CC BY
30
УДК 624.014
Исаев А.В. - кандидат технических наук, доцент
E-mail: isaev@kgasu.ru
Вахтель Р.Р. - старший преподаватель
E-mail: v_roman@kgasu. ru
Закиров Р.А. - аспирант
E-mail: ramilzakirov1991@gmail.com
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зелёная, д. 1
Численные исследования напряженно-деформированного состояния стальной рамы переменного сечения с расщеплением карнизного узла
Аннотация
Постановка задачи. Цель исследования - разработка новой, более экономичной по расходу металла, конструктивной формы рамных каркасов промышленных зданий из лёгких металлоконструкций (ЛМК), а также изучение её поведения под нагрузкой и определение области применения.
Результаты. Основные результаты исследования состоят в изучении влияния расщепления карнизного узла на напряженно-деформированное состояние силовых элементов рамы. Также, в статье представлены варианты конструктивной проработки узловых соединений, и приведены результаты, являющиеся основой для дальнейшего изучения и совершенствования исследуемой рамы.
Выводы. Значимость полученных результатов для строительной отрасли состоит в новизне конструктивной формы рамного каркаса промышленных зданий, являющейся более экономичной по критерию расхода металла в сравнении с некоторыми типовыми рамами промышленных зданий. Также, развитие номенклатуры типовых ЛМК позволит повысить конкурентоспособность отечественных заводов и производителей, в сравнении с зарубежными.
Ключевые слова: рама переменного сечения, расщепление карнизного узла, анализ, статический расчет, численные исследования.
Введение
Для снижения металлоемкости промышленных зданий, проектировщиками давно применяются металлические рамные конструкции, зарекомендовавшие себя как наиболее экономичные, с точки зрения материалоемкости, и легко возводимые. Как в зарубежной отрасли производства зданий из ЛМК [8], так и в отечественной, основными преимуществами являются легкий вес, серийность, быстрое и легкое возведение. В связи с этим, вопросы снижения расхода металла и трудозатрат по возведению конструкций будут всегда представлять интерес.
Одним из способов оптимизации является возможность изменения поперечного сечения элементов для более эффективного распределения материала и восприятия усилий. К примеру, изучением эффективности применения профилей с переменной по длине жесткостью занимаются многие зарубежные исследователи, выяснившие, что экономия при таком способе оптимизации может достигать 27 % [4].
Также, при оптимизации имеется возможность варьировать не только сечением силовых элементов, но и конструктивной формой всего каркаса. Интересная методика оптимизации, к примеру, при варьировании угла наклона ветвей колонны, подробно описана в [10].
При всех этих методиках нужно учитывать напряженно-деформированное состояние конструкции. В рамных конструкциях опасным местом является карнизный узел, из-за наибольшего изгибающего момента, который является расчетным при определении сечения силовых элементов рамы. Данный факт приводит к перерасходу металла в других частях конструкции. Для решения данной проблемы в [1] предлагается более рациональное применение в указанном узле сквозного сечения рамы, включающей стойки, ригели, и подкосы карнизной части (рис. 1).
I
Рис. 1. Модель рамы с расщеплением карнизного узла постоянного сечения
При этом каждый подкос образован путем продольной резки профилей стыкуемых концов стойки и ригеля с последующим отгибом их нижних частей и соединенных между собой.
Расщепленный узел рамы, со стойками и ригелем постоянной жесткости, рассмотрен в [2], где методом сил, с использованием суперэлементного подхода [7, 8], была установлена возможность влияния геометрических параметров на весовые показатели рамы. В [3] были рассмотрены натурные испытания и сравнение НДС рамы сплошного постоянного сечения и рамы с расщеплением карнизного узла.
В связи с этим, двигаясь по направлению оптимизации массы, данная рама была модифицирована, и в статье рассмотрена как рама переменного сечения с расщеплением карнизного узла (рис. 2).
Рис. 2. Модель исследуемой рамы переменного сечения с расщеплением карнизного узла
Ход исследований
Конструкция имеет пролет 18 м, высоту карнизного узла 7,2 м, угол наклона ригеля 15о. Теоретические исследования по выбору оптимальных параметров представлены в [5]. Отметка стыка подкоса и стойки была принята на уровне 4,5 м. Угол подкоса 45о.
В рамках численного эксперимента рама загружалась снеговой нагрузкой величиной 245 кг/м2 при шаге рам 6 м. Таким образом, в численных исследованиях вес покрытия, ветровая нагрузка и собственный вес элементов рамы не учитывался.
При статическом расчете, использовалась плоская трехшарнирная стержневая конечно-элементная модель. Эпюры продольных усилий (рис. 3) и изгибающих моментов (рис. 4) позволяют определить расчетное сечение, которым является сечение стойки в месте стыка «стойка-подкос». Вопрос принятия типов узловых соединений подкоса прорабатывался с помощью наиболее простых, с конструкторской точки зрения, решений. В связи с этим, узел стыка подкоса и ригеля в расчетной схеме принят шарнирным, а узел стыка подкоса и стойки - жестким.
Рис. 3. Эпюра продольных усилий Рис. 4. Эпюра изгибающих моментов
Силовые элементы являются сжато-изгибаемыми по характеру работы, поэтому более рациональным является двутавровое сечение. По критерию прочности, согласно СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции», был подобран двутавровый профиль 45 Б1, являющийся исходным. Дальнейшая методика получения двутавров переменной жесткости описана в [6].
Расщепление карнизного узла выполнено путем продольного реза стойки. Таким образом, верхняя часть стойки, а также подкос образованы тавровым сечением. Стоит отметить, что при реальном конструировании получение подкоса путем отгиба представляется довольно трудным, ввиду сложности устройства поперечного реза стенки двутавра. В связи с этим, более рациональным будет полный вырез подкоса, где стык со стойкой будет выполнен жестким, при помощи дополнительно привариваемых ребер жесткости (рис. 5).
Рис. 1. Узел стыка «подкос-стойка» Рис. 6. Узел стыка «подкос-ригель»
Стык подкоса и ригеля выполнен шарнирным, и образован путем болтового соединения через Т-образный, дополнительно вводимый, элемент на сварке (рис. 6). По схеме работы стык является шарнирным, где полка тавра в подкосе вырезается. Было учтено также и конструктивное требование по соблюдению краевых расстояний от болта до края элемента.
Устройство конькового соединения принято фланцевым. Подкос рамы представляет собой два стыкуемых элемента через сварные накладки по стенке и поясу тавра (рис. 7). Такое устройство подкоса позволяет минимизировать количество отходов металла, и снижает массу используемого материала на конструкцию в целом.
Карнизный узел (рис. 8) выполнен с помощью приварки ребра тавра стойки к полке ригеля. В торце ригеля устраиваются торцевые пластины. При рассмотрении общей трудоемкости возведения рамы, очевидно, что возведение на строительной площадке будет происходить легче за счет того, что укрупнительную сборку ригеля и стойки возможно производить на земле, то есть отсутствуют сложности при выверке фланца стойки и фланца ригеля при монтаже ригеля на весу, как это устраивается в некоторых типах современных рамных конструкций.
Рис. 7. Узел стыка «подкос-подкос» Рис. 8. Карнизный узел
Исследование напряженно-деформированного состояния численной модели производилось в ПК «Ли8у8». Задача решалась с учетом упругопластической работы стали рамы (рис. 9). Материал - сталь С245. Болты высокопрочные класса 10.9.
Рис. 9. Диаграмма работы стали силовых элементов рамы в нелинейной постановке
Методика загружения аналогична загружению конечно-элементной модели, и производилось только на снеговую нагрузку. Для исключения влияния дополнительных перемещений, вызванных податливостью бетона фундамента и деформациями основания, условия закрепления рамы не включали фундамент и основание. Изополя эквивалентных напряжений по раме представлены на рис. 10.
Рис. 10. Изополя эквивалентных напряжений
Можно заметить, что самым опасным местом конструкции будет являться узел стыка подкоса и стойки, вследствие влияния продольной силы подкоса. При более детальном рассмотрении узла (рис. 11) становится ясно, что элемент работает за пределами упругой стадии.
Рис. 11. Изополя эквивалентных напряжений узла стыка «подкос - стойка»
Возникает вопрос об исключении перенапряжения данного узла. Одним из самых эффективных методов, для исключения пластических деформаций, будет являться развитие сечения до такой формы, которая будет наилучшим образом воспринимать изгибающий момент и продольную силу. Очевидно, что лучшим сечением для сжато-изгибной работы будет являться двутавровое. Такое сечение удастся получить путем приварки дополнительных пластин достаточной толщины к стенке тавра в зоне критических напряжений (рис. 12). При этом нужно учитывать, что таким образом произойдет увеличение массы конструкции, а также незначительно увеличится трудоемкость изготовления за счет операций по подготовке контактирующих поверхностей.
Рис. 12. Узел стыка «подкос-стойка» после приведения сечения к двутавровому
После моделирования конструкции с развитым узлом стыка подкоса и стойки, картина эквивалентных напряжений меняется, и становится видно, что теперь узел находится на границе упругой работы материала с очень малой зоной пластики (рис. 13).
Рис. 132. Изополя эквивалентных напряжений узла стыка «подкос-стойка» при приведении к двутавровому сечению
В узле стыка ригеля и подкоса критические напряжения наблюдаются лишь на границе контакта «болт-конструкция» (рис. 14). Силовые элементы рамы работают в упругой стадии. В рамках данного численного исследования не производилось подробное представление особенностей геометрии болта, так как учет работы болта не являлся темой исследования. Дополнительные мероприятия по модификации узла не требуются.
Рис. 14. Эквивалентные напряжения узла стыка «подкос-ригель»
Деформация рамы вследствие пониженной жесткости является довольно существенной. Максимальные горизонтальные перемещения (рис. 15) составили 35,7 мм вследствие влияния продольной силы и пониженной жесткости верхней части стойки. Вертикальные перемещения в коньке составили 87,2 мм (рис. 16).
Рис. 15. Горизонтальные перемещения элементов рамы по оси X
Рис. 16.3 Вертикальные перемещения элементов рамы по оси Ъ
После конструирования узловых соединений и проработки чертежных схем стадии КМД исследуемой рамы, удалось вычислить расход металла на исследуемую раму в целом, вес силовых элементов, вес используемого металла на дополнительно привариваемые детали (исключая метизы), а также общий вес рамы (табл. 1). Расход подсчитывался для исследуемой трехшарнирной рамы пролетом 18 м с шагом 6 м, и нагрузке к ней величиной 245 кг/м2.
Таблица 1
Расход металла на исследуемую раму
Наименование Значение
Удельный расход металла 18 кг/м2
Вес силовых элементов 1802 кг
Вес деталей (исключая метизы) 150 кг
Общий вес рамы 1952 кг
Путем анализа некоторых наиболее широко применяемых типов серийных рам промышленных зданий бескранового типа, к примеру, решетчатых двухшарнирных рам типа «Уникон 1» и «Уникон 2», удалось выяснить их теоретическую массу при аналогичных геометрических параметрах и условиях нагружений. Для сравнения исследуемой трехшарнирной рамы переменного сечения с расщеплением карнизного узла с данными типами рам, был введен удельный показатель веса «с», показывающий отношение удельного расхода металла к нагрузке на ригель (табл. 2). Чем данный коэффициент ниже, тем рама более экономична. Нужно отметить, что приведенные для сравнения значения общего веса рам типа «Уникон 1» и «Уникон 2» были подсчитаны для двухшарнирных рам, которые являются более экономичными по металлоемкости, нежели трехшарнирные, однако исследуемая рама указывает на более эффективный расход металла.
Таблица 2
Расход металла исследуемой рамы переменного сечения с расщеплением карнизного узла в сравнении с решетчатыми рамами типа «Уникон»
Наименование Рама с расщеплением карнизного узла Уникон 1 Уникон 2
Общий вес рамы (кг) 1952 2326 2154
Удельный показатель веса «с» 0,73 0,89 0,83
Очевидно, что данная конструктивная форма может использоваться в тех промышленных зданиях, в которых не используются краны, ввиду устройства подкоса. Однако, в просвете карнизного узла возможно протягивать инженерные системы, что положительно скажется на использовании рабочего пространства.
Рассматривая раму с позиции трудоемкости, можно сделать вывод о большем удобстве возведения конструкции на строительной площадке, ввиду возможности устройства укрупнительной сборки на земле в горизонтальном положении, нежели монтаж на весу у других типов рам. Чрезмерные деформации под нагрузкой являются одним из вопросов дальнейших исследований.
Список библиографических ссылок
1. Стальная рама с расщеплением карнизного узла : пат. 2263190 Рос. Федерация. № 204111210/03 ; заявл. 05.04.2004; опубл. 27.10.2005, Бюл. № 22.
2. Вахтель Р. Р., Исаев А. В., Ефимов О. И., Закиров Р. А. К расчету рамы с расщеплением сечения в уровне карнизного узла // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6.
3. Вахтель Р. Р., Исаев А. В., Закиров Р. А. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния стальных рам // Известия КГАСУ. 2015. № 2 (32) С. 137-148.
4. Sklyarov I. O. Application of monosymmetrical I-beams in light metal frames with variable stiffness // Пращ Одеського полггехшчного ушверситету. 2016. № 1 (48) С. 30-34.
5. Вахтель Р. Р., Исаев А. В. Определение оптимальных параметров стальных рам : сб. ст. XIII Международной научно-практической конференции - Эффективные строительные конструкции: Теория и практика / ПГУАС. Пенза, 2013. С. 22-25.
6. Горев В. В. Курс металлических конструкций. Том 2: конструкции зданий. М. : Высшая школа, 2004. 528 с.
7. Дарков А. В. Строительная механика. Изд. 7. М. : Высшая школа, 1976. 600 с.
8. Уманский А. А. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Изд. 2. М. : Стройиздат, 1972. 600 с.
9. Architectural design guide. Lightweight steel framing // bmp-group.com : интернет-изд. 2012. URL: http://www.bmp-group.com/docs/Design/lightweight-steel-framing-architectural-design-guide.pdf (дата обращения: 27.10.2017).
10. Кузнецов И. Л., Салахутдинов М. А. Оптимизация параметров нового конструктивного решения стального каркаса многопролетного здания // Известия КГАСУ. 2012. № 2 (20). С. 94-98.
Isaev A.V. - candidate in technical sciences, associate professor
E-mail: Isaev@kgasu.ru
Vahtel R.R. - senior lecturer
E-mail: v_roman@kgasu. ru
Zakirov R.A. - post-graduate student
E-mail: ramilzakirov1991@gmail.com
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1
Numerical study of stress-strain state of frame with variable section and eave node splitting
Abstract
Problem statement. The aim of the research is the development of a new, more economical metal consumption, the structural form of frame frames for industrial buildings made of lightweight metal structures (LMC), as well as the study of its behavior under load and the definition of the field of application.
Results. The main results of the study are to study the effect of splitting of the cornice knot on the stress-strain state of the force elements of the frame. Also, the article presents options for constructive study of nodal connections, and presents the results, which are the basis for further study and improvement of the investigated frame.
Conclusions. The significance of the obtained results for the construction industry consists in the novelty of the structural form of the frame structure of industrial buildings, which is more economical by the criterion of metal consumption in comparison with some typical frames of industrial buildings. Also, the development of the nomenclature of standard LMC will increase the competitiveness of domestic factories and producers, in comparison with foreign ones.
Keywords: frame of variable section, eave node splitting, analysis, static solving, numerical experiments.
References
1. Steel frame with splitting of the cornice unit: pat. 2263190 Rus. Federation. No. 204111210/03; claimed. 05.04.2004; publ. 27.10.2005, Bul. № 22.
2. Vahtel R. R., Isaev A. V., Efimov O. I., Zakirov R. A. About designing of the frame with splitting of cross-section in the eaves node // Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya. 2014. № 6.
3. Vahtel R. R., Isaev A. V., Zakirov R. A. Experimental studies of a stress-strain of the steel frame // Izvestiya KGASU. 2015. № 2 (32). P. 137-148.
4. Sklyarov I. O. Application of monosymmetrical I-beams in light metal frames with variable stiffness // Praci Odeskogo politihnichnogo universitetu. 2016. № 1 (48). P. 30-34.
5. Vakhtel R. R., Isaev A. V. Determination of the optimal parameters of steel frames: Coll. of art. of the XIII International scientific and practical conference - Effective Building Constructions: Theory and practice / PGUAS. Penza, 2013. P. 22-25.
6. Gorev V. V. Course of steel construction. Part 2. M. : Vysshaya shkola, 2004. 528 p.
7. Umanskiy A. A. Reference book of industrial, dwelling, public building engineer. № 2 revised. M. : Strojizdat, 1972. 600 p.
8. Darkova A. V. Structural mechanics publication. № 7. Workbook for universities. M., Vysshaya shkola, 1976.
9. Architectural design guide. Lightweight steel framing // bmp-group.com : интернет-изд. 2012. URL: http://www.bmp-group.com/docs/Design/lightweight-steel-framing-architectural-design-guide.pdf (reference date: 27.10.2017).
10. Kuznetsov I. L., Salakhutdinov M. A. Optimization of the parameters of a new structural solution of steel frame of multispan building // Izvestiya KGASU. 2012. № 2 (20). P. 94-98.
