Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и краткий обзор исследований 11
1.1. Области применения и особенности технологии производства бескаркасных арочных покрытий 11
1.2. Исследования свойств материала холодногнутых профилей 15
1.3. Теоретические исследования местной устойчивости и методы расчета конструкций из холодногнутых профилей с поперечными гофрами 20
1.4. Экспериментальные исследований бескаркасных сооружений 23
1.5. Выводы по первой главе 31
Глава 2. Исследования механических характеристик стали в холодногнутых профилях бескаркасных арочных покрытий 33
2.1. Образцы для экспериментальных исследований 33
2.2. Методика испытания материала профилей 37
2.3. Результаты экспериментальных исследований механических характеристик сталей 41
2.4. Аппроксимация диаграмм деформирования сталей с площадкой текучести 49
2.5. Выводы по второй главе 57
Глава 3. Теоретические исследования напряженного и деформированного состояния тонкостенных холодногнутых профилей в бескаркасных арочных покрытиях 58
3.1. Принятые допущения и положения 58
3.2. Исследование влияние основных размеров сооружения на параметры поперечного гофрирования граней профиля 61
3.3. Упругие постоянные поперечно-гофрированных граней профиля 67
3.4. Местная устойчивость граней арочного профиля 79
3.5. Методика расчета несущей способности бескаркасного арочного покрытия 92
3.6. Выводы по третьей главе 98
Глава 4. Экспериментальные исследования бескаркасных арочных покрытий 99
4.1. Натурные экспериментальные образцы пролетом 23.2 и 18 м 101
4.2. Методика экспериментальных исследований 105
4.3. Результаты экспериментальных исследований 115
4.4. Выводы по четвертой главе 142
Глава 5. Численное моделирование работы бескаркасных арочных покрытий 144
5.1. Исследование напряженно-деформированного состояния холодногнутого арочного профиля при внецентренном сжатии 147
5.2. Численное моделирование работы экспериментального образца покрытия с подкрепляющими ребрами пролетом 23.2 м 163
5.3. Численное моделирование работы экспериментального образца покрытия с подкрепляющими ребрами пролетом 18 м 174
5.4. Сравнительный анализ результатов расчета различных численных моделей покрытий и результатов расчета по разработанной инженерной методике 180
5.5. Выводы по пятой главе 188
Заключение 190
- Теоретические исследования местной устойчивости и методы расчета конструкций из холодногнутых профилей с поперечными гофрами
- Результаты экспериментальных исследований механических характеристик сталей
- Исследование влияние основных размеров сооружения на параметры поперечного гофрирования граней профиля
- Результаты экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие рынка металлических зданий привело к
появлению новых типов профилей и конструкций. В последнее время в России
широко применяется технология изготовления и монтажа бескаркасных арочных
сооружений из тонкостенных холодногнутых профилей с поперечно-
гофрированными гранями. Однако, работа конструкции такого типа остается мало
изученной. Нормативная база по проектированию рассматриваемых бескаркасных
покрытий отсутствует как в России, так и за рубежом. В нормах стран Евросоюза
и Северной Америки имеются методики расчета традиционных конструкций из
тонкостенных холодногнутых профилей, но на бескаркасные арочные
конструкции они не распространяются. В этих методиках расчета
рассматриваются конструкции из профилей с плоскими гранями. Вышесказанное не позволяет в полной мере применять зарубежные стандарты для расчета бескаркасных арочных покрытий из стальных тонкостенных холодногнутых профилей с поперечно-гофрированными гранями.
Также, для повышения несущей способности бескаркасного арочного
покрытия применяют подкрепляющие ребра, которые выполняются из
аналогичных, что и основное покрытие, холодногнутых профилей.
Подкрепляющие профили закрепляются на нижней поверхности арочного покрытия. Методики расчета рассматриваемых конструкций, в том числе с ребрами жесткости, не разработаны. Несущая способность бескаркасных арочных покрытий с подкрепляющими ребрами не исследована ни экспериментально, ни теоретически, что также ограничивает область их практического применения.
В связи с этим, актуальной задачей является разработка методики расчета бескаркасных арочных покрытий из стальных тонкостенных холодногнутых профилей с поперечно-гофрированными гранями и экспериментальная проверка несущей способности этих конструкций, в том числе выполняемых с подкрепляющими ребрами.
Степень разработанности темы.
Одной из основных причин, ограничивающих широкое применение бескаркасных арочных покрытий из стальных холодногнутых профилей с поперечно-гофрированными гранями, является отсутствие государственных нормативных документов по расчету и проектированию, которые учитывали бы особенности их работы. Как известно, при нагружении тонкостенного холодногнутого профиля возможна местная потеря устойчивости в пределах отдельных его граней, которая начинается в упругой стадии работы. Местная потеря устойчивости существенно влияет на распределение напряжений по сечению и, как правило, приводит это распределение к большей неравномерности. На гранях тонкостенных профилей (нижней полки и стенках) рассматриваемых конструкций имеются поперечные гофры, которые также оказывают существенное влияние на их работу.
Известные методики по расчету и проектированию не учитывают ряд важных и определяющих факторов: зависимость параметров поперечного гофрирования от размеров сооружения (пролета и высоты стрелы подъема), переменную высоту гофрирования на стенках профиля, многообразие форм поперечных гофр, наличие элементов жесткости на плоских верхних полках. Это указывает на недостаточную изученность рассматриваемых конструкций. Поэтому оценка несущей способности холодногнутых профилей, с учетом поперечного гофрирования, местной устойчивости и закритического поведения граней, представляется актуальной научной задачей.
Научно-техническая гипотеза: расчетная модель оболочки может
рассматриваться как стержневая, с уменьшенными жесткостными
характеристиками поперечного сечения холодногнутого профиля, определяемыми с учетом местной потери устойчивости.
Целью диссертационной работы является экспериментально-
теоретическое обоснование методики расчета несущей способности бескаркасных
арочных покрытий из стальных тонкостенных холодногнутых профилей, учитывающей местную устойчивость и поперечное гофрирование.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1) Исследовать влияние пролета и высоты стрелы подъёма бескаркасного
арочного покрытия на параметры поперечного гофрирования граней
холодногнутого профиля.
-
Исследовать напряженно-деформированное состояние и несущую способность бескаркасного арочного покрытия из стальных тонкостенных холодногнутых профилей с поперечно-гофрированными гранями на основе теоретических методов и численного моделирования.
-
Разработать алгоритмы и программы для автоматизированного моделирования бескаркасных арочных покрытий из стальных тонкостенных холодногнутых профилей с поперечно-гофрированными гранями.
-
Разработать методику и провести экспериментальные исследования механических характеристик стали на различных участках поперечного сечения тонкостенного холодногнутого профиля бескаркасного арочного покрытия.
-
Разработать методику и провести экспериментальные исследования натурных фрагментов бескаркасных арочных покрытий, с учетом действия неравномерной статической нагрузки.
Объектом исследования является бескаркасное арочное покрытие из стальных тонкостенных холодногнутых профилей.
Предметом исследования являются: несущая способность бескаркасного арочного покрытия из стальных тонкостенных холодногнутых профилей с поперечно-гофрированными гранями при действии статических нагрузок; напряженно-деформированное состояние тонкостенных холодногнутых профилей с поперечно-гофрированными гранями; механические характеристики стали тонкостенных холодногнутых профилей.
Научная новизна работы:
1) Установлена зависимость параметров поперечного гофрирования от размеров сооружения: пролета и высоты бескаркасного арочного покрытия.
2) Установлена зависимость параметров упругости поперечно-
гофрированных граней от размеров и форм поперечных гофр.
3) Установлена зависимость критических напряжений от параметров
упругости и характера нагружения для эквивалентной плоской ортотропной
пластинки.
4) Разработана методика экспериментальных исследований работы
натурных фрагментов бескаркасных арочных покрытий, учитывающая
неравномерный характер расчетной схемы снеговой нагрузки.
-
Получены результаты экспериментальных исследований натурных фрагментов бескаркасных арочных покрытий.
-
Определены параметры конечно-элементных моделей для расчета бескаркасных арочных покрытий из стальных холодногнутых профилей с поперечно-гофрированными гранями.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
- обобщены практические методы расчета холодногнутых профилей с
поперечно-гофрированными гранями в бескаркасных арочных покрытиях;
- разработана методика расчета несущей способности бескаркасных
арочных покрытий из стальных холодногнутых профилей с поперечно-
гофрированными гранями;
- разработаны численные модели, которые позволяют исследовать процесс
пространственного деформирования, местную и общую устойчивость
тонкостенных холодногнутых профилей, а также оценить несущую способность
бескаркасного арочного покрытия;
- полученные результаты исследования механических характеристик
различных сталей позволят принимать отечественные марки стали с учетом
технологии изготовления холодногнутых профилей для бескаркасных арочных
покрытий;
- полученные результаты сопоставительного анализа несущей способности
бескаркасных арочных покрытий, выполняемых в традиционном (однослойном)
варианте и с подкрепляющими ребрами, могут быть использованы для
оптимизации конструкции при проектировании новых зданий, а также при реконструкции существующих объектов.
Методология и методы исследования. Теоретической и методологической
основой для диссертационной работы послужили работы отечественных и
зарубежных ученых и специалистов в области теории расчета стальных
строительных конструкций, строительной механики, металловедения, испытаний
строительных конструкций, математического моделирования и численных
методов расчета. Работа выполнена на основе теоретических и
экспериментальных методов исследования. Экспериментальные исследования
проводились с использованием как традиционных способов и средств измерения,
так и с помощью современных методик и цифрового оборудования. При
обработке экспериментальных данных применялись традиционные
статистические методы обработки информации с привлечением средств программирования. Численное моделирование проводилось на основе метода конечных элементов.
Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач
исследования, выполнении теоретических исследований, организации,
планировании и проведении экспериментальных исследований натурных фрагментов бескаркасных арочных покрытий с последующей обработкой результатов, а также в выполнении экспериментальных исследований механических характеристик сталей холодногнутых профилей. Соискателем самостоятельно разработана методика расчета и выполнено численное моделирование работы бескаркасных покрытий при статических нагрузках, проведено сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными.
На защиту выносятся:
-
Результаты исследований напряженно-деформированного состояния и несущей способности тонкостенных холодногнутых профилей с поперечно-гофрированными гранями.
-
Разработанная методика расчета бескаркасных арочных покрытий из стальных холодногнутых профилей с поперечно-гофрированными гранями.
-
Методика и результаты экспериментальных исследований работы натурных фрагментов бескаркасных арочных покрытий с подкрепляющими ребрами при статических нагрузках.
-
Методика и результаты исследований механических характеристик различных сталей в тонкостенных холодногнутых профилях для бескаркасных арочных покрытий.
5) Результаты численного моделирования работы бескаркасных арочных
покрытий, в том числе выполняемых с подкрепляющими ребрами, при
статических нагрузках.
Степень достоверности результатов исследования обеспечивается:
- использованием известных общепринятых расчетных предпосылок
строительной механики;
- обоснованностью алгоритмов численных методов расчета, реализованных
в верифицированном программном комплексе;
- соответствием результатов расчета, полученным по разработанной
методике, экспериментальным данным.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались на следующих международных и всероссийских научно-
практических конференциях, семинарах и выставках: конференция «Перспективы
развития в Республике Беларусь легких стальных тонкостенных конструкций с
учетом гармонизации Еврокодов» (Республика Беларусь, г. Минск, 30 марта 2011
г); конференция «Новое в проектировании, изготовлении и монтаже стальных и
алюминиевых строительных конструкций», ЦНИИПСК им. Мельникова (Москва,
12 октября 2011 г); конференция «Проектирование стальных строительных
конструкций из тонкостенных холодноформованных гнутых профилей»,
ЦНИИПСК им. Мельникова (Москва, 04 апреля 2012 г); 69-я международная
научно-практическая конференция «Актуальные проблемы современного
строительства и пути их эффективного решения», СПбГАСУ (Санкт-Петербург,
10 октября 2012); заседание секции «Проектирование строительных
металлических конструкций» научно-технического совета ЦНИИПСК им. Мельникова (Москва, 11 апреля 2013 г); конференция к 85-летию НИИЖБ им. А.А. Гвоздева «Прошлое и современное состояние исследований, проектирования
и строительства тонкостенных пространственных конструкций» (Москва, 15 мая
2013 г); научная конференция, посвященной 50 летию кафедры «Испытания
сооружений», ФГБОУ ВПО «МГСУ» (Москва, 26 июня 2013 г); международная
практическая конференция «Здания и сооружения из ЛМК: конструктивные
решения, материалы и технологии» (Р. Беларусь, г. Минск, 22 августа 2013 г);
международный конгресс «Гений В.Г. Шухова и современная эпоха», МГТУ им.
Н.Э. Баумана (Москва, 17 апреля 2014 г); международная конференция и круглый
стол «Инновационные энергосберегающие технологии при проектировании,
строительстве и эксплуатации зданий», СПбГТУРП (Санкт-Петербург, 15 мая
2014 г); II Международная практическая конференция «Здания и сооружения из
ЛМК: конструктивные решения, материалы и технологии» (Р. Беларусь, г. Минск,
21 августа 2014 г); 7-я Европейская конференция по стальным и композитным
конструкциям Евростил 2014 «Eurosteel 2014: 7th European Conference on Steel and
Composite Structures» (Италия, Неаполь, 10-12 сентября, 2014 г).
Внедрение результатов. Разработанная методика расчета использовалась
при обследовании в расчетах бескаркасного арочного покрытия физкультурно-
оздоровительного комплекса в Кабардино-Балкарской республике, проводимого
ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова». Также, предложенная методика расчета и
результаты экспериментальных исследований использовались на предприятии
ООО «Строительное управление №16» при проектировании
многофункциональных секционных бескаркасных ангаров.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 2 статьи в научных журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных изданий, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Объем работы составляет 215 страниц машинописного текста, 105 рисунков и 15 таблиц. Список литературы состоит из 141 наименования, в том числе – 19 на иностранных языках.
Теоретические исследования местной устойчивости и методы расчета конструкций из холодногнутых профилей с поперечными гофрами
Исходной заготовкой (штрипсом) для производства холодногнутых профилей служит листовой прокат толщиной от 0.8 до 1.5 мм поставляемый в рулонах. Одной из особенностей тонкостенных холодногнутых профилей, является изменение механических свойств материала при их производстве. Исследованию вопроса механических характеристик в холодногнутых профилях различных поперечных сечений уделено достаточно большое внимание как в отечественной, так и в зарубежной литературе. В конце 40-х начале 50-х годов прошлого столетия началось освоение производства холодногнутых профилей методом формообразования в роликогибочном стане. Активное применение холодногнутых профилей в различных отраслях послужило толчком к теоретическим и экспериментальным исследованиям изменений свойств стали по поперечному сечению.
Одними из первых работ по изучению изменения свойств металла при профилировании, появившимися в СССР в 50-х годах, были работы сотрудников института стали ЦНИИЧМ Павлова И.М., Клямкина Н.Л., Гуревич Я.Б. [88] и Лейченко М.А. [67]. Исследования проводились способом измерения микротвердости. Образцами являлись уголковые профили толщиной от 0.35 до 0.75мм [88] и от 0.5 до 2.0 мм [67] изготовленные из малоуглеродистой стали. Анализ результатов исследований показал, что упрочнение зависит от исходных механических характеристик заготовки, от отношения радиуса гиба к толщине заготовки r / t, угла подгиба, а также технологии гибки. Было выявлено, что напряженно деформированное состояние заготовки в процессе гибки, определяемое технологией, влияет на изменение механических свойств по поперечному сечению профиля, так, например, при изготовлении уголкового профиля в роликогибочном стане непрерывной прокатки происходит наклеп не только в центральной части – угле гиба, но и на кромках уголка, тогда как при штамповке аналогичного уголка наклеп металла происходит только в угле гиба. При изменении маршрутов гибки с 0 – 45 на 0 – 15 – 45 происходит уменьшение величины наклепа. В целом в результате подгибки полосы на угол 45 градусов предел текучести для исследуемых сталей толщиной от 1.0 мм до 2.0 мм увеличивался на 20 – 59 %, временное сопротивление на 5 – 11 %, а относительно сужение после разрыва уменьшалось на 20 – 65 % соответственно [67].
Значительное количество работ по вопросам технологии профилирования и изменения свойств стали было выполнено в Ленинградском политехническом институте под руководством К.Н. Богоявленского [22, 23]. Для исследований также применялся метод измерения твердости при помощи микротвердомера. Изучались свойства металла как по ширине поперечного сечения, так и по толщине на внутренних и внешних участках угла гиба. В целом сделанные ранее выводы в институте ЦНИИЧМ о неравномерном распределении механических свойств подтвердились. Была разработана методика устанавливающая связь между твердостью и другими механическим свойствами в гнутых профилях. Также отмечалось повышение прочностных характеристик в углах гиба и на кромках при производстве на роликогибочных станах.
В Украинском институте металлов – УКРНИИМЕТ, под руководством Тришевского И.С., проведено значительное количество работ по изучению вопросов процессов гибки, изменению механических свойств и остаточных напряжений [114] при холодной гибке металлов. Были разработаны методики и приборы для исследования механических свойств. Результаты исследований обобщены в трудах [112, 113].
Практически одновременно с отечественными исследованиями начались изучения механических свойств стали в гнутых профилях за рубежом. Так исследователи A. Chajes, S.J. Britvec, K.W. Karren, J. Uribe и G. Winter экспериментально изучив изменчивость механических свойств в поперечном сечении холодногнутого профиля на основании энергетического условия пластичности, разработали методику расчета коэффициента упрочнения, которая впоследствии вошла в нормы Северной Америки и Мексики по проектированию конструкций из холодногнутых профилей [123]. Наиболее полно результаты исследований обобщены в сборниках Корнельского университета [127, 131].
Применительно к отечественным сталям, основываясь на исследованиях ученых США и теории наибольших касательных напряжений, Козлов А.Г. предложил скорректированную зависимость по нахождению коэффициента упрочнения [61].
Результаты экспериментальных исследований механических характеристик сталей
Исследования стали толщиной 1.5 мм подтвердили динамику изменения механических характеристик, прослеживаемую на предыдущих толщинах. Пониженное отношение т / в до 0.75, характерное для данной стали, а также отношение r / t = 12.67, привели к более существенному приросту в угловых зонах по сравнению с плоскими участками предела текучести на 26 – 27 %, временное сопротивление разрыву повысилось незначительно, всего на 3 %. Диаграммы деформирования угловых образцов также изменились: исчезла площадка текучести и соответственно физический предел текучести (см. рисунок 2.3, б). Относительные удлинения, равномерное и конечное, уменьшились на 63 % и 45 % соответственно. Столь значительное снижение относительных удлинений: равномерного с 15.4% до 5.7 % и конечного с 24.3% до 13.5% необходимо учитывать при проектировании, а именно при выборе марки стали и назначении соответствующих механических характеристик.
В связи с тем, что механические характеристики стали изменяются в зависимости от степени деформации металла в углах гиба, то есть, зависят от конфигурации поперечного сечения профиля, для общего представления достаточно удобно пользоваться приведенными характеристиками механических свойств готового холодногнутого профиля. Приведенная характеристика представляется в виде суммы произведений значений данной характеристики на площадь участков, на которых эти значения определялись и отнесенную ко всей площади поперечного сечения [35]: Тi = ЛAУГТ.УГ)+ (AЗАГ -Тi = ,AУГ) где Азаг, Ауг - площади поперечных сечений исходной заготовки и рабочей части образца, вырезанного из мест изгиба, соответственно; От.пл, Ств.пл - предел текучести и временное сопротивление разрыву плоских (не деформированных) участков профиля; егт.уг, Ств.уг - предел текучести и временное сопротивление разрыву угловых (вырезанных из мест изгиба) участков профиля.
Для исследованных сталей были рассчитаны основные прочностные приведенные механические характеристики (таблица 2.4). Проведенные расчеты показывают, что с увеличением толщины происходит увеличение прочностных характеристик от 1.2 до 7.5 %, причем зависимость нелинейная.
Примечание. ПЛ - характеристика на плоском образце; ПР - приведенная характеристика. 2.4. Аппроксимация диаграмм деформирования сталей с площадкой текучести Полученные в ходе проведенных экспериментов диаграммы деформирования сталей имеют различные очертания. На диаграммах всех плоских образцов присутствует площадка текучести, различной протяженности от 0.9 до 6.5%. У сталей с отношением т / в до 0.84 площадка текучести выражена явно, тогда как с более высоким отношением т / в она менее заметна. Как уже отмечалось выше, диаграммы работы сталей угловых образцов могут друг от друга отличаться, в зависимости от мест расположения в поперечном сечении профиля. При толщинах от 0.9 до 1.2 мм в верхних углах, площадка текучести сохраняется, тогда как в нижних углах, подвергшихся влиянию поперечного гофрирования, она исчезает. Таким образом, очертания диаграмм деформирования рассмотренных сталей соответствуют различными типам кривых.
Для выполнения расчетов строительных металлических конструкций как аналитическими, так и численными методами, с учетом поведения материала, необходимо аналитическое описание диаграммы деформирования этого материала. Из анализа экспериментальных исследований механических характеристик, проведенных различными учеными [19, 92], а также настоящими исследованиями следует, что в первую очередь, для более точного описания диаграмм деформирования, необходимо установить их наиболее характерные точки, соответствующие различным маркам сталей. При задании аналитической зависимости – прежде всего необходимо учитывать наиболее неблагоприятные факторы, влияющие на очертание получаемой кривой и максимально использовать стандартные экспериментальные характеристики. Особенно важным является начальный участок перехода от предела пропорциональности пц к пределу текучести т, на который как известно влияют различные факторы: вид напряженного состояния, скорость деформирования, форма образцов, температура, жесткость машины и т.д. Рассматриваемые стали имеют на диаграмме растяжения с площадкой текучести не только нижний предел тн, но и верхний (зуб текучести) предел егтв текучести. Известно, что величина верхнего предела текучести егтв имеет достаточно большой разброс значений и зависит от большого количества факторов: условий испытаний, свойств материала образцов [53, 119, 121] и т.д. Как показали ранее проведенные исследования строительных сталей [92], в условиях мягкого нагружения зуб текучести полностью исчезает, при этом следует отметить, что переход от предела пропорциональности Опц к пределу текучести ат происходит с явно выраженным переломом диаграммы деформирования. Полученные в настоящей работе отношения Опц /стт находятся в диапазоне 0.75 - 0.88, тогда как у плоских образцов (ориентированных вдоль прокатки листа) это отношение и вовсе составляет 0.80 - 0.83, для которых величина 7пц более достоверна, поскольку в угловых образцах помимо деформаций материала присутствуют и изменение формы самого образца. Принятое отношение апц / ат равным 0.8, для малоуглеродистых и низколегированных сталей в работе Бельского Г.Е. и Одесского П.Д. [19] достаточно хорошо соответствует настоящим результатам. Кроме того, оно не противоречит указанному диапазону 0.8 - 0.85 и в работах Стрелецкого Н.С. [106, 107]. Таким образом, с учетом вышеизложенного, отношение предела пропорциональности к пределу текучести можно принять для рассматриваемых сталей равным 0.8:
Соответственно деформации предела пропорциональности запишутся: є щ = С7-!Вз (2.5) где Е - модуль упругости стали, согласно [102] принимается 2.06 105 МПа. Достаточно большое количество строительных сталей имеют на диаграммах деформирования выраженную площадку текучести, это относится и к сталям высокой прочности, которые получают в результате термического упрочнения [92]. Принято считать, что внутри площадки текучести присутствуют два состояния: первое характеризуется предшествием началу интенсивного течения, которому соответствует деформация ент, а второе соответствует началу упрочнения с соответствующей деформацией ект. Обе эти деформации могут быть получены в ходе стандартных испытаний на растяжение, проводимых с записью диаграммы соответственно. Кроме того, учитывая, что принятый допуск на остаточную деформацию в нормативных документах [38, 40] составляет 0.2 %, для сталей без площадки текучести, величину ент, при отсутствии результатов испытаний можно принять равной:
Для сталей с площадкой текучести величину Бнт в первом приближении при отсутствии экспериментальных данных, также можно принять по зависимости (2.6). Поскольку протяженность площадки текучести для разных марок сталей различна, то величину ект необходимо определять из экспериментальных данных. На стадии деформационного упрочнения, после площадки текучести, кривая зависимости а- в имеет точку перегиба, которая располагается достаточно близко к началу упрочнения. Параметры этой точки ану и Єну необходимо определить экспериментально. В качестве второй следует принять временное сопротивление разрыву. Величину полной деформации соответствующей временному сопротивлению определим по формуле:
Исследование влияние основных размеров сооружения на параметры поперечного гофрирования граней профиля
Как уже отмечалось выше тонкостенные холодногнутые арочные профили трапецеидального сечения изготавливаются из прямолинейных профилей путем вальцевания. Технология вальцевания предусматривает поперечное гофрирование соответствующих граней профиля: нижней широкой полки и двух наклонных стенок. Гофры имеют ряд определенных параметров: форму, шаг и глубину (высота гофр). Высота гофр на нижней широкой полке постоянна практически на всей ее ширине и только на участках сопряжения полки со стенками плавно уменьшается до ноля. У стенок профиля высота гофр переменная, гофрирование начинается на расстоянии 10 – 40мм (см. рисунок 3.1) от верхних полок и достигает максимального значения по высоте на небольшом удалении от нижней полки, затем плавно уменьшается до ноля у ребер сочленения с полкой. Форма и шаг гофр являются постоянными. Переменной величиной является только высота гофр. В зависимости от параметров сооружения: пролета и радиуса, изменяется глубина гофрирования. Несмотря на то, что в теории форма гофр считается постоянной и зависит от профилирующего оборудования, все же на нее влияет большое количество параметров, например, таких как: механические характеристики стали профиля, неравномерность толщины стали, положение заготовки в момент профилирования, а также износ профилирующих валков. Для разработки методики расчета бескаркасных покрытий необходимо установить зависимость параметров поперечного гофрирования от основных размеров сооружения, а именно: пролета и высоты стрелы подъёма.
Действительная работа рассматриваемых конструкций связана с различными факторами, которые могут быть связаны с особенностями формы покрытия,
Расчетная модель арочного профиля с поперечно-гофрированными гранями: а – профиль с поперечно-гофрированными гранями; б – модель гофра единичной ширины; в – эквивалентная ортотропная пластинка материалом, с различными нагрузками и воздействиями и т.д. В связи с поперечным гофрированием, арочный профиль имеет достаточно сложное поперечное сечение, что непосредственно отражается на его напряженно-деформированном состоянии. Кроме того, известно, что при нагружении тонкостенного профиля возможна местная потеря устойчивости в пределах его граней. Это также существенно влияет на распределение напряжений по сечению, что приводит распределение к еще большей неравномерности. Поэтому оценка несущей способности бескаркасных арочных покрытий с учетом вопросов поперечного гофрирования, местной устойчивости и закритического поведения представляется актуальной.
Наибольшее распространение среди аналитических методик расчета тонкостенных профилей, вошедших в нормативные документы, получил метод основанный на работе сжатой грани профиля после потери местной устойчивости, которая приводит к снижению или редуцированию «рабочей» площади сечения грани и профиля в целом [128, 137, 138]. При этом, каждая грань профиля представляется как «отдельная» пластинка с различными условиями опирания и нагружения. В связи с большой гибкостью граней в тонкостенных холодногнутых профилях, где расчетное отношение ширины грани к толщине может достигать b / t = 500, учет упругого защемления по продольным кромкам пластинки практически не приводит к существенному увеличению критических напряжений. Кроме того, как показывают исследования, эффект защемления краев пластинки заметно снижается в закритической стадии [33, 95]. Поэтому, как правило, эти пластинки-грани представляются бесконечно длинными и шарнирно опертыми по краям. Такая расчетная модель позволяет значительно упростить запись математических уравнений, описывающих работу всего профиля. Естественно, такой подход является приближенным. Однако следует отметить, что результаты расчета с учетом этих допущений близки к экспериментальным данным [70, 137], в связи с чем рассматриваемый подход применяется во многих нормативных документах по проектированию строительных металлических конструкций из тонкостенных холодногнутых профилей [105, 123, 129]. Поперечное гофрирование соответствующих граней профиля приводит к существенному изменению их жесткостных свойств. Так, в продольном направлении пластинки (поперек гофр, вдоль оси Х) жесткость при сжатии/растяжении резко уменьшается, а в поперечном (вдоль гофр и оси Y) возрастает (см. рисунок 3.2). Изменению подвержены также значения жескостей при изгибе, кручении и сдвиге по соответствующим направлениям. Учитывая эти особенности, с целью упрощения расчета, известные методики основываются на представлении гофрированной грани в виде эквивалентной плоской ортотропной пластинки [7, 8, 28, 64, 73, 77, 104]. Упругие постоянные такой ортотропной пластинки определяются из условия равенства ее жесткостей, жесткостям поперечно-гофрированной грани.
Таким образом сформулируем основные допущения и положения, принятые в настоящей главе: 1) Грани тонкостенного профиля представляются, как бесконечно длинные пластинки, с шарнирным опиранием по краям и работающие в упругой стадии. 2) Для учета снижения продольной жесткости поперечно-гофрированных стенок и полки профиля, эти грани рассматриваются как плоские ортотропные пластинки с упругими постоянными определенными при продольном сжатии. 3) Работа потерявших местную устойчивость граней профиля в закритической стадии рассматривается с учетом редуцирования их поперечного сечения.
Исходя из основных геометрических параметров бескаркасного арочного сооружения: пролета и высоты в ключе арки, определим, как изменяется высота гофр на нижней широкой полке в зависимости от их формы. Для решения этой задачи рассмотрим арочный профиль (рисунок 3.3).
Результаты экспериментальных исследований
Натурные экспериментальные исследования напряженно-деформированного и предельного состояний бескаркасных арочных покрытий из стальных тонкостенных холодногнутых профилей, позволяют выявить особенности их действительной работы в естественных или искусственно создаваемых экстремальных условиях эксплуатации. Опытное изучение также позволяет получить наиболее достоверную оценку разработанной методики расчета и построить адекватную математическую модель для численных расчетов.
Проблема выбора метода и схемы нагружения строительной конструкции в процессе экспериментальных исследований, считается вполне актуальной. При разработке методики испытаний фрагмента натурной конструкции большого пролета, необходимо учитывать множество факторов как технического, так и экономического характера. Особое значение в проведении экспериментальных исследований имеют способ нагружения, выбор средств контроля напряженно-деформированного состояния, обработка и анализ результатов с последующей их интерпретацией.
Для рассматриваемых конструкций основное расчетное сочетание нагрузок включает: собственный вес конструкции, вес технологического оборудования (преимущественно освещение и вентиляция) и атмосферные нагрузки – снеговую и ветровую. Величина сосредоточенной нагрузки от веса технологического оборудования, как правило, не превышает 0.10 – 0.15 кН на каждый профиль, что мало сказывается на напряженно-деформированном состоянии конструкции в целом. Ветровая нагрузка, при наличии торцевых стен (традиционное и наиболее часто встречающееся решение), как правило оказывает разгружающее действие и в расчетном сочетании встречается редко. Снеговая нагрузка в виду ее относительно большой величины сложного и неравномерного распределения, является наиболее значимой для сооружений такого типа.
Действующий СП по нагрузкам и воздействиям [103], предусматривает четыре схемы приложения снеговой нагрузки на арочную или близкую к ней по очертанию конструкцию (рисунок 4.1). Как показывает анализ аварий, неравномерное распределение снега по арочному покрытию, а также не учёт этого обстоятельства, является одной из основных причин, приводящих к обрушению [6]. Проведенные расчеты (являющиеся неотъемлемой частью при составлении методики испытаний) показывают, что в большинстве случаев наиболее невыгодной схемой приложения нагрузки является схема, имитирующая неравномерное распределение снега на одной из половин пролета (вариант 4, рисунок 4.1). Поэтому такая схема снеговой нагрузки является предпочтительной в качестве кривой давления в эксперименте.
Для экспериментальных исследований были приняты два натурных образца, которые представляли собой фрагменты бескаркасных зданий, выполненных из профилей трапециевидного сечения. Первый образец испытывался с сентября по ноябрь 2012 г. и находился на экспериментальной базе БНТУ в г. Минск, Республики Беларусь. Второй образец испытывался с марта по май 2013 г. и находился на производственной базе компании ООО «Ангармонтаж», г. Нальчик.
Первый образец представлял собой однослойную оболочку, состоящую из четырех профилей трапециевидного сечения, усиленную снизу одним аналогичным профилем, у которого предварительно были срезаны краевые отгибы – замки для фальца (рисунок 4.2). Профиль усиления крепился к основным профилям оболочки на болтах М6, расположенных с шагом 200 мм в шахматном порядке. Профиль подкрепления быль цельным по длине, без поперечных стыков также, как и профили основной оболочки. Материал профилей – сталь марки 08Ю. Характеристики материала приведены в главе 2. Параметры образца приведены в таблице 4.1.
Фундаменты выполнялись монолитными железобетонными. При монтаже, арочные профили опирались на уголки, которые были приварены к вертикальным шпилькам, забитым в грунт. После крепления профилей к уголкам, устанавливались арматурные каркасы, и опорные узлы бетонировались.
С целью обеспечения безопасности, для исключения выхода из плоскости образца в процессе нагружения были установлены четыре (по два с каждой стороны) страховочных железобетонных столба высотой 10 м (рисунок 4.3).
Второй образец представлял собой однослойную оболочку, состоящую из шести профилей трапециевидного сечения, усиленную с низу тремя аналогичными профилями, у которых также, как и в предыдущем варианте, предварительно были срезаны краевые отгибы (рисунок 4.4). Профили усиления крепились к основным профилям оболочки на вытяжных заклепках, расположенных с шагом 200 мм в шахматном порядке. Каждый из профилей усиления состоял из пяти частей, которые по длине соединялись с перехлестом в 500 мм при помощи вытяжных заклепок. Материал профилей – сталь марки 02. Характеристики материала приведены в главе 2. Параметры образца приведены в таблице 4.2.
Фундаменты выполнялись монолитными железобетонными. Предварительно перед монтажом образца были выполнены два монолитных ленточных фундамента с закладными деталями, к которым били приварены опорные уголки. При монтаже, арочные профили крепились к опорным уголкам при помощи болтов М10. После крепления профилей к уголкам, устанавливались арматурные каркасы, а также скобы сквозь каждый профиль. Затем опорные узлы бетонировались.
С целью обеспечения безопасности, для исключения выхода из плоскости образца в процессе нагружения были установлены четыре (по два с каждой стороны) страховочных столба высотой 10 м из стальных квадратных труб замкнутого гнутосварного профиля.