CC BY
87
ВЕСТНИК
5/2012
УДК 624.014
И.Н. Серпик, А.В. Алексейцев
ФГБОУ ВПО «БГИТА»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАМ
Приведено описание и основные результаты экспериментальных исследований процесса разрушения пространственных металлических рам со стержнями замкнутого профиля. Подтверждена возможность эффективной оценки предельной нагрузки для объектов такого типа с учетом образования пространственных пластических шарниров.
Ключевые слова: пространственная рама, экспериментальные исследования, предельная нагрузка, разрушение, пластический шарнир, деформации, тензометрия.
Требования безопасности конструктивных систем в строительстве во многих случаях предусматривают оценку разрушающих нагрузок. Анализ процессов разрушения плоских металлических рам может эффективно выполняться по схеме образования пластических шарниров [1—3]. Методики нахождения предельной нагрузки при разрушении пространственных рам изложены в [4, 5], однако экспериментальным исследованиям несущей способности объектов такого типа уделяется недостаточно внимания. В настоящей работе рассматривается вопрос экспериментального обоснования рассмотрения предельного равновесия пространственных рамных систем на основе учета пластических шарниров.
Объектом исследований для физических экспериментов являлись стальные конструкции из прямоугольных электросварных труб 30*20*1,5 по ГОСТ 8645—68. Для определения механических характеристик стали была проведена серия испытаний образцов труб на разрыв. Полученные диаграммы деформирования имели выраженную площадку текучести. По результатам статистической обработки испытаний с доверительной вероятностью 0,95 был установлен предел текучести материала ст = 580 ±5 МПа.
Испытывалось шесть рам Р1-Р6, изготовленных в соответствии со схемой, показанной на рис. 1. Каждый образец включал две плоские рамы ПР1 и ПР2, имеющие одинаковые конструктивные решения. Эти рамы соединялись между собой стержнем 1. Узлы соединений стержней 2, 3, 4 в плоских рамах выполнялись сварными с использованием стальных Г-образных вставок 5 и косынок 6. Стержни 1 и 3 соединялись при помощи сварки и зажимных обойм ОЗ.
Рис. 1. Схема рамно-стержневой системы
40 © Серпик И.Н., Алексейцев А.В., 2012
монтаж узловых соединений обеспечивался болтами. рамы закреплялись на опорных балках Бо экспериментального стенда (рис. 2, а). конструкция этих опор описана в патенте на изобретение [6]. нагружение выполнялось с помощью испытательной машины умм-5 по кинематической схеме через площадки оП (см. рис. 1). При этом c помощью рычажного механизма обеспечивалось приблизительно равномерное распределение суммарной вертикальной силы Р между этими площадками.
рис. 2. рама р1 на стенде после нагружения (а), узлы C (б) и D (в)
При измерении деформаций использовалась крейтовая система ЦГК EU-2 c наборами микросхем ЕЖ 212. Устанавливались тензометрические розетки ТР1-ТР4 (см. рис. 1) на основе датчиков типа КФ 5П1-3-200Б12 чувствительностью 2,1±0,02 и сопротивлением 200±0,2 Ом. Для фиксации розеток на образцах использовался клей холодного отверждения «Цикарин АО». Все датчики взяты из одной партии и тарировались на балке равного сопротивления.
Скорость кинематического нагружения задавалась равной 2 мм/мин. Каждая рама доводилась до состояния, когда сила Р достигала максимума Ртах. Далее отслеживалось падение нагрузки до уровня (0,6...0,7)Ртах. Показания датчиков деформаций снимались с интервалом сбора 30 мс с использованием свободно распространяемой версии программного комплекса LGraph 2.
Для каждой рамы в ходе испытаний было зафиксировано, что разрушение стержней при сложном сопротивлении происходит аналогично схеме образования пластических шарниров при плоском изгибе. Во всех образцах первый пространственный пластический шарнир образовывался в стержне 3 рамы ПР1 (см. рис. 1 и 2, а), далее —последовательно в стержне 3 рамы ПР2, в стержне 2 рамы ПР1, в стержне 2 рамы ПР2 и в стержне 4 рамы ПР1. Вид узлов С, Б (см. рис. 2, а) после испытания рамы показан на рис. 2, б, в.
В зонах возникновения пластических шарниров в ряде случаев образовывались трещины (см. рис. 2, б), что не приводило к полному разрушению образцов. Результаты измерения максимальных нагрузок приведены в таблице.
ВЕСТНИК
5/2012
Максимальные значения вертикальной силы
Нагрузка для рамы Pmal, Н
Р1 Р2 Р3 Р4 Р5 Р6
17050 17350 17100 16000 16400 17800
С доверительной вероятностью 0,95 было установлено, что величина максимальной нагрузки составила Ртах = 16950±650 Н. На рис. 3 и 4 приведены примеры полученных в экспериментах графиков зависимостей силы Р и относительной продольной деформации е от времени нагружения.
Рис. 3. Зависимость нагрузки от времени для Рис. 4. Показания продольного дат-рамы Р1 чика розетки ТР2 для рамы Р1
Из рис. 3 видно, что через 22 мин с начала нагружения сила P достигла своего максимального значения, а затем более 10 мин наблюдалось плавное падение нагрузки. В период с 33-й до 37-й минуты испытаний происходило более резкое изменение силы, связанное с образованием трещин в стержнях, что фиксировалось в процессе эксперимента.
В течение первых 17 мин эксперимента относительная деформация для рассматриваемого тензометрического датчика достигла уровня 0,22 % (см. рис. 4). Затем датчик разрушился, о чем можно судить по практически вертикальному отрезку графика.
Выполнялась расчетная оценка условий разрушения рассматриваемых объектов с использованием метода псевдожесткостей [4]. Расчет проводился в программном комплексе STARK ES 2009 (лицензия ФГБОУ ВПО «БГИТА» №№ 061398). Для этого расчета принимались исходные данные, экспериментально полученные в [7]: предельный крутящий момент трубчатого сечения (см. рис. 1) M"f - 8,717 кН-м, предельные изгибающие моменты относительно главных осей сечения = 7,233кН-м, М"р =5,6 кН -м.
В результате расчета найдена предельная нагрузка Рщ> = 16,2 кН, которая отличалась от среднего значения Pmax на 4,4 %.
Вывод. Экспериментальные исследования изготовленных из пластичной стали металлических пространственных рам со стержнями трубчатого поперечного сечения показали, что процесс разрушения конструкций такого типа можно рассматривать в соответствии со схемами метода предельного равновесия на основе учета возможности образования пространственных пластических шарниров. При этом метод псевдожест-костей позволяет достаточно эффективно оценивать значение максимальной нагрузки, которую может воспринять конструкция.
Библиографический список
1. JanosL. Optimal limit design of elasto-plastic structures for time dependent loading. Structural Multidisciplinary Optimization. 2007, vol. 33. pp. 269—273.
2. Bower A.F. Applied mechanics of solids. New York. CRC Press, 2009. 794 р.
3. Tin-LoiF. Plastic limit analysis of flat frames and grids using GAMS. Computers and Structures. 1995. vol. 54. pp. 15—25.
4. Рутман Ю.Л., Семенов В.А., Лебедев В.Л. Применение метода псевдожесткостей для анализа предельных состояний конструкций // Строительная механика и расчет сооружений. 2007. № 6. С. 68—72.
5. Серпик И.Н., Алексейцев А.В. Расчет пространственных стержневых систем методом предельного равновесия // Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов : матер. XXVII Междунар. конф. Санкт-Петербург. : СПбГАСУ, 2011. С. 104.
6. Серпик И.Н., Алексейцев А.В., Гусаков А.Н. Установка для испытаний на изгиб с кручением стержневых образцов. Пат. 2406992, РФ, МПК G01N 3/20 // Бюлл. № 35 от 20.12.2010 г. 4 с.
7. Серпик И.Н., Алексейцев А.В., Гусаков А.Н. Экспериментально-теоретические исследования процесса образования пластических шарниров в стержнях коробчатого сечения при сложном сопротивлении // Традиции и инновации в строительстве : сб. тр. 67-й Всеросс. науч.-техн. конф. Самара : СГАСУ, 2010. С. 131—133.
Поступила в редакцию в апреле 2012 г.
Об авторах: Серпик Игорь Нафтольевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механики, ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (ФГБОУ ВПО «БГИТА»), 241037, г. Брянск, пр. Станке Димитрова, д. 3, 8 (4832) 64-88-00, [email protected];
Алексейцев Анатолий Викторович — кандидат технических наук, доцент кафедры механики, ФГБОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (ФГБОУ ВПО «БГИТА»), 241037, г. Брянск, пр. Станке Димитрова, д. 3, 8 (4832) 62-32-54, [email protected].
Для цитирования: СерпикИ.Н., АлексейцевА.В. Экспериментальные исследования несущей способности пространственных металлических рам // Вестник МГСУ. 2012. № 5. С. 40—44.
I.N. Serpik, A.V. Alekseytsev
EXPERIMENTAL STUDY OF THE BEARING CAPACITY OF SPATIAL METAL FRAMES
In the article, the authors describe the principal findings of the experimental study of destruction of spatial frames made of closed-profile steel rods. Six samples of frames were tested through the application of a kinematic loading scheme. Values of forces, displacements and deformations were measured over the time. Each sample was brought to the state when the load reached its maximal value. Thereafter, the load intensity was reduced to 0.6...0.7 of its maximal value. It was identified that the destruction of rods in the event of combined stress was similar to the formation of plastic hinges in the course of regular bending. In some cases, cracks were formed in the zones of plastic hinges. This process did not cause complete destruction of frames.
Destruction-related conditions were also assessed by the quasi-rigidity method implemented in STARK ES 2009 software package. The input data were used to perform failure, bending and torsion tests of steel pipes. The experiments and calculations have proven that in this case the process of destruction can be considered in accordance with the limit equilibrium method by taking account of formation of spatial plastic hinges. The quasi-rigidity method can be employed to identify the maximal load that the frames can bear.
Key words: spatial frame, experimental study, limit load, destruction, plastic hinge, deformation, strain measurement.
References
1. Janos L. Optimal Limit Design of Elasto-Plastic Structures for Time-Dependent Loading. Structural Multidisciplinary Optimization. 2007, vol. 33, pp. 269—273.
2. Bower A.F. Applied Mechanics of Solids. New York, CRC Press, 2009, 794 р.
ВЕСТНИК .-i««..«
5/2012
3. Tin-Loi F. Plastic Limit Analysis of Flat Frames and Grids Using GAMS. Computers and Structures. 1995, vol. 54, pp. 15—25.
4. Rutman Yu.L., Semenov V.A., Lebedev V.L. Primenenie metoda psevdozhestkostey dlya analiza predel'nykh sostoyaniy konstruktsiy [Application of the Method of Pseudo-stiffness in the Analysis of Limit States of Structures]. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzheniy [Structural Mechanics and Analysis of Structures]. 2007, no. 6, pp. 68—72.
5. Serpik I.N., Alekseytsev A.V. Raschet prostranstvennykh sterzhnevykh sistem metodom predel'nogo ravnovesiya [Calculation of Spacial Rod Systems by the Limit Equilibrium Method]. Matematicheskoe modelirovanie v mekhanike deformiruemykh tel i konstruktsiy. Metody granichnykh i konechnykh elementov. [Mathematical Modeling in Mechanics of Solids and Structures. Methods of Boundary and Finite Elements]. Proceedings of the 27th International Conference. St.Petersburg, SPBGASU [St.Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering]. 2011, pp. 104.
6. Serpik I.N., Alekseytsev A.V., Gusakov A.N. Ustanovka dlya ispytaniy na izgib s krucheniem sterzhnevykh obraztsov. [Stand for Bending and Torsion Testing of Sample Rods]. Pat. 2406992, RF, MPK G01N 3/20 Bull. no. 35 of 20.12.2010, 4 p.
7. Serpik I.N., Alekseytsev A.V., Gusakov A.N. Eksperimental'no-teoreticheskie issledovaniya protsessa obrazovaniya plasticheskikh sharnirov v sterzhnyakh korobchatogo secheniya pri slozh-nom soprotivlenii [Experimental and Theoretical Study of the Process of Formation of Plastic Hinges in Box Section Rods in the event of Combined Stress]. Traditsii i innovatsii v stroitel'stve [Traditions and Innovations in construction]. Proceedings of the 67th All-Russian Scientific and Technical Conference. Samara, SGASU [Samara State University of Architecture and Civil Engineering]. 2010, pp. 131—133.
About the authors: Serpik Igor' Naftol'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Mechanics, Bryansk State Technological Academy of Engineering, 3 Stanke Dimitrov Prospect, Bryansk, 241037, Russian Federation; [email protected];
Alekseytsev Anatoliy Viktorovich — Candidate of Technical Sciences, Associated Professor, Department of Mechanics, Bryansk State Technological Academy of Engineering, 3 Stanke Dimitrov Prospect, Bryansk, 241037, Russian Federation, [email protected]; +7 (4832) 62-32-54.
For citation: Serpik I.N., Alekseytsev A.V. Eksperimental'nye issledovaniya nesushchey sposobnosti prostranstvennykh metallicheskikh ram [Experimental Study of the Bearing Capacity of Spatial Metal Frames]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 5, pp. 40—44.
