CC BY
16Метод повышения выдерживаемой нагрузки и безопасности балок в строительстве
Акулин Валерий Андреевич
магистрант, кафедра городского строительства и архитектуры, Тульский государственный университет, sciencenewt1@gmail.com
Кондратьев Максим Алексеевич
магистрант, кафедра городского строительства и архитектуры, Тульский государственный университет, sciencenewt1@gmail.com
Рерих Виктория Александровна
магистрант, кафедра охраны труда и окружающей среды, Тульский государственный университет, sciencenewt1@gmail.com
Целью работы является выявление изменения выдерживаемой нагрузки, безопасности и характера распределения деформаций в балках с ребрами жесткости и без них при строительстве зданий и сооружений. Были проведены математические расчеты методами конечных элементов в программе DeForm Эй для определения необходимых характеристик. Приведены конструктивные схемы усиленных двутавровых балок, получены данные о максимальных силах, которые выдерживают различные конструкции двутавровых балок при сжатии и характере их деформирования при превышении допустимых значений нагрузок. Представлены схемы распределения количественной меры деформаций при уменьшении высоты балок на 5%. На основании проведенного исследования были сделаны выводы о безопасности балок и характере изменения выдерживаемых нагрузок балками при вваривании в них ребер жесткости. Ключевые слова: балка, двутавр, строительство, безопасность, нагрузка, DeForm.
Введение
Современный человек большую часть жизни проводит в зданиях (живет, учится, работает, отдыхает, проводит досуг и т.д.), поэтому безопасность сооружений является важной составляющей любого проектного расчета [1]. Помимо этого, существует необходимость повышения выдерживаемых нагрузок конструктивных элементов на сжатие, кручение и изгиб с целью не только повышения безопасности, но и уменьшения габаритных размеров конструкций при сохранении необходимых прочностных характеристик.
Интерес представляет влияние ребер жёсткости (РЖ) на выдерживаемую нагрузку балок, и как следствие, безопасность людей, находящихся в сооружениях и рядом с ними.
Исследование
Для исследования были выбраны три вида балок с РЖ и без них. Балки представляют собой двутавры (профиль номер 20Б1 [2]) длинной 800 мм. В первом случае балка не была дополнительно усилена (рис. 1, а), во втором случае усиление производилось за счёт косых ребер жесткости (рис. 1, б), а в третьем - за счет поперечных РЖ (рис. 1, в). Ребра (их расположение показано на рис. 2) приваривались к телу двутавра.
в)
Рис. 1. Твердотельные модели: а - двутавр, б - двутавр с косыми ребрами, в - двутавр с поперечными ребрами
X X О го А С.
X
го т
о
ю 3
м о
О)
о
см
О!
О Ш
т
X
3
<
т О X X
5.6
ША
б)
Рис. 2. Эскизы: а - балка с косыми ребрами, балка с поперечными ребрами
В работе рассматривается воздействие силы, приложенной к верхней полке двутавра, при этом сама балка (нижней полкой) полностью опирается на абсолютно жесткую плоскую поверхность.
Расчет деформаций в процессе приложения силы и выдерживаемой нагрузки осуществлялся в программном комплексе DeForm, так как с использованием этой программы можно получить необходимые данные наиболее быстро и с необходимой точностью.
Для моделирования были получены твердотельные модели (рис. 1) в системе автоматизированного проектирования и далее импортированы в DeForm [3]. Конструкции считаются цельные, не сварные (для облегчения расчетов), изготовленная из стали 45. На двутавры не действовали никакие дополнительные силы, процесс рассчитывался при нормальных условиях.
Результаты
В ходе расчета были получены распределения деформаций (рис. 3) во всех трех типах балок (при приложении нагрузки выше допустимой и изменении высоты балки на 5%), а также величины выдерживаемых нагрузок. Все результаты сведены в таблицу (табл. 1).
Наибольшая деформация наблюдается на концах балок, вблизи полок и распространяется по диагоналям по всему телу двутавров, кроме полок.
Таблица 1
Данные, полученные в результате симуляции нагружения балок
Выдерживаемая сила, МН Выдерживаемая масса, т
Двутавр без РЖ 2,517 252
Двутавр с косыми РЖ 3,2 320
Двутавр с поперечными РЖ 3,33 333
в)
Рис. 3. Распределение количественной меры деформаций в рассматриваемых балках
Как видно из таблицы (табл. 1) применение ребер жесткости (при данной их компоновке) позволяет увеличить выдерживаемую силу балок, при чем наибольший эффект виден при использовании поперечных ребер жесткости. Так, выдерживаемая нагрузка в двутавре с косыми РЖ повышается на 27% относительно не усиленной балки, а поперечные РЖ позволяют добиться роста показателя максимальной нагрузки на 32%.
Выводы
Применение ребер жесткости в двутавровой конструкции балок позволяет:
Увеличить выдерживаемую нагрузку балок на
27-32%;
Повысить безопасность сооружения (за счет увеличения выдерживаемой нагрузки, жесткости и прочности);
Уменьшить необходимые размеры балок при строительстве или повысить жесткость и прочность двутавров без изменения их габаритов.
Однако такой подход сопровождается высокой трудоемкостью приваривания ребер жесткости, что сказывается на времени возведения зданий, и как следствие, на стоимости строительства.
Такие балки находят широкое применение при возведении зданий различного назначения, не только в промышленных и складских, но и жилых постройках, в которых несущая конструкция основана на применении металлических балок и колонн [4].
Литература
1. Теличенко В.И., Сборщиков С.Б. Основы проектирования, строительства, эксплуатации
зданий и сооружений: учебное пособие. М.: МГСУ, 2015. 492 с.
2. ГОСТ 26020-83. Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Введ. 01-01-1986. М.: Изд-во стандартов, 2012. 10 с.
3. Коваленко С.Ю. Инновационные технологии программного обеспечения при компьютерном моделировании процессов обработки металлов давлением // Вестник южно-уральского профессионального института. 2014. №2 (14). С. 52-58.
4. Waite T.J. Steel-Frame House Construction. 2 изд. Craftsman Book Co, 2010. 318 с.
The method of increasing the supervised load and safety of
beach in construction Akulin V.A., Kondratyev M.A., Rerih V.A.
Tula State University
The purpose of the work is to identify changes in the load withstand, safety and the nature of the distribution of deformations in beams with stiffeners and without them during the construction of buildings and structures. Were carried out mathematical calculations using finite element methods in the DeForm 3D program to determine the required characteristics. Structural schemes of reinforced I-beams were presented, data on maximum forces were obtained, which can withstand various designs of I-beams under compression and the nature of their deformation when the permissible loads are exceeded. The distribution schemes of the quantitative measure of deformations are presented with a decrease in the height of the beam by 5%. Based on the study, conclusions were made about the safety of the beams and the nature of the change in the loads withstanding beams when welding stiffeners into them.
Keywords: beam, double tee, construction, safety, load, DeForm. References
1. Telichenko V.I., Collectors S.B. Fundamentals of design, construction, operation of buildings and structures: a manual. M .: MGSU, 2015. 492 p.
2. GOST 26020-83. Hot-rolled steel tees with parallel edges of
shelves. Enter 01-01-1986. M .: Publishing house of standards, 2012. 10 p.
3. Kovalenko S.Yu. Innovative software technologies for computer modeling of metal forming processes // Bulletin of the South Ural Professional Institute. 2014. № 2 (14). Pp. 52-58.
4. Waite T.J. Steel-Frame House Construction. 2nd ed. Craftsman Book Co, 2010. 318 p.
X X О го А С.
X
го m
о
ю 3
M
о
to
