Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Обзор литературы по теме и выбор направлений исследований 12
1.1 Каркасы многоэтажных зданий 12
1.2 Рамные узлы стальных каркасов, применяемые в отечественной строительной практике 1.2.1 Конструктивные решения рамных узлов .14
1.2.2 Работа и расчет рамных узлов 18
1.3 Рамные узлы стальных каркасов, применяемые в зарубежной строительной практике 23
1.3.1 Конструктивные решения рамных узлов 23
1.3.2 Расчет рамных узлов 26
1.4 Конструктивные требования по данным зарубежных норм. Результаты обследований зданий и сооружений, подвергшихся землетрясениям 29
1.5 Выводы по разделу 37
РАЗДЕЛ 2. Расчет элементов узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения аналитическими методами 40
2.1 Определение нормальных напряжений в околошовной зоне в поясе ригеля 41
2.1.1 Определение нормальных напряжений в сечении пояса ригеля без горизонтальных и вертикальных диафрагм в колонне 44
2.1.2 Определение нормальных напряжений в сечении пояса ригеля при установке горизонтальных и вертикальных диафрагм в колонне
2.2 Методика определения напряжений в горизонтальной диафрагме 58
2.3 Напряженное состояние стенки колонны 63
2.4 Выводы по разделу .68
РАЗДЕЛ 3. Численные исследования узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения 69
3.1 Анализ численного расчета 69
3.1.1Влияние конструктивных факторов на распределение напряжений в элементах узла рамного каркаса с колоннами коробчатого
сечения 69
3.1.2 Напряженное состояние элементов узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения 77
3.2 Методика планирования численных исследований 84
3.3 Метод численных исследований 92
3.3.1 Точность и сходимость результатов расчета МКЭ .93
3.4 Конструкции численных моделей .94
3.5 Обработка результатов полного факторного эксперимента 25 .101
3.6 Выводы по разделу 107
РАЗДЕЛ 4. Экспериментальное исследование узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения
1 4.1 Цель исследований и выбор моделей 109
4.2 Характеристики экспериментальных образцов и материалов 113
4.3 Методика исследований 114
4.4 Результаты исследований 118
4.5 Расчет экспериментальной модели с помощью программного комплекса «ЛИРА» 123
4.6 Сравнение результатов 136
4.7 Выводы по разделу 136
РАЗДЕЛ 5. Инженерный расчет и конструирование узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения 140
5.1 Расчет узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения 140
5.2 Расчет предлагаемой конструкции узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения 149
5.3 Выводы по разделу 153
Заключение. 155
Список литературы .
- Конструктивные решения рамных узлов
- Определение нормальных напряжений в сечении пояса ригеля без горизонтальных и вертикальных диафрагм в колонне
- Напряженное состояние элементов узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения
- Расчет экспериментальной модели с помощью программного комплекса «ЛИРА»
Введение к работе
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, 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.
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 использо
вана ООО «Архонт-Крым» (г. Симферополь), ООО «Профессионал» (г. Симфе
рополь) 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;
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 дис
сертационной работы представлены на восьми научно-технических конференциях, в
том числе международных: «Металеві конструкції: сьогодення та перспективи роз
витку» (г. Киев, 2008), «Проблемы энергосбережения «Энергия 2009» (г. Алушта,
2009), «Проблемы энергосбережения «Энергия 2010» (г. Евпатория, 2010), «Геоди
намика, 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), «Инноваци-
онные технологии жизненного цикла объектов жилищно-гражданского, промы-
шленного 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.
Конструктивные решения рамных узлов
Обзор, существующий рамных узлов, наиболее часто применяемых в строительной практике, составлен на основе следующих источников [17, 18, 26, 32, 57, 78, 97, 114, 142, 143, 157]. В [17] приведены следующие конструкции рамных узлов стального каркаса, представленные на рисунке 1.1.
Рассмотрим принцип работы рамных узлов (рисунок 1.1). Поперечная сила с ригеля на колонну передается через вертикальную накладку, привариваемую двухсторонними заводскими угловыми фланговыми швами к поясу колонны. Опорный момент ригеля передается на колонну через горизонтальные накладки. Верхняя и нижняя горизонтальная накладки привариваются к колонне на монтаже угловым швом с предварительной разделкой кромок и полным проплавлением, при необходимости предусматриваются выводные планки. Горизонтальные накладки крепятся к поясам балок угловыми фланговыми швами. В зависимости от типа колонн и мощности балок меняется конфигурация и толщина накладок. Для передачи больших опорных моментов с ригеля на колонну горизонтальные накладки усиливают вертикальными ребрами (рисунок 1.1 б). Конструктивная схема такого узла применима как для каркасов, выполненных по рамной схеме, так и для каркасов, выполняемых по рамно-связевой схеме.
В [18] рассмотрено меньше вариантов жестких узлов. Исключен пространственный рамный узел (рисунок 1.1 б), представляющий собой сопряжение балок с колонной в двух плоскостях. Сечение колонны – прямоугольное.
В [57, 78, 157] в качестве основных приведены следующие конструкции рамных узлов стальных каркасов, которые представлены на рисунке 1.2 и рисунке 1.3. В [57] и [78] представлены одинаковые конструктивные решения рамных узлов. К выше перечисленным рамным узлам добавлены: пространственный узел сопряжения колонны коробчатого сечения с ригелями в двух плоскостях; рамный узел крепления ригеля к колонне двутаврового сечения на фланцах.
В узлах на рисунке 1.2 ригель соединяется с колонной с помощью горизонтальных и вертикальных накладок. Такие узлы имеют множество модификаций, обусловленных различием сечений колонн и ригелей. Работа каждого из этих узлов имеет свои особенности.
Наиболее распространенные рамные сварные узлы крепления ригеля к колонне двутаврового сечения со стороны пояса колонны показаны на рисунке 1.3. Эти узлы имеют одностороннее крепление ригеля к колонне.
Верхние горизонтальные накладки приваривают к поясу ригеля фланговыми монтажными швами в нижнем положении, поэтому они в отдельных случаях имеют сложное очертание (рисунок 1.4).
Трапецеидальная форма накладок принята с учетом характера распределения усилий в поясе ригеля (рисунок 1.4 а). В [97] представлены конструктивные решения узлов, применяемых в сейсмостойких рамных каркасах (рисунок 1.5). Характерной особенностью решения (рисунок 1.5 а) является значительное уширение поясов ригелей в месте прикрепления к колонне с плавным переходом к основному сечению. На рисунке 1.5 б представлено конструктивное решение, применяемое для ригелей с пониженной высотой в пролете. Данные конструктивные решения узлов применялись в рамных каркасах при строительстве зданий в Алма-Ате.
В [143] представлены похожие варианты узлов, приведенные в [57, 78], только вместо колонны двутаврового сечения установлена колонна коробчатого сечения. Также показаны дополнительно некоторые конструкции рамных узлов (рисунок 1.5).
Рассмотрим работу рамного узла с горизонтальными и вертикальными накладками (рисунок 1.6) [18]. Изгибающий момент с ригеля передается горизонтальными накладками на колонну в виде усилий FЛ и FП и воспринимается горизонтальными диафрагмами, приваренными к стенке и поясам колонны в уровне поясов ригеля. От этих горизонтальных усилий в стенке колонны возникают касательные напряжения. В этих же сечениях в колонне возникают нормальные напряжения от моментов в колонне МВ и МН и продольного усилия N. Прочность стенки колонны предлагается проверять по приведенным напряжениям по формуле (1.1):
В [57, 78, 142] предлагается расчетная схема рамного узла (рисунок 1.7). Если Моп, и Q - соответственно опорный момент ригеля в сечении по грани колонны и опорная реакция, то усилия в горизонтальных планках, согласно этой схеме, будут равны: Nn = Моп /И. Сечения вертикальных накладок и швы их крепления к стенке ригеля рассчитывают условно на восприятие полной поперечной силы Q и момента равного Qa/2, где а – эксцентриситет приложения силы Q.
В накладке следует рассчитывать фланговые швы крепления к поясу ригеля, сечение накладки у концов фланговых швов, сечение сварного шва у пояса колонны [57, 78]. Расчетное сопротивление стыковых швов крепления накладки к поясу колонны принимается не более 0,85 Ry (при обычном способе контроля качества стыкового шва). Пояс колонны в зоне крепления растянутой горизонтальной накладки находится в сложном напряженном состоянии: он сжат в направлении вдоль пояса и растянут в поперечном направлении. В [57] и [78] также присутствует важное замечание относительно расчета пояса колонны в зоне контакта с растянутой горизонтальной накладкой. В зоне крепления растянутого пояса ригеля к фланцу или поясу колонны растягивающее усилие направлено поперек толщины листа. Поэтому, во избежание появления ламелярных трещин и возможного разрушения, необходимо учитывать механические свойства листа в направлении толщины проката выбором марки стали или соответствующим контролем свойств материала конструкции. Стенка колонны в зоне рамного узла также находится в сложном напряженном состоянии: она испытывает помимо нормальных напряжений от сжимающего усилия и изгибающих моментов, значительные скалывающие напряжения от поперечного усилия в зоне узла, определяемые по формуле:
Определение нормальных напряжений в сечении пояса ригеля без горизонтальных и вертикальных диафрагм в колонне
Как было отмечено, напряжения по ширине пояса ригеля в зоне сварного стыкового шва распределяются неравномерно вследствие того, что стенка колонны не подкреплена горизонтальными диафрагмами.
Для снижения концентрации напряжений в зоне сварного стыкового шва, прикрепляющего пояс ригеля к стенке колонны, устанавливаются горизонтальные диафрагмы, расположенных внутри колонны в уровне поясов ригеля. В этом случае, диафрагма оказывает подкрепляющий эффект для стенки колонны, увеличивая ее изгибную жесткость. Кроме того, для включения стенки ригеля в работу по восприятию изгибающего момента необходимо устанавливать вертикальную диафрагму, расположенную между горизонтальными диафрагмами в плоскости стенки ригеля.
Было определено, что все ординаты нормальных напряжений уменьшаются пропорционально постоянному коэффициенту, зависящему от параметров узлового сопряжения. Определив нормальные напряжения в околошовной зоне в поясе ригеля вдоль действия усилий по методике, изложенной в предыдущем подразделе, возможно определить напряжения в околошовной зоне при установке горизонтальных и вертикальной диафрагм различной толщины. Для этого необходимо масштабировать эпюру нормальных напряжений, определенную при отсутствии горизонтальных диафрагм, с учетом коэффициента ка, относительно прямой осредненных напряжений а = — [126]. Проанализировав результаты расчетов было получено, что коэффициент ка зависит от следующих параметров: ширины стенки колонны Ьк, ширины пояса ригеля bf, толщины стенки колонны tк и пояса ригеля tf, толщины горизонтальной диафрагмы tд.
Для построения эпюры нормальных напряжений в околошовной зоне в поясе ригеля для рамного узла с установленными диафрагмами, достаточно построить эпюру напряжений по длине сварного шва без вертикальных и горизонтальных диафрагм и выполнить ее масштабирование на коэффициент ка. Для этого необходимо масштабировать ординаты эпюры нормальных напряжений, определенные без диафрагм, относительно прямой аср = по следующей формуле: сг = + 0- (3.36) д где JUр- ордината эпюры нормальных напряжений в околошовной зоне при установке диафрагм в /-ой точке; ov - ордината эпюры нормальных напряжений в околошовной зоне при отсутствии диафрагм в /-ой точке; уср - осредненные напряжения в околошовной зоне; ка - значение коэффициента масштабирования. Данная зависимость применима для следующих размеров: ширина стенки колонны 200-500 мм, ширина пояса ригеля100-400 мм, толщина стенки колонны 8-20 мм, толщина пояса ригеля 8-20 мм, толщина горизонтальной диафрагмы 10-22 мм.
В пустотелой колонне квадратного сечения для снижения максимальных нормальных напряжений в поясе ригеля необходимо устанавливать горизонтальные диафрагмы, расположенные в уровне пояса ригеля. Если это условие не будет выполнено, то будут возникать дополнительные напряжения, которые отрицательно сказываются на работе узла, снижая несущую способность и увеличивая деформативность, также теряется эффект установки диафрагм, поэтому диафрагмы не должны быть смещены более чем на 0,5 толщины пояса относительно срединой плоскости пояса ригеля [3].
Для определения напряжений в диафрагме воспользуемся методикой, приведенной в [65]. Суть заключается в следующем: при загружении тонкостенного призматического стержня можно расчленить его на ряд составляющих полос, а затем рассмотреть работу каждой полосы самостоятельно, нагрузив ее внешней нагрузкой и усилиями взаимодействия, возникающими в местах разреза. Рассмотрим горизонтальную диафрагму и часть стенки колонны, которые в сечении представляют собой тавр. К стенке колонны в уровне диафрагмы приложим сосредоточенную нагрузку. Расчленим тавр на полосы: стенку и пояс. После удаления поясов распределение усилий взаимодействия по кромкам стенки раскладывается на две схемы (рисунок 2.8).
Используя положения, приведенные в [126, 142], можно определить напряжения в стенке колонны коробчатого сечения при непосредственном креплении к ней поясов ригеля. Стенка колонны в зоне крепления растянутого пояса ригеля узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения находится в сложном напряженном состоянии. Она испытывает сжатие в продольном и растяжение в поперечном направлениях. Напряжения оу в направлении толщины стенки колонны близки к напряжениям в зоне сварного шва, крепящем пояс ригеля, и могут составлять до 85% расчетного сопротивления. В этом случае, наступление текучести в рассматриваемой зоне может произойти при весьма малых продольных нормальных напряжениях тх в стенке колонны. Согласно условию пластичности Генки-Мизеса [104]:
Напряженное состояние элементов узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения
Создание модели включает в себя идеализацию свойств конструкции и внешних воздействий [33, 71, 73]. В общем случае реальная конструкция может иметь много особенностей, включающих в себя несовершенство формы, несплошность и неоднородность свойств материала, особенности в характере внешнего нагружения. В практических расчетах учесть все имеющиеся особенности конструкции невозможно. Приступая к практическим расчетам, необходимо заменять реальные тела идеализированными объектами. Реальное твердое тело заменяем однородной сплошной средой.
Расчетная модель может быть наделена лишь частью свойств реальной конструкции, таких как характеристика материала и сечение элементов, что определяет точность конечного результата.
При построении расчетной модели приняты следующие предпосылки: - рассматривается плоская рама, поэтому ригели из плоскости рамы не рассматриваются в конструкции узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения; - учитываются конечные длины входящих элементов; - рассматривается только верхний пояс при определении неравномерности эпюры напряжений в поясе ригеля [4, 5, 8, 10, 84, 107]; - взаимодействие верхнего и нижнего пояса не оказывает влияние друг на друга в сечении стенки, где возникают максимальные напряжения; - применяется КЭ оболочка с промежуточными узлами на гранях, для наиболее точной формы аппроксимации поверхности. КЭ оболочка прямоугольных размеров, соотношение сторон не превышало 2:1 [33, 73]; - действие поперечной силы ригеля не учитывается при определении нормальных напряжений в верхнем поясе, что обосновывается результатами исследований [100, 101], которые показали, что напряжения от действия поперечной силы ригеля имеют значительно меньший порядок, чем напряжения от действия изгибающего момента ригеля. Действие поперечной силы ригеля не вызывает увеличение напряжений в областях стенки по сечению нейтральной плоскости горизонтальных диафрагм.
Расчетные предпосылки позволили назначить размеры образцов, не снижая при этом, достоверность полученных результатов. Все предлагаемые предпосылки согласуются с теорией местных напряжений [66, 126]. Кроме того, размеры элементов соответствуют конструктивным требованиям [114, 115, 133], принимаемым при проектировании.
Общий вид компьютерной модели представлен на рисунке 3.18. Элементы колонны и ригеля состоят из КЭ оболочка (пластина), которые объединены в блок, представляющий собой в данном случае стенку или пояс. Пластины смоделированы четырехузловыми элементами. В конечно-элементной модели основные размеры могут отличать от натурных потому, что идеализация геометрии нужна для соединения пластин, которое осуществляется между узлами, лежащими на серединой поверхности. Однако, изменение размеров не оказывает влияния на задаваемые характеристики и результаты исследований. В местах сопряжения элементов узла, где в реальном узле находятся сварные швы, выполнено сгущение сетки и смоделирован сварной шов. Принятые геометрические и жесткостные характеристики сечений конструктивных элементов приведены в таблице 3.4.
С целью изучения параметров узлов рамных каркасов с колоннами коробчатого сечения, получения зависимости распределения напряжений от конструктивных решений в околошовной зоне в поясе ригеля и значения коэффициента концентрации напряжений для каждого из трех конструктивных решений УЛ-1, УЛ-2, УЛ-3 было проведено по 32 опыта.
Первая модель узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения УЛ-1 состояла из пустотелой колонны коробчатого сечения и двутаврового ригеля. На свободном конце ригеля устанавливались вертикальные ребра для предотвращения потери местной устойчивости стенки ригеля при передаче внешней нагрузки (рисунок 3.19). Вторая модель УЛ-2 отличалась от первой наличием горизонтальных диафрагм, установленных в колонне в уровне поясов ригеля (рисунок 3.20). В третьей модели УЛ-3 дополнительно установлена в колонне вертикальная диафрагма, расположенная в плоскости стенки ригеля между горизонтальными диафрагмами (рисунок 3.21). Размеры в скобках соответствуют нижнему пределу варьируемых факторов.
Схема приложения нагрузки показана на рисунках 3.19, 3.20, 3.21 и была одинаковой во всех экспериментах. Все возможные сочетания факторов приведены в таблице 3.2.
При проведении экспериментов определяли нормальные напряжения в верхнем поясе ригеля, который работает на растяжение, в месте сопряжения пояса со стенкой колонны. По результатам экспериментальных данных находили средние нормальные напряжения и средние максимальные нормальные напряжения, с помощью которых определяли значение коэффициента концентрации напряжений.
Расчет экспериментальной модели с помощью программного комплекса «ЛИРА»
В данном разделе приводятся требования по расчету и конструированию, и предлагается методика расчета узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения [97, 121].
На основании экспериментальных данных и анализа существующих работ отмечено, что установка горизонтальных и вертикальных диафрагм позволяет уменьшить нормальные напряжения в околошовной зоне в поясе ригеля и увеличить жесткость узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения в целом. Для определения напряжений в околошовной зоне в поясе ригеля и горизонтальной диафрагме предлагается методика их расчета.
По результатам численного эксперимента были получены формулы, позволяющие определить значение коэффициента концентрации напряжений для разных конструктивных решений, используя значение нагрузки и геометрические параметры элементов узла рамного каркаса с колоннами коробчатого сечения.
Расчет прикрепления ригеля к колонне выполняем по опорным усилиям, возникающим в элементе: опорный момент, поперечное усилие, продольное усилие ригеля (рисунок 5.1). Условная расчетная схема узлового соединения следующая: поперечное усилие с ригеля на колонну передается через вертикальную накладку, опорный момент в виде пары сил воспринимается поясами ригеля.
Расчет сечения вертикальной накладки выполняем на поперечную силу ригеля Qр, приложенную с эксцентриситетом (мн =Qрbн). Фактически в упругой стадии работы узлового соединения поперечная накладка воспринимает часть изгибающего опорного момента ригеля, учет которого привел бы к увеличению размеров накладки и неоправданному расходу материала.
Рассматривая нелинейную работу вертикальной накладки, установлено, что часть опорного момента, воспринимаемого стенкой ригеля и передаваемого в опорное сечение вертикальной накладки, приводит к увеличению напряжений на крайних фибрах последней, значения которых в упругой стадии превышают предел текучести материала.
Сечение вертикальной накладки должно быть проверено на прочность. Размеры накладок принимаются 1н = hwp -(100... 150мм), Ьн = 100... 150мм ,
Расчет крепления вертикальной накладки по сечению 1-1 (рисунок 5.2) к поясу колонны выполняется по формулам СП [133]. Крепление осуществляется двухсторонними сварными угловыми фланговыми швами.
Ввиду податливости вертикальной накладки от действия поперечного усилия ригеля пояса испытывают поперечный изгиб, вследствие чего фактические напряжения в поясах ригеля превышают предел текучести материала. Положительный эффект поперечного изгиба пояса заключается в том, что корень сварного стыкового шва находится под действием меньших напряжений, чем определяемые по формуле центрального растяжения (сжатия).
При выполнении сварного стыкового шва необходимо обеспечить плавное сопряжение наплавляемого металла со стенкой колонны. Не должно присутствовать резких подрезок, которые, вследствие концентраторов напряжений и поперечного изгиба, могут привести к разрушению последнего. Пояса ригеля привариваются к стенке колонн угловыми швами (тавровое соединение) с односторонней разделкой кромок при полном проваре. Если на тавровое соединение при полном проплавлении действует растягивающее усилие поперек сварного шва [22, 124, 125], то угловые швы следует рассчитывать как стыковые по формулам при полном проваре в соединении с односторонним швом [22, 125]: