CC BY
7
Оригинальная статья / Original article УДК 624.014
DOI: http://dx.d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2020-3-398-405
Результаты испытаний опорного узла линзообразного блока покрытия
© С.В. Григорьев, В.И. Палагушкин, И.Я. Петухова, Д.О. Астраханцев
Инженерно-строительный институт Сибирского федерального университета,
г. Красноярск, Россия
Резюме: Цель - изучить варианты соединения поясных элементов из профлиста, отработать технологию изготовления опорных узлов, определить их несущую способность с помощью испытаний узловых элементов с соединением листов при помощи электрозаклепок и пайкой предварительно сфальцованных профлистов. Экспериментальное исследование узловых элементов выполнялось в вертикальном положении на испытательном стенде. Проведены испытания фрагментов опорного узла с фальцевопаянным соединением и с соединением поясных элементов при помощи контактной точечной сварки. В случае фальцевопаянного соединения установлено, что данное соединение обеспечивает необходимую прочность и может быть принято за основу при бездефектном изготовлении экспериментального блока. В случае соединения при помощи контактной сварки было рассмотрено два варианта опорного узла: с опорными пластичными ребрами и без ребер. Узел соединения профилированных листов с использованием электрозаклепок более технологичен, чем фальцепаянное соединение. Благодаря проведенным испытаниям, данное конструктивное решение, а также способ изготовление соединения профилированных листов между собой (опорных узлов), проработано более детально, проведены испытания работоспособности, надежности и прочности данного узла с различными соединениями.
Ключевые слова: опорный узел, профилированный лист, контактная точечная сварка, фальце-во-паянное соединение, пластинчатые ребра
Информация о статье: Дата поступления 25 июня 2020 г.; дата принятия к печати 22 июля 2020 г.; дата онлайн-размещения 30 сентября 2020 г.
Для цитирования: Григорьев С.В., Палагушкин В.И., Петухова И.Я, Астраханцев Д.О. Результаты испытаний опорного узла линзообразного блока покрытия. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020. Т. 10. № 3. С. 398-405. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-3-398-405
Results of testing a lenticular coating block support unit
Sergey V. Grigoriev, Vladimir I. Palagushkin, Inna Y. Petukhova, Dmitry O. Astrakhantcev
School of Engineering and Construction of Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia
Abstract: The paper aims to study options for connecting belt elements from a profiled sheet, to develop a technology for manufacturing support units and to determine their load-bearing capacity by testing nodal elements with connecting sheets using electric rivets and soldering pre-rolled profiled sheets. An experimental study of nodal elements was performed in a vertical position on a test bench. Fragments of the support assembly with a seam-soldered connection and with the connection of belt elements using contact spot welding were tested. It is shown that seam-soldered joints provide the necessary strength thus being suitable as a basis for the flawless manufacture of an experimental unit. For welding connection, two options of the support unit were considered, i.e. with plastic support ribs and without ribs. The junction of profiled sheets using electric rivets is more technologically advanced than a seam-soldered joint. The conducted tests elaborated the proposed design solution and the method of manufacturing the connection of profiled sheets (support units). Tests of operability, reliability and strength of this junction with various connections were carried out.
Keywords: bearing joint, profiled sheet, contact spot welding, fold-solder joint, plate ribs
ISSN 2227-2917 Том 10 № 3 2020 398 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 398-405 398 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 3 2020 _(online)_pp. 398-405
Information about the article: Received June 25, 2020; accepted for publication July 22, 2020; available online September 30, 2020.
For citation: Grigoriev SV, Palagushkin VI, Petukhova IY, Astrakhantcev DO. Results of testing a lenticular coating block support unit. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitelstvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2020;10(3):398-405. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-3-398-405
Введение
Строительная отрасль постоянно развивается, расширяется список используемых несущих элементов покрытия. Основным становится стремление все сделать максимально надежно, но при этом по минимальной цене. Металл - один из самых дорогих строительных материалов, поэтому конструкция, рассмотренная в работе, призвана уменьшить количество потребляемых ресурсов. Профилированный лист - это легкая и дешевая металлическая конструкция, облегчающая несущие элементы покрытия.
В работе предоставлен один из вариантов опорного узла данной конструкции, позволяющий максимально эффективно задействовать наши материалы. Конструкция покрытия представляет собой линзообразный блок пролетом 12 м, шириной 1 м, высотой 0,6 м (рис. 1). Он включает верхний 1 и нижний 2 пояса из профилированных листов, изогнутых по форме квадратной параболы, по торцам гофры верхнего листа размещены в гофрах нижнего и соединены между собой при помощи контактной точечной сварки1 3; промежуточные элементы расположены с шагом 1,2 м и выполнены в виде жестких рамок 4 из гнутых уголков 25х25х1,5 мм; раскосы 5 из прокатных уголков 20х20х2 мм установлены по продольной центральной линии панели. Раскосы присоединены к промежуточным элементам ручной дуговой сваркой. Пояса к промежуточным элементам присоединены при помощи самонарезающих винтов 7. Линзообразный блок опирается на несущие конструкции при помощи опорных элементов 6, расположенных по торцам блока и прикрепленных к нижнему профилированному листу электрозаклепками [1-4].
Материалы и методы исследования
Изготовление фрагментов опорного узла
Для проверки полученной конструкции и возможных вариантов соединения верхнего
и нижнего поясов блока покрытия2 были изготовлены узловые соединения с использованием электрозаклепок [4] и пайки с предварительным фальцеванием. Схема испытания фрагментов, выполненных из профилированного листа НС44-1000-0.8 длиной один метр, представлена на рис. 2. Ширина поясов фрагментов равна 45% от ширины пояса, один из крайних гофров соответствовал, а другой усилен отбортовкой или уголком. Испытание фрагментов осуществлялось в вертикальном положении на специальном стенде.
При нагружении упорная пластина равномерно распределяла усилие сжатия по верхнему профлисту. Растянутый пояс узлового фрагмента фиксировался на стенде с помощью специальных анкерных элементов.
Фрагмент опорного узла с фальце-вопаяным соединением
Изготовление
Для обеспечения центрации деталей опорного узла торцевые части поясных листов выполнены со скосом. Сопряжение профлистов выполнено под углом 110, при этом получена вертикальная плоскость торца узлового элемента.
Ребра профилированного листа прорезались шириной 4-5 мм и кромки отгибались на 1800. Предварительно концы профилированных листов зачищались и облуживались. Далее листы фиксировались струбцинами, затем на отгиб верхнего листа загибались кромки нижнего листа. По торцу узлового элемента отгибы верхнего и нижнего листов пропаивались между собой.
Между опорной пластиной и верхней полкой вертикально устанавливались трапециевидные пластинчатые ребра жесткости, которые центрировались с сопрягающимися полками и стенками профилированных листов.
Опорные детали и опорные ребра выполнены из листовой стали толщиной 0,8 мм. Опорные детали соединялись при помощи пайки2.
1Катаев Р.Ф., Милютин В.С., Близник М.Г. Теория и технология контактной сварки: учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2015. 144 с.
2Кудишин Ю.И. Металлические конструкции: учебник. М.: ИЦ «Академия», 2011. 691 с.
Том 10 № 3 2020 ISSN 2227-2917
с. 398-405 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) Vol. 10 No. 3 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2600-164X pp. 398-405_(online)
Рис. 1. Линзообразный блок покрытия Fig. 1. Lenticular block coating
Рис. 2. Схема испытания фрагмента Fig. 2. Fragment test diagram
Испытание
При нагрузке 36, 2 кН (86, 8% от расчетной) в одной из широких полок профлиста верхнего пояса у опоры отмечено начало выпучивания. Это объясняется наличием начальной погиби полки, образовавшейся при изготовлении. На соседней широкой полке такого явления не отмечено.
Цель выполнения основной задачи -определение разрушающих усилий осуществлено местное усиление припайкой накладки размером 50х20х0,4 мм. При повторном нагружении до нагрузки 57,6 кН (138% от расчетной) произошло местное выпучивание свободной продольной кромки настила верхнего пояса3. При этом смежная широкая полка получила в приопорной зоне видимый волнообразный изгиб, первопричиной которого явилась депланация свободной кромки настила. Остальные узкие и
широкие полки оставались непов-режденными. При снятии нагрузки плоская форма широкой полки восстанавливается, что свидетельствует о работе испытываемого фрагмента в упругой стадии. Последующие испытания были проведены на усиленном узловом соединении. Свободная кромка с помощью струбцин была усилена двумя накладками в конструкции покрытия элемент усиления может быть использован в качестве нащельника между сопрягаемыми блоками. Такой дополнительный элемент защитит конструкцию от повреждений при ее транспортировании и монтаже. Величина максимальной нагрузки при испытании составила 76,2 кН (182,7% от расчетной). При этом потеряла устойчивость свободная кромка усиленного крайнего гофра вне зоны усиления и затем смежная с ним стенка и широкая полка, включая вторую свободную кромку с отбортовкой.
3Катаев Р.Ф., Милютин В.С., Близник М.Г. Теория и технология контактной сварки: учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2015. 144 с.
ISSN 2227-2917 Том 10 № 3 2020 400 (Pr'nt) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 398-405 400 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 3 2020 _(online)_pp. 398-405_
Результаты испытаний показали:
1. Опорный узел с фальцевопаянным соединением имеет необходимую прочность и может быть использован при бездефектном изготовлении линзообразного блока.
2. Крайние гофры профлистов рекомендуется усиливать, соединяя их с утеплителем или устанавливая по всей длине крайних кромок специальные усиливающие элементы или отбортовкой [4].
Фрагмент опорного узла с соединением поясных элементов при помощи контактной точечной сварки
С целью выявления несущей способности контактной точки и отработки режимов сварки перед испытанием фрагмента было изготовлено и испытано на растяжение 30 образцов из оцинкованных пластин толщиной 0,8 мм, соединенных одной контактной точкой диаметром 4-5 мм.
Испытание образцов на разрыв показало, что данный вид соединения обладает высокими прочностными [5, 6] показателями. Разрушение происходило, как правило, с вырывом точки по основному металлу. Разрушающая нагрузка составила 5-5,2 Кн.
Макроскопический анализ испытанных образцов показал, что вокруг ядра контактной точки и между поверхностями пластин образовалось сплошное кольцо из расплавленного цинкового покрытия, которое защищает сварное соединение от проникновения влаги и предотвращает коррозию.
Изготовление
Фрагмент узла выполнен с использованием электрозаклепок. (рис. 3). Правая кромка верхнего пояса узлового элемента усилена при помощи отгиба, а левая усиленна гнутым уголком, выполненным из полосы толщиной 0,8 мм. В узле фрагмента предусмотрены опорные пластинчатые ребра3 трапециевидной формы [4]4. Ребра толщиной 0,8 мм установлены вертикально по линии пересечения поясных листов и припаяны к профлисту нижнего пояса. Фактическая площадь сечения фрагмента составила 45% от стандартного сечения профилированного листа НС 44-1000-0.8, при этом расчетные усилия составили 48,6 кН.
Разработаны два типа опорного узла:
а) с опорными ребрами;
б) без опорных ребер.
Фрагмент с опорными ребрами
При нагрузке 40 кН (82,3% от расчетной [6]) в профлисте верхнего пояса произошло волнообразное выпучивание широкой левой полки, распространившееся от упорной пластины 8 до середины профлиста. После снятия нагрузки плоская форма полки по всей длине листа восстановилась.
Данный факт потери местной устойчивости одной из широких полок объясняется наличием начальных несовершенств в конструкции стенда. Между опорой стенда и опорной пластиной фрагмента был клиновидный зазор, увеличивающийся к правой стороне опоры, обусловленный перекосом анкерного устройства нижнего пояса. Для выполнения основной задачи испытаний широкая левая полка была усилена полосой сечением 48х1 мм, при этом до электрозаклепок 5 и до упорной пластины 8 она не доводилась на 20 мм. Клиновидный зазор между опорой стенда и опорной пластиной 7 был уменьшен до З мм. При нагрузке 30 кН опорная пластина фрагмента полностью коснулась опоры стенда [7]. При повторном нагружении выпучивание той же широкой верхней полки на участке между полосой усиления и упорной пластиной 8 произошло при нагрузке 65 кН. Коэффициент перегрузки от расчетной нагрузки составил 1,34. В правой широкой полке каких-либо нарушений не отмечено. После снятия нагрузки остаточных деформаций не обнаружено.
Фрагмент без опорных ребер
Перед испытанием опорных ребер 3 были вырезаны, а в зоне, где было отмечено выпучивание широкой полки, пластина усиления доведена до упорной пластины 8 (рис. 3). Усилие сжатия было доведено до 75 кН (154% от расчетной нагрузки). Клиновидный зазор с раскрытием до 2 мм был выбран при нагрузке 10 кН. При нагрузке 70 кН (143,8 % от расчетной [8]) начала появляться погибь на стенках центрального узкого гофра вблизи опоры (рис. 4, сеч. 2-2), отмечена местная потеря устойчивости широкой полки в поперечном направлении (у линии сопряжения профлистов) с максимальной величиной выгиба, равной 1,5 мм (рис. 4, сеч. 1-1) [4].
Тлустенко С.Ф. Теория и технология формообразования профилированных деталей из листового материала [Электронный ресурс]: электрон. учеб. пособие. Самара: Изд-во СГАУ, 2014. 80 с. URL: http://repo.ssau.ru/bitstream/Uchebnye-posobiya/Teoriya-i-tehnologiya-formoobrazovaniya-profilirovannyh-detalei-iz-listovogo-materiala-Elektronnyi-resurs-ucheb-posobie-po-programmam-vyssh-obrazovaniya-po-54532Л/Тлустенко%20С.Ф.%20Теория%20и%20технология^
Том 10 № 3 2020
с. 398-405 Vol. 10 No. 3 2020 pp. 398-405
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate
ISSN 2227-2917
(print) ISSN 2500-154X (online)
Рис. 3. Фрагмент опорного узла с соединением поясных листов контактной точечной сваркой: 1 - верхний профилированный лист; 2 - нижний профилированный лист; 3 - трапецивидный опорный элемент; 4 - элемент усиления; 5 - контактная сварка с диаметром электрозаклепок 4-5 мм; 6 - паянное соединение; 7 - опора из пластины толщиной 0,8 мм; 8 - опорная пластинка 50х480х0,8 мм; 9 - лента шириной 50 мм и толщиной 0,8 мм; 10 - точки крепления нижнего пояса к испытательному стенду Fig. 3. A fragment of the bearing joint with the connection of the chord sheets by contact spot welding. Make a shelf: 1 - profiled sheet of the upper chord; 2 - profiled sheet of the lower chord; 3 - supporting ribs; 4 - gain corner; 5 - spot welding, diameter of electric rivets 4-5 mm; 6 - soldering with tin solder; 7 - base plate, б = 0,8 mm; 8 - thrust plate 50x480x0.8 mm; 9 - profiled tape with a width of 50 mm, б = 0.8 mm; 10 - holes for attaching the chord to the anchor device of the test stand
При максимальной нагрузке 75 кН зафиксированы следующие изменения формы гофров верхнего пояса:
- местная потеря устойчивости центрального узкого гофра (рис. 4, сеч. 2-2) в зоне опирания фрагмента;
- местная потеря устойчивости широкой неусиленной полки (сеч. 4-4);
- местная потеря устойчивости узких полок (рис. 4, сеч. 3-3) в зоне опирания и около отдельных заклепок
- волнообразный изгиб крайних узких
полок у упорной пластины 8 (рис. 4, сеч. 5-5).
При снятии нагрузки остаточные деформации зафиксированы лишь в крайних узких полках возле упорной пластины 8 (рис. 4, сеч. 5-5).
Отметим, что при испытании фрагмента с фальцевопаянным соединением поясных листов, рассмотрено выше, максимальная испытательная нагрузка составила 76,5 кН. Некоторое снижение нагрузки в исследуемом фрагменте объясняется отсутствием опорных ребер [9].
ISSN 2227-2917 Том 10 № 3 2020 402 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 398-405 402 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 3 2020 _(online)_pp. 398-405
Рис. 4. Схема дефектов фрагмента без опорных ребер: 11 - выпучивание грани профлиста у электрозаклепок (остальные обозначения см. на рис. 3) Fig. 4. Fragment defect diagram without support ribs: 11 - buckling of the face of the profiled sheet in the electro-rivets. (other designations are in fig. 3)
Выводы
На основе результатов испытаний различных конфигураций опорного узла линзообразного блока покрытия можно сделать
следующие выводы:
1. Соединение профлистов при помощи контактных точек диаметром 4-5 мм надежно даже без опорных ребер, несущая
Том 10 № 3 2020
с. 398-405 Vol. 10 No. 3 2020 pp. 398-405
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate
ISSN 2227-2917
(print) ISSN 2500-154X (online)
способность опорного узла обеспечена. электрозаклепок более технологичен, чем
2. Узел соединения с использованием фальцепаянное соединение.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Енджиевский Л.В., Крылов И.И., Кретинин А.Н., Терешкова А.В. Ограждающие и несущие строительные конструкции из стальных тонкостенных профилей: монография. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. 281 с.
2. Еремеев П.Г. Пространственные тонколистовые металлические конструкции покрытий: научное издание. М.: Изд-во АСВ, 2006. 560 с.
3. Бажин Г.М. Оценка прогибов в балках покрытия при включении в совместную работу профилированного настила // Успехи современной науки. 2016. Т. 1. № 2. С. 107-112.
4. Марков А.И. Анализ прочности строительных конструкций. М.: Настрой, 2012. 307 с.
5. Погорелов В.И. Строительная механика тонкостенных конструкций. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. 528 с.
6. Фридкин В.М. Формообразование строительных конструкций: монография. М.: Московский государственный строительный университет, 2011. 171 с.
7. А. с. № 147984 СССР, МКИ Е 04 В 1/343. Пространственная крышка и способ ее установки / В.П. Григорьев, С.В. Григорьев. № 4256709 / 29-33; опубл. 15.05.89. Бюлл. № 18. 1 с.
8. Григорьев С.В. Линзовидные блоки покрытия из металлического профилированного листа. Новосибирск: Новосибирская государственная академия строительства, 1995. 228 с.
REFERENCES
1. Yendzhievsky LV, Krylov II, Kretinin AN, Tereshkova AV. Enclosing and bearing building structures made of thin-walled steel profiles. Krasnoyarsk: Siberian Federal University; 2010. 281 p. (In Russ.)
2. Eremeev PG. Spatial thin-sheet metal structures of coatings: scientific publication. Moscow: PH of the Association of construction universities, 2006. 560 p. (In Russ.)
3. Bazhin GM. Estimation of bending in beams of coverage at plugging in joint work of the profiled flooring. Uspekhi sovremennoi nauki. 2016;1 (2): 107—112. (In Russ.)
4. Markov AI. Analysis of durability of building
structures. Moscow: Nastroj; 2012. 307 p. (In Russ.)
5. Pogorelov VI. Construction mechanics of thin-walled structures. SPb.: BHV-Petersburg, 2007. 528 p. (In Russ.)
6. Fridkin VM. The shaping of building structures. M.: Moscow state University of civil engineering, 2011. 171 p. (In Russ.)
7. Grigor'ev Vp, Grigor'ev SV. Spatial cover and how to install it. Copyright certificate № 147984, SSSR. (In Russ.)
8. Grigor'ev SV. Lenticular coating blocks made of metal profiled sheet. Novosibirsk: Novosibirsk state Academy of construction; 1995. 228 p. (In Russ.)
Критерии авторства
Григорьев С.В., Палагушкин В.И., Петухова И.Я, Астраханцев Д.О. имеют равные авторские права. Григорьев С.В. несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Contribution
Grigoriev S. V., Palagushkin V. I., Petukhova I. Y., Astrakhantcev D.O. have equal author's rights. Grigoriev S. V. bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.
ISSN 2227-2917 Том 10 № 3 2020 404 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 398-405 404 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 3 2020 _(online)_pp. 398-405
Сведения об авторах
Григорьев Сергей Владимирович,
кандидат технических наук, профессор кафедры строительных конструкций и управляемых систем, Сибирский федеральный университет, 660041, г. Красноярск, Свободный проспект, 82, Россия,
e-mail: karen0878@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4997-0548
Палагушкин Владимир Иванович,
кандидат технических наук, профессор кафедры строительных конструкций и управляемых систем, Сибирский федеральный университет, 660041, г. Красноярск, Свободный проспект, 82, Россия,
e-mail: isi_skius@sfu-kras.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5473-6473
Петухова Инна Яковлевна,
кандидат технических наук, профессор кафедры строительных конструкций и управляемых систем, Сибирский федеральный университет, 660041, г. Красноярск, Свободный проспект, 82, Россия,
e-mail: isi_skius@sfu-kras.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8442-2064
Астраханцев Дмитрий Олегович,
студент кафедры строительных конструкций и управляемых систем, Сибирский федеральный университет, 660041, г. Красноярск, Свободный проспект, 82, Россия,
Se-mail: dmitrii.astrahancev@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9606-2956
Information about the authors
Sergey V. Grigoriev,
Cand. Sci (Eng.),
Associate Professor of the Department of Engineering and Construction, Siberian Federal University, 82 Svobodnyi Ave., Krasnoyarsk 660041, Russia,
e-mail: karen0878@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4997-0548
Vladimir I. Palagushkin,
Cand. Sci (Eng.),
Associate Professor of the Department of Engineering and Construction, Siberian Federal University, 82 Svobodnyi Ave., Krasnoyarsk 660041, Russia,
e-mail: isi_skius@sfu-kras.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5473-6473
Inna Y. Petukhova,
Cand. Sci (Eng.),
Associate Professor of the Department of Engineering and Construction, Siberian Federal University, 82 Svobodnyi Ave., Krasnoyarsk 660041, Russia,
e-mail: isi_skius@sfu-kras.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8442-2064
Dmitry O. Astrakhantsev,
Student of the Department of Engineering and Construction, Siberian Federal University, 82 Svobodnyi Ave., Krasnoyarsk 660041, Russia,
He-mail: dmitrii.astrahancev@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9606-2956
Том 10 № 3 2020 ISSN 2227-2917
с. 398-405 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 405 Vol. 10 No. 3 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 405 pp. 398-405_(online)_
