CC BY
51
УДК 624.078.4
КАЗАКОВА Е.В., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Анализ напряженно-деформированного состояния бесфасоночных узлов легких ферм
KAZAKOVA E.V., Senior Lecturer (DRTI)
Analysis of the stress-deformation state of the facetless units of light farms
Введение
Перспективным научно-
техническим направлением в развитии и металлоконструкций является
разработка и внедрение легких конструкций зданий и сооружений, позволяющих рационально
использовать материальные ресурсы.
Массовое применение легких ферм из трубчатого профиля, обусловленное быстрыми темпами возведения в сочетании с высокой технологичностью, эксплуатационной надежностью и долговечностью, минимальным количеством элементов и сварных швов, преимуществом при нанесении покрытий, увеличением освещенности, малым
аэродинамическим сопротивлением, а также современным архитектурным дизайном, приводит к удешевлению строительства по сравнению с применением традиционных
конструкций на 25-30 %, а в некоторых случаях до 40% [4].
решением их узловых соединений. Этой проблеме посвящены обширные экспериментально-теоретические исследования, изложенные в работах ученых крупных научных институтов, таких как И.В. Левитанский, ВВ. Севрюгин (ЦНИИПСК им. Мельникова), Б.С. Цетлин,
Н.М. Шейнфельд, Б.Н. Решетников, В.С. Попов, А.Г. Иммерман, Г.В. Тесленко (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко) Е.О. Патон,
Б.Г. Абрикосов, В.И. Новиков, А.В. Ковтуненко
С.А. Ильясевич, Э.Ф. Гарф, (Институт
Анализ публикаций
электросварки ИЭС им. Е.О. Патона), а также в работах Ю.В. Соболева, Ф. Вернера, Я. Брудка, Я.С. Левенсона, В.А. Галатенко, А.Г. Соколова,
A.В. Мухина, Г.И. Кекса, И.Н. Чернова,
B.М. Панченко, Д.И. Шермана,
A.П. Мищенко, П.Б. Стегаева,
B.А. Стабровского, В.А. Зиньковой, Н.В. Солодов и др.
Широкий комплекс научных исследований трубчатых ферм выявил, что аварии ферм вызваны в основном разрушением их узловых соединений.
Проведен анализ современного состояния экспериментально-
теоретических исследований трубчатых ферм с К-образными узловыми соединениями. Выявлено, что специфика деформирования трубчатых ферм обусловлена конструктивным
Цель работы
Обладая указанными
преимуществами, фермы не
застрахованы от разрушений в узлах.
Это объясняется тем, что несущая способность трубчатых ферм в большей
мере определяется прочностью их узловых соединений, представляющих сложную пространственную
конструкцию с высоким градиентом напряжений. Как установлено, разрушение узлов связано со снижением пластических свойств стали при наличии значительных
концентраций напряжений,
возникающих вследствие передачи усилий от сжатого элемента решетки к растянутому через пояс фермы и сварные швы. Попытаемся рассмотреть, какие разрушения происходят в зоне таких сварных швов.
Основная часть
Рис. 1. Узел с расцентровкой осей стержней:
а - схема узла; б - распределение моментов в поясе
К таким узлам можно отнести узлы сварных ферм, являющиеся местом сопряжения пересекающихся стержневых элементов поясов и решетки, нагружаемых осевыми усилиями, различными по величине и по знаку. По условиям работы такие узлы характеризуются достаточно сложным напряженным состоянием и являются наиболее слабыми местами всей конструкции в целом.
Учитывая, что узел является лишь фрагментом конструкции фермы, рассмотрим расчетную схему узла, представленную на рис. 1 [1].
Рассмотрим механические и теплофизические свойства металла, которые изменяются в зависимости от его температурного состояния. В процессе сварки металл подвергается нагреву до высоких температур, изменение которых происходит в широких пределах и в сравнительно короткое время. Механические характеристики широкой гаммы конструкционных материалов при высоких температурах нельзя считать полностью исследованными.
Более обстоятельно изучены свойства металлов при обычных температурах.
Температурная деформация
многих объемов металла сварного соединения как на стадии нагрева, так и на стадии охлаждения не может быть свободно реализована из-за стеснений (связей), обусловленных различными закреплениями со стороны
сборочносварочной оснастки, а также накладываемых на нагретые области со стороны менее нагретых участков. По этой причине во многих объемах металла, как на стадии нагрева, так и на стадии охлаждения протекает пластическая деформация укорочения (сжатия) и удлинения (растяжения). Как правило, эти деформации по различным причинам не компенсируют друг друга. В результате в сварном изделии после сварки имеет место неравномерно распределенная, преимущественно сосредоточенная вблизи сварного шва остаточная пластическая деформация. Как правило, это деформация укорочения и в основном продольного по отношению к шву направления.
Так возникает усадка металла при сварке. Если мысленно после сварки расчленить изделие на элементарные объемы и убрать между ними силовое взаимодействие. то получим в исходном изделии множество различных щелей, зазоров и т. д., совокупность которых создает общий объем усадки при сварке. Однако в силу гипотезы о сплошности тела как до нагружения, так и после него, никаких щелей и зазоров в сварном изделии быть не должно и это реализуется путем установления между такими объемами определенного силового взаимодействия, что обусловлено необходимостью
выполнения уравнений совместности деформаций. Именно это силовое взаимодействие и представляет собой не что иное, как остаточные сварочные напряжения.
Фермы из гнутосварных замкнутых профилей (ГСП)
проектируют с бесфасоночными узлами. Для упрощения конструкции узлов следует принимать треугольную решетку без дополнительных стоек, при которой в узлах к поясам примыкает не более двух элементов.
Толщину стенок стержней ферм рекомендуется принимать не менее 3 мм. В одной ферме не должны применяться профили одинаковых размеров сечения, отличающиеся толщиной стенок менее чем на 2 мм.
Ширину стержней решетки Ьр (из плоскости конструкции) следует принимать возможно большей, но не более В - 3^п + tр) из условия наложения продольных сварных швов и не менее 0,6 поперечного размера пояса В (1п, ^ -толщина пояса и решетки).
Углы примыкания раскосов к поясу должны быть не менее 30° для обеспечения плотности участка сварного шва со стороны острого угла.
Следует избегать пересечения стержней решетки в узлах во избежание двойной резки концов стержней.
Для свободного размещения стержней решетки на уровне примыкания их к поясу иногда приходится нарушать центрацию элементов.
Если эксцентриситет е > 0,025^, то при расчете следует учитывать узловой момент М = (N5 - N1)) е. Гибкость стержней решетки в плоскости фермы значительно больше гибкости пояса, поэтому узловой момент
воспринимается в основном поясом.
Приближенно моменты в поясе можно определить по формулам:
М1 = йЩ + й)М;
М2 = (й/( ф + ё2))М,
где йи й2 - длины панелей, примыкающих к узлу [2, 3].
Заводские стыки стержней рекомендуется выполнять сваркой встык на остающейся подкладке, а монтажные стыки - фланцевыми на болтах.
Сварные швы, прикрепляющие стержни решетки к полкам поясов с полным проплавлением стенки профиля, рассчитывают как стыковые.
Рис. 2. Разрушение традиционного узла
Эффективность применения
замкнутых гнутосварных профилей в фермах обеспечивается
преимуществами работы тонкостенных замкнутых сечений на продольный и поперечный изгиб и простотой конструктивных решений соединений. Причем два указанных преимущества вступают в противоречие в большинстве узлов ферм из-за небольших усилий в элементах решетки требующих изменения их сечений, уменьшение которых приводит к необходимости более точной оценки напряженно-деформированного состояния узлов.
Напряженно-деформированное состояние узлов ферм из замкнутых гнутосварных профилей без
усиливающих элементов определяет деформативность этих конструкций, распределение изгибающих моментов, расчетные длины стержней и, в конечном счете, несущую способность в целом. С целью создания методов расчета узлов в СССР и за рубежом было проведено большое количество экспериментально-теоретических исследований. Сущность большинства инженерных методов расчета заключается в сочетании
экспериментальных данных для конкретных узлов с расчетными предпосылками различной степени приближения. Методы расчета узлов, используемых в инженерной практике, не позволяют оценить количественно напряженно-деформированное состояние. Необходимо отметить, что определение напряженно-
деформированного состояния узлов ферм связано с особенностями работы тонкостенных профилей, материала конструкций и сварных швов, условиями сложного напряженного состояния в областях с локальным нагружением, конструктивными
особенностями узловых соединений (сложная геометрия, сопряжения элементов, сварные швы,
технологические несовершенства и т.д.), с нелинейной работой материала в локальных областях. Очевидно, что теоретическое решение напряженно-деформированного состояния узлов весьма сложно и в упругой стадии их работы. Количественная оценка напряженно-деформированного состояния узлов в упругой стадии необходима для конструкций, работающих при низких температурах, при наличии динамических и вибрационных нагрузок, а также, для узлов, передающих локальные нагрузки от подвесного оборудования, элементов связей, прогонов, для безраскосных систем, где развитие упруго-пластических деформаций приводит к изменению расчетных схем.
Вывод
Рассмотрев и проанализировав напряженно-деформированное состояние бесфасоночных узлов легких ферм, возникает необходимость дальнейшего исследования и
усовершенствования таких узлов, так как область применения легких ферм из трубчатого профиля довольно широка.
Совершенствование конструктивных форм узлов ферм представляет большой научный и практический интерес, а современные программные комплексы способствуют обстоятельным численным
исследованиям.
Список литературы:
1. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов / Е.И. Беленя, В. А. Балдин, Г. С. Ведеников и
др.; Под общ. ред. Е.И. Беленя. М.: Стройиздат, 1986. - 560 с., ил.
2. Металлические конструкции. Том 1. Элементы конструкций ВВ. Горев, Б.Ю. Уваров, В В. Филиппов, Г.И. Белый, В Н. Валь, Л.В. Енджиевский, И.И. Крылов, Я.И. Ольков, В.Ф. Сабуров, 2004 -282 с.
3. Металлические конструкции. В 3 томах. Том 2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. заслуж. строителя РФ, лауреата госуд. премии СССР В В. Кузнецова (ЦнИи проектстальконструкция им. Н.П. Мельникова) - Москва: Изд-во АСВ, 1998. - 512 с., ил.
4. ИйрУ/^^^ваепсе-education.ru/ru/article/view?id=11776.
Аннотации:
В статье детально рассмотрено массовое применение легких ферм из трубчатого профиля, обусловленное быстрыми темпами возведения в сочетании с высокой технологичностью, эксплуатационной
надежностью и долговечностью, минимальным количеством элементов и сварных швов, преимуществом при нанесении покрытий,
увеличением освещенности, малым
аэродинамическим сопротивлением, а также современным архитектурным дизайном, приводит к удешевлению строительства по сравнению с применением традиционных конструкций на 25-30 %, а в некоторых случаях до 40%.
Но наряду с этим, широкий комплекс научных исследований трубчатых ферм выявил, что аварии ферм вызваны в основном разрушением их узловых соединений.
Проанализированы причины и виды разрушений бесфасоночных узлов легких ферм.
Ключевые слова: напряженно-деформационное состояние, ферма, узел фермы, ферм из трубчатого профиля, сварной шов.
In the article details considered the massive use of light trusses from a tubular profile, due to the rapid erection rates in combination with high technology, operational reliability and long-term eternity, a minimum number of elements and welds, an advantage in coating, increased illumination, low aerodynamic resistance, as well as a modern architectural design, leads to cheaper construction compared to the use of traditional structures by 2530%, and in some cases up to 40%. But along with this, a wide range of research studies of tubular trusses revealed that farm accidents are caused mainly by the destruction of their nodal joints.
The causes and types of destruction of the facetless units of light farms are analyzed.
Keywords: stress-strain state, truss, truss unit, trusses from a tubular profile, weld.
