЭ-3 аналогично УЭ-2, однако разрушающая нагрузка составила 44 кН.
В пятом разделе приводятся требования по расчету и конструированию,
предлагается методика расчетов узла рамного каркаса с колонами коробчатого
сечения.
Алгоритм расчетов узла рамного каркаса с колонами коробчатого сечения
такой.
Расчет пояса ригеля.
Площадь пояса ригеля определяется по формуле:
А fmp  k ср
N fp
0,85R y m c
 А fp  b fp t fp
(9)
где N fp – расчетное усилие в поясе ригеля,
m – дополнительный коэффициент условий работы, который вводится в расчеты
при учете сейсмической нагрузки;
k ср – коэффициента концентрации напряжений, который определяется по
формуле (8).
Расчет горизонтальных диафрагм.
Толщина диафрагмы в колонне в уровне поясов принимается t д  (1,2  1,4)t fp .
Усилие в диафрагме:
N д  N fn k д ,
(10)
где k д  0,8 при b fp  b fk , k д  1 при b fp  b fk .
Расчет стенки колонны.
В стенках колонн узла рамного каркаса с колонами коробчатого сечения
возникает сложное напряженное состояние. Изгибающий момент с ригеля
передается на стенку колонны в виде пары сил, воспринимаемой горизонтальными
диафрагмами. От этих усилий в стенке колонны возникают касательные
18
напряжения. В этих же сечениях в стенке колонны возникают нормальные
напряжения от рамных моментов и продольной силы в колонне. Проверка
приведенных напряжений выполняется с использованием формул теории упругости.
Стенка колонны в месте прикрепления пояса ригеля должна быть проверена
на растяжение в направлении толщины проката:
N fp
b1t1
 0,38mR y  c ,
(11)
где b1 ,t1 – ширина и толщина сварного шва по грани колонны.
Для увеличения податливости каркаса допускается развитие сдвиговых
пластических деформаций в стенке колонны в пределах узлового соединения с
ригелем, для чего ее толщина назначается по формуле:
t к  1,3
где  
Qк
 тy
,
(12)
hк
 40 – гибкость стенки;
tк
 тy  1,4 R y .
Местная устойчивость стенки колонны проверяется по формуле:
hк  (40
2100
 0,2к )t к ,
Ry
(13)
где  к – гибкость колонны.
Кроме того должна быть выполнена проверка главных напряжений в боковой
стенке колонны в пределах высоты ригеля по формуле:
 1 x 
3
  mR y  с .
 x  3 xy2 1 
 2 mR 2 
4
y


(14)
Вертикальная диафрагма проверяется на совместное действие касательных и
нормальных напряжений:
 red   x2   y2   x y  3 xy2  1,15mRy c ,
где  x 
 M p A fp
 1
M p h p t wp
M к hк N к

 mR y  c ,  y 
 mR y  c ,  xy  
 Qк 
 mRs  c ,
 W
b t
2 I к д
Aк
2 I p t дв
p

 дв дв
I к  д – момент инерции колонны с учетом вертикальных диафрагм.
Толщина вертикальной диафрагмы определяется по такой формуле:
(15)
19
t дв 
M p A fp  2 I p Qк
1,15I p bдв mR y  c
,
(16)
но не меньше t дв  (1,1  1,2)t wp , bдв – ширина вертикальной диафрагмы, принимается
равной ширине горизонтальной диафрагмы.
Если ширина пояса меньше ширины стенки колонны, то устанавливаются
дополнительные планки длиной 0,5b fp , но не меньше:
 0,37 R y
lпл  
 149



4 ,5
.
(17)
Расчеты сварного стыкового шва, прикрепляющего пояс ригеля к стенке
колонны.
Пояса ригеля привариваются к стенки колонны угловыми швами (тавровое
соединение) с односторонней обработкой кромок при полном проваре. Если на
тавровое соединение при полном проплавлении действует растягивающее усилие
поперек сварного шва, угловые швы следует рассчитывать как стыковые при
полном проваре в соединении с односторонним швом. Однако необходимо
учитывать значение коэффициента концентрации напряжений, определяемое по
формуле (8). Несущая способность сварного шва должна превышать максимальные
напряжения, равные произведению коэффициента концентрации и усредненных
нормальных напряжений:
k ср x  k ср
N fр
t fр l w
 0,85R y  c m,
(18)
где l w  b fp .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования:
1. Определена зависимость значения коэффициента концентрации
напряжений в околошовной зоне в поясе ригеля от параметров конструкции узла
рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения на основании численных
исследований. При сравнении значений коэффициента концентрации определено,
что при установке в колонне горизонтальных и вертикальных диафрагм значение
коэффициента концентрации уменьшается.
2. Усовершенствована методика определения нормальных напряжений в
околошовной зоне в поясе ригеля узла рамного каркаса с колоннами коробчатого
сечения без горизонтальных и вертикальных диафрагм. Выведена формула для
расчета коэффициента масштабирования, позволяющего определить нормальные
напряжения в околошовной зоне в поясе ригеля узла рамного каркаса с колоннами
коробчатого сечения с горизонтальными и вертикальными диафрагмами.
20
3. Экспериментально изучено распределение напряжений в элементах узла
рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения и определено расхождение
результатов, полученных экспериментально и с помощью численных исследований,
которое находится в допустимых пределах. В вертикальной диафрагме
распределение напряжений носит классический характер и аналогично
распределению напряжений в стенке ригеля.
4. Разработано новое конструктивное решение узла рамного каркаса с
колоннами коробчатого сечения. Установка дополнительной вертикальной
диафрагмы между горизонтальными диафрагмами в плоскости ригеля позволяет
снизить максимальные напряжения в околошовной зоне в поясе ригеля на 5-7% и
включить стенку ригеля в работу по восприятию изгибающего момента.
Усовершенствована методика расчета элементов узла рамного каркаса с колоннами
коробчатого сечения, которая может быть применена при проектировании стальных
каркасов многоэтажных зданий в обычных и сейсмических районах.
Рекомендации. Предложенные в диссертационном исследовании результаты
могут быть применены при проектировании многоэтажных зданий в обычных и
сейсмоопасных районах.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Дальнейшее развитие темы
может быть связано со следующими исследованиями: разработкой новых
конструктивных решений, позволяющих снизить напряжения в околошовной зоне в
поясе ригеля, и усовершенствованием методики их расчета инженерными и
численными методами.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных
ВАК:
1. Перминов Д. А. Экспериментальное исследование напряженного состояния
сварных узлов рамных каркасов / Д. А. Перминов // Ресурсоекономні матеріали,
конструкції, будівлі і споруди. – Рівне : НУВГП, 2011. – Вип. 22. – С. 459–466.
2. Перминов Д. А. Численные исследования узлов стальных каркасов /
Д. А. Перминов, Е. Г. Перминова // Строительство, материаловедение,
машиностроение : Сб. науч. трудов. – Дн-вск : ПГАСА, 2012. – Вып. 65. –
С. 441–445.
3. Перминов Д. А. Определение напряжений в поясе ригеля рамного узла
стального каркаса / В. Т. Чемодуров, Д. А. Перминов, Е. Г. Перминова // Будівельні
конструкції : міжвід. наук.-техн. зб. наук.праць (будівництво). – Київ : ДП НДІБК,
2012. – С. 518–524.
4. Ажермачев Г. А. Экспериментальные исследования напряженного
состояния сварных узлов рамных каркасов / Г. А. Ажермачев, Д. А. Перминов, Е. Г.
Чеботарева // Будівництво та техногенна безпека. Зб. наук.праць НАПКБ. –
Сімферополь : НАПКБ, 2011. – Вип. 35. – С. 215–219.
5. Перминов Д. А. Исследование напряженного состояния поясов ригеля узла
рамного каркаса / Д. А. Перминов, Е. Г. Перминова // Строительство,
материаловедение, машиностроение : Сб. науч. трудов. – Дн-вск : ПГАСА, 2013. –
Вып. 69. – С. 366–368.
21
Патент на полезную модель:
6. Пат. 25801 Україна, МПК Е 04 Н 9/02 Вузол рамного сейсмостійкого
каркаса / Ажермачов Г. А., Ажермачов С. Г., Пермінов Д. А., Морозова О. В. ;
заявник i патентовласник Нацiональна академiя природоохронного и куротного
будiвництва. – № u 2007 03168; Заявл. 26.03.07 ; опубл. 27.08.07., Бюл. № 13. – 6 с.
Статьи и доклады в других научных изданиях:
7. Ажермачев Г. А. Узлы стальных каркасов повышенной сейсмостойкости /
Г. А. Ажермачев, Д. А. Перминов // Будівництво та техногенна безпека. Зб. наук.
праць НАПКБ. – Сімферополь : НАПКБ, 2007. – Вип.19-20. – С. 13–16.
8. Ажермачев Г. А. О распределении усилий в элементах рамного узла
сейсмостойкого каркаса с колоннами коробчатого сечения / Г. А. Ажермачев,
Д. А. Перминов // Збірник наукових праць Українського науково-дослідного та
проектного інституту сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського. – Київ :
Сталь, 2008. – Вип. 1. – С. 111–119.
9. Ажермачев Г. А. Конструктивное решение рамного узла, обеспечивающее
снижение влияния концентраторов напряжений / Г. А. Ажермачев, Д. А. Перминов //
Motrol. Motoryzacja i energetyka rolnictwa. – Symferopol-Lublin : 2009. – Tom 11А. –
С. 94–100.
10. Перминов Д. А. Изменение сечения ригеля в многоэтажных каркасных
зданиях / Д. А. Перминов // Motrol. Motoryzacja i energetyka rolnictwa. –
Symferopol-Lublin : 2010. – Tom 12D. – С. 151–156.
11. Ажермачев Г. А. Повышение сейсмостойкости рамных каркасов /
Г. А. Ажермачев, Д. А. Перминов, Д. А. Грошева // Актуальні проблеми архітектури,
будівництва та енергопостачання : зб. наук. праць. – Сімферополь : НАПКБ, 2011. –
Вип. 3. – С. 149–152.
12. Перминов Д. А. Методика определения распределения напряжений в
поясе ригеля рамного узла / Д. А. Перминов, Е. Г. Перминова // Motrol. Motoryzacja i
energetyka rolnictwa. – Lublin : 2014. – Tom 16, №5. – С. 25–30.