Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследования
1.1. Краткий обзор развития стальных каркасных систем высотных зданий 9
1.2. Развитие производства стального проката больших толщин 13
1.3. Геометрические несовершенства стальных конструкций, учитываемые при их расчетах 16
1.4. Нормы по приемке смонтированных конструкций в России и за рубежом 20
1.5. Цель и задачи исследования 22
2. Современный стальной прокат для конструкций высотных зданий
2.1. Материалы для исследований 24
2.2. Инженерные свойства проката больших толщин 27
2.3. Хладостойкость сварных соединений и свариваемость 32
2.4. Выводы по главе 2 35
3. Оценка неточностей монтажа при расчете каркасов и их элемнтов
3.1. Учет отклонений элементов колонн от строительных осей 36
3.2. Экспериментальное определение величины эксцентриситета от неплотного прилегания торцов на моделях стыков 39
3.3. Влияние материалов сварных швов и подкладок между фрезерованными торцами на величину эксцентриситета 56
3.4. Определение эксцентриситетов от неплотного прилегания фрезерованных торцов для наиболее распространенных поперечных сечений колонн 65
3.5. Выводы по главе 3 90
4. Статистическая оценка. неточностей монтажа колонн металлических каркасов высотных зданий
4.1. Объекты для исследований 92
4.2. Результаты натурных измерений отклонений элементов колонн от проектного положения 95
4.3. Результаты измерений зазоров в стыках колонн при неполном прилегании фрезерованных торцов 103
4.4. Выводы по главе 4 111
5. Оценка влияния неточностей монтажа колонн на их напряженно-деформированное состояние
5.1. Модели для исследований 112
5.2. Напряжения в колоннах с учетом дополнительных нагрузок 114
5.3. Усилия в колоннах с учетом дополнительных нагрузок 120
5.4. Предлагаемая методика по расчету и приемке смонтированных колонн высотных зданий со стальными каркасами 123
5.5. Выводы по главе 5 124
Основные выводы 126
Список литературы
- Развитие производства стального проката больших толщин
- Инженерные свойства проката больших толщин
- Влияние материалов сварных швов и подкладок между фрезерованными торцами на величину эксцентриситета
- Результаты натурных измерений отклонений элементов колонн от проектного положения
Введение к работе
Актуальность работы. Стальные конструкции наиболее полно удовлетворяют требованиям современного строительства: индустриализации, сокращению объемов и сроков работ на строительной площадке, снижению стоимости возведения. Преимущественно металлические конструкции используются при проектировании и строительстве, большепролетных зданий и сооружений различного назначения, промышленных объектов с тяжелыми режимами работы кранов. Одним из наиболее динамично развивающихся направлений развития металлических конструкций в отечественной строительной практике и за рубежом являются многофункциональные высотные здания с металлическим каркасом или с использованием металлических колонн в качестве основных вертикальных несущих элементов.
В нашей стране накоплен и закреплен в строительных нормах огромный опыт расчета, проектирования и монтажа металлических конструкций промышленных предприятий, сооружений с большими пролетами, башенных и мачтовых антенных сооружений. Так как до недавнего времени металлические каркасы высотных зданий общественного назначения не были широко востребованы в отечественной строительной практике, то вопросы совершенствования методов их расчета, наиболее достоверный учет воздействий, а также подходы к оценке качества смонтированных конструкций представляют несомненный интерес.
Современная технология упрочнения стального проката в потоке станов, используемая при его производстве, позволяет изготавливать фасонные двутавровые профили с толщиной полки до 125 мм и листовой прокат толщиной до 230 мм. Нормативный предел текучести сталей такого проката может достигать 350 МПа. Также возможно производство сталей высокой прочности толщиной до 120 мм с нормативным пределом текучести до 590 МПа. Все это открывает для инженеров строительной отрасли новые перспективы в части увеличения пролетов основных несущих элементов, общей высоты зданий, концентрации материала на ограниченном пространстве этажа.
Дальнейшее развитие металлических конструкций для высотных зданий связано с разработкой методов расчета, более достоверно отражающих характер их действительной работы. Конструктивные особенности современных высотных зданий и увеличение нагрузок на отдельные его элементы, безусловно, приводит к повышению дополнительных нагрузок на несущие элементы, вызванные неточностями монтажа колонн. Среди них: отклонение элементов колонн от проектного положения на монтаже, неправильная центрировка в стыке, неплотное прилегание фрезерованных торцов в стыках. В современных нормативных документах отсутствуют требования по учету этих неточностей при расчете каркаса высотного здания и его элементов. Обзор зарубежных источников показывает, что некоторые вопросы, в частности - наличие эксцентриситета от неточной пригонки
фрезерованных торцов и некоторых других, ими не освещены. До настоящего времени не давалась системная оценка величинам обсуждаемых отклонений и неточностей, возникающих в процессе реального монтажа, на основе исчерпывающих исполнительных измерений. Требования к приемке смонтированных конструкций были сформулированы достаточно давно и в полной мере не могут быть использованы при строительстве зданий высотой более 150 м. В последние десятилетия разрабатываются территориальные нормы по расчету и проектированию высотных зданий, но данный круг вопросов ими не разрешен.
Целью диссертационной работы является развитие и совершенствование
методов расчета каркасов высотных зданий в части учета неточностей монтажа на
основе экспериментально-теоретических исследований напряженно-
деформированного состояния колонн.
Научная новизна результатов работы заключается в:
полученных данных о форме диаграмм деформирования новых сталей, используемых при строительстве высотных зданий, хладостойкости и свариваемости проката;
разработке методики вычисления эксцентриситета в стыке с неполным касанием фрезерованными торцами и частичным заполнением образовавшегося зазора подкладкой;
получении экспериментальных данных о характере работы стыка колонн с неполным касанием фрезерованных торцов с частичным заполнением образовавшегося зазора подкладкой;
получении данных о действительных отклонениях смонтированных стальных колонн высотных зданий от их проектного положения, а также о величинах зазоров между фрезерованными торцами в стыках колонн;
разработке методики учета неточностей монтажа колонн при расчете каркасов высотных зданий и их элементов.
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты проведенных исследований позволяют учесть статистически достоверные и экспериментально апробированные величины дополнительных усилий от неточностей монтажа колонн при расчете стального каркаса современного высотного здания или его элементов. Разработанный способ определения эксцентриситета в стыке от неполного касания фрезерованных торцов и заполнения образовавшегося зазора подкладками позволяет учитывать данное несовершенство при расчете конструкций высотных зданий. Полученные в работе результаты позволили сформулировать требования к приемке смонтированных конструкций каркаса для зданий высотой более 150 м.
Достоверность научных положений и результатов подтверждается:
обоснованным использованием известных предпосылок и допущений, базирующихся на общих принципах строительной механики и теории сооружений;
анализом результатов аналитических, численных, экспериментальных исследований и их сопоставлением.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
новые экспериментальные данные об инженерных свойствах фасонного и листового проката больших толщин, используемого при строительстве современных высотных зданий;
новые экспериментальные данные о наличии эксцентриситета в стыке колонн с неполным прилеганием фрезерованных торцов и способе его определения;
результаты численных расчетов по учету эксцентриситета в стыках колонн от неполного прилегания фрезерованных торцов; влияние материалов фиксирующих сварных швов и подкладок, используемых для заполнения образовавшегося зазора, на величину эксцентриситета;
результаты статистической обработки отклонений колонн от проектного положения, величин эксцентриситетов;
методики учета неточностей монтажа при расчете каркасов высотных зданий и их элементов;
требования к приемке смонтированных металлических колонн каркасных зданий высотой более 150 м.
Апробация и внедрение работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались: на заседаниях секции «Металлические конструкции», проводимые в лаборатории металлических конструкций ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко в 2009...2010 г.г. (институт ОАО «НИЦ «Строительство»); на V-й ежегодной строительной ассамблее (Москва, 2009г.); на Международной конференции «Актуальные проблемы исследований по теории сооружений» (Москва, 2009 г.); на Ш-м Международном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (г. Новочеркасск, 2010 г.); V-й Международной конференции «Предотвращение аварий зданий и сооружений» (г. Москва, 2010 г.).
Основные положения и рекомендации диссертационной работы использованы при поэтажной приемке смонтированных конструкций, а также при выполнении поверочных расчетов конструкций высотного здания на участке №10 ММДЦ «Москва-Сити», а также обследованных металлических конструкций высотного здания, расположенного на участке №12 ММДЦ «Москва-Сити». Разработана и внедрена система мониторинга за напряженно-деформированным состоянием основных несущих элементов здания на участке №12.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 7 статей в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК для публикации результатов по кандидатским диссертациям.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, библиографии и приложения. Список использованной литературы содержит 109 наименований, в том числе 30 зарубежных. Работа изложена на 137 страницах и включает 63 рисунка и 19 таблиц.
Развитие производства стального проката больших толщин
Внедрение металлических каркасов в конструкции: многоэтажных зданий, а затем - высотных, началось 100 лет тому назад. К середине XIX века в таких сооружениях как мосты, большепролетные перекрытия, башни, металлические конструкции нашли достаточно широкое применение, но в многоэтажном строительстве долгое время они-не использовались вообще. Если исключить все те здания, в которых использовались железные и чугунные кованые элементы в качестве балок перекрытий или вспомогательных конструкций, то первым многоэтажным зданием со стальным каркасом, была четырехэтажная шоколадная фабрика Менье близ Парижа, построенная в 1871-1872 гг. [9, 75]. Здание опиралось на мощные контрфорсы плотины, а каркас наружных стен был установлен на обвязку из швеллеров. Все горизонтальные нагрузки воспринимались ромбическими связями, установленными, вдоль наружных стен. Как отмечают многие источники [9, 34, 35, 36, 40, 52, .60; 66; 19, 104, 105], настоящее высотное строительство в современном понимании зародилось после пожара в 1871 г. в крупнейшем промышленном центре того времени - городе Чикаго. В 1891 г. там; были построены 13-этажное здание «Тасота», а в 1893 г. - 20-этажное здание офисного назначения, в: которых впервые коренным образом меняются функции наружных стен: из несущих конструкций они превращаются в заполнение каркаса. В связи с этим, возникла необходимость в новых конструкциях,. которые должны были обеспечивать жесткость и устойчивость многоэтажных зданий! Тогда же начинают появляться первые прототипы вертикальных стен-диафрагм и вертикальных связей различной конфигурации. До 40-х годов XX века в США ведется интенсивное строительство первых высотных зданий: с металлическими; каркасами, главным образом на острове Манхэтанн в Нью-Йорке. Среди них: здание «Flatiron Building», построенное в 1902 г., высотой 87 м (21 этаж); здание «Met Life Tower», построенное в 1909 г., высотой 213 м (50 этажей); здание «Woolworth Building», построенное в 1913 г., высотой 241 м (60 этажей); здание «Chrysler Building» 1930 г., высотой 318 м (77 этажей); здание «Empire State Building», построенное в 1931 г., высотой 381 м (102 этажа), а вместе с телевизионной башней - 449 м- и многие другие. Если в самом начале строительства многоэтажных зданий использовались связевые каркасы, то при строительстве перечисленных сооружений использовалась рамно-связевая система, позволившая достичь требуемой жесткости. В 40-х годах XX века с появлением сварных конструкций узлов широкое распространение получили рамные системы [9].
С использованием рамных и рамно-связевых систем в нашей стране в 50-60 годы XX века были построены высотные здания общественного и жилого назначения. Некоторые из них, как например здание главного корпуса МГУ и гостиницы «Украина», были достаточно высокими для рамных систем (183 ми 144 м соответственно) и при их строительстве были использованы новые для России низколегированные стали типа НЛ2 [20]. Огромный вклад в развитие методов расчета и конструирования большепролетных, высотных и специальных зданий и сооружений в России внесли ученые: Балдин. В.А., Ведяков И.И., Дроздов П.Ф., Еремеев П.Г., Кудишин Ю.И., Никитин Н.В., Остроумов Б.В., Савельев В.А., Соболев Ю.В., Стрелецкий Н.С., Травуш В.И., Трофимов В.И., Ханджи В.В., Шапиро Г.А. и многие другие.
Как показала практика зарубежного строительства, рамные и рамно-связевые системы неэффективны при увеличении высоты с возрастанием ветровых и прочих горизонтальных нагрузок [52, 79, 36, 104]. Поэтому до середины XX века рост высотности зданий прекратился, совершенствовались методики расчета, монтажа, отрабатывалось применение новых материалов для конструкций и соединений.
С 1960 годов в высотное строительство активно внедряются новые конструктивные системы - ствольная и оболочковая. Их изобретение было запатентовано американским инженером Ф. Каном в 1961 г [40]. Ствольная система развивалась для зданий высотой до 300 м и получила широкое распространение благодаря экономичности и возможности удобной планировки. С использованием оболочковой системы возведены здания «Sears (Willis) Tower» высотой 442 м без антенны (США, Чикаго, 1974 г.), башни-близнецы «World Trade Center» высотой 417 м с антенной (США, Нью-Йорк, 1973г.), «John Hancock Center» высотой 343 м без антенны (США, Чикаго, 1969 г.), «Bank of China Tower» 367 м (КНР, Гонгконг, 1990) и некоторых других.
Одновременно с развитием металлических конструкций в практике высотного строительства, внедряется и железобетон. До середины XX века его применение ограничивается низкой, по сравнению со сталью, прочностью. Однако, многие из высочайших на сегодняшний день зданий построены с применением высокопрочных бетонов с классом по прочности В60...В100. В первую очередь это башня «Burj Khalifa» в эмирате Дубай (ОАЭ), построенная в
Инженерные свойства проката больших толщин
В 1987 г. в США обобщены результаты многолетней эксплуатации, исследований причин обрушений некоторых конструкций с использованием крупных фасонных профилей. Проанализирован комплекс инженерных свойств такого проката [88] и сделаны выводы, что использование сварки при стыковке такого проката крайне нежелательно, так как приводит к образованию холодных трещин в основном металле. Проведенные исследования в настоящем диссертационном исследовании показывают, что современный прокат практически не имеет недостатков, отмеченных авторами [88]. Главным образом, отсутствует ярко выраженная зона «рыхлого ядра» двутаврового профиля (в месте примыкания стенки к полкам), обладающая нулевой ударной вязкостью и крупнозернистой структурой.
Стандартные механические свойства проката больших толщин отвечают всем требованиям, предъявляемым к сталям повышенной прочности основными стандартами, техническими условиями на поставку металла, строительными нормами и правилами.
Прокат обладает хорошей свариваемостью, а именно высоким сопротивлением образованию холодных и слоистых (ламмелярных) сварочных трещин, а также достаточно высокой хладостойкостыо сварных соединений. Полученный уровень эксплуатационных и технологических свойств позволяет обеспечить эксплуатационную надежность конструкций высотных зданий из проката больших толщин.
Установленная неоднородность свойств стали по сечению проката, улучшенного в потоке стана, не влияет на величины эксцентриситетов в колоннах и их стыках. Учет отклонений элементов колонн от строительных осей Колонны высотных зданий, как правило, разбиты на отправочные элементы (рисунок 3.1.1, а). Соединение элементов осуществляется на сварке или на высокопрочных болтах с накладками. Сжимающее усилие в стыке передается через фрезерованные торцы. «Идеальная» расчетная схема колонны многоэтажного здания представлена на рисунке 3.1.1, б. При этом принята гипотеза, что шарнирно-подвижная опора расположена в точке соприкосновения диска перекрытия и стержня колонны. Во время монтажа ,, конструкций возникают следующие Рисунок 3.1.1 - Конструктивная (а) и погрешности: «идеальная» расчетная (б) схемы колонн 1) отклонение осей верхнего и нижнего сечений элемента от строительных осей здания, в результате которого отправочный элемент располагается под углом относительно вертикальной оси (рисунок 3.1.2, а, б); 2) неточное (эксцентричное) совмещение опорных сечений смежных элементов колонн є (рисунок 3.1.2, в, д); 3) неплотное прилегание фрезерованных торцов в стыке и заполнение их подкладками (рисунок 3.1.2, г).
«Совместив» указанные неточности н(іН) монтажа, получаем ЕІ=» приближенную расчетную єп+и модель колонны (рисунок 3.1.3), где отклонения осей элементов от вертикали & о учтены путем введения переломов оси стержня, а эксцентриситеты от неточного совмещения сечений смежных элементов колонн - введением абсолютно жестких вставок в уровне каждого стыка Л „ отправочных элементов. Рисунок 3.1.2 - Погрешности, возникающие при в уровне стыков учтено неплотное монтаже колонн многоэтажных (в том Также введением жестких числе высотных) зданий: а, б - перелом вставок длиной оси колонны; в, д - неточное совмещение сечений; г - неплотное прилегание фрезерованных торцов прилегание фрезерованных торцов. Переломы оси стержня можно заменить введением дополнительной горизонтальной нагрузки 7}, а жесткую вставку - введением изгибающего момента МІ (рисунок 3.1.3, а). Правомерность введения таких замен обоснована в работе [59] применительно к железобетонным каркасам зданий повышенной этажности. Расчетные схемы колонн с введенными дополнительными нагрузками представлены на рисунке 3.1.3, б.
Дополнительные нагрузки в стыке колонны можно вычислить по формулам: Tt = P№, (3.1. J) MrPA (3.L2) где P - нормальная сила в колонне на /-ом уровне; а, — угол перелома двух смежных колонн (для малых углов tg а а); st - суммарный эксцентриситет от совмещения сечений смежных элементов колонн есоп и от неплотного прилегания фрезерованных торцов ssh Угол перелома осей колонн: (3.1.6) При приложении к системе нагрузок учитываются знаки смещений и моментов, а также используется единая система координат для всего стержня (на практике удобно пользоваться системой координат, предложенной при геодезической съемке отклонений элементов).
Статистическая оценка описанных неточностей, возникающих при монтаже высотных зданий, дана в главе 4.
Экспериментальное определение величины эксцентриситета от неплотного прилегания торцов на моделях стыков Целью экспериментальных исследований является установление действительного напряженно-деформированного состояния стыка с несовершенством между фрезерованными торцами в виде клиновидного одностороннего зазора под действием сжимающей нагрузки. Задачами исследований являются: - определение напряжений в элементах стыка и установление величины площадки контакта между фрезерованными торцами под действием расчетной нагрузки на стык; — установление правильности принятых расчетных моделей путем сравнения расчетных и экспериментальных данных, в частности, параметров элемента, моделирующего линии относительного скольжения, при решении контактных задач в ПК ANSYS. Описание моделей. Проведены испытания двух моделей стыков. Обе модели представляют собой пару поставленных друг на друга прямоугольных стальных призм размерами 150x150x380 мм (рисунок 3.2.1, а). Малые грани каждой призмы фрезеровались, причем на одной из призм модели торец обрабатывался под некоторым углом к продольной оси. Наличие уклона одного из торцов призм при совмещении их продольных осей дает односторонний зазор величиной 2,0 мм для уклона плоскости торца 0,764 (модель А) и 3,9 мм для уклона 1,5 (модель Б) соответственно. С противоположной зазору стороны ребра призм находятся в контакте. Отсюда начнет развиваться зона контактных Модель А
Влияние материалов сварных швов и подкладок между фрезерованными торцами на величину эксцентриситета
При отсутствии подкладок между фрезерованными торцами и при наличии сварных швов,. наиболее предпочтительным сварочным материалом оказались электроды Э85 (модель IV d). Наплавленный с помощью таких электродов металл наиболее прочен и наименее пластичен по сравнению с остальными использованными сварочными материалами. Наименьший эксцентриситет обусловлен повышенной прочностью металла шва и, как следствие, наиболее эффективной компенсацией зазора между торцами стыкуемых элементов. Однако, при использовании такого материала велик риск образования холодных и горячих сварочных трещин, поэтому реальное использование его при возведении зданий вряд ли возможно.
При расчете моделей стыков, наиболее приближенных к реальным стыкам (группа V) с подкладками и сварными швами выявлено, что наименьший эксцентриситет возникает в модели V а, в которой все элементы условно приняты из стали С345. Сварной шов практически не влияет на закономерности, выявленные для моделей без сварного шва (группа II). Разница между эксцентриситетами в моделях с одинаковыми подкладками и разными сварными швами не превышает 0,2 мм.
На рисунке 3.3.6 показана зависимость эксцентриситетов от величины прикладываемой нагрузки для моделей с различными материалами подкладок (материалы сварных швов и размеры для всех моделей одинаковы). Графики представлены в зависимости от доли полной нагрузки; при этом полной считается нагрузка N = Ry А, которую способна воспринять стойка с заданным поперечным сечением. Максимальный эксцентриситет для всех моделей практически одинаков, соответствует минимальной расчетной нагрузке (0,ЗАО и его значение не превышает 12 мм. Передача усилия в стыке при такой нагрузке происходит через сварные швы и подкладку. Минимальное значение эксцентриситета для всех кривых соответствует нагрузке 0,5...0,7N, когда в стыке начинается развитие зоны контакта и возникающие в разных элементах стыка напряжения выравниваются и взаимно уравновешиваются. Для моделей с подкладками из стали 08кп и С345 на данном участке диаграммы величины эксцентриситетов весьма близки к нулю, а для моделей с подкладками из стали 80 - порядка 6 мм. При нагрузке, равной или приближенной к полной (0,8...IN), эксцентриситеты для моделей с подкладками из сталей 80 и 08кп вновь начинают возрастать и приближаться к максимальному значению. В отличие от остальных, в модели с подкладками из стали С345, при увеличении нагрузки до 0,8...IN, эксцентриситет растет незначительно, а его величина в два раза меньше, чем в остальных моделях.
Доля от полной нагруші, ел Рисунок 3.3.6 - Диаграммы зависимости эксцентриситета в стыке от величины прикладываемой нагрузки для моделей Va, Vc, Vf с разными материалами подкладок 3.4. Определение эксцентриситетов от неплотного прилегания фрезерованных торцов для наиболее распространенных поперечных сечений колонн
Для решения поставленной задачи были проведены численные расчеты ряда моделей стыков. Конечно-элементная модель стыка представляет собой двутавр или коробчатый профиль со стыком посередине длины. Стык - это две фрезерованные плоскости одна из которых перпендикулярна оси элемента, а вторая - расположена под незначительным углом. Эти плоскости образуют клиновидный зазор между стыкуемыми элементами. При моделировании стыков двутавровых колонн использован сортамент США [80] двутавров с параллельными гранями полок, в котором толщина полок колеблется в диапазоне от 40 до 125 мм, а соотношение площади полки к площади стенки A/Aw = 2,0.. .2,3. Наименее «массивный» из исследованных двутавров - W14x211 - по толщине полок и соотношению A/Aw является аналогом самого крупного двутавра 40К5 по отечественному сортаменту [65]. При моделировании стыков колонн коробчатого сечения приняты профили габаритами 750x750 мм, 650x650 мм и 600x600 мм и различной толщиной стенки - 230 мм, 150 мм, 115 мм и 75 мм. Как правило, сечение колонн состоит из четырех листов, соединенных непрерывными продольными сварными швами с разделкой кромок и катетом не более 20 мм. Отношение площади полки к площади стенки для таких профилей лежит в диапазоне A/Aw = 0,7... 1,3. Также возможны варианты колонн, коробчатое поперечное сечение которых составлено из четырех уголков или двух швеллеров, но они в данной работе не рассмотрены. Геометрические характеристики сечений представлены в таблице 3.4.1. Свойства стали толстолистового и фасонного проката приняты по результатам, представленным в главе 2.
Для определения влияния несовершенства в стыке на величину эксцентриситета, созданы группы моделей, в которых варьируются величины начального зазора G и оставляемого зазора Gs (рисунок 3.4.1). При разных величинах начального и оставляемого зазоров длина заполнения зазора Таблица 3.4.1 - Геометрические характеристики исследуемых профилей п/п Эскиз Сортамент Номер Высота.ммН Шир.полки,мм Толщ.полки,ММ Шир.стенки,мм Толщ.стенки,мм -І/ А, см2 см /nmсм
Моделируемое несовершенство в стыке колонн на примере двутавровой колонны с зазором, раскрытым вдоль плоскости большей жесткости подкладками Lsh изменяется от модели к модели. На основании анализа зарубежных нормативных документов [107] и опыта возведения высотных зданий в г. Москве, начальный зазор G принят величиной 10 мм, 6,5 мм или 1,5 мм; оставляемый Gs - 2,5 мм, 1,5 мм или 0,5 мм. Для двутавровых профилей просчитаны варианты с зазором, раскрытым как в плоскости большей, так и меньшей жесткости. Комбинируя различные направления раскрытия зазоров и их величину, получается несколько случаев передачи нагрузки от верхнего элемента к нижнему. Для двутавровых стоек таких случаев четыре (рисунки 3.4.2, 3.4.3), а для колонн коробчатого сечения - всего два (рисунок 3.4.4). Случаям, показанным на рисунках 3.4.2, а, 3.4.3, а и 3.4.4, а, соответствуют максимальные величины раскрытия зазоров, а остальным — минимальные. Когда зазор в стыке колонны коробчатого сечения требует заполнения с четырех сторон поперечного сечения (рисунок 3.4.4, б), возникает зона стыка, недоступная для заполнения подкладками. Это обстоятельство было учтено при создании конечно-элементных моделей.
Результаты натурных измерений отклонений элементов колонн от проектного положения
Для оценки напряженно-деформированного состояния колонн высотных зданий составлены и использованы расчетные схемы, учитывающие конструктивные особенности современных высотных зданий, описанных в разделе 4.1 настоящей работы. _ Расчетные схемы представляют собой пятиэтажную стойку постоянной жесткости (рисунок 5.1.1), «вырезанную» из конструкции здания. Высота каждого этажа 4,4 м. Поперечные сечения стоек прияты такими же, как и в разделах 3.1, 3.4 - 17 профилей W14xl76...730, а также 8 профилей коробчатого сечения. В уровне каждого этажа стойка имеет упругоподатливые опоры по двум главным осям профиля. В плоскости меньшей жесткости упруго податливые опоры моделируют наличие комбинированного сталежелезобетонного перекрытия с грузовой площадью 3,3 м: радиальная балка пролетом 13 м имеет двутавровое сечение W18x40, а приведенная толщина железобетонной перекрытия части по несъемной опалубке из профилированного настила составляет 160 мм и выполняется из бетона класса прочности В25. Жесткость опоры определяется из соотношения: ЕА = (AS + Лс) = 1625610 кН/м, (5.1.1) где: Es и Ес — модули упругости стали и железобетона; As и Ас - площади поперечных сечений стального и железобетонного элемента перекрытия; L -пролет перекрытия.
В плоскости большей жесткости опоры моделируют жесткое раскрепление колонн обвязочными балками перекрытий, имеющими пролет 3,3 м и выполняющихся, как правило, из двутавра W30x99. В уровне каждой опоры к стойке прикладывается сосредоточенная сила величиной Pi...5 = 215 кН от расчетных равномерно распределенных постоянных и временных нагрузок. В уровне опоры №6 (см. рисунок 5.1.1) прикладывается сила величиной, определяемой из условия несущей способности стойки заданного сечения: где: Ry - расчетный предел текучести для используемой стали (по главе 2), ус -коэффициент условий работы колонн по таблице 6 [58], А - - площадь поперечного сечения колонны; р - коэффициент продольного изгиба в соответствии с п. 5.3 [58]. На каждом этаже на высоте 1,2 м от уровня упругоподатливых опор прикладываются нагрузки от неточностей монтажа колонн. При назначении величин дополнительных нагрузок на стержни колонн в стыках использованы данные статистической обработки результатов исполнительной съемки, приведенные в таблице 4.2.2, причем расчеты выполнены в двух вариантах нагружений: с учетом всех исследованных неточностей и без учета эксцентриситета от неплотной пригонки фрезерованных торцов в стыке esh. Вычисленные величины дополнительных нагрузок для обоих вариантов загружений представлены в таблицах 5.1.1, 5.1.2.
Анализ результатов исполнительной съемки показал некоторые закономерности, касающиеся направления развития неточностей монтажа, а значит и действия нагрузок. Установлено, что последующий ярус колонны монтируется с компенсацией полученного отклонения, получившегося при монтаже предыдущего яруса (рисунок 5.1.2, а). Таким же образом компенсируются отклонения от совмещения сечений в стыке (рисунок 5.1.2, б). Эти обобщения дают возможность установить правило назначения знаков дополнительных усилий: при действии дополнительной нагрузки Т, вызванная наличием угла перелома оси колонны, противоположно направлению оси X, момент М от неточного совмещения сечений определяется правилом «буравчика», вращаемого в положительном направлении оси Y (рисунок 5.1.2, в) 5.2. Напряжения в колоннах с учетом дополнительных нагрузок
Графики зависимостей нормальных напряжений а от гибкостей X исследованных стоек: 1 - напряжения, определенные с учетом всех исследованных неточностей; 2 - напряжения, определенные без учета эксцентриситета esh\ 3 - напряжения, определенные в соответствии со СНиП [58] вычисленные по формуле 5.2.2 и [58]. При отсутствии эксцентриситета от неплотной пригонки фрезерованных торцов в стыке ssh (кривая 2) напряжения в исследованных двутавровых стойках не превысили значений
На рисунке 5.2.2 представлены графики разницы между сравниваемыми напряжениями в зависимости от гибкостей стоек. Разница определялась по соотношению:
Величины напряжений, определенные с учетом всех изученных неточностей монтажа, превышают напряжения, вычисленные по СНиП [58], для стоек с двутавровым поперечным сечением максимум на 10,3%, а с коробчатым сечением - на 16,1%. Если монтажными операциями устранить эксцентриситет
Зависимости разницы вычислений напряжений в стойках с поперечным сечением в виде двутавра (а) и коробки (б) от гибкостей стоек: 1 - разница между напряжениями по СНиП [9] и напряжениями, определенными с учетом всех неточностей монтажа; 2 - то же, и напряжениями, определенными без учета эксцентриситета esj, esh, то величины напряжений для стоек двутаврового профиля не превысят величин, вычисленных по СНиП [58], а для коробчатых профилей - превысят не более чем на 7,2%.
Выполненные расчеты показали, что принятой в современных нормативных документах [53, 58, 62] величины случайного эксцентриситета для расчета центрально-сжатых стоек недостаточно для учета фактических несовершенств, возникающих при монтаже стальных колонн высотных зданий.
