CC BY
21
УДК 624.01
КОКОВИХИН ИВАН ЮРЬЕВИЧ, аспирант, uzdproekt@mail.ru
АЛЁХИН ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, Уральский государственный технический университет,
620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19
К РАСЧЕТУ РИГЕЛЕЙ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МНОГОЯРУСНЫХ ОДНОПРОЛЕТНЫХ РАМАХ С УЧЕТОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ УСИЛИЙ
Статья посвящена вопросу регулирования усилий в узлах металлических многоярусных однопролетных рам. Представлены новые технические решения по регулированию НДС в рамах и произведена оценка полученных решений с точки зрения экономии материала в ригелях рамы.
Ключевые слова: Металлические многоярусные однопролетные рамы, регулирование усилий, оптимальное проектирование, металлические конструкции, автоматизированное проектирование.
KOKOVIKHIN, IVAN YURYEVICH, P.G., uzdproekt@mail.ru
ALEKHIN, VLADIMIR NIKOLAYEVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof.,
Ural State Technical University,
19 Mira st., Yekaterinburg, 620002, Russia
THE CALCULATION OF CROSS-BAR IN METAL SINGLE-SPAN FRAMES WITH CONTROLING THE FORCES IN THEM
The paper is devoted to the regulation of forces in the nodes of many-tier single-span steel frames. New technical decisions for the regulation of stress-strain state in frames are given and the estimation of received decisions from the point of view of economy of materials in the girders of the frame is made.
Keywords: metal many-tier single-span frames, control of forces, optimal designing, metal structures, automated design
Металлические многоярусные однопролетные рамы являются составной частью каркаса (основной несущей конструкцией сооружения), которая воспринимает и передает на фундамент все вертикальные и горизонтальные нагрузки.
Одним из направлений снижения расхода материала на элементы рамных конструкций является регулирование их напряженно-деформированного состояния (НДС). Примеры регулирования усилий в строительных конструкциях решетчатых ригелей однопролетных рам приведены в книгах [1], [2].
Во многих задачах регулирования (первого типа) главным является выполнение требования выравнивания напряжений или усилий. Оно основано на идее равнопрочности, и в этом обнаруживается связь с оптимизацией, так как многие равнопрочные конструкции являются оптимальными по расходу материала.
© И.Ю. Коковихин, В.Н. Алёхин, 2010
В задачах регулирования другого типа требуется улучшить какую-либо характеристику конструкции в определенной пропорции к заданной (например, уменьшить максимальный момент на 20 % или повысить устойчивость или увеличить собственную частоту). Такая постановка более близка к оптимальному проектированию.
В настоящей статье рассмотрены технические решения по регулированию НДС в металлических многоярусных однопролетных рамах и произведена оценка полученных решений с точки зрения экономии материала в ригелях рамы.
Для повышения прочности и жесткости элементов каркаса металлической многоярусной однопролетной рамы, а также снижения металлоемкости и упрощения монтажа за счет возможности регулирования усилий в элементах рамы предлагается конструкция узла примыкания ригеля к крайней колонне в многоярусной раме [3] и узла рамного металлического каркаса многоэтажного здания [4].
На рис. 1 изображена конструкция узла примыкания ригеля к крайней колонне в многоярусной раме. Указанная задача в работе [3] достигается за счёт того, что соединительные элементы выполнены в виде уголков, которые установлены с наружной и внутренней сторон примыкающей к ригелю полки колонны, а верхняя полка ригеля снабжена закрепленными снизу упорными деталями в виде уголков с отверстиями для болтов. При этом в соединительных элементах, расположенных в уровне ниже верхней полки ригеля, выполнены горизонтальные отверстия, в которые для возможности регулирования усилий в элементах рамы вставлены дополнительные горизонтальные высокопрочные болты различной длины, не превышающей 0,15 пролета ригеля, каждый из которых противоположным концом закреплен на одной из упорных деталей, установленных снизу к полке ригеля. Кроме этого, наружная полка колонны ниже уровня расположения ригеля, а внутренняя полка колонны выше уровня ригеля снабжены изнутри закрепленными снизу упорными деталями в виде уголков с отверстиями для болтов, а соединительные элементы в виде уголков установлены с внутренней стороны наружной полки колонны в уровне нижнего ребра жесткости. При этом в соединительных элементах, установленных с внутренней стороны наружной полки колонны, в уровне нижнего ребра жесткости, и с внутренней стороны внутренней полки колонны, в уровне верхнего ребра жесткости, выполнены вертикальные отверстия. В отверстия вставлены вертикальные высокопрочные болты различной длины, не превышающей 0,3 высоты колонн выше и ниже расположенных ярусов рамы, каждый из которых одним концом закреплен с соединительными деталями, а другим - с одной из упорных деталей, установленных к полкам колонн различных ярусов.
На рис. 2 изображена конструкция узла 1 в ригеле металлической рамы. В работе [4] положительный эффект достигается за счёт того, что двутавровый элемент, расположенный в пролете, опирается нижней полкой свободно, без крепления болтами, на нижнюю полку торца смежного неразрезного элемента ригеля, которая снабжена приваренной снизу металлической пластиной, а стенки торцовых частей совмещенных в узле элементов ригеля снабжены приваренными вертикальными несущими ребрами жесткости. При этом ребра жесткости в торцах элемента ригеля, расположенного в пролете, выполнены увели-
ченной толщины и ширины и снабжены в нижней части отверстиями, в которых для возможности регулирования усилий в элементах рамы установлены концы предварительно-напряженных стержней, а также дополнительной пластиной - упором, приваренной сверху кромки нижней полки элемента ригеля.
Рис. 1. Боковой вид конструкции узла примыкания ригеля к крайней колонне в многоярусной раме
Рис. 2. Конструкция узла 1 в ригеле металлической рамы
В отличие от существующих, в предложенном узле ригели работают совместно с железобетонной плитой, а введенные в среднюю часть ригелей предварительно-напряженные элементы из высокопрочной стали повышают несущую способность и деформативность рамного каркаса.
Для оценки влияния регулирования усилий в верхней полке ригеля вблизи узлов рамы [3] и в нижней полке в пролетной части ригеля [4] были выполнены расчеты. Расчеты проводились в программе Lira 9.4 R8. Расчетная конечно-элементная модель фрагмента рамы выполнена с использованием конечных элементов (КЭ), тип 241, с учетом развития пластических деформаций (физически нелинейный универсальный прямоугольный КЭ оболочки), диаграмма работы стали принята как для стали высокой прочности С 390, размер конечных элементов, тип 241, принят 50^50 мм, расчет физически нелинейный. Для упрощения и оценки адекватности расчетной конечноэлементной модели были составлены стержневые расчетные схемы.
Расчетная схема с регулированием усилий в верхней полке ригеля вблизи узлов рамы. Геометрические параметры фрагмента рамы: пролет ригеля L = 12,0 м; высота фрагмента рамы H = 8,0 м. Типы жесткости колонн, ригеля и упорных деталей фрагмента рамы с регулированием усилий в верхней полке ригеля вблизи узлов рамы приведены на рис. 3.
Расчетная схема выполнена с использованием конечных элементов, тип 10 (универсальный стержень), на опорах (сверху и снизу колонны) принято шарнирное закрепление, расчет линейный. Нагрузки: фрагмент рамы загружен равномерно распределенной нагрузкой, приложенной к ригелю, интенсивностью 10 т/м. Для уменьшения и выравнивания опорных и пролетных изгибающих моментов в ригеле рамы выполнялось регулирование усилий
в верхней полке ригеля вблизи узлов рамы. Усилие натяжения высокопрочных болтов моделировалось с помощью приложения сосредоточенной силы к колонне на расстоянии 400 мм, от узла соединения с ригелем и к верхнему узлу упорной детали высотой 400 мм, установленной на расстоянии 2 м от узла соединения ригеля с колонной. Сосредоточенные силы направлены по оси Х друг к другу таким образом, чтобы на приопорном участке ригеля создать сжатие. Значение усилия натяжения высокопрочных болтов в верхней полке ригеля вблизи узлов рамы варьировалось от 0 до 100 т.
Рис. 3. Расчетная схема с регулированием усилий в верхней полке ригеля вблизи узлов рамы
Расчетная схема с регулированием усилий в нижней полке в пролетной части ригеля. Геометрические параметры фрагмента рамы: пролет ригеля Ь = 12,0 м; высота фрагмента рамы Н = 8,0 м. Типы жесткости колонн, ригеля и упорных деталей фрагмента рамы с регулированием усилий в нижней полке в пролетной части ригеля приведены на рис. 4.
Расчетная схема выполнена с использованием конечных элементов, тип 10 (универсальный стержень), на опорах (сверху и снизу колонны) принято шарнирное закрепление, ригель состоит из двух неразрезных элементов, жестко связанных с колонной, и среднего балочного элемента, который шарнирно (шарнир по иУ) связан с неразрезными элементами, расчет линейный. Нагрузки: фрагмент рамы загружен равномерно распределенной нагрузкой, приложенной к ригелю, интенсивностью 10 т/м. Для уменьшения пролетного изгибающего момента в ригеле рамы выполнялось регулирование усилий в середине пролета ригеля. Усилие натяжения высокопрочных болтов моделировалось с помощью приложения сосредоточенной силы к нижним узлам упорных деталей высотой 400 мм, установленных на расстоянии 2 м от узлов соединения ригеля с колонной. Сосредоточенные силы направлены по оси Х друг к другу таким образом, чтобы на среднем участке ригеля создать сжатие. Значение усилия натяжения высокопрочных болтов в нижней полке в пролетной части ригеля варьировалось от 0 до 100 т.
7
А
-о
о-
<¡=10 т/м
|7=й../а?и^Г
2000
2000
Н.'Котш -
-пот
-стенка
(Ш0І і (6Ж)
X
>-
12000
\\\ Ч\ Л\\
Рис. 4. Расчетная схема с регулированием усилий в нижней полке в пролетной части ригеля
Эпюры изгибающих моментов при регулировании усилий в верхней полке ригеля вблизи узлов рамы приведены на рис. 5, при регулировании усилий в нижней полке в пролетной части ригеля - на рис. 6.
б
а
-99.912
-99.912
71.808
31.087
31.087
85.299
73.404
Рис. 5. Эпюры изгибающих моментов при регулировании в верхней полке ригеля вблизи узлов рамы:
а - усилие натяжения высокопрочных болтов равно 0 т; б - усилие натяжения высокопрочных болтов равно 100 т
б
4.1&ч Jt\66
-98.151
-98.151
\-35.S34 -35.834/
^^4Л66
46.482
а
Рис. 6. Эпюры изгибающих моментов при регулировании усилий в нижней полке в пролетной части ригеля:
а - усилие натяжения высокопрочных болтов равно 0 т; б - усилие натяжения высокопрочных болтов равно 100 т
Результаты определения изгибающих моментов при регулировании усилий в высокопрочных болтах занесены в таблицу.
Результаты определения изгибающих моментов при регулировании усилий в высокопрочных болтах
№ п/п Местоположение участков, на которых выполнялось регулирование усилий Наименование внешних усилий и изгибающих моментов в сечениях ригеля рамы Величины внешних воздействий и изгибающих моментов в сечениях ригеля рамы
1 В верхней полке ригеля вблизи узлов рамы Значение усилия натяжения высокопрочных болтов в узле рамы, т 0 10 100
Значение изгибающего момента Му в пролете ригеля рамы, т-м 85,299 84,11 73,404
Значение изгибающего момента Му на опоре ригеля, т-м 99,912 97,102 71,808
2 В нижней полке в пролетной части ригеля Значение усилия натяжения высокопрочных болтов в середине пролета ригеля, т 0 10 100
Значение изгибающего момента Му в пролете ригеля рамы, т-м 86,482 82,482 46,482
Значение изгибающего момента Му на опоре ригеля, т-м 98,151 98,151 98,151
Выводы
1. При регулировании усилий только в ригелях металлических многоярусных однопролетных рам в соответствии с решением [3] снижение значения изгибающего момента на опорах может составлять до 20-25 %.
2. При регулировании усилий по концам балочного элемента ригеля в металлической многоярусной однопролетной раме по техническому решению [4] снижение значения изгибающего момента в середине пролета ригеля может составлять до 40-45 %.
Библиографический список
1. Регулирование. Синтез. Оптимизация. Избранные задачи по строительной механике и теории упругости / Н.П. Абовский, Л.В. Енджиевский, В.И. Савченков [и др.]. - М. : Стройиздат, 1993. - 456 с.
2. Ольков, Я.И. Оптимальное проектирование металлических предварительнонапряженных ферм / И.С. Холопов. - М. : Стройиздат, 1985. - 156 с.
3. Патент Российской Федерации на полезную модель № 78827. Узел примыкания ригеля к крайней колонне в многоярусной раме / Алехин В.Н., Иванов Г.П., Коковихин И.Ю. -Опубл. 10.12.2008, Бюллетень № 34.
4. Патент Российской Федерации на полезную модель № 85509. Узел рамного металлического каркаса многоэтажного здания / Алехин В.Н., Иванов Г.П., Коковихин И.Ю. -Опубл. 10.08.2009, Бюллетень № 22.
