Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор рамных узлов, применяемых в каркасах многоэтажных зданий
Введение 11
1.1. Конструкции рамных узлов каркасов, применяемых в отечественной строительной практике 12
1.2. Опыт зарубежной строительной практики конструирования рамных узлов в каркасах многоэтажных зданий 23
1.3. Сравнительный анализ конструкций рамных узлов 45
1.4. Итоги обзора рамных узлов 47
Выводы по главе 49
ГЛАВА 2. Аналитическое решение, расчёт элементов рамного узла
Введение 50
2.1. Определение уточнённых напряжений в сварном шве, крепящем горизонтальную накладку к поясу колонны 52
2.1.1. Вычисление нормальных напряжений в сечении накладки при отсутствии в узле рёбер жёсткости 53
2.1.1.1. Прогиб полубесконечной консольной пластинки, несущей сосредоточенную нагрузку 56
2.1.1.2 Прогиб полубесконечной консольной пластинки, несущей распределённую нагрузку 64
2.1.1.3 Определение нормальных напряжений 65
2.1.2. Вычисление нормальных напряжений в сечении накладки при установке в узле рёбер жёсткости 73
2.2. Напряжённое состояние пояса колонны, предельные напряжения 83
Выводы по главе 87
ГЛАВА 3. Численный расчёт элементов рамного узла
Введение 89
3.1. Исходные данные 89
3.1.1. Расчётные предпосылки 89
3.1.2. Точность и сходимость результатов расчёта МКЭ 91
3.2. Анализ численного расчёта 92
3.2.1. Напряжённое состояние элементов рамного узла 92
3.2.2. Влияние конструктивных факторов на работу рамных узлов каркасов высотных зданий 97
3.2.3. Защемление ригеля в опорном узле и его влияние на перераспределение усилий 113
3.2.4. Фактический угол поворота опорного сечения ригеля 122
Выводы по главе 125
ГЛАВА 4. Инженерный расчёт и конструирование
Введение 127
4.1. Расчёт крайнего рамного узла 128
4.2. Расчёт разработанной конструкции рамного узла 137
Выводы по главе 140
ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование элементов рамного узла
5.1. Цель эксперимента 141
5.2. Выбор и описание модели 142
5.3. Характеристики образцов и материала конструкции 147
5.4. Граничные условия 148
5.5. Методика и программа проведения эксперимента 151
5.6. Методика обработки показаний тензорезистров 154
5.7. Результаты эксперимента 155
5.8. Сопоставление результатов для образца №1 158
5.9. Сопоставление результатов для образца №2 164
5.10.Итоги эксперимента 166
Выводы по главе 168
Основные результаты и выводы 169
Библиографический список используемой литературы
- Опыт зарубежной строительной практики конструирования рамных узлов в каркасах многоэтажных зданий
- Вычисление нормальных напряжений в сечении накладки при отсутствии в узле рёбер жёсткости
- Точность и сходимость результатов расчёта МКЭ
- Расчёт разработанной конструкции рамного узла
Введение к работе
Актуальность темы. Очевидно, что надёжность строительной конструкции* определяется не только работой её элементов, но и в не меньшей степени точностью расчёта и адекватностью конструирования узловых сопряжений. В отечественных нормах не уделялось [5, 6] и не уделяется [7] должного внимания проектированию узловых соединений. В некоторых случаях конструктивная схема сопряжения элементов рассматривается с технологических позиций.
В связи с темпами роста строительства административных и торгово-выставочных центров в большинстве случаев применяется рамная конструктивная схема здания, которая допускает свободу планировки этажей. Геометрическая неизменяемость здания в продольном и поперечном направлении обеспечивается рамным сопряжением ригелей с колоннами. При выполнении расчётов по первому и второму предельным состояниям, реальное поведение рамного сопряжения играет существенную роль в действительной работе стального каркаса, что показано в работах Павлова А.Б. [66, 67], а также в работах других учёных [95, 34, 43, 93].
Экономическая эффективность и надёжность стальных каркасов, выполняемых по рамной схеме, может быть обеспечена усовершенствованиями методик расчёта. А также, в не меньшей степени, требованиями по конструированию, которые существенно меняют напряжённо-деформированное состояние элементов рамного узла, уменьшая тем самым затраты на изготовление конструкций.
Зачастую на практике возникает проблема адекватности расчёта рамных узлов при преобладании одного из опорных усилий. В большинстве случаев это связано с отсутствием полной информации по фактическому напряжённому состоянию рамного узла.
Отсутствие систематизации ряда работ о взаимодействии элементов рамного узла и получаемых на основе их практических решений зачастую недостаточно.
* — понятие принимается в соответствии с ГОСТ 27751-88 "Належності, строительных конструкций и оснований".
7 Особенности типовой конструктивной схемы рамного узла таковы, что
вовлечение отдельных областей в зону пластических деформаций начинается
на сравнительно низких уровнях нагружения. При этом не рассматривается
влияние упруго-пластической работы части элементов узла на деформации и
перераспределение усилий в каркасе.
Наличие концентраторов напряжений и дефектов, вероятность которых в построечных условиях увеличивается, может приводить к преждевременным отказам.
В связи с аварийными ситуациями в США в 1994 году, было выполнено большое количество экспериментальных и аналитических работ [10, 11, 97, 99, 100, 101, 106, 108, 109]. В результате пересмотрены существующие методики расчёта, а также выдвинут ряд необходимых конструктивных мероприятий.
В настоящий момент методика проектирования рамных каркасов такова, что статический расчёт рассматривается в отрыве от принимаемой конструктивной схемы рамного узла. При определённом соотношении габаритных размеров рамы это может приводить к ошибочным результатам.
Отказ от установки в узле горизонтальных рёбер жёсткости для снижения трудоемкости изготовления приводит к вопросу о граничном усилии на горизонтальную накладку. В связи с этим, необходимо определить начало нелинейной зависимости момента от угла поворота в опорном сечении ригеля.
Оценка эффективности установки подкрепляющих горизонтальных рёбер жёсткости в рамном узле, выдвигает требование по определению фактической эпюры нормальных напряжений в стыковом сварном шве.
В большинстве случаев стенка колонны крайнего рамного узла не проходит по прочности. Поэтому необходимы: четкие вариантные подходы, связанные с конструктивными изменениями рамного узла, а также фактические расчёты его элементов.
Объектом исследования является рамный узел, традиционно применяемый в каркасах многоэтажных производственных и гражданских зданий, выполненных по рамной и рамно-связевой конструктивным схемам.
8 Конструкция рамного узла принята на основе обзора отечественных и
зарубежных изданий металлических конструкций и активно применяется в
настоящий момент. Рассматриваемый рамный узел очень трудоёмок и сложен в
изготовление. Необходимость исполнять все швы в нижнем положении
приводит к усложнению формы верхней горизонтальной накладки.
Исследуемый узел образуется рамным сопряжением ригеля с колонной
двутаврового профиля.
Теоретическое исследование напряжений в зонах узловых соединений методами теории упругости достаточно затруднительно. Это вызвано разнообразием конструкции узлов, которые отличаются: типом профиля, жёсткостью, особенностями сопряжения, а также геометрической формой элементов. Расчёт напряжённо-деформированного состояния рамного узла выполняется МКЭ, на котором основаны все современные ПК.
Цель исследования заключается: в повышении надёжности рамных узловых сопряжений ригелей с колонной в каркасах многоэтажных зданий, а также в оценки влияния конструктивных факторов на напряжённо-деформированное состояние элементов рамного узла.
Задачами исследования являются:
анализ кчшетруктивных схем рамных узлов, применяемых в зарубежной и отечественной практике проектирования;
обобщение результатов работ, затрагивающих проблему расчёта и конструирования рамных узлов стальных каркасов;
уточнение напряженного состояния в элементах узла;
разработка методики по определению нормальных напряжений в сварных швах, крепящих горизонтальные накладки к поясу колонны;
вычисление граничной нагрузки на горизонтальную накладку при отсутствии в модели горизонтальных рёбер жёсткости;
анализ влияния конструктивного исполнения рамного узла на работу стального каркаса;
совершенствование конструкции рамных узлов с целью повышения их несущей способности и увеличения надёжности.
9 Актуальность вышеперечисленных задач обусловлена возможностью
поиска методов их решения и позволяет избрать их в качестве темы
исследования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана методика по определению наиболее значимого компонента нормальных напряжений в элементах рамного узла при двух конструктивных решениях, а именно: с рёбрами жёсткости и при их отсутствии;
решена задача по определению граничного и допускаемого усилия на горизонтальную накладку при отсутствии рёбер жёсткости в конструкции рамного узлового соединения;
на основе анализа расчётов МКЭ и экспериментальных исследований предлагается инженерная методика проектирования (расчёта и конструирования) элементов рамного узла;
разработано новое конструктивное решение рамного соединения ригеля с колонной, позволяющее повысить его несущую способность по сравнению с существующими аналогами.
Практическая значимость. Используя результаты и методики данной работы, проектными организациями может быть достигнут экономический эффект, посредствам наиболее рационального соотношения "надёжность -стоимость". Снижение стоимости в данном случае достигается рациональными конструктивными мероприятиями, увеличивающими несущую способность и жёсткость каркаса.
Разработанная методика позволяет наиболее корректно и с большей точностью выполнять расчёт и конструирование рамных узлов стальных каркасов, увеличивая их надёжность, и избавляя от затрат на ремонтные работы. Например, в результате обширной программы исследования, выполняемой в США [94, 96, 97, 98, 102, 106], заключения экспертов, обследовавших повреждения рамных узлов, сводились к выводу, что часть зданий экономически выгодней демонтировать и построить заново, чем выполнять работы по их усилению.
10 Апробация работы.
Результаты исследований докладывались: на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов (г. Нижний Новгород, 2004 г.); на X Нижегородской сессии молодых учёных (Технические науки, г. Джержинск, 2005 г.); на форуме "Великие реки 2005" (г. Нижний Новгород, 2005 г.); на XIV Польско-Русско-Словацком семинаре (Warszawa, 2005). Результаты исследования применены при разработке рабочих проектов марки КМ (см. Прил. Е.).
На защиту выносятся:
результаты теоретических и численных исследований работы элементов рамных узлов;
методики по определению нормальных напряжений в растянутой горизонтальной накладке при установке и отсутствии в узле рёбер жёсткости;
определение величины граничного и допускаемого усилия на растянутую горизонтальную накладку при нсподкреплённых поясах колонны;
результаты экспериментальных исследований работы элементов рамного узла;
конструктивное решение, позволяющее повысить несущую способность и жёсткость рамного узлового соединения.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 9 научных изданиях, одно из которых включено в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК. Общий объём публикаций составляет 1,2 печ. л.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит: из введения, 5й глав, основных результатов и выводов, а также 7" приложений в составе 38 страниц. В общий объём диссертации входят 222 страницы: 148 иллюстраций, 30 таблиц, а также библиографический список используемой литературы 111 источников.
Опыт зарубежной строительной практики конструирования рамных узлов в каркасах многоэтажных зданий
Как отмечается в работах Павлова А.Б. [66, 67] и Калёнова В.В. [39], правильное выполнение рамного прикрепления ригеля на болтах, в том числе без поперечных рёбер жёсткости в колонне, может воспринять предельный пластический момент сечения ригеля и допускает в неупругой стадии работы достаточно большое изменение угла поворота ригеля относительно колонны. Рамное сопряжение ригеля с колонной, выполняемое на болтах, имеет значительный резерв по пластическим деформациям. Исследователи [57] отмечают, что рассматриваемые узлы обладают высокой жёсткостью и несущей способностью и обеспечивают возможность расчёта рамных систем в упругопластической стадии. Податливость узлов, особенно при кососимметричном нагружении опорными моментами, в значительной мере определяется сдвиговыми деформациями стенки колонны. Укрепление стенки повышает жесткость узла в целом, но увеличивает вероятность разрушения растянутых стыковых швов в прикреплении полок ригеля (или горизонтальных накладок) к поясам колонны.
Пример расчёта стенки и пояса колонны подробно изложен в зарубежных изданиях [96], при этом поясняются величины, изложенные в [57]. Например, величина hi (см. рис. 1.9.) принимает разные значения для прокатных и сварных сечений колонны.
Описание работы рамных узлов [18], представленных на (рис. 1.14.):
1 - ригель приваривается к поясу колонны заводским швом. Колонна на строительную площадку поставляется с приваренными частями ригеля. Поперечная сила воспринимается сварным швом и передаётся на пояс колонны в виде касательных усилий, изгибающий момент передаётся поясами ригеля и воспринимается сварными швами. В местах передачи сжимающих и растягивающих усилий устанавливаются рёбра жесткости (диафрагмы);
2 - работа узла аналогична работе узла 1 (см. рис. 1.14.), только сварка заменена болтами, работающими на растяжение, срез и смятие;
3 - сжимающее усилие воспринимает стенка колонны и ребро (диафрагма). Растягивающее усилие воспринимается горизонтальной накладкой, поперечная сила воспринимается болтами;
4 - крепление на сварке. Монтажное соединение выполняется через приваренные к колонне вертикальные листы, к которым ригель вначале крепится на болтах, а затем привариваются. Верхняя и нижняя полки ригеля привариваются к колонне. Подкладные листы уменьшают возможность протекания расплавленного металла при сварке. Этот тип крепления возможен только при толстостенных колоннах;
5 - поперечные силы с ригеля передаются через вертикальные листы, которые приварены к колонне. Колонна в месте примыкания ригеля воспринимает только поперечную силу со стенки ригеля, изгибающие моменты с ригеля на колонну не передаются. Накладки, поставленные на ребро и приваренные к полкам ригеля угловыми швами, приводят к уменьшению сечения ригеля, образуя совместную работу смежных ригелей, работа по неразрезной схеме. Сварка выполняется на монтаже;
6 - колонна сплошного квадратного сечения с приваренными консолями несет два неразрезных прогона с опирающимися на них балками перекрытий. Строительная система Offenbach, Stahlbau Lavis. Сопряжение колонны с консолью выполняется в заводских условиях, что значительно упрощает производство работ;
7 - крепление, передающее поперечные силы балки, с помощью приваренных к колоннам вертикальных листов. Сопряжение полок балок через горизонтальные фасонки, прикрепляемые на болтах, приводит к работе балок по неразрезной схеме. Изгибающие моменты па колонны не передаются;
8 -примыкание колонны к ригелю можно рассматривать как шарнирное, если оно выполнено на болтах, так как данное болтовые соединения податливо и допускает некоторый поворот. При данной конструкции рамного узла сложное напряжённое состояние стенки колонны условно заменено сложным напряжённым состоянием стенки балки. В данном сопряжении выполнено совмещение монтажного узла ригеля с колонной и монтажного стыка колонн. Сопряжение ригелей выполняется в зоне нулевых моментов, что упрощает монтажное соединение;
9 - растягивающие усилия, возникающие в верхних полках ригелей от действия момента, передаются па колонну через накладки, которые одновременно могут быть верхней торцевой поверхностью нижнего участка колонны. Усилия сжатия, возникающие в нижней полке ригеля, передаются в упор через приваренные к колонне ребра жесткости (это одновременно и монтажный стык колонн).
Вычисление нормальных напряжений в сечении накладки при отсутствии в узле рёбер жёсткости
Как отмечалось в обзорной части, к наиболее нагруженным элементам в конструкции рамного узла можно отнести: верхнюю горизонтальную накладку; сварной шов, крепящий её к поясу колонны; область стенки колонны, ограниченную поясами и горизонтальными рёбрами жёсткости. В перечисленных элементах определение напряжений инженерным способом может являться, по сути, ошибочным. В [26, 47, 50, 36, 44, 46] приводится ряд расчётов стенок балок, в которых показано отличие фактических напряжений от напряжений, определяемых инженерным способом.
Очевидно, что локальный всплеск напряжений в середине сварного стыкового шва не может являться его пределом работоспособности. При этом происходит преждевременное развитие пластических деформаций в сечении шва, что приводит к уменьшению опорного и увеличению пролётного моментов ригеля. Таким образом, развитие пластических деформаций понижает жёсткость соединения [67, 95, 30, 82], а также может привести к разрушению конструкции.
В связи с этим, считаем необходимым, рассмотреть работу наиболее нагруженных элементов рамного узла. Так как от достоверности расчёта зависит прочность не только данного узла, но и всего каркаса [42]. Как отмечалось американскими исследователями, в рамках программы FEMA 350 [97] и FEMA 352 [98], начало всех разрушений узловых соединений начиналось, как правило, со сварных швов, крепящих пояса ригеля к поясу колонны. Для этого есть несколько причин: во-первых, данное соединение выполняется в построечных условиях; во-вторых, напряжённое состояние сварного шва характерно неравномерностью напряжений; в-третьих, в зонах сварного шва с концентрацией напряжений возникают остаточные деформации; в-четвёртых, на напряжённое состояние сварного шва сказывается работа пояса колонны - возможность ламелярных трещин; в-пятых, кроме нормальных растягивающих напряжений в накладках, также присутствуют напряжения от изгиба, что приводит к увеличению суммарных значений.
В связи с этим, считаем необходимым, исследовать работу сварного шва, крепящего горизонтальную накладку к поясу колонны. В данной главе определяется напряжённое состояние верхней горизонтальной накладки.
Рассматриваемый далее сварной шов, соединяющий горизонтальную накладку с поясом колонны, является, по сути, угловым швом таврового соединения. В том случае, когда обеспечивается полный провар соединения, толщина шва равна толщине привариваемого элемента. 11а тавровое соединение действует растягивающее усилие, при котором угловые швы работают как лобовые. В связи с этим, расчёт подобного шва выполняют как стыковой [24, 54]. В дальнейшем опускаем точную терминологию и называем данное сварное соединение - сварным стыковым швом.
Основными задачами данной главы являются: определение эпюры уточнённых напряжений в сечении накладки при наличии и отсутствии в конструкции узла рёбер жёсткости; вычисление граничной нагрузки, характеризующей начало пластических деформаций в сечении накладки при отсутствии рёбер жёсткости, что устанавливает начало нелинейной зависимости изгибающего момента от угла поворота опорного сечения ригеля; выполнение расчёта по определению допускаемых напряжений поперёк толщины проката пояса колонны, в соответствие с существующими методиками, разработанными ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова.
Разработана методика по определению напряжений в сварном шве, крепящем верхнюю горизонтальную накладку к поясам колонны для двух различных конструкций рамного узла. Рассматриваются две задачи: определение нормальных напряжений в сварном стыковом шве в конструкции рамиого узла с рёбрами жёсткости и при их отсутствии. Фактическая задача теории упругости по определению функции местных напряжений очень сложна и трудоёмка. Её решение, так или иначе, сводится к численным процессам. К тому же, необходимо учесть ортогональное пересечение горизонтальной накладки и стенки колонны, что значительно усложняет процесс вычисления. Разработана методика расчета наиболее значимого компонента нормальных напряжений в сечении горизонтальной накладки при некоторых допущениях. Как показали результаты эксперимента и численные исследования, это не снижает точности получаемых результатов. Стоит отметить, что два остальных компонента напряжений (нормальные напряжения поперёк действия усилия и касательные напряжения) горизонтальной накладки не имеют практической значимости для исследования. Начало появления пластических деформаций напрямую зависит от нормальных напряжений вдоль действия усилия. Максимальные значения приведённых напряжений отличаются на 5-10% от максимальных определяемых нормальных напряжений, при этом эпюры нормальных и приведённых напряжений идентичны. Таким образом, для практических расчётов важно распределение именно нормальных напряжений вдоль действия усилия горизонтальной накладки, именно этому и посвящен материал данной главы.
Точность и сходимость результатов расчёта МКЭ
Одним из важнейших вопросов при решении МКЭ является достоверность результатов, то есть их качество. Решение МКЭ характеризуется следующими параметрами: точность, устойчивость и сходимость [41]. численное решение т у точное решение
Точность определяет меру близости численного решения к точному, истинному решению. Однако, одна точность не может полностью характеризовать качество кол-Bo элементод
Характер поведения численного решения. полученного решения, так как зависит от количества параметров, определяющих приближенное решение, то есть от числа используемых элементов. Возможность приближения численного решения к точному, по мере увеличения числа КЭ, определяет сходимость решения. Для иллюстрации перечисленных выше понятий: точности, сходимости и влияние их на характер получаемых результатов, показана кривая, характеризующая типовое поведение решения задач на основе МКЭ при увеличении числа КЭ (см. рис. 3.2.) [41].
Проверку сходимости решения МКЭ определяли при различных типах КЭ, а именно: на пространственных элементах (гексаэдр, тетраэдр) и плоских элементах (оболочка) при различной форме аппроксимации поверхности. Также выполняли расчёт при различных сетках КЭ, при этом все КЭ имели форму прямоугольника с соотношением сторон не более 2:1.
Проверку точности полученного решения выполняли следующим образом. По результатам линейного статического расчёта строили эпюру напряжений в КЭ по длине стыкового сварного шва, крепящего верхнюю горизонтальную накладку к поясу колонны. Полученную зависимость напряжений от длины шва аппроксимировали, затем подсчитывали площадь эпюры, определённой по результатам расчёта МКЭ [79], и сравнивали полученное значение с площадью элементарных осреднённых напряжений, значение которых определяли по формуле т =—. Описанные выше А вычисления производились с помощью программного пакета MathCAD 11.0а [33].
В данном разделе рассматривается фактическое напряжённое состояние элементов рамного узла. Приводятся компоненты напряжённого состояния для следующих элементов: зона стенки колонны, ограниченная поясами и горизонтальными ребрами жёсткости (см. рис. 3.3.) (стрелками показано направление действия усилия горизонтальных накладок); верхнюю горизонтальную накладку, воспринимающую растягивающее усилие, передаваемое поясом ригеля (см. рис. 3.4.); горизонтальное ребро жёсткости, подкрепляющее пояс колонны в месте примыкания верхней горизонтальной накладки (см. рис. 3.5.). Конструктивное исполнение рамного учла см. рис. ЗЛО., расчётную схему см. рис. 3.7.. Зная фактическое распределение и области с концентрацией напряжений элементов рамного узла возможно наиболее корректно проектировать подобные сопряжения.
Касательные напряжения в стенке, определяемые инженерным способом, составят г = = 389 МПа, в соответствии с численным расчётом 1,0x28,5 максимальные напряжения - 375 МПа {см. рис. 3.3. в). Фактически высота стенки при инженерном расчёте должна быть равна расстоянию между внутренними гранями поясов (й„=270мм), при расчёте МКЭ высота стенки равна расстоянию между срединными плоскостями поясов (/7„=285мм). Стоит отметить, что компоненты нормальных напряжений {см. рис. 3.3. а, б), не учитываемые в инженерном расчёте, незначительно увеличивают приведённые напряжения (см. рис. 3.3. г) и могут не учитываться. Распределение приведённых напряжений в верхней горизонтальной накладке см. рис. 3.4.. Напряжённое состояние верхней и нижней плоскости горизонтальной накладки имеет отличие из-за восприятия части поперечного усилия ригеля. Ввиду поперечного изгиба накладки максимальные напряжения (см. рис. 3.4. а) превышают в 1.8 раза напряжения, определяемые при центральном нагружении, в зоне всплеска. Фактические напряжения в корне сварного шва, крепящего накладку к поясу в 1,3 раза меньше напряжений,
Изопопя приведённых напряжений при усилии в горизонтальной накладне 1108 кН: а - верхняя плоскость накладки (Па); б - нижняя плоскость накладки (Па). определяемых при центральном нагружении.
В верхней горизонтальной накладке также присутствует концентрация напряжений в местах окончания угловых фланговых швов, крепящих пояс ригеля к накладке (см. рис. 3.4. б).
Распределение напряжений в горизонтальном ребре жёсткости в рамном узле крайней колонны см. рис. 3.5.. Нормальные напряжения в ребре жёсткости, определяемые инженерным способом, составят И08 Л/1А wrT (7 = = 240 МПа, в соответствие с численным расчетом 1,6 х (30,0-1,0) максимальные напряжения - 280 МПа (см. рис. 3.5. б). Распределение напряжений в горизонтальном ребре жёсткости в рамном узле средней колонны см. рис. 3.6.. Нормальные напряжения в ребре жёсткости, 270 определяемые инженерным способом, составят т = = 234 0,6 х (19,9-0,65) МПа, в соответствие с численным расчётом максимальные напряжения - 223 МПа (см. рис. 3.6. б).
Особенности работы рёбер жёсткости рассматриваются в работах [52, 53, 46, 73], с той лишь особенностью, что их установка выполняется в подкрановых балках. Учитывая концентрацию напряжений в рёбрах жёсткости при двухстороннем примыкании ригеля, предлагается сварной шов, крепящий ребро к поясу колонны, варить с полным проплавлением и использованием выводных планок.
Расчёт разработанной конструкции рамного узла
Изготовление рамного узла предлагаемой конфигурации следующее. Колонна Eia строительную площадку поставляется с приваренными горизонтальными рёбрами жёсткости и боковыми накладками, в зоне стенки. Соединение рёбер с поясом колонны выполняется сварным швом с предварительной разделкой кромок и полным проплавлением. Соединение горизонтальных рёбер жёсткости со стенкой колонны выполняется фланговыми двухсторонними угловыми швами. Боковая накладка в зоне стенке колонны приваривается по периметру сварным швом с односторонней разделкой кромок и полным проплавлением. Также к колонне приваривается вертикальная накладка, которая рассчитывается в месте примыкания к поясу колонны на поперечную силу ригеля, передаваемую с эксцентриситетом. Боковые накладки в расчёте на поперечную силу не учитываем. Также к колонне приваривают подкладные бруски для выполнения сварного шва, соединяющего пояса ригеля со стенкой колонны.
Ригель поставляется на строительную площадку с разделкой кромок на поясах и подрезкой стенки, размеры подрезки принимаем по [97] (см. Главу 1.).
Монтажное соединение выполняется следующим образом: ригель навешивается на болтах к поперечной накладке, выполняется сварной шов, соединяющий стенку ригеля с вертикальной накладкой; выполняется соединение поясов ригеля с поясом колонны, сварка на подкладных брусках. После этого, выполняется установка двух боковых накладок, которые привариваются двумя сварными швами к поясам ригеля и одним сварным швом к поясу колонны. Все три сварных шва выполняются при односторонней разделке кромок боковой накладки и с полным проплавлением.
Расчёт предлагаемого сопряжения может быть следующим: - расчёт горизонтальных рёбер жёсткости выполняется аналогично описанной методике (см. расчёт рамного узла крайней колонны); - расчёт вертикальной накладки, воспринимающей поперечную силу со стенки ригеля, аналогично описанной методике (см. расчёт рамного узла крайней колонны). При расчёте не учитываем наличие боковых накладок; - толщины боковых накладок в зоне стенке колонны определяются из следующего условия: г = "{ , / Ут 0,58/?,. (4.10.) 0,66х(/; " + 2х/"""""к )/ги. }
Предлагаемая формула описывает появление пластических деформаций в стенке колонны, при этом предельное состояние рамного узла наступает позднее, за счёт дальнейшего включения в работу боковых накладок зоны стенки колонны.
При учете работы стенки колонны в упруго-пластической стадии, толщину боковых накладок можно определять из следующего условия. T = M W V " 0,58Я,. (4.11.) ,8x(f„ +2х/ )hw
При учете работы стенки колонны в упруго-пластической стадии, пояса колонны должны быть способны к восприятию момента и продольного усилия стержня колонны, в противном случае, толщина боковых накладок должна быть увеличена; - толщина боковых накладок, устанавливаемых на монтаже, определяется следующим образом. Упругий момент сопротивления сечения по грани колонны должен превышать упругий момент сопротивления сечения ригеля не менее чем 1,3 раза (отношение пластических моментов сопротивления в данном случае составляет 1,5 раза). Напряжения в сечении по грани колонны должны быть не менее чем в 1,2 раза меньше напряжений в сечении ригеля по кромкам боковых накладок. Опорное сечение предлагается рассчитывать, предварительно определив момент сопротивления сечения ригеля с боковыми накладками, N М о =- - + 0,85/Є. (4.12.) ; A W опор.ссч ош р.ссч 140 Длину боковой накладки ригеля (широкополочного двутавра по СТО АСЧМ 20-93) определяем по формуле: /. =0,56,+0,35/? . (4.13.) оок.тна " / " риг V Стоит отметить, что занижение и завышение длины накладки может привести к появлению пластического шарнира в зоне монтажного стыка ригеля с колонной, чего следует избегать.
Выводы по главе
В данной главе проанализирована методика расчёта рамного узла крайней колонны и мероприятия, позволяющие уменьшить касательные напряжения в стенке колонны. Разработан инженерный расчёт предлагаемой конструкции рамного узла с боковыми накладками. Составлены требования по назначению размеров боковых накладок. Отмечено, что боковые накладки уменьшают касательные напряжения в стенке колонны, в зоне узлового соединения.
Сварной шов, крепящий рёбра жёсткости к поясам колонны, предлагается выполнять с полным проплавлением и использованием выводных планок.
При расчёте и конструировании рамных узлов, также необходимо пользоваться рекомендациями по определению граріичного и допускаемого усилия на горизонтальные накладки при отсутствии в узле рёбер жёсткости (см. Главу 2).
Конструктивную схему рамного узла необходимо назначать таким образом, чтобы фактические усилия в стальном каркасе соответствовали усилиям, определяемым в стержневой модели.
Похожие диссертации на Повышение надежности рамных узлов стальных каркасов многоэтажных зданий
