Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор технических решений на основе холодног нутого профиля. обзор исследований работы стоек из тонко стенных стержней при сжатии. обоснование выбора объекта исследований 12
1.1 Развитие сферы строительства с применением холодногнутого профиля
1.2 Особенности изготовления холодногнутого профиля. Начальные несовершенства 24
1.3 Особенности технологии монтажа каркаса из холодногнутого профиля
1.4 Обзор исследований вопросов устойчивости и несущей способности тонкостенных стержней 27
1.5 Обзор современного состояния исследования вопросов устойчивости и несущей способности тонкостенных стержней. Просечной профиль 40
1.6 Обзор современного состояния методов расчета и нормативных документов по вопросам устойчивости и несущей способности холодногнутых профилей 44
1.7 Объект и предмет исследования, цель и задачи исследования Выводы по 1 главе 49
Глава 2. Теоретические исследования напряженного-деформированного состояния стоек из холодногнутого профиля при сжатии на основе численного моделирования
2.1 Методика численного исследования 51
2.2 Создание конечно-элементных моделей 52
2.3 Численные исследования устойчивости сжатых стоек в упругой стадии 61
2.4 Численные исследования устойчивости сжатых стоек в нелинейной постановке 64
2.5 Результаты исследования модели просечного профиля ТС-150-2,0
2.6 Результаты исследования модели сплошного профиля ПС-150-2,0
2.7 Сравнение результатов численного расчета с расчетами по другим методикам 79
Выводы по 2 главе 81
Глава 3. Натурные испытания стоек из холодногнутого тонкостенного сплошного и просечного с-профиля на сжатие 83
3.1 Методика проведения испытаний 84
3.2 Объем и критерии проведения испытаний 88
3.3 Оборудование для проведения испытаний 89
3.4 Результаты натурных испытаний стоек из стального холодногнутого просечного С-профиля ТС-150-2,0 94
3.5 Результаты натурных испытаний стоек из стального холодногнутого сплошного С-профиля ПС-150-2,0 106
3.6 Результаты натурных испытаний стоек из стального холодногнутого просечного С-профиля ТС-200-2,0 110
3.7 Результаты натурных испытаний стоек из стального холодногнутого сплошного С-профиля ПС-200-2,0 113
3.8 Сравнительный анализ полученных экспериментальных результатов 115
3.9 Сравнение результатов экспериментальных и численных исследований 116
Выводы по 3 главе 118
Глава 4 Предложения по методике расчета сжатых элементов из холодногнутого просечного с-профиля 120
4.1 Предложения 120
4.2 Определение несущей способности сжатого элемента по различным методикам 124
4.3 Расчет по предложенной методике 143
Выводы по 4 главе 146
Заключение 147
Список литературы
- Особенности изготовления холодногнутого профиля. Начальные несовершенства
- Создание конечно-элементных моделей
- Оборудование для проведения испытаний
- Определение несущей способности сжатого элемента по различным методикам
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время в России наблюдается устойчивый рост строительства быстровозводимых энергоэффективных зданий на основе каркаса из стальных холодногнутых оцинкованных профилей. Вертикальные элементы каркаса, стойки, объединены в общую работу при помощи направляющих и листов обшивки, пространство между стойками заполнено эффективным утеплителем. Соединение элементов каркаса и листов обшивки осуществляется на вытяжных заклепках или самосверлящих самонарезающих винтах.
Толщина стены в таких зданиях назначается исходя из обеспечения требований тепло- и звукоизоляции. Для стоек внутренних стен используется холодногнутый неравнополочный С-профиль сплошного сечения, для наружных – холодногнутый неравнополочный С-профиль с просечками. Толщина профиля 1,5-2,5 мм, высота сечения 150-250 мм. Открытое С-образное сечение обеспечивает, в отличие от замкнутого, легко выполняемые при помощи самонарезающих винтов соединения, несимметричность сечения в виде полок разного размера обеспечивает удобство крепления листов обшивки, что вместе гарантирует высокую скорость выполнения монтажных работ по возведению здания.
Стойка из неравнополочного С-профиля работает как внецентренно сжатая в результате двухосного случайного эксцентриситета и начальных несовершенств, что обусловлено геометрией сечения, особенностями изготовления профиля и монтажа самой стойки.
Продольные просечки, расположенные в шахматном порядке в стенке холодногнутого просечного профиля, увеличивают путь прохождения теплового потока, что способствует снижению теплопроводности и позволяет ликвидировать так называемые «мостики холода», за что профиль получил название «термопрофиль». В просечном С-профиле, в отличие от перфорированных профилей, сталь в просечках не изымается, а отгибается, что является основным отличительным признаком исследуемого профиля от других видов выпускаемого профиля. Полученные путем холодной гибки тонкого листового металла, холодногнутые профили требуют иного подхода к проектированию и эксплуатации, изготовленных из него строительных конструкций, который заключается в учете влияния тонкостенности профиля и особенностей его конфигурации на устойчивость и несущую способность конструкций.
Несмотря на широкое применение стального холодногнутого просечного С-профиля в строительстве, в отечественной научно-технической литературе до сих пор отмечается недостаточная изученность степени влияния просечек на несущую способность и устойчивость конструктивных элементов. В российских нормативных документах рекомендации по расчету и проектированию конструкций из стального холодногнутого просечного С-профиля отсутствуют, поэтому, с практической точки зрения, исследование несущей спо-
собности и напряженно-деформированного состояния стоек из просечного холодногнутого С-профиля при сжатии представляется актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования. Изучение несущей способности стоек из холодногнутого профиля связано с изучением проблемы потери устойчивости тонкостенного стержня. Исследованием тонкостенных стержней занимались С.П. Тимошенко, А.А. Уманский, Б.Г. Галеркин, В.З. Власов, Г. Вагнер, Ф. Блейх, Т. Карман, Дж. Винтер, К. Ф. Колбруннер, А.С. Вольмир, Я. Брудка, Э. Стоуэл, Дж. Хеймерль, К. Либов, и др.
Изучение вопросов местной устойчивости тонкостенных стержней требует использования положений теории пластинок, которой посвящены работы Л. Эйлера, Д. Бернулли, С. Жермен, Л. Лагранжа, А. Сен-Венана, А. Феп-пля, И.Г. Бубнова, П.Ф. Папковича, Т. Кармана, Дж. Винтера, Э. Шехлера, Л. Доннела, А.С. Вольмира, А. Чилвера, Я. Брудки и др.
В настоящее время продолжаются исследования тонкостенных конструкций из холодногнутого профиля. Проблемам численного расчета тонкостенных конструкций посвящены работы А.Р. Туснина, В.И. Сливкера, В.А. Лалина, В.А. Рыбакова, А.В. Осокина и др. В прикладном направлении следует отметить работы Э.Л. Айрумяна, Г.И. Белого, Н.И. Ватина и его учеников, а также работы В.В. Зверева, И.И. Ведякова, И.В. Астахова, И.Г. Катранова, А.С. Семенова, Е.В. Мещеряковой, А.А. Кикоть и др.
Большое внимание проблемам тонкостенных конструкций уделяется в работах иностранных исследователей, интерес представляют работы таких ученых, как B.W. Schafer, C.D. Moen, B. Brune, D. Ungermann, A. Ghersi, R. Landolfo, F. M. Mazzolani, O. Kaitila, C. Basaglia, D. Camotim, N. Silvestre, S.M. Chou, J. Rhodes, R. Zandonini и др.
Несмотря на разнообразие проведенных работ, в отечественной и зарубежной научно-технической литературе практически отсутствует информация по исследованию неравнополочного просечного С-профиля и степени влияния данного вида просечек на несущую способность и устойчивость тонкостенных конструкций.
Цель и задачи работы
Цель работы - определение несущей способности и исследование напряженно-деформированного состояния сжатых стоек из стального холодногну-того просечного С-профиля.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
выполнить анализ области применения стального холодногнутого профиля в строительстве и обзор существующих конструктивных решений на основе каркаса из стального холодногнутого профиля;
изучить влияние начальных несовершенств и особенностей изготовления холодногнутого профиля на несущую способность конструкций;
провести теоретическую оценку устойчивости и несущей способности сжатых стоек, выполненных из холодногнутого сплошного и просечного нерав-нополочного С-профиля, путем численных исследований и сформулировать
теоретические предпосылки для совершенствования инженерной методики их расчета;
провести экспериментальные исследования сжатых стоек из холодногнуто-го сплошного и просечного неравнополочного С-профиля с целью проверки обоснованности теоретических положений;
выполнить сравнительный анализ работы стоек из холодногнутого просечного С-профиля с работой стоек из холодногнутого сплошного С-профиля;
выявить и оценить факторы, влияющие на несущую способность сжатых стоек из холодногнутого просечного С-профиля;
- разработать рекомендации по совершенствованию инженерной методики
расчета сжатых стоек из стального холодногнутого С-профиля и рекоменда
ции по проектированию конструкций на его основе.
Объект исследования: Стойки из стального холодногнутого просечного и сплошного неравнополочного тонкостенного С-профиля, работающие на сжатие с двухосным случайным эксцентриситетом.
Предмет исследования: Несущая способность сжатых стоек из стального холодногнутого просечного неравнополочного С-профиля.
Научная новизна работы:
получены новые экспериментальные данные о работе сжатых стоек, выполненных из холодногнутого просечного С-профиля, при закреплении стоек в условиях аналогичных эксплуатационным со случайным эксцентриситетом;
изучено напряженно-деформированное состояние сжатых стоек из стального тонкостенного холодногнутого просечного С-профиля на основе численных исследований с учетом экспериментальных данных;
выявлены основные факторы, влияющие на несущую способность сжатых стоек из стального холодногнутого просечного С-профиля;
- получено значение эмпирического коэффициента, учитывающего влияние
особенностей холодногнутого просечного С-профиля на несущую способ
ность изготовленных из него сжатых стоек.
Степень достоверности результатов исследования, научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректностью поставленных задач, использованием общепринятых в механике твердого тела и строительной механике гипотез и допущений, сходимостью результатов численного моделирования и экспериментальных данных, а также эксплуатационной пригодностью исследуемых элементов в конструкциях зданий и сооружений. Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечена применением современного поверенного измерительного оборудования и методов проведения исследования. Достоверность результатов численных исследований обеспечена применением апробированного программного комплекса, выполняющего расчеты методом МКЭ.
Теоретическая значимость работы заключается в результатах исследования несущей способности сжатых стоек из стального холодногнутого просечного тонкостенного неравнополочного С-профиля в упругой и закри-тической стадии работы, определения факторов, влияющих на поведение
стоек под нагрузкой и на величину несущей способности, разработке рекомендаций по учету данных факторов при расчете и проектировании.
Практическая значимость работы:
разработаны методика и испытательное оборудование для проведения экспериментальных исследований стоек из холодногнутого профиля на сжатие;
разработаны методика и база конечно-элементных моделей для проведения численных исследований стоек из холодногнутого С-профиля;
предложена инженерная методика определения несущей способности сжатых стоек из холодногнутого просечного С-профиля с использованием эмпирического коэффициента, учитывающего конструктивные особенности профиля и начальные несовершенства, что способствует рациональному использовании несущей способности тонкостенного профиля и снижению металлоемкости применяемых конструкций;
даны практические рекомендации по проектированию и монтажу стеновых панелей на основе холодногнутого С-профиля, что позволяет повысить их надежность и долговечность на стадии проектирования и эксплуатации.
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования послужили отечественная и мировая научно-техническая литература по исследованиям стальных тонкостенных конструкций, гипотезы строительной механики, положения теории упругости и теории пластинок. При выполнении диссертационной работы были использованы численно-аналитический метод на основе метода конечных элементов и экспериментальный метод натурных испытаний конструкций.
Внедрение результатов работы
Результаты работы применены в проектной и практической деятельности организаций ООО «Проектная группа «Наш город», ООО «СпецМон-тажПроект» при проектировании зданий и конструкций различного назначения из стального холодногнутого профиля на территории РФ.
На защиту выносятся:
методика (стенд и программа) проведения испытаний на сжатие стоек из стального холодногнутого профиля;
результаты экспериментальных исследований стоек из стального холодног-нутого сплошного и просечного С-профиля на сжатие;
- результаты численных исследований стоек из стального холодногнутого
сплошного и просечного С-профиля на сжатие;
параметры деформирования сечения просечного С-профиля, полученные на основе закритической работы сжатых стоек под нагрузкой;
рекомендации по расчету и проектированию сжатых стоек, выполненных из стального холодногнутого С-профиля.
Личный вклад автора заключается в разработке методики и проведении экспериментальных и численных исследований; оценке их результатов; разработке предложений по совершенствованию методики расчета сжатых стоек из стального холодногнутого С-профиля и рекомендаций по их применению на практике.
Апробация работы
Основные положения и полученные результаты работы докладывались и обсуждались на:
- заседаниях кафедры СКиА (2009-2013 г.г.) и кафедры строительства (2014
г.) ЧГУ (г. Череповец);
- ежегодной международной научно-практической конференции «Неделя
науки СПбГПУ» (г. Санкт-Петербург) (2009-2012 гг.);
- ежегодной научно-технической конференции ВОГТУ «Исследователи – ре
гионам» (г. Вологда) (2009-2013 гг.);
- ежегодной научно-технической конференции молодых ученых «Актуаль
ные проблемы современного строительства» СПбГАСУ (г. Санкт-Петербург)
(2009-2011 гг.);
международных научных конференциях («Актуальные вопросы экономики строительства и городского хозяйства» 2012 г., г. Минск, Беларусь; «ARCHITECTURE, CIVIL ENGINEERING MODERNITY» 2013 г., г. Варна, Болгария; «Innovative Materials, Structures and Technologies» 2013 г., г. Рига, Латвия; METNET International Conference and Workshop, 2014 г., г. Санкт-Петербург, Россия; «3rd International Conference on Competitive Materials and Technology» 2014 г., г. Мишкольц, Венгрия);
представлены на всероссийских конкурсах и выставках (диплом победителя на выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2013», г. Вологда);
на всероссийских и региональных конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 2 статьи в журналах, входящих в международную базу цитирования Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов, библиографии и четырех приложений. Список литературы содержит 143 наименования, в том числе 31 зарубежных. Работа изложена на 184 страницах, включая 128 рисунков, 16 таблиц.
Особенности изготовления холодногнутого профиля. Начальные несовершенства
Сортамент выпускаемых гнутых профилей в СССР Возможности гнутых профилей были хорошо известны в советское время и широко востребованы в транспортном машиностроении, автомобилестроении, сельскохозяйственном и транспортном машиностроении, судостроении, электротехнической промышленности. Но самым крупным потребителем стальных гнутых профилей было промышленное и гражданское строительство [69], в котором они применялись как для несущих, так и для ограждающих и декоративных конструкций. Широкий спрос на гнутые профили в Советском Союзе обеспечил возможность стандартизации строительных элементов, легкость монтажа и современный внешний вид.
В строительстве применялись три основные группы гнутых изделий: профилированные стальные листы, замкнутые сварные и открытые профили.
Обладающий большой несущей способностью при малой массе, профилированный лист нашел широкое применение в промышленном строительстве взамен сборных железобетонных плит. Так, применение оцинкованного гофрированного листа 660х80х1 при строительстве Волжского автомобильного завода (г. Тольятти) обеспечило экономию в 2 млн. руб. (в ценах того времени).
Оборудование позволяло получать тонкостенные замкнутые гнутые профили в результате сварки двух С-образных профилей на профилегибочных станах. Институтом «ЦНИИпроектстальконструкция» были разработаны стальные конструкции ферм промышленных зданий, рисунок 1.4, под оцинкованный профилированный лист с применением гнутых сварных профилей, что дало снижение стоимости ферм с учетом монтажа по сравнению с фермами из горячекатаного профиля на 14-28 % в зависимости от нагрузки.
Ферма разработки «ЦНИИпроектстальконструкция» В Харьковском отделении института «Энергосетьпроект» были разработаны шинные и линейные порталы на 110 и 220 кВ для линий электропередач с применением гнутосварных профилей толщиной 4 мм из двух С-профилей с гофрированной стенкой.
Открытые гнутые профили использовались в прогонах покрытий, в элементах фахверка и пр. Возможность многоразового использования профилей в сборно-разборных конструкциях, отсутствие сварочных работ обеспечило их широкое применение при устройстве временных выставочных и торговых павильонов, переносных гаражей и складов. Перфорированные профили применялись для перегородок при разделении на отсеки больших помещений по вертикали и горизонтали. В жилищном строительстве гнутые профили составили замену деревянным конструкциям при устройстве стропильных кровель и перекрытий.
Исследования, проведенные ЦНИИПСК им. Мельникова в середине ХХ века в 70-х гг. показали, что гнутые профили целесообразно применять и в фермах, и в каркасах зданий и в прочих видах строительных конструкций.
Гнутые профили были незаменимым материалом при строительстве в труднодоступной местности, например горной, позволяя осуществить монтаж в максимально короткие сроки при отсутствии квалифицированных рабочих. Так, для зимних Олимпийских игр в 1964 г. в Инсбруке из гнутых открытых профилей были смонтированы трибуны на 5000 мест, девять многоэтажных табло, три телевизионные и киносъемочные вышки, ограждения, которые по окончании игр были демонтированы и использованы для других сооружений.
Следует отметить, что в Западной Европе середины ХХ века были широко распространены легкие перекрытия на основе гнутого профиля в сочетании с заполнением легкими бетонами [15]. В частности, часторебристое перекрытие системы «Веди», на основе балок из тонкостенного швеллера; перекрытие системы «Кайзер КТ500» на основе стальной решетчатой балки, состоящей из двух поясов из профиля толщиной до 2 мм; перекрытие системы «Буркхардт», в котором использовалась выгнутая из листа металла балка толщиной 1,75-2,5 мм; перекрытие системы LKT, имеющее легкий прогон коробчатого сечения из четырех профилей толщиной 1,6 мм, соединенных точечной сваркой; перекрытие системы MAN, которое применялось в многоэтажных каркасных зданиях, состоящее из гнутых профилей толщиной 2 мм, укрепленных уголками 45х30х4 и сборных железобетонных плит толщиной 5 см.
В 1980 г. в системе Минмонтажспецстроя СССР был создан Главк «Глав-спецлегконструкция». В задачу Главка входило проектирование, изготовление и монтаж легких строительных конструкций, включая и конструкции из холод-ногнутого профиля. В конце 80-х гг. доля легких элементов в конструктивном исполнении выпускаемых строительных конструкций составляла для стен 10-15%, для перекрытий – 4-10%, для кровель – до 15 %. В связи с развалом Советского Союза многие производственные мощности были утрачены, фактически распался и Минмонтажспецстрой.
Вновь возродилось изготовление холодногнутых профилей в конце 90-х гг. в связи с появлением в России технологии быстровозводимых каркасных зданий. Впервые данная технология появилась в США и Канаде, а затем распространилась в Западную Европу, Японию и Россию. Постройки, выполненные с применением стального каркаса из холодногнутых профилей, занимают значительную долю от общего объема жилого строительства: в Великобритании – 20%, Швеции и Японии – 15 %, Канаде -10%, и США – до 15% [34].
Преимуществами данной технологии является малый вес несущего стального каркаса (в пределах 20-25 кг/м2), высокая скорость монтажа, быстрая окупаемость, отсутствие сварочных работ и «мокрых» процессов на площадке.
Широкому развитию технологии быстровозводимых зданий в России способствовало появление на российском строительном рынке шведской фирмы Lindab. Первые пилотные дома по быстровозводимой технологии были построены именно на основе профиля Lindab. На сегодняшний день фирмой Lindab возводятся здания различного назначения во всех странах Европы, рисунок 1.5 [143]. Приведенные примеры показывают большие возможности для проектировщиков в создании эффективных зданий из ЛСТК.
Примеры объектов из профиля Lindab Конструктивная система таких зданий представляет собой стальной каркас из холодногнутых оцинкованных профилей с последующей обшивкой наружного контура листовыми материалами, рисунок 1.6. Отдельные элементы каркаса, стойки или балки, объединены при помощи направляющих и для удобства изготовления и монтажа делятся на вертикальные и горизонтальные панели. Пространство между профилями заполняется эффективным утеплителем. Соединение элементов каркаса между собой и крепление листов обшивки осуществляется на самосверлящих самонарезающих винтах или на вытяжных заклепках [5, 36-39, 49, 59]. Как правило, для внутренних стен применяют холод-ногнутый неравнополочный С-профиль сплошного сечения, называемый часто «стоечный», для стоек наружных панелей - холодногнутый неравнополочный просечной С-профиль, который позволяет избежать мостиков холода. Толщина стенки профиля - 1,5-2,5 мм, высота сечения - 150-250 мм. С-образное открытое сечение профиля обеспечивает, в отличие от замкнутого, легко выполняемое при помощи самонарезающих винтов соединение стоек с направляющей, несимметричность сечения в виде полок разного размера обеспечивает удобное крепление листов обшивки, что вместе и обуславливает высокую скорость вы полнения монтажных работ по возведению здания.
Создание конечно-элементных моделей
Первое научное исследование по теории пластинок принадлежит Эйлеру и относится к теории абсолютно гибких пластинок (мембран). Теория гибких пластинок основана на гипотезах Кирхгоффа, которые являются дальнейшим обобщением гипотез Бернулли. В дифференциальном уравнении, предложенном Бернулли для прогиба жесткой пластинки, по сравнению с (1.7) отсутствовал член отвечающий кручению пластинки. Уравнение равновесия изогнутой срединной поверхности пластинки полученное С. Жермен в 1811 г., ученицей Луи Лагранжа, также было неполным. В трудах Лагранжа нашли исправленное полное уравнение изгиба жестких пластинок без подробного вывода. В 1881 г. при переводе книги Клебша А. Сен-Венан привел полное дифуравнение изгиба пластинки с учетом усилий в срединной поверхности, которое позднее было использовано Брайеном при рассмотрении устойчивости пластинки.
В связи с развитием металлического судостроения в начале ХХ века стали применяться гибкие пластинки с прогибами сравнимыми с их толщиной. Для таких пластинок связь между прогибом и нагрузкой будет уже нелинейной.
Важные исследования по гибким пластинкам, имеющим практическое значение, принадлежат русскому инженеру Бубнову И.Г. В его трудах (1902 г., 1912 г.) приводятся методы расчета обшивки корабля, основанные на нелинейной теории пластинок. И.Г. Бубновым был введен также метод редукционных коэффициентов, позволяющий определять несущую способность тонкостенной конструкции, некоторые из элементов которой потеряли устойчивость.
Первые нелинейные уравнения изгиба абсолютно гибких пластинок были получены А. Фепплем, которые Т. Карман дополнил членом, содержащим цилиндрическую жесткость, получив их окончательный вид согласно (1.11). Первое исследование закритической деформации сжатых прямоугольных пластинок с использованием теории упругости принадлежит П. Ф. Папковичу.
Развитие металлического самолетостроения в 1920-1930 г.г. потребовало не только теоретических, но и экспериментальных исследований по теории гибких пластинок. Работы, посвященные прогибам пластинок, принадлежат советским ученым Варваку П.М., Даревскому В.М., Слепову Б.И. За рубежом уравнения теории пластинок в нелинейной постановке принадлежат А. Фепп-лю, Прескотту. Изучением закритической несущей способности пластин занимались Карман, Шехлер, Доннел, Маргер, Шуман и Бак, Вольмир [77]. Экспериментальные исследования закритической несущей способности тонкостенных балок проводили Хеймерль, Чилвер, Нидхем, Винтер, Миллер, Брудка, Коваль, Терешковский и др. Следует отметить опыты Вольмира (1941 - 1955 г.), которые способствовали развитию нелинейной теории пластин и оболочек.
Теории оболочек также посвящены монографии В.З. Власова, А.Л. Гольденвейзера, А.И. Лурье, В.В. Новожилова, но в них по существу рассматриваются линейные задачи. Но, именно нелинейная теория оболочек большого прогиба дает ключ к объяснению процесса потери устойчивости оболочек, состоящего обычно во внезапном образовании глубоких выпучин, подобная потеря устойчивости может быть причиной полного разрушения конструкции. Поэтому данные нелинейной теории расчета оболочек имеют большое практическое значение для расчетов на устойчивость многих ответственных сооружений.
Напряжения в пластинках
Для жесткой пластинки срединный слой свободен от напряжений растяжения-сжатия и является нейтральным. Для гибких пластинок при расчете в пределах упругости наряду с чисто изгибным напряжением необходимо учитывать напряжения, равномерно распределенные по толщине пластинки (в крайних волокнах), и напряжения в срединной поверхности, часто называемые цепными или мембранными или напряжениями в срединной поверхности. Для мембран характерна равномерность распределения напряжений по толщине, то есть цепные напряжения не отличаются от напряжений в крайних волокнах.
Цепные напряжения могут быть вызваны полным или частичным стеснением взаимного смещения контурных точек пластинки. В случае, например, когда пластинка опирается на не смещающиеся в ее плоскости ребра, изгиб пла 38 стинки сопровождается удлинением волокон срединного слоя, приобретающий заметное значение при больших прогибах пластинки.
Как правило, потеря местной устойчивости в сжатой зоне сечения происходит на ранних стадиях нагружения, при уровне напряжений существенно ниже расчётных значений, но это не означает достижение профилем предельного состояния, сечение в целом остается работоспособным, имеет достаточный запас по несущей способности и может воспринимать внешнюю нагрузку. Потеря местной устойчивости учитывается использованием геометрических характеристик эффективного сечения, рассчитанных на основе значений эффективной ширины, которая в закритическом состоянии принимает всю нагрузку. На рисунке 1.19, а представлена схема закритической работы пластинки.
Карман, Шехлер и Доннел, проведя множество исследований, предложили формулу для определения эффективной ширины bW: E (Jcp \(Jkp = ,uv і с учетом сг, сг сг А/ сг max max і max bw=l,69gj , на основе— = 0,89/ с учетом а. = 3,62Е — (113) vyy Следует отметить американского исследователя Винтера Дж., которым в начале ХХ века было испытано более 150 изгибаемых балок с различными характеристиками, рисунок 1.19, б. Зависимость, предложенная Винтером, имеет вид:
Оборудование для проведения испытаний
В данной главе диссертационной работы приведены данные о подготовке к натурным испытаниям стоек из холодногнутого тонкостенного С-профиля и непосредственно результаты испытаний.
Натурные испытания стоек из холодногнутого С-профиля проведены на базе Череповецкого государственного университета в течение 2013 года под руководством и непосредственным участием автора диссертационной работы.
Согласно первой главы диссертационной работы, в настоящее время проводятся достаточно большое количество исследований, посвященных холод-ногнутым профилям и конструкциям из них, но, как правило, исследования проводятся численными методами. Проведение натурных испытаний достаточно трудоемко и дорого. Но многими авторами отмечается недостаток экспериментальных исследований для получения полной картины поведения холодног-нутого профиля из-за наличия начальных несовершенств и ряда других факторов, влияющих на несущую способность и устойчивость конструкций, которые достаточно сложно учесть при использовании аналитических и даже численных методов исследования. Отмечается отсутствие натурных испытаний конструкций из просечного холодногнутого профиля, которые необходимы для получения надежных рекомендаций по их проектированию и монтажу.
Цель проводимых экспериментальных исследований: - изучение действительного напряженно-деформированного состояния стоек из холодногнутого просечного С-профиля и сплошного С-профиля при сжатии; - сравнительный анализ их поведения под нагрузкой; - получение новых экспериментальных данных о поведении при сжатии стоек из просечного холодногнутого С-профиля; - подтверждение результатов теоретических исследований (численного моде лирования) устойчивости и несущей способности сжатых стоек из холодногну того просечного и сплошного С-профилей; Задачи экспериментального исследования: - определить соответствия положений принятой расчетной схемы фактическим условиям работы конструкции; - определить минимальную несущую способность сжатых стоек из хо-лодногнутого С-профиля и влияющие на нее факторы; - установить причины исчерпания несущей способности сжатых стоек из холодногнутого просечного С-профиля; - выявить резервы несущей способности сжатых стоек из холодногнутого сплошного и просечного С-профиля; - изучение форм потери устойчивости стойки из просечного С-профиля.
Следует отметить, что в настоящее время в России отсутствуют утвержденные методики проведения испытаний конструкций из холодногнутого профиля, поэтому для проведения экспериментальных исследований стоек на сжатие, автором диссертационной работы была разработана методика с учетом требований Еврокода и рекомендаций ЦНИИПСК им. Мельникова по проведению испытаний строительных конструкций.
Методика проведения натурных испытаний, разработанная в соответствии с методологией экспериментальной механики, представлена ниже в программе испытаний и содержит: обоснование выбора экспериментальной модели в зависимости от цели испытания и ее описание; описание конструкции стенда для проведения натурных испытаний; описание способов и средств приложения силовых нагрузок и измерения деформаций и перемещений при натурных испытаниях; описание этапов проведения испытаний и мероприятий по технике безопасности при проведении испытаний, а также способы обработки экспериментальных данных.
Программа испытаний Обоснование выбора экспериментальной модели В зависимости от выбранной цели испытаний в качестве объектов испытаний могут быть один или несколько элементов конструкции, часть конструк 85 ции, отдельные узлы или конструкция в целом [61]. Основное требование к экспериментальным объектам – они должны повторять основные параметры конструкции (площадь поперечного сечения, характер опирания и т.д.).
Работу тонкостенных элементов на устойчивость трудно оценить на малых моделях, поскольку сложно в малой модели имитировать те особенности натурной конструкции, которые оказывают в ряде случаев существенное влияние на величину критических усилий. С увеличением длины стоек основную опасность представляет потеря общей устойчивости, поэтому при изучении поведения сжатых стоек большую роль играет длина испытуемых образцов. Исследования устойчивости производят с целью изучения закритической работы и определения резервов несущей способности. Когда исследования не ограничиваются упругой работой материала, рекомендуется модели изготавливать из материала натурной конструкции, при этом необходимо осуществлять автоматическую запись нагрузка-деформация, в минимально короткие время снимать отсчеты со всех приборов и фиксировать нагрузку.
В соответствии с принятыми целями и задачами работы и с учетом результатов численных исследований производятся натурные испытания на сжатие стоек длиной 2,2 м в натуральную величину, рисунок 3.1.
Экспериментальные стойки были изготовлены из стального оцинкованного тонкостенного холодногнутого С-профиля (ПС) и просечного С-профиля (ТС) производства ООО «Нординкрафт-Сенсор» (г. Череповец). Была принята следующая маркировка экспериментальных моделей стоек: {тип}{h} – {t} – (#), где тип – тип холодногнутого С-профиля: ПС – сплошной, ТС – просечной; h – высота сечения, мм; t – толщина, мм; # - порядковый номер в серии, например, {TC}{150} – {2,0} – (#).
Материал стоек - сталь 08пс группы ХП ГОСТ 14918-80 производства ОАО «Северсталь» (г. Череповец), для которой согласно ГОСТ т не менее 23 кН/см2. В целях определения минимальной несущей способности опытные образцы стоек были изготовлены из стали с пониженным пределом текучести, но при требуемом относительном удлинении. Перед испытанием опытные стойки были осмотрены на предмет наличия начальных несовершенств. Дефекты изготовления либо отсутствовали, либо не превышали допускаемые отклонения согласно ГОСТ 23118-2012.
Определение несущей способности сжатого элемента по различным методикам
Применять коэффициент условий работы ус = 1 при расчете на устойчивость автор работы в целях безопасной эксплуатации считает недопустимым, так как он не отражает всей сложности работы стоек из холодногнутого профиля. Величина 0,75 достаточно сильно уменьшает значение расчетного сопротивление стали, что не всегда оправдано с прочностной и экономической точки зрения. Это связано с тем, что данная величина принята для всех типов профиля. Коэффициент условий работы ур призван нивелировать данное значение в зависимости от конкретного вида профиля. Так, в частности, для сжатых элементов из неравнополочного С-профиля сплошного и просечного сечения длиной более 2 м значение коэффициента ур 1, для них преобладающей является не местная потеря устойчивости, а общая, поэтому некоторые из факторов, указанных в начале данной главы, уже не оказывают существенного влияния.
Данная методика применима для центрально-сжатых стержней, условно центрально-сжатых стержней, для внецентренно сжатых стержней с одноосным эксцентриситетом, расчетный эксцентриситет е которых не превышает случайный эксцентриситет еъ определяемый по формуле: еъ = //20+//750. Методика также применима для косовнецентренно сжатых стержней с двухосным эксцентриситетом, при условии, что расчетный эксцентриситет е для каждой плоскости не превышает случайный, определенный по формуле: еь = //20+//750.
Методика справедлива для равнополочных С-профилей, симметричных относительно одной оси, и для полностью несиметричных С-профилей сплошного и просечного сечения при соотношениях b/t 60 и c/t 50.
Методика и значения коэффициента ур, полученные в данной работе, распространяются на С-профили сплошного и просечного сечения различных производителей и на С-профили, усиленные ребром жесткости в середине стенки.
Методика не распространяется на профили швеллерного типа, не имеющие отгибов полок. На основании проведенных исследований использовать хо-лодногнутые профили швеллерного типа для сжатых элементов в целях безопасной эксплуатации не рекомендуется. Такие профили обладают малой несущей способностью, в связи с небольшой зоной эффективного сечения.
Методика используется для профилей, начальные несовершенства которых не превышают требования ГОСТ 23118-2012 или требования иных нормативных документов, ограничивающих дефекты производства.
В любых иных случаях расчет рекомендуется выполнять путем конечно-элементного моделирования в сертифицированных программных комплексах.
Предложенная методика основана на положениях: - несущая способность сжатого элемента определяется его работой на устойчивость; - конструкция считается устойчивой, если в процессе эксплуатации исключена возможность появления таких деформаций, которые делают конструкцию непригодной к эксплуатации; - фактором исчерпания несущей способности является появление пластических деформаций в сечении сжатой стойки, а именно достижение профилем или отдельными элементами профиля предела текучести; - возможность потери местной устойчивости предупреждена использованием редуцированных характеристик сечения; - учет начальных несовершенств заложен в коэффициенте ср и eb ; - учет влияния различных факторов выполняется коэффициентом условий работы ус; - учет влияния особенностей заданного вида холодногнутого профиля выполняется при помощи коэффициента условий работы уp , полученного путем теоретических и экспериментальных исследований.
Таким образом, расчет несущей способности сжатой стойки из холодногнутого С-профиля заключается в проверке устойчивости центрально-сжатого тонкостенного стержня. Требования по проверке yстойчивости центрально-сжатых элементов установлены на основе расчета внецентренно сжатых стержней с учетом влияния формы сечения, начальных несовершенств и двухосного случайного эксцентриситета.
Для заданной стойки были выполнены аналитические расчеты по существующим методикам и по принятой методике и проведен сравнительный анализ полученных результатов.
Исходные данные для расчета Физические характеристики стали - модуль упругости Е = 2,06-104 кН/см2; - модуль сдвига G = 0,79-104 кН/см2; - коэффициент Пуассона v = 0,3; - предел текучести ат = 24 кН/см2 (минимально возможный, принят на основании ГОСТ 14918-80 для стали 08пс группы ХП) - относительное удлинение после разрыва - не менее 22%. Расчетные характеристики стойки-модели Для расчета принимается стойка длиной 2,2 м. Крепление концов стойки к направляющей выполняется самонарезающими винтами, считаем соединение шарнирным. Следовательно: \izl = Дуі = 1. Принятое соединение обеспечивает только частичное закрепление от кручения и депланации, поэтому ц0 = 1