CC BY
17
Экспериментальное исследование рамно-стержневых конструкций с элементами из тонкостенных стальных профилей
Е.Е. Устименко, С.В. Скачков Донской Государственный Технический Университет
Аннотация: Рассматриваются результаты экспериментально-теоритических исследований строительной рамы на основе тонкостенных холодногнутых профилей. В процессе исследований изучено напряженно-деформированное состояние рамы из тонкостенных профилей; проработана методика предварительного моделирования элементов конструкций с помощью МКЭ; разработана конструкция испытательного стенда и составлена программа испытаний рам из тонкостенных стальных профилей; сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований; выполнение численных расчетов узлов конструкции; изучены особенности работы под нагрузкой и соответствия ее принятой расчетной схемы.
Ключевые слова: тонкостенных профиль, испытания конструкции, метод конечных элементов, испытательный стен.
В последние годы на строительном рынке, активно развивается строительство конструкций с применением тонкостенных стальных профилей [1]. Данная технология эффективно применяется в строительстве зданий различного назначения [2]. Существует множество проблем при использовании тонкостенных профилей. Большинство из них связаны с узловыми соединениями стержней, такие как: смятие кромок отверстий при использовании болтовых соединений, малая несущая способность многоболтового соединения из-за напряжений, которые возникают в районе первого болта [3], местное смятие полок при передачи сосредоточенных нагрузок от прогонов, массивные фасонные элементы, которые должны разместить на себе требуемое количество болтов и т.д [4-5]. Так же имеет не последнюю роль в прочности конструкций из тонкостенных профилей особенность работы сжатых стержней. Разрушение конструкции может наступить в результате потери общей устойчивости [6-8], а также при потере местной устойчивости [9 -10].
Модели и методы
В процессе проведения натурных испытаний рамной конструкции с элементами из тонкостенных профилей рассмотрено ряд вопросов:
- работа фрикционных болтовых соединений в элементах конструкции работающих на растяжение и сжатие;
- работа тонкостенных профилей при апробации предложенной методики предварительного анализа с помощью МКЭ;
- тензометрические измерения с учетом искажения результатов из-за искривления стенки и полок профиля.
- разработка испытательного стенда с применением современных материалов;
Для исследования рамы был произведен статический расчет рамы. Исходные данные: пролет рамы 12 метров, шаг 4.5, снеговой район III. Расчетная нагрузка 220кг/м2. По результатам определили максимальные
конструкции. Максимальное усилия сжатие в карнизном раскосе составил 111 кН при длине 710мм
Для эксперимента была запроектирована рама с уменьшенными размерами. Размеры конструкции составляли 1=5.1м, h=2.5м. Расчетная нагрузка на узел составляет 50кН, а общая 150кН. Максимальное усилие сжатия в элементах составляет 114кН при длине 910мм., что соответствует максимальным усилиям в элементах 12 метровой рамы. Так как элементы шарнирно-стержневой системы работают на растяжение и сжатие, то работа стержней крупномасштабной и уменьшенной рамы сопоставимы.
Проведение эксперимента
напряжения
в
стержнях и расчетные длины элементов
Для эксперимента был сконструирован и построен испытательный стенд (рис. 1) с применением современных технических средств и измерительных приборов.
Основное отличие стенда заключается в том что, в качестве создания нагрузки применялись тянущие гидравлические цилиндры, а контроль величины нагрузки производился с помощью динамометра включенного в линию создания нагрузки.
динамометр ТР группа
тенэореэистороб
Рисунок 1. Испытательный стенд
Основные результаты в ходе проведения испытаний:
- Результаты численных исследований показали разницу величины
напряжений на 10-35% в кромках отверстий фрикционных болтовых
соединений для элементов конструкции, работающих на растяжение и
сжатие, а также определено, концентрация усилий в районе первого болта
имеют различные места и знаки (рис.2). При сравнении результатов
численных и экспериментальных исследований наблюдается малая
сходимость. Данная погрешность говорит о том, что на величину
0
напряжений в кромках имеет значение положение
болта относительно зазоров в отверстии;
С,00
100.00
3
50,№ 5
Рисунок 2. Концентрация напряжений в районе первого болта в элементах работающих: а - на растяжение, б - на сжатие.
Для изучения работы тонкостенных профилей предложена методика предварительного анализа с помощью МКЭ. В данную методику входит построение модели работы тонкостенного элемента, на графике направления усилий выбор контрольных точек для размещения тензорезисторов (ТР), выбор схемы наклейки ТР с учетом особенности направления напряжений в районе места наклейки, корректировка численной модели с учетом особенностей схемы подключения ТР, сопоставление результатов численных и натурных испытаний. При применении данной методики удалось добиться высоких показателей сходимости результатов, не превышающих
а
6%. Результаты предварительного, уточненного и экспериментального исследований представлен в таблице 1.
Таблица 1. Результаты исследований НДС профилей
Напряжения, МПа.
Растяжение Сжатие
Предварительная модель МКЭ 184 152
Эксперимент 107 108 90 87
Уточненная модель МКЭ 102 88
- Работа тонкостенного профиля на растяжение и сжатие характеризуется сложной формой напряженно-деформированного состояния. На небольшом участке могут возникать множество разнонаправленных напряжений - осевые силы, разные формы потери общей устойчивости и потери местной устойчивости [3]. Данные особенности работы тонкостенного профиля затрудняют измерение осевых деформаций с помощью тензорезистров при измерении на поверхности профиля. Для исключения изгибных деформаций применена схема подключения тензорезисторова «мост с двумя активными ТР в точке синфазной деформации» (рис.3). Данная схема
подключения тензорезисторов исключает искажение данных возникающих в результате изгиба пластины.
Рисунок 3. Схема подключения тензорезисторов
- При разработке испытательного стенда удалось добиться: высокого уровня точности приложения нагрузки и регистрации измерений; высокой технологичности; снизить расходы на проведение испытаний; упросить создание и регулирование нагрузки; повысить уровень техники безопасности; упростить приложение нагрузки на узлы испытуемой конструкции (рис.1).
Выводы
1) По результатам исследований были предложены рекомендации:
- при расчете соединений на высокопрочных болтах учитывать фрикционную составляющую и разделять работу соединяемых элементов на сжатие и растяжение
- при измерении деформаций в тонкостенных стальных профилях с помощью тензорезисторов была рекомендована к использованию схема подключения «мост с двумя активными ТР в точке синфазной деформации», как наиболее подходящая для выявления «чистых» осевых напряжений. Была определена область применения испытуемой строительной системы.
2) Разработана методика предварительного моделирования конструкций
3) Разработан и запатентован стенд для испытания строительных конструкций (патент № 185718).
Благодарности:
Авторы выражают особую благодарность заведующему кафедрой «Железобетонных и каменных конструкций» в ДГТУд.т.н. профессору Маиляну Дмитрию Рафаэловичу за предоставленную для проведения испытаний лабораторию кафедры, включая технические средства для производства монтажа испытуемой конструкции.
Литература
1. Жмарин Е. Н. Международная ассоциация легкого стального строительства // Строительство уникальных зданий и сооружений. -2012. №2. -С. -27-30.
2. Айрумян Э. Л., Каменьщиков Н.И. Рамные конструкции стального каркаса из оцинкованных гнутых профилей для одноэтажных зданий различного назначения // Мир строительства и недвижимости. -2006. -№36 -С. 9-11.
3. Тарасов, А.В. Экспериментально-теоретические исследования рамных конструкций из стальных холодногнутых профилей: автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01/Тарасов Алексей Владимирович. - Томск, 2013 г. -
22 с.
4. Семенов А.С. Ферма из холодногнутых профилей повышенной жёсткости с болтовыми соединениями: автореф. дис. .канд. техн. наук: 05.23.01 / Семенов Александр Сергеевич.- Воронеж, 2009 - 21 с.
5. Любавская И.В. Напряженно-деформированное состояние рамной конструкции из стальных гнутых профилей: автореф. дис. .канд.техн.наук: 05.23.01/Любавская Ирина Владимировна. -Липецк,2018 г.-
23 с.
6. Белый Г. И. О расчете упругопластических тонкостенных стержней по пространственно-деформируемой схеме с учетом касательных напряжений деформаций сдвига // Межвуз. темат. сб. тр., № 32 (Металлические конструкции и испытания сооружений). - Л. : ЛИСИ, 1983. -С. 42-48.
7. Динник, А. Н. Устойчивость арок. -М.-Л.: Гостехиздат. 1946. -128 с
8. Dubina D., Ungureanu V., Szabo I. Codification of imperfections for advanced finite analysis of cold-formed steel members // Proceedings of the 3rd ICTWS, 2001. - Pp. 179-186.
9. Борисов, Е.В. Устойчивость окаймленных ребрами полок тонкостенных профилей // Строительная механика и расчет сооружений. -1965. -№2. - С. 39-44.
10. Броуде, Б.М. К теории тонкостенных стержней открытого профиля // Строительная механика и расчет сооружений. - 1960. -№5. -С. 611.
References
1. Zhmarin E.N. Construction of Unique Buildings and Structures. 2012. No.2. Pp. 27-30.
2. Ajrumyan E. L., Kamen'shchikov N.I. Mir stroitel'stva i nedvizhimosti. 2006. №36. pp. 9-11.
3. Tarasov, A.V. Eksperimentafno-teoreticheskie issledovaniya ramnyx konstrukcij iz stalnyx xolodnognutyx profilej [Experimental and theoretical studies of frame structures made of cold-formed steel profiles]: avtoref. dis. ... kand. texn. nauk: 05.23.01/Tarasov Aleksej Vladimirovich. Tomsk, 2013 g. 22 p.
4. Semenov A.S. Ferma iz xolodnognutyx profilej povyshennoj zhyostkosti s boltovy mi soedineniyami [Farm from cold-formed profiles of increased rigidity with bolted joints]: avtoref. dis. .kand. texn. nauk: 05.23.01. Semenov Aleksandr Sergeevich. Voronezh, 2009. 21 p.
5. Lyubavskaya I.V. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie ramnoj konstrukcii iz stal'nyh gnutyh profilej [Stress-strain state of the frame structure of steel bent profiles]:avtoref.dis. ...kand.tekhn.nauk:05.23.01/Lyubavskaya Irina Vladimirovna. Lipeck, 2018 g. 23 p.
6. Belyj G. I. O raschete uprugoplasticheskih tonkostennyh sterzhnej po prostranstvenno-deformiruemoj skheme s uchetom kasatel'nyh napryazhenij
deformacij sdviga [On the calculation of elastic-plastic thin-walled rods according to the spatially deformable scheme taking into account shear stresses]. Mezhvuz. temat. sb. tr., № 32 (Metallicheskie konstrukcii i ispytaniya sooruzhenij). L.: LISI, 1983. pp. 42-48.
7. Dinnik, A. N. Ustojchivost' arok. [Stability of arches]. M.-L.: Gostekhizdat. 1946. 128 p.
8. Dubina D., Ungureanu V., Szabo I. Proceedings of the 3rd ICTWS, 2001. Pp. 179-186.
9. Borisov, E.V. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzhenij. 1965. №2. pp. 39-44. Bibliogr.: 44p.
10. Broude, B.M. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzhenij. 1960. №5. pp. 6-11. Bibliogr.: 11 p.
