CC BY
286
УДК 69.691.7
05.23.01 Строительные конструкции, здания и сооружения
Бузало Нина Александровна
ФБГОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический
университет (НПИ) имени М.И. Платова» Россия, Новочеркасск1
Заведующая кафедрой «Строительные конструкции, строительная и прикладная механика»
Кандидат технических наук, профессор E-Mail: buzalo_n@mail.ru
Алексеев Сергей Александрович
ФБГОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический
университет (НПИ) имени М.И. Платова» Россия, Новочеркасск
Доцент кафедры «Строительные конструкции, строительная и прикладная механика»
Кандидат технических наук E-Mail: alex0555@yandex.ru
Царитова Надежда Г еннадьевна
ФБГОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический
университет (НПИ) имени М.И. Платова» Россия, Новочеркасск Старший преподаватель кафедры «Строительные конструкции, строительная и прикладная механика»
E-Mail: ncaritova@yandex.ru
Численное исследование шарнирного узла пространственной стержневой конструкции
Аннотация: В статье рассматривается классификация пространственных стержневых конструкций (ПСК) по виду стержневых элементов, узловых соединений, типу сборочных модулей, конструктивной системы. Отмечается возможность быстрого возведения легких зданий спортивного, зрелищного или торгового назначения. Соединение стержней быстровозводимых легких пространственных конструкций регулярной структуры предлагается выполнять с помощью запатентованного узла. Для транспортировки все стержни, сходящиеся в узле, разворачиваются в отверстиях дисков с фасками и упаковываются в одном направлении, что становится возможным из-за наличия радиальных прорезей в прижимных дисках. Это позволяет минимально сократить объем элементов при транспортировке. На монтажной площадке стержни разворачиваются в проектное положение
1 346422 Г. Новочеркасск, Ростовская обл., ул. Кубанская 20 1
и фиксируются болтами. Авторами статьи было выполнено моделирование и численное исследование этого узла с помощью программных комплексов ANSYS и SolidWorks. В результате численного эксперимента получены значения эквивалентных напряжений по Мизесу для исследуемого узла. После выявления ослабленных мест в прижимных дисках узла, были предложены конструктивные изменения для его усовершенствования. В дальнейшем исследовании были рассмотрены три варианта узла, в том числе с втулками между прижимными дисками. Втулки обеспечили более жесткое соединение и равномерный прижим шаровых наконечников стержней. Анализ результатов конечно-элементного моделирования доработанного усиленного узла ПСК позволяет сделать вывод о его надежности.
Ключевые слова: Пространственные стержневые конструкции (ПСК); узлы для ПСК; программный комплекс; концентрация напряжений.
Идентификационный номер статьи в журнале 67ТУЫ214
В современной архитектуре применение замысловатых, зачастую парадоксальных конструктивных решений стало одним из неотъемлемых компонентов успеха. Особой популярностью у архитекторов пользуются пространственные стержневые конструкции (ПСК), которые позволяют на рациональной основе осуществлять поиск различных вариантов объемно-планировочных решений, создавать благодаря применению большепролетных и трансформируемых конструкций «универсальные» здания многоцелевого функционального назначения; разнообразить архитектурные формы и композиционные средства.
Классификация ПСК может выполняться по взаимному расположению поясных сеток, типу сборочных модулей, типу узлового элемента, а так же по форме пространственных модулей при плотной и неплотной упаковке их в конструкции. Одним из основных признаков ПСК является конструкция узла сопряжения стержней. Именно здесь сосредоточены главные особенности технологии изготовления и сборки конструкции, определяющие отличия одних систем от других.
Одной из первых в мировой практике нашла применение система соединения стержней немецкой фирмы «Меро» (1942 г.), предложившей пространственно-стержневые сборноразборные каркасы кристаллического строения для зданий военного назначения. Позднее такие конструкции стали применяться и в гражданском строительстве. В отечественной практике эта система была несколько усовершенствована В.К. Файбишенко и другими конструкторами и получила название «Система МАрхИ».
Рис. 1. Узловое соединение «Меро» и его модификации: а), б) - общий вид узла, узловой элемент и детали стержня системы «Меро»; в), г) - детали трубчатых элементов в соединениях систем «Веймар» и «МАрхИ»; 1 - отверстие с внутренней резьбой; 2 - болт; 3 -поводковая гайка;4 - монтажное отверстие; 5 - труба; 6 - оголовок трубы; 7 - ведущий палец; 8 - фиксатор; 9 - шайба; 10 - штифт; 11 - прорезь в гайке
В системе «Октаплатт» (рис. 2, а) (ФРГ, 1957 г.) сделана попытка облегчить и упростить узлы. Узловой элемент выполняют здесь в виде полого шара из двух штампованных половин, сваренных на подкладных кольцах.
Система «Триодетик», (рис. 2, б), разработанная фирмой «Фентимен» (Канада, 1962 г.), привлекла внимание специалистов своей оригинальностью.
В конструкции узла для структур системы «Берлин» к сплющенным концам трубчатых стержней приваривают клиновидные калиброванные наконечники, образующие при сборе в узел цилиндр с отверстием внутри (рис. 2, в).
В узле «ЦНИИСК» (рис. 2, д) нет никаких дополнительных элементов. Концы труб сплющивают и в раскосах обрезают под нужным углом. Стержни при сборке закрепляют в специальном фиксаторе так, что между их торцами образуется свободное пространство, которое заполняют расплавленным металлом в процессе ванной сварки.
В узле системы «Дю Шато» (Франция) применены узловые штампованные фасонки (рис. 2, г). В каждой из двух фасонок предусмотрено по шесть полукруглых выемок, образующих после соединения фасонок узловой элемент с отверстиями для трубчатых стержней. Фасонки сваривают между собой по наружным линиям площадок касания. Стержни вставляют в отверстия и обваривают, образуя, таким образом, верхнюю или нижнюю сеть. Раскосы и стойки приваривают к наружным поверхностям узлового элемента (одной из фасонок). Узел обладает неплохой компенсационной способностью и довольно прост.
Система «Юнистрэт» (США) также основана на использовании штампованных фасонок (рис. 2, е), отличающихся тем, что при штамповке создаются восемь плоскостей (по числу примыкающих стержней), где выполняют отверстия для крепления стержней из прокатных или гнутых профилей (уголков, тавров, швеллеров и т.п.). Решение направлено на снижение трудозатрат при изготовлении и монтаже.
I
дд
Рис. 2. Узлы различных структурных систем: а) - «Октаплатт»; б) - «Триодетик»; в) -«Берлин»; г) - «ДюШато»; д) - узел «ЦНИИСК»; е) - «Юнистрэт»; 1 - шаровая вставка; 2 -сварной шов; 3 - фигурная прорезь; 4 - крышка; 5 - круглый стержень; 6 - труба раскоса; 7 - труба нижнего пояса; 8 - крышка; 9 - стяжной стержень; 10 - гайка с контргайкой; 11-наконечник с приливом; 12- то же без прилива; 13- стержень нижнего пояса (труба со
сплющенным концом); 14- труба раскоса
Интерес представляет узловое соединение системы «Варитек» (рис. 3), (г. Берн, Швейцария).
Рис. 3. Узловые соединения систем: а) - «Варитек»; б) - «Премит»;1 - узловая деталь; 2 -
трубчатый стержень; 3 - наконечник трубчатого стержня; 4 - болт; 5 - гайка
В Южно-Российском государственном политехническом университете профессором А.А Тумасовым был разработан узел соединения стержней трансформируемого пространственного каркаса (рис. 4), предназначенный для соединения стержней быстровозводимой легкой пространственной конструкции регулярной структуры. Узел состоит из прижимных дисков с прорезями, соединяемых центральным стяжным болтом, между которыми радиально в плане расположены стержни со сферическими наконечниками. В дисках на обращенных друг к другу поверхностях сняты фаски по кромкам отверстий под сферические наконечники. Между прорезями диски соединяются фиксирующими болтами, затягиваемыми после монтажа конструкции.
Конструкция узла позволяет изготавливать однотипные элементы на высокопроизводительных производственных линиях, обеспечивает доступность и целесообразность крупноблочного монтажа, позволяет транспортировать отправочные элементы пространственной системы в упакованном виде.
В заводских условиях изготавливается соединение стержней в узле с закреплением сферических наконечников стержней между прижимными дисками с помощью центрального болта 2. Для транспортировки все стержни разворачиваются в отверстиях с фасками и упаковываются в одном направлении, что становится возможным из-за наличия радиальных прорезей в прижимных дисках 1. Это позволяет минимально сократить объем элементов при транспортировке. На монтажной площадке стержни разворачиваются в проектное положение и фиксируются болтами 6. При этом сферические наконечники плотно зажимаются между дисками 1, что исключает возможность прощелкивания стержней. Так как сферические наконечники 8 стержней 7 могут вращаться, то положение стержней может регулироваться и затем фиксироваться под требуемым углом. Углы между стержнями могут варьироваться в зависимости от вида ПСК. Достоинством данного узла является возможность простого демонтажа и повторного монтажа ПСК.
а) б)
Рис. 4. Шаринирный узел для ПСК: а) узел однопоясной ПСК; б) разрез узла
Авторами статьи было выполнено моделирование и численное исследование этого узла. На рис. 5 показана твердотельная модель первоначального узла, выполненная в программе SolidWorks.
Рис. 5. Твердотельная модель узла ПСК
Анализ полученных результатов показал, что даже при небольших нагрузках в узле происходят значительные деформации, переходящие в пластические на кромках постелей под шарниры, вследствие недостаточно жесткого соединения между прижимными дисками и их малой толщины. Требуемое увеличение толщины дисков приводит к значительному утяжелению всего узла. Поэтому конструкция узла была доработана. Между прижимными дисками были вставлены втулки, обеспечивающие более жесткое соединение и равномерный прижим шарниров стержней. Конструкция модернизированного узла показана на рис. 6. Для сравнения характеристик жесткости узлов, в усиленной конструкции узла толщина самих дисков была увеличена.
Рис. 6. Твердотельная модель модернизированного ПСК
С помощью программного комплекса ANSYS был проведен численный эксперимент [1], в котором для сравнительного анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) прижимных дисков и самих узлов целом все три конструкции - первоначальная, модернизированная и усиленная находились в одинаковых условиях симметричного, относительно одной из вертикальных плоскостей, закрепления и загружения. Для упрощения расчета и снятия влияния стержней на НДС узла - стержни были заменены только шаровыми наконечниками, три из которых были опорными - т.е. жестко закреплены к «земле», к трем другим приложена нагрузка. Задача решалась в нелинейной постановке. Материал узлов -конструкционная сталь, диаграмма о-8 с линейным упрочнением. Контактное взаимодействие: между шаровыми наконечниками и прижимными дисками - нелинейное с учетом трения, между болтами и нижним прижимным диском - неразрывное, между болтами и верхним прижимным диском - нелинейное без учета трения. Примерное разбиение узла на конечные элементы показано на рис. 7.
0,010
Рис. 7. Примерное разбиение узла на конечные элементы
Модели узлов, подготовленные для численного эксперимента, приведены на рис. 8 (а -в). Суммарные деформации узлов приведены на рис.9.
Рис. 8.а. Первоначальная конструкция узла. Толщина дисков 4мм
Рис. 8.б. Модернизированная конструкция узла. Толщина дисков 4мм
Рис. 8.в. Усиленная конструкция узла. Толщина дисков 6мм
Рис. 9. Суммарные деформации в узлах
Наступление предельного состояния узла возможно либо при появлении пластических деформаций, либо при разрушении. При одноосном напряженном состоянии оценить момент появления деформаций текучести или момент разрушения можно, сопоставляя максимальное напряжение с пределом текучести или временным сопротивлением стали. В случае плоского или объемного напряженного состояния задача значительно усложняется. Необходимо установить уровень главных напряжений в элементе, при достижении которых произойдет переход от упругого состояния к предельному состоянию. Такой уровень напряжений может быть установлен с помощью критериев пластичности (текучести) или прочности (разрушения). Критериями могут быть максимальные нормальные напряжения, максимальные удлинения, энергия деформации или какие-либо другие. Множество критериев объясняется тем, что процесс наступления предельного состояния в металле еще недостаточно изучен. Критерии текучести или прочности должны дать возможность сравнения степени опасности различных напряженных состояний материала. Сравнение удобно выполнять, если одно из
напряженных состояний считать основным - эквивалентным. Значение напряжения Оэкв, при котором стальной образец в условиях одноосного напряженного состояния оказывается в равноопасном состоянии с рассматриваемым сложным напряженным состоянием в точке, называется эквивалентным.
Одним из критериев пластичности является критерий удельной энергии изменения формы. При появлении пластических деформаций достигает предельного значения та часть удельной потенциальной энергии, которая обусловлена изменением формы. Критерий удельной потенциальной энергии изменения формы называют энергетической (четвертой) теорией прочности или критерием максимального напряжения по Мизесу [2], основанным на теории Мизес-Хенки (М^еБ-Непску). Этот критерий считается наиболее точным для пластичных материалов с одинаковыми свойствами при растяжении-сжатии - т.е. вполне подходит для строительных сталей. Пластичный материал начинает повреждаться в тех местах, где напряжение по Мизесу становится равным предельному напряжению. В большинстве случаев, предел текучести используется в качестве предельного напряжения
Полученные в результате численного эксперимента [3] значения эквивалентных напряжений по Мизесу для исследуемых узлов приведены на рис. 10, для нижнего прижимного диска - на рис.11, для верхнего прижимного диска - на рис.12. Эквивалентные напряжения в верхнем диске исходного и модернизированного узла превышают значения предела текучести принятой марки стали От = 240 МПа, а эквивалентные напряжения в усиленном узле не превышают предела текучести. В нижнем диске исходного узла эквивалентные напряжения превышают предел текучести, а в усиленном варианте узла не достигают этого значения. Проведенный численный эксперимент показал, что в первоначальном и модернизированном узлах возникают пластические деформации на кромках постелей под шарниры, а в усиленном узле - пластических деформаций нет (рис. 13).
Анализ результатов конечно-элементного моделирования доработанного усиленного узла ПСК позволяет сделать вывод о его надежности. Установка втулок обеспечивает достаточную несущую способность узла и отсутствие чрезмерных деформаций прижимных дисков. Такая конструкция узла может быть внедрена для массового производства ПСК.
Оэкв f (оЬ О2, О3) > Опред °т.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Монография/О. Зенкевич (перевод с английского под редакцией Б.Е. Победри) - Издательство «Мир» Москва, 1975 г. -11 с.
2. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 1995. - 560 с.ил.
3. Бузало Н.А., Палкина И.Н. Использование информационных технологий в строительном проектировании. Известия высших учебных заведений СевероКавказского региона. Проблемы строительства и архитектуры - Новочеркасск, 2007 г. - С. 157-160.
4. Трофимов, В. И. Структурные конструкции / В. И. Трофимов,
5. Г. Б. Бегун. - М. :Стройиздат, 1972. - 155 с. Рекомендации по проектированию
структурных конструкций. ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. - М. :Стройиздат,
1984. - 298 с.
6. Трущев, А. Г. Пространственные металлические конструкции / А. Г. Трущев. -
М. :Стройиздат, 1983. - 215 с.
7. Клячин, А. З. Пространственные стержневые металлические конструкции
регулярной структуры / А. З. Клячин - Екатеринбург: Диамант, 1995. - 276 с.
8. Он же. Исследование структурных конструкций из пирамид с фланцевыми
узловыми сопряжениями / А. З. Клячин. // Строительство иархитектура. - 1991, № 7. - С. 14 - 18.
9. Проектирование металлических конструкций / В. В. Биркелев [и др]. - Л.
:Стройиздат, 1990. - 432 с.
10. Bulletin of international association fon shell and spational structures. - 1986. - № 90.
- S. 21 - 43.
Рецензент: Гайджуров Петр Павлович, профессор, доктор технических наук, кафедры «Техническая механика», Ростовского государственного строительного университета.
Nina Buzalo
«Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)»
Russia, Novocherkassk E-Mail: buzalo_n@mail.ru
Sergey Alekseev
«Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)»
Russia, Novocherkassk E-Mail: alex0555@yandex.ru
Nadezhda Tsaritova
«Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)»
Russia, Novocherkassk E-Mail: ncaritova@yandex.ru
Numerical study of three-dimensional bar swivel design
The article deals with the classification of spatial beam structures by type of rod elements, nodal connections, type of assembly modules, the structural system. Mentions the possibility of rapid construction of buildings light sports, entertainment or shopping destination. Connection rods fabricated light spatial structures, to undertake regular structure with a patented assembly. For transporting all the rods converging in a node, takes place in the holes of disks with beveled and packed in one direction, it becomes possible due to the presence of radial slots in the clamping discs. This allows to reduce the minimum volume for transport elements. At the installation site rods deployed in the design position and lock bolts. The authors have performed simulations and numerical investigation of the site by using the software ANSYS and SolidWorks. As a result of the numerical experiment, the values of equivalent stress von Mises for the test site. After identifying the weak spots in the pinch node disks were proposed design changes for its improvement. A further study examined three variants assembly including bushings between the pinch wheels. Sleeve provided a more rigid connection and uniform clamping rods ball couplings. Analysis of the results of finite element modeling of the modified power unit of the spatial beam structures allows us to conclude about its reliability.
Keywords: Spatial core design (SCD); nodes for SCD; software package.
Identification number of article 67TVN214
REFERENCES
1. Zenkevich O. Metod konechnyh jelementov v tehnike: Monografija/O. Zenkevich (perevod s anglijskogo pod redakciej B.E. Pobedri) - Izdatel'stvo «Mir» Moskva, 1975 g. -11 s.
2. Aleksandrov A.V., Potapov V.D., Derzhavin B.P. Soprotivlenie materialov: Ucheb. dlja vuzov. - M.: Vyssh. shk., 1995. - 560 s.il.
3. Buzalo N.A., Palkina I.N. Ispol'zovanie informacionnyh tehnologij v stroitel'nom proektirovanii. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij Severo-Kavkazskogo regiona. Problemy stroitel'stva i arhitektury - Novocherkassk, 2007 g. - S. 157-160.
4. Trofimov, V. I. Strukturnye konstrukcii / V. I. Trofimov,
5. G. B. Begun. - M. :Strojizdat, 1972. - 155 s. Rekomendacii po proektirovaniju strukturnyh konstrukcij. CNIISK im. V. A. Kucherenko. - M. :Strojizdat, 1984. - 298 s.
6. Trushhev, A. G. Prostranstvennye metallicheskie konstrukcii / A. G. Trushhev. - M. :Strojizdat, 1983. - 215 s.
7. Kljachin, A. Z. Prostranstvennye sterzhnevye metallicheskie konstrukcii reguljarnoj struktury / A. Z. Kljachin - Ekaterinburg: Diamant, 1995. - 276 s.
8. On zhe. Issledovanie strukturnyh konstrukcij iz piramid s flancevymi uzlovymi soprjazhenijami / A. Z. Kljachin. // Stroitel'stvo iarhitektura. - 1991, № 7. - S. 14 -18.
9. Proektirovanie metallicheskih konstrukcij / V. V. Birkelev [i dr]. - L. :Strojizdat, 1990. - 432 s.
10. Bulletin of international association fon shell and spational structures. - 1986. - № 90.
- S. 21 - 43.
