CC BY
5
Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2024. Т. 26. № 1. С. 118-126.
Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta -Journal of Construction and Architecture.
ISSN 1607-1859 (для печатной версии) ISSN 2310-0044 (для электронной версии)
2024; 26 (1): 118-126. Print ISSN 1607-1859 Online ISSN 2310-0044
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ УДК 693.22:624.04
DOI: 10.31675/1607-1859-2024-26-1-118-126
EDN: OKFRNK
МОДЕЛИРОВАНИЕ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КАРКАСА
ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ ИЗ ТРУБЧАТЫХ ФЕРМ И РЕШЕТЧАТЫХ ПРОГОНОВ ПОКРЫТИЯ С УЧЕТОМ НЕСОВЕРШЕНСТВ
Иван Иванович Подшивалов
Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск, Россия
Аннотация. Актуальность работы заключается в том, что при реконструкции металлического каркаса промышленного здания возникла необходимость в оценке влияния несовершенств в виде неравномерных геометрических отклонений от вертикального положения решетчатых прогонов покрытия на их напряженно-деформированное состояние и в проверке условий выполнения первого и второго предельных состояний.
Цель работы состоит в расчетном обосновании допустимого значения горизонтального отклонения из плоскости решетчатых прогонов покрытия.
Методы. Расчетное обоснование возможности использования решетчатых прогонов покрытия с учетом установленных геометрических несовершенств при реконструкции промышленного здания выполнено моделированием напряженно-деформированного состояния металлического каркаса в программном комплексе 1^+2021 МюгоЕе с разработкой расчетной конечно-элементной пространственной модели.
Результаты. Расчетным путем обосновано предельное значение геометрического отклонения из плоскости решетчатых прогонов покрытия, при котором не требуется их возвращения в вертикальное положение или замена.
Ключевые слова: металлический каркас, трубчатые фермы, решетчатые прогоны покрытия, геометрические несовершенства
Для цитирования: Подшивалов И.И. Моделирование напряженно-деформированного состояния металлического каркаса промышленного здания из трубчатых ферм и решетчатых прогонов покрытия с учетом несовершенств // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета.
2024. Т. 26. № 1. С. 118-126. DOI: 10.31675/1607-1859-2024-26-1-118-126. EDN: OKFRNK
© Подшивалов И.И., 2024
ORIGINAL ARTICLE
STRESS-STRAIN STATE MODEL OF BUILDING METAL FRAME MADE OF TUBE TRUSSES AND BAR JOISTS WITH REGARD TO GEOMETRICAL IMPERFECTIONS
Ivan I. Podshivalov
Tomsk State University of Architecture and Building, Tomsk, Russia
Abstract. The paper studies the metal frame industrial building during the reconstruction of its bar joists having imperfections in the form of non-uniform geometric deviations from the vertical position.
Purpose: The aim of this work is to calculate the allowable value of horizontal deviation of bar joists from the vertical position.
Methodology: The computational justification of using roof bar joists with regard to geometric imperfections in the reconstruction of the industrial building, is provided by modeling the stress-strain state of the metal frame in Ing + 2021, MicroFe software using the finite element model.
Research findings: The limiting value of the geometric deviation from the bar joist plane, at which their vertical position or replacement is not required, is justified by calculation.
Keywords: metal frame, tubular truss, bar joist, geometrical imperfections
For citation: Podshivalov I.I. Stress-strain state model of building metal frame made of tube trusses and bar joists with regard to geometrical imperfections. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta - Journal of Construction and Architecture. 2024; 26 (1): 118-126. DOI: 10.31675/1607-18592024-26-1-118-126. EDN: OKFRNK
Анализ напряженно-деформированного состояния металлических каркасов промышленных зданий при выполнении их реконструкции обусловлен необходимостью оценки несущей способности конструкций с учетом фактического их состояния и соответствия современным нормам проектирования [1, 2].
Реконструкция промышленных предприятий, как правило, связана с изменением эксплуатационных нагрузок на существующие конструкции и с необходимостью оценки их технического состояния [3]. Отказы отдельных элементов или всего здания обусловлены, как правило, ошибками при проектировании и дефектами при изготовлении и монтаже конструкций [4, 5].
Анализ надежности несущих металлоконструкций покрытий показывает, что минимизация ущерба возможна путем регулирования взаимодействия несущих элементов покрытия между собой. Например, для стропильных ферм достаточно реализовать конструктивные мероприятия применительно к связе-вым элементам покрытий [6, 7].
Как известно, основной задачей связей в покрытиях каркасных зданий является восприятие и передача горизонтальных нагрузок, а также обеспечение требуемого закрепления поясов ферм из плоскости. Горизонтальные связи по верхним поясам ферм необходимы для предотвращения смещения сжатого верхнего пояса из плоскости и обеспечения его требуемой расчетной длины [8]. От этих связей можно отказаться, если применить жесткий диск покрытия из профилированного настила, закрепленного к прогонам в каждой гофре [9].
Учет несовершенств реальных конструкций, имеющих, как правило, технологическую природу (неточности изготовления и монтажа), имеет большое практическое значение. В настоящее время учет несовершенств выполняется путем придания некоторого искривления всем элементам в расчетной стержневой системе, после чего выполняется ее расчет по деформированной схеме [10].
Значительный практический интерес представляет расчет несущей способности большепролетных ферм покрытия, у которых в процессе эксплуатации из-за скрытых дефектов, ошибок проектирования, изготовления, монтажа, эксплуатации возможно повреждение отдельных конструкций, в том числе выход из строя некоторых стержней. В работе [11] представлена методика расчета покрытия с поврежденными стальными стержневыми элементами.
В рассматриваемой статье объектом исследования является покрытие металлического каркаса промышленного здания, находящегося в стадии реконструкции. Размеры здания в плане - 60^168 м, номинальная высота до низа конструкций покрытия - 10,8 м (рис. 1). Каркас здания выполнен по рамно-связевой схеме. Продольная устойчивость каркаса обеспечивается вертикальными связями по колоннам, а поперечная устойчивость - за счет статической работы двух пролетных рам. Пролет рам - 30 м, высота рам - 10,8 м. Сопряжение с фундаментом стоек рам, выполненных из прокатного широкополочного двутавра П0Ш4, жесткое. Покрытие промышленного здания образовано стальными бесфасоночными фермами с параллельными поясами пролетом 30 м, высотой 2,9 м. Шаг ферм в продольном направлении здания - 12 м. Пояса и элементы решетки ферм выполнены из труб. Уклон двухскатной крыши в 10° обеспечивается установкой стоек разной высоты в узлах верхних поясов ферм.
Рис. 1. Схема поперечного разреза Fig. 1. Schematic view of cross-section
В покрытии стальные решетчатые прогоны пролетом 12 м представляют собой плоские трехпанельные треугольные фермы высотой 1,5 м (рис. 2). Верхний пояс прогонов состоит из двух спаренных швеллеров Ш4, а решетка - из одиночных холодногнутых швеллеров Гн160*60(70)*5. На прогоны уложен профилированный лист Н60-782-1,0, который «развязывает» верхний пояс прогонов из плоскости по всей его длине. В расчетной схеме прогоны приняты как разрезные свободно опертые конструкции. Сопряжение решетки с верхним поясом прогонов жесткое.
Рис. 2. Решетчатый прогон покрытия Fig. 2. Schematic of bar joists
При обследовании металлического каркаса были зафиксированы геометрические несовершенства отдельных решетчатых прогонов, которые заключались в их наклонном положении из плоскости за счет горизонтального смещения нижнего узла решетчатых прогонов относительно его верхнего пояса. Эти горизонтальные смещения оказались разными, наибольшее значение составило 11,2 см. В связи с этим была поставлена задача по оценке влияния установленных геометрических несовершенств отдельных решетчатых прогонов на их напряженно-деформированное состояние в составе пространственной системы покрытия металлического каркаса производственного здания в стадии реконструкции.
В программном комплексе Ing+2021 MicroFe с использованием стержневых конечных элементов была разработана конечно-элементная модель металлического каркаса промышленного здания (рис. 3).
Рис. 3. Расчетная конечно-элементная модель (а) и ее визуализация (б) Fig. 3. FEM (a) and model visualization (b)
ЧО
Tt
о
и <
U H
bt =
=
H cj <v
PQ
В расчетной модели были рассмотрены две расчетные схемы:
- расчетная схема № 1 - вертикальное положение решетчатых прогонов покрытия;
- расчетная схема № 2 - наклонное положение из плоскости решетчатых прогонов покрытия за счет горизонтального смещения нижнего узла прогонов относительно его верхнего пояса. Здесь величина горизонтального смещения принята равной 5см = 11,5 см. В программе наклонное положение из плоскости прогонов задается в опции несовершенства через эксцентриситеты.
Расчетная схема № 1. В условиях плоского изгиба эпюра изгибающих моментов и значения вертикальных перемещений решетчатого прогона приведены на рис. 4. Наибольшие пролетный и опорный изгибающие моменты равны: Мпр = 14,6 кНм и Мои = -18,4 кНм соответственно. Прогиб верхнего пояса решетчатого прогона составил / = 22,6 мм, что меньше предельного значения [/] = (1/200)1 = (1/200)х12000 = 60 мм.
3
чо
Tt
о
и <
U Н
bt =
=
н
CJ
<v PQ
Рис. 4. Решетчатый прогон расчетной модели по схеме № 1:
а - эпюра изгибающих моментов; б - изополя вертикальных перемещений Fig. 4. Model 1 of bar joists:
a - bending-moment curve; b - isofields of vertical displacement
а
б
Расчетная схема № 2. Эпюра изгибающих моментов и значения вертикальных перемещений при косом изгибе решетчатого прогона даны на рис. 5. По сравнению с расчетной схемой № 1 в верхнем поясе решетчатого прогона пролетный изгибающий момент увеличился на 33 %, а опорный изгибающий момент, наоборот, уменьшился на 39 % - Мпр = 21,6 кНм, Моп = -11,3 кНм. Прогиб верхнего пояса решетчатого прогона увеличился на 63 % и составил / = 60,8 мм, что немного превысило предельно допустимое значение [/] = = (1/200)1 = (1/200)х12000 = 60 мм.
Рис. 5. Решетчатый прогон расчетной модели по схеме № 2:
а - эпюра изгибающих моментов; б - изополя вертикальных перемещений Fig. 5. Model 2 of bar joists:
a - bending-moment curve; b - isofields of vertical displacement
Конструктивный расчет решетчатых прогонов показал следующие результаты (рис. 6):
чо
Tt
о
и <
U Н
bt =
=
н
CJ
<v PQ
а
б
- при вертикальном (проектном) положении прогонов наибольший коэффициент использования сечения по условию устойчивости плоской формы изгиба Кик = 0,8;
- при наклонном (из плоскости) положении прогонов со значением горизонтального смещения нижнего узла относительно верхнего пояса 5см = 11,5 см коэффициент использования сечения по условию устойчивости в плоскости моментаМг превысил единицу и составил К = 1,07.
3
чо
Tt
о
и <
U Н
bt =
=
н
CJ
<v PQ
Рис. 6. Значения коэффициентов использования сечения:
а - в расчетной схеме № 1; б - в расчетной схеме № 2 Fig. 6. Use factor values:
a - model 1; b - model 2
В заключение можно отметить, что максимально зафиксированное при обследовании горизонтальное смещение нижнего узла решетчатых прогонов относительно его верхнего пояса составляет 5см = 11,2 см и является допустимым, выверка или замена решетчатых прогонов покрытия не требуется.
а
б
В этом случае в решетчатых прогонах покрытия промышленного здания максимальные значения коэффициента использования сечений Max Kz = 1,07 незначительно превышает единицу. После реконструкции промышленного здания дальнейшая эксплуатация решетчатых прогонов покрытия с такими несовершенствами возможна, т. к. условие по первой группе предельных состояний практически выполнено, а условие выполнения второй группы предельных состояний будет обеспечено.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Золина Т.В., Туснин А.Р. Увеличение срока эксплуатации промышленного объекта введением конструктивных мер // Вестник МГСУ. 2015. № 6. С. 41-49.
2. Золина Т.В. Порядок проведения обследования здания с целью последующей оценки его остаточного ресурса // Вестник МГСУ. 2014. № 11. С. 98-108.
3. Боровский Д.С. Расчет на прочность усиливаемых под нагрузкой стержневых элементов стальных конструкций при многопараметрическом нагружении // Вестник гражданских инженеров. 2021. № 2 (85). С. 36-41.
4. Гукова М.И., Искендиров В.Г., Фарфель М.И. Ошибки проектирования, изготовления и монтажа, приводящие к аварийному состоянию строительных конструкций производственных зданий и сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 10. С. 25-28.
5. Лебедь Е.В., Григорян А.А. Влияние монтажных расчетных схем ребер двухпоясного металлического купола на начальные усилия при устранении погрешностей // Вестник МГСУ. 2015. № 8. С. 66-79.
6. Еремин К.А., Матвеюшкин С.А. Анализ риска несущих конструкций покрытий стальных каркасов одноэтажных промышленных зданий // Промышленное и гражданское строительство. 2011. № 3. С. 16-18.
7. Еремин К.А., Матвеюшкин С.А. Анализ надежности несущих конструкций покрытий стальных каркасов одноэтажных промышленных зданий // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 10. С. 19-21.
8. Туснина О.А. Работа связей в покрытии промышленного здания со стальным каркасом // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 1. С. 37-42.
9. Рекомендации по применению стальных профилированных настилов нового сортамента в утепленных покрытиях производственных зданий. Москва : Госстрой СССР. ЦНИИ-Проектстальконструкция им. Мельникова, 1985. 33 с.
10. Кудишин Ю.И. К вопросу учета начальных несовершенств при расчете стальных стержневых систем по деформированной схеме // Промышленное и гражданское строитель- ^О ство. 2011. № 3. С. 6-9.
11. Туснин А.Р., Бергер М.П. Расчет металлической фермы с поврежденными элементами // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 11. С. 35-41.
References
Tt
о
Zolina T.V., Tusnin A.R. Extending of operation life of industrial building. Vestnik MGSU. 2015; (6): 41-49. (In Russian)
Zolina T.V. Examination procedure for building residual operation life. Vestnik MGSU. 2014; (11): 98-108. (In Russian) U
Borovskiy D.S. Strength analysis of rod elements of steel structures under multiparameter loading. Vestnikgrazhdanskikh inzhenerov. 2021; 2 (85): 36-41. (In Russian) GukovaM.I., Iskendirov V.G., FarfelM.I. Design, manufacture and construction errors leading to emergency of industrial buildings. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2013; (10): * 25-28. (In Russian) U
Lebed E. V., Grigoryan A.A. Influence of analytical rib models of a double metal dome on ini- pq tial forces at error elimination. Vestnik MGSU. 2015; (8): 66-79. (in Russian)
6. Eremin K.A., Matveyushkin S.A. Risk analysis of bearing structures of steel frame covering of one-storey industrial buildings. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2011; (3): 16-18. (In Russian)
7. Eremin K.A., Matveyushkin S.A. Reliability analysis of load-bearing structures of steel frame coverings of one-storey industrial buildings. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2010; (10): 19-21. (In Russian)
8. Tusnina O.A. Performance of covering bonds of industrial building with steel frame. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2019; (1): 37-42. (In Russian)
9. Recommendations on the use of steel profiled decks of a new grade in insulated coverings of industrial buildings: Moscow: Gosstroy, 1985. 33 p. (in Russian)
10. Kudishin Yu.I. The problem of initial imperfections in steel rod system analysis according to deformed scheme. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo. 2011; (3): 6-9. (In Russian)
11. Tusnin A.R., Berger M.P. Strength analysis of metal truss with damaged elements. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo. 2018; (11): 35-41. (In Russian)
Сведения об авторе
Подшивалов Иван Иванович, канд. техн. наук, доцент, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, ivanpod-chivalov@list.ru
Author Details
Ivan I. Podshivalov, PhD, A/Professor, Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia; ivanpodchivalov@list.ru
Статья поступила в редакцию 04.12.2023 Submitted for publication 04.12.2023
Одобрена после рецензирования 14.12.2023 Approved after review 14.12.2023
Принята к публикации 16.01.2024 Accepted for publication 16.01.2024
3
ЧО
Tt
о
и <
U H
bt =
=
н cj <v
PQ
