Содержание к диссертации
Введение
1 Узлы конструкций пространственно-стержневых покрытий и методы их исследования 9
1.1 Конструкции узлов пространственно-стержневых покрытий, их достоинства и недостатки 13
1.2 Обзор экспериментально-теоретических исследований работы узлов сопряжения поясов и раскосов 35
1.3 Особенности расчета и конструирования бесфасоночных узлов 48
1.4 Цели и задачи исследований 64
2 Конструкции узлов бесфасоночных пространственно-стержневых покрытий с поясами пятигранного профиля сечения 66
2.1 Основные конструктивные формы покрытий с поясами пятигранного профиля сечения 66
2.2 Конструкции узлов сопряжения и опирання 77
2.3 Статический анализ усилий элементов складчатой конструкции 86
2.4 Параметрическое описание конструкции узловых сопряжений для развития исследований 91
Краткие выводы по главе 2 94
3 Исследование напряженно-деформированного состояния узлов сопряжения пояса пятигранного профиля с раскосами из одиночных уголков 95
3.1 Расчетная модель и метод исследования 96
3.2 Напряженно-деформированное состояние центрированного узла 105
3.3 Влияние расцентровки узла на распределение напряжений в узлах складчатой конструкции 109
3.4 Влияние податливости сечения пятигранного профиля на напряженно-деформированное состояние узла 111
Метод расчета бесфасоночных узловых сопряжений складчатых конструкций 113
Краткие выводы по главе 3 114
Экспериментальные исследования узловых сопряжений складчатой конструкции 116
Методика проведения испытаний 117
1 Описание экспериментальной конструкции 117
2 Система приложения нагрузки 119
3 Система регистрации измерений 120
4 Физико-механические свойства материала 125
Обработка экспериментальных данных 126
Напряженно-деформированное состояние центрального узла 126
Напряженно-деформированное состояние промежуточного узла 128
Напряженно-деформированное состояние опорного узла 130
Сопоставление результатов расчетов с данными экспериментов 132
Краткие выводы по главе 4 134
Заключение 135
Список литературы 136
- Обзор экспериментально-теоретических исследований работы узлов сопряжения поясов и раскосов
- Основные конструктивные формы покрытий с поясами пятигранного профиля сечения
- Параметрическое описание конструкции узловых сопряжений для развития исследований
- Напряженно-деформированное состояние центрированного узла
Введение к работе
Актуальность исследований. Применение пятигранного профиля составного сечения в качестве неразрезных поясов складчатых конструкций представляется новым и весьма эффективным средством формообразования пространственно-стержневых систем покрытий. Сдерживающим фактором использования пространственно-стержневых систем с неразрезными поясами является практическая неизученность вопросов проектирования бесфасоночных узлов сопряжения. Широкое применение складчатых систем должно быть обеспечено возможностью их проектирования на основе доступных методов расчета. Разработка инженерных методов расчета сопровождается значительным объемом экспериментальных и теоретических исследований, предполагающих детальное изучение напряженно-деформированного состояния узлов. При этом необходимо обеспечить выполнение конструктивных требований, учитывающих расцентровку узла и податливость граней формообразующего профиля складчатой системы.
Создание надежного и эффективного метода расчета прочности узловых сопряжений пространственных складчатых конструкций актуально и востребовано практикой проектирования строительных конструкций.
Целью работы явилось исследование напряженно-деформированного состояния и разработка метода расчета бесфасоночных узлов складчатых конструкций с пятигранным сечением пояса.
Научная новизна работы представлена следующими основными результатами:
1. Получена совокупность математических соотношений, адекватно характеризующих напряженно-деформированное состояние узлов сопряжения бесфасоночной складчатой конструкции с формообразующим стержнем пятигранного профиля.
Установлено, что в складчатой системе примыкание раскосов в узле можно рассматривать как шарнирное, так как при сравнении сочетаний основных силовых факторов в узле с жестким примыканием раскосов возникает погрешность до 1,5 % в сторону увеличения значений.
Установлено, что расцентровка узлов приводит к снижению величины расчетного момента в неразрезном поясе складчатой конструкции при увеличении просвета между раскосами и, наоборот, при уменьшении разбежки раскосов происходит его увеличение.
На защиту выносятся совокупность научных положений и закономерностей, являющихся основой для расчета бесфасоночных узловых сопряжений складчатой конструкций с использованием формообразующего стержня пятигранного профиля;
расчетная модель конструкции бесфасоночного узлового сопряжения;
результаты экспериментальных исследований, отражающие особенности деформирования узловых сопряжений с поясом пятигранного сечения и геометрические изменения пространственной системы.
Практическая значимость работы в том, что выполнена классификация бесфасоночных узловых сопряжений по характеру примыкания элементов раскосной решетки к неразрезному поясу складчатой конструкции. Разработан метод расчета бесфасоночных узлов сопряжения. Даны рекомендации по проектированию складчатых конструкций с использованием формообразующего стержня пятигранного профиля.
Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием основных положений теории составных стержней и пластин и современных методов проведения эксперимента с применением метрологически аттестованного измерительного оборудования.
Реализация основных результатов работы осуществлена в производственном научно-техническом центре «ВОГТЕХПРОЕКТ» г. Томска, при раз-
работке новых и модернизации существующих пространственных конструкций покрытия. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры металлических и деревянных конструкций ТГАСУ и на факультете повышения квалификации при переподготовке инженеров-строителей.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на VII Украинской научно-технической конференции «Металлические конструкции» (г. Днепропетровск, Украина, 2000 г.), на 58-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава с участием представителей строительных, проектных и научно-исследовательских организаций (г. Новосибирск, НГАСУ, 2001 г.); на 2-ой Международной конференции «Архитектура и строительство» (г. Томск, ТГАСУ, 2002 г.); на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» (СамГАСА, PAT, Самара, 2002), на научных семинарах кафедры металлических и деревянных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета (2000, 2001, 2002, 2003 гг.). В полном объеме диссертационная работа докладывалась на объединенном научном семинаре кафедр «Металлические и деревянные конструкции», «Мосты и сооружения на дорогах», «Железобетонные и каменные конструкции», «Строительная механика», «Основания, фундаменты и испытания сооружений» Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, 2003 г.)
Результаты теоретических исследований и экспериментальных данных отражены в шести научных публикациях и описаниях двух патентов, одной заявки на изобретение и одной заявки на полезную модель, по которой получено положительное решение.
7 Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. К диссертации прилагаются акт и справка о внедрении.
В первой главе рассмотрены существующие конструкции узловых сопряжений пространственно-стержневых систем покрытий, их достоинства и недостатки. Представлена классификация пространственно-стержневых конструкций по типу отправочных элементов и по видам узловых сопряжений. В обзоре рассмотрены экспериментально-теоретические исследования работы узлов сопряжения поясов с раскосами.
Вторая глава посвящена рассмотрению особенностей конструктивных решений узлов складчатых конструкций с поясами пятигранного профиля и их параметрическому описанию. Представлены основы компоновки пятигранного сечения, составленного из швеллера и уголка, и его ориентации в пространстве для формообразования складчатых систем, а также систематизация выявленных особенностей конструирования узловых сопряжений, которая позволила провести классификацию конструкций узлов, основанную на характере примыкания раскосов. Проведен статический анализ складчатых конструкций пролетами от 12 до 24 м с градацией пролета 3 м с временной нагрузкой I-IV снеговых районов. Выявлены характеризующие признаки, определяющие особенности конструкции узлов.
Третья глава посвящена выбору и обоснованию расчетной модели конструкции узлового сопряжения и методу его исследования. Приведены результаты численного расчета методом конечного элемента пластинчатой модели узлового сопряжения. Рассмотрен метод расчета конструкций бесфасо-ночных узлов сопряжения пояса пятигранного составного сечения и примыкающих раскосов из одиночных уголков.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям напряженно-деформированного состояния узловых сопряжений складчатой конструкции. Эксперименты проведены в два этапа. На первом этапе иссле-
*
*
8 довалась работа центрального узла и промежуточного узла верхнего пояса. На втором этапе исследовалась работа опорного и промежуточного узлов. Эксперименты проведены в упругой стадии работы материала.
Регистрация перемещений в узлах и панелях конструкции проведена посредством прогибомеров ПАО-6 и ПМ-3. Для регистрации относительных деформаций использовались тензометрические преобразователи двух типов: 2ПКБ 10:200Б и 5П1-5-200. В качестве регистрирующей аппаратуры использовалась измерительная система К 732/1 с компьютерным управлением.
Рассмотрено сопоставление результатов численного расчета и экспериментальных исследований.
В заключении приведены основные выводы и результаты работы.
Обзор экспериментально-теоретических исследований работы узлов сопряжения поясов и раскосов
Подавляющее большинство экспериментальных и теоретических исследований посвящено работе бесфасоночных узлов трубчатых и гнутосварных конструкций. Такое обстоятельство во многом определяется рядом преимуществ трубчатого профиля [29, 30, 101]. Например, при минимальной площади поперечного сечения стержня обеспечивается значительная его жёсткость, что находит эффективное использование в качестве центрально нагруженных элементов. Такой профиль позволяет сопрягать стержни конструкций под любым углом. При этом существует масса конструктивных решений примыкания стержней пояса и раскосов.
В обзоре В.А. Балдина и Н.М. Шейнфельда [8] по вопросам применения трубчатых конструкций рассматриваются эффективность бесфасоночных узлов, проблемы конструирования и расчёта таких узлов. Непосредственное присоединение элементов решётки к поясам имеет свои особенности, досто 36 инства и недостатки. Дана оценка выявленным особенностям деформирования и напряженно-деформированного состояния сечения трубчатого пояса в местах образования узлового сопряжения, в частности, воздействие изгибающих моментов на неравномерность распределения напряжений. В качестве показателя прочности узла при статической нагрузке принимается так называемый коэффициент прочности узла, определяемый как отношение разрушающего усилия в узле к предельной несущей способности (по временному сопротивлению материала) растянутого раскоса. Результаты испытаний, произведённые исследователями в СССР (ИЭС им. Е.О. Патона, ЦНИИСК), ГДР (Sammet), ФРГ (lemm), Японии (Washio-Kurobano), США (Bouwkamp), представлены в виде коэффициентов прочности узла.
В качестве аналога приводятся показатели и для узла из уголков на заклёпках, для которого коэффициент прочности составляет только 0,65. Одна 37 ко Саммет (Sammet) установил, что оценка несущей способности узлов по критерию такого коэффициента является слишком упрощенной и не всегда дает правильные результаты [13].
Анализ узловых соединений лёгких ферм И.В. Левитанского позволил установить, что наиболее экономичными по весу представляются непосредственные сварные примыкания раскосов к поясам, а также указывалось на недостаточность изученности вопросов, связанных с конструктивно-технологическими решениями узловых соединений [48]. Целью его экспериментальных исследований являлось изучение действительной работы под статической нагрузкой конструкций узлов сварных трубчатых ферм из алюминиевого сплава [47]. Образцы экспериментальных узловых сопряжений соответствовали конструкциям узлов реальных ферм с треугольной решёткой. В процессе испытаний при помощи гидравлических домкратов создавались регулируемые усилия. Фиксировалось распределение деформаций в характерных точках узлов, перемещения и деформации отдельных точек и сечений. Результаты экспериментальных данных, полученные в упругой стадии, позволили судить о том, что практически все измеренные узловые моменты значительно больше расчётных, вычисленных в предположении абсолютной жёсткости узлов. Установлена значительность изгиба трубчатых стержней, что должно учитываться при конструировании узловых сопряжений, а также неравномерность осевых напряжений у основания раскосов.
В период 1956 — 1961 гг. Я.С. Левенсоном проводились экспериментальные исследования нескольких типов узлов стальных трубчатых элементов, целью которых ставились определение фактического напряжённого состояния, влияние жёсткости узлов и эксцентриситетов на характер распределения напряжений в сечениях, установление прочностных характеристик [46]. Соотношение размеров и сечений изготовленных экспериментальных образцов конструкции узлов были близки к натурным, при этом учитывались выводы, полученные В.И. Тимофеевым и А.С. Керимзаде, а также Sammet a и уже позднее И.В. Левитанским.
В ходе экспериментальных исследований установлено влияние постановки и образования рёбер жёсткости на повышение несущей способности узла. Проведённый анализ опытных данных позволяет сделать выводы о том, что неравномерность распределения напряжений по сечению возрастает вблизи узлов, а сложное распределение напряжений в узлах объясняется наличием эксцентриситетов примыкания раскосов и, как следствие, образованием и влиянием моментов, которые здесь значительно сильнее, чем в средних сечениях.
В институте электросварки им. Е.О. Патона (ИЭС) проводились статические испытания плоских узлов решетчатых конструкций с примыканием элементов под углами от 30 до 60 и 90, регулируемые усилия гидравлических домкратов передавались непосредственно от силовых устройств через сферические шарниры [74]. Анализ результатов исследований Новикова В.И. и Ковтуненко В.А. статической прочности трубчатых узлов позволил установить, что в конструкциях из труб наиболее рационально применение бесфа-соночных узлов с непосредственным примыканием элементов [71]. Прочность трубчатых бесфасоночных узлов во многом от геометрических размеров и соотношений составляющих его элементов. Новиковым В.И. и Ковтуненко В.А. разработана методика инженерного расчёта узлов с непосредственным примыканием двух элементов к поясу с введением эмпирического коэффициента. Согласно принятой методике проводились испытания в ИЭС им. Е.О. Патона, целью которых было изучение бесфасоночных узлов, характерных для трубчатых ферм с треугольной раскосной решеткой (К-образные) [72]. Результаты подтвердили, что несущая способность узлов находится в прямой зависимости от механических свойств стали, прежде всего, от предела текучести. Разупрочнение околошовной зоны при сварке узлов термиче 39 ски упрочнённых сталей обычно не оказывают существенного влияния на их несущую способность.
Проведенным анализом [37] нескольких конструктивных решений отмечается, что наиболее рациональными является бесфасоночные узлы без дополнительных элементов. Исследования напряжённого состояния и статической прочности простых и К-образных узлов с расположением элементов решётки к поясу под углом подтвердили, что с уменьшением угла наклона раскосов разрушающая нагрузка возрастает. Экспериментально выявлена опасность появления предельного состояния узла, определяемого деформированием стенки пояса под действием усилия в элементе решётки. Установлено, что наибольшее снижение предельных усилий происходит при угле наклона раскосов 45 . По результатам проведённых комплексных исследований предложена методика выбора основных параметров бесфасоночных узлов, исходя из действующих усилий в стержнях и взаимосвязи несущей способности элементов решётки с параметрами бесфасоночного узла.
Основные конструктивные формы покрытий с поясами пятигранного профиля сечения
В то же время в качестве затяжек по верхнему поясу можно использовать профнастил или прогоны с обеспечением надлежащего крепления, способствующее передаче усилий от распора.
Назначение складчатой системы определяется возможностью ее использования в качестве конструкции покрытия для развитых в длину зданий. Также эффективно применение для устройства покрытий складов, ангаров с разреженной сеткой колонн. Однако при использовании в качестве опор колонн и подстропильных конструкций складчатая система может быть использована для покрытия корпусов с развитыми размерами пролета и шага, пользована для покрытия корпусов с развитыми размерами пролета и шага, что позволяет при необходимости осуществлять модернизацию производства и его технологическую переориентацию достаточно быстро и без больших капитальных вложений в реконструкцию здания.
Структурное покрытие с поясами пятигранного профиля и раскосной решеткой из одиночных уголков имеет конструктивное решение формообразования схожее со структурой «ЦНИИСК» (рис. 2.8).
Принципиальная форма структурного покрытия представляет собой блок складчатой системы с введением дополнительных элементов, формирующих поперечную жесткость того же порядка, что и жесткость продольного направления, тем самым, образуя достаточно жесткую конструкцию. Однако в отличие от структуры «ЦНИИСК», проведенный анализ статического расчета системы структурного покрытия с поясами пятигранного сечения, позволил исключить часть элементов, практически не влияющих на работу конструкции, а применение разреженной решетки позволяет говорить о снижении общей металлоемкости. Традиционно, в качестве опор для структуры с поясами пятигранного профиля и решеткой их одиночных уголков служат колонны. Назначение структурной конструкции предусматривает использование ее в качестве покрытия помимо складов, ангаров с разреженной сеткой колонн, также в зданиях с подвесным подъемно-транспортным оборудованием. При использовании такого типа покрытий отпадает необходимость применения подстропильных конструкций для увеличения шага и пролета здания.
Стремление конструирования систем с малой металлоемкостью привело к созданию покрытия из трехгранных ферм. Конструкция покрытия может включать в себя одну или несколько трехгранных ферм, которые устанавливаются через шаг и объединяются профнастилом. Каждая такая трехгранная ферма состоит из двух верхних и одного нижнего трубчатых поясов составного пятигранного профиля, соединенных между собой раскосной решеткой, при этом по верхним поясам жестко крепится профнастил. Все трубчатые пояса пятигранного сечения, образованного посредством жесткого сопряжения швеллера и уголка. Раскосная решетка выполнена из одиночных уголков, примыкающих за счет стыкового соединения к полкам поясных уголков. В проектном положении верхние пояса ориентированы одинаково - обушком поясного уголка вниз, то есть стенки швеллеров расположены горизонтально и направлены вверх, тогда как профиль нижнего пояса размещен так, что обушок поясного уголка направлен вверх, а стенка швеллера вниз (рис. 2.9). Профнастил помимо функции ограждающей конструкции, играет роль элемента, воспринимающего распор при работе системы. Для этого он укладывается непосредственно на пояса в направлении наибольшей собственной жесткости.
Назначение покрытий из трехгранных ферм аналогично назначению конструкциям складчатой системы. Существующий опыт применения подобных систем показал преимущества в снижении материала, общей стоимости покрытия [75].
У всех представленных конструкций с поясами пятигранного профиля, несомненно, много общего вследствие того, что их формообразование обусловлено особенностями использования одних и тех же стержней, но в то же время сопровождается рядом различий. Во всех конструкциях используется набор одних и тех же конструктивных решений с учетом пространственной ориентации сечения поясного стержня и раскосных уголков.
Бесфасоночные узлы сопряжения пространственно-стержневых систем являются достаточно сложной конструкцией соединения элементов. Сложности обусловлены пространственной ориентацией стержней, входящих в узел, их формой сечения и обязательным выполнением совокупности конструктивных требований и условий.
Основное компоновочное условие с сопутствующими ограничениями служит для формирования конструктивной формы пятигранного профиля стержня. Также существует условие образования конструкции бесфасоноч-ного узлового сопряжения, обусловленное обеспечением достаточности размера полки поясного уголка для стыкового размещения штампов раскосных уголков.
В настоящее время разработан ряд типовых конструктивных решений бесфасоночных узлов сопряжения пояса пятигранного профиля с примыканием раскосов из одиночных прокатных уголков (рис. 2.10).
Параметрическое описание конструкции узловых сопряжений для развития исследований
Конструкции узлов имеют ряд характеризующих признаков определяющих их особенности. При компоновке пятигранного составного сечения к одному швеллеру могут примыкать уголки с различной толщиной полок, что не противоречит основному компоновочному условию, однако отражается на изменении геометрических характеристик составного сечения. Для разных пятигранных профилей значение площади сечения может увеличиваться на 45%, момента инерции - на 34%, момента сопротивления — на 51%. Происходит увеличение соотношений ядровых расстояний в сторону сечения поясного уголка до 40%. Полки поясного уголка помимо воздействий, обусловленных восприятием усилий пояса, должны также препятствовать воздействиям, передающихся штампами примыкающих встык раскосов. То есть работа полки по восприятию действующих на нее силовых факторов производится как в плоскости грани, так и из ее плоскости. Определяющими параметрами, характеризующими работу грани полки, служат площадь сечения (A"r =b"r x t"r), отношение ширины полки к ее толщине (b"r /tj,), характеризующей тонкостенность грани. Отношение ширины полки раскосного уголка, расположенной в плоскости пятигранного сечения, к ширине полки поясного уголка (ЬуГ/Ь"г), которое также как отношение конструктивного зазора к размеру полки поясного уголка (sk / b"r), обладает значительным влиянием на работу полки под действием нагрузки, приложенной в виде штампа (рис. 2.25).
Также необходимо учитывать соотношение толщины полки раскосного уголка к толщине полки поясного уголка (tjr /t"r). Как для опорных узлов, образование которых обусловлено примыканием двух раскосов, так и для остальных узлов, где осуществляется примыкание четырех раскосов, существуют величины просветов (С[, СІ) между плоскостью, проходящей через центр узла (W) и совпадающей с плоскостью сечения, и плоскостями зон контактов, где осуществляется примыкание полок раскосных уголков. Только для конструкции опорного узла предусматривается два варианта существования просветов (рис. 2.26). Вариант А предполагает возникновение дополнительного опорного момент за счет эксцентриситета. Вариант Б исключает образование моментов ввиду узловой передачи опорных реакций. Сварные швы, компонующие пятигранное сечение пояса, следует рассматривать как стыковые швы. Сварные швы, посредством которых осуществляется примыкание элементов раскосной решетки, рассматриваются как угловые В процессе проектирования и конструирования складчатых конструкций произведена выборка узлов для дальнейших исследований. Все конструкции центральных узлов имеют примыкающие уголки 1_6,3. Все конструкции опорных узлов - уголки L5. Для исследования промежуточных узлов рассматриваются узлы смежные с опорными узлами как наиболее нагруженные. Самые нагруженные пояса у складчатых конструкций, возводимых для IV снегового района, пролетом 24 м с пятигранным профилем П16-11-8. Таким образом, целесообразно и достаточно рассмотреть следующие конструкции узлов. Центральный узел с пятигранным профилем П16-П-8 и примыкающими сжатыми раскосами из прокатных уголков 1_63х5. Так как размер полки поясного уголка превышает размер полки раскоса в 1,7 раз, а возникающие поясные напряжения, близки к расчетным. Один опорный узел с пятигранным профилем П16-11-8, так как усилие примыкающего растянутого уголка является наибольшим. К тому же размеры полки поясного уголка в 2,2 раза превышают размер полки раскосного уголка, что может привести к деформированию грани полки. По тем же соображениям следует рассмотреть промежуточный узел с пятигранным профилем П16-11-8. Основными профилями поясов для рассматриваемых складчатых конструкций пролетом от 12 до 24 м с временной действующей нагрузкой I-IV снеговых районов являются П16, П14, П12. Использование малых номеров пятигранных профилей П10 и ниже влечет за собой невыполнение условий по размещению раскосов на гранях пояса, поэтому эти номера профилей не рекомендуется к использованию в качестве сечений неразрезных поясов. Исходя из критерия предельной гибкости, минимально принятым в качестве сжатого раскоса может быть уголок 6,3x0,5. Для растянутых раскосов в качестве минимально принятого может быть уголковый профиль 5x0,5. Наличие раскосных эксцентриситетов из плоскости сечения пояса можно признать как положительный фактор разгружающего действия, когда точка их схода лежит вне плоскости раскосной решетки. Окончательный выбор конструктивного решения узлового сопряжения зависит от выполнения всех требований при учете архитектурной выразительности конструкции узла.
Численные методы математического анализа требуют идеализации объекта исследования. В таком случае значительными возможностями обладает метод конечного элемента. Расчет этим методом выполняется в матричной форме. В его основе положено расчленение исследуемого объекта на элементарные составляющие простой геометрической формы, сочленяющиеся в узлах, где обеспечиваются условия равновесия и неразрывности перемещений. Конечные элементы представляют собой объекты с наложением связей на их деформации таким образом, чтобы контролировать их изменения по определенной форме, тем самым, сохраняя непрерывность деформаций расчетной системы. Повышение точности расчета достигается путем увеличения в расчетной модели числа конечных элементов [9, 56]. Программные комплексы, в основе которых используется метод конечного элемента, позволяют рассчитывать самые сложные системы с достаточно высокой степенью точности [17].
Принципиально расчетные комплексы представлены тремя взаимосвязанными операционными группами. На первом этапе формируется задание исходных данных. Реальная конструкция представляется идеализированной расчетной схемой посредством использования библиотеки конечных элементов программы. Важно корректно описать граничные условия, которые задаются средствами программного комплекса и влияют на результаты расчета. На втором этапе используется процессор, который на основе данных первого этапа производит непосредственно расчет. Результаты расчета формируются на третьем этапе, как правило, в табличной форме. Средства современных расчетных комплексов позволяют просмотреть расчетную модель и результаты расчета в графическом режиме.
Напряженно-деформированное состояние центрированного узла
Методика расчета бесфасоночных узловых сопряжений складчатых конструкций сводится к определению прочности сопрягаемых элементов.
При этом максимальное растягивающее усилие, возникающее в раскосной решетке, возникает в опорном раскосе. Сварные швы, прикрепляющие раскос к неразрезному поясу, должны препятствовать отрыву раскоса и срезу его вдоль пояса.
При этом считается, что усилия срезающей силы воспринимаются ортогонально ориентированными швами согласно их жесткости. Так как отношение размеров сварного шва носка (пятки) и сварного шва щеки пропорционально их толщинам по линии действия срезающей силы, то сопротивление сварного шва носка действию срезающей силы, за малостью значения, можно не учитывать. Расчетная схема конструкции бесфасоночного узлового сопряжения может быть представлена пластинчатой моделью. Основанием для принятых расчетных предпосылок являются положения теории составных стержней и пластинок А.Р. Ржаницына и уравнения теории упругости для плоского напряженно-деформированного состояния пластин. При этом не учитываются начальные дефекты прокатных элементов, скосы и округления. Результаты расчетов показали, что самым нагруженным элементом конструкции узлового сопряжения является поясной уголок, точнее, его обушок, вне зависимости от местоположения сечения. Деформирование полки поясного уголка из плоскости ввиду ее малости можно не учитывать (отношение прогиба к толщине не превышают 0,075 при допускаемом 0,2-0,5). Податливость узлового сопряжения в практических расчетах складчатой конструкции можно не учитывать. Смещение раскосов от узла, снижает уровень напряжений по сравнению с центрированным узлом, и наоборот, смещение раскосов к узлу приводит к увеличению уровня напряжений. В 1999 году на кафедре «Металлические и деревянные конструкции» ТГАСУ были проведены экспериментальные исследования работы складчатой конструкции с поясами составного пятигранного сечения [44]. В соответствие с программой эксперимента проведены исследования ра-боты узлов сопряжения поясов пятигранного составного сечения и примыкающих раскосных элементов из одиночных прокатных уголков. Эти эксперименты проведены с целью обоснования расчетных предпосылок и выявления влияния напряжённо-деформированного состояния узлов на несущую способность и деформативность конструкции в целом. Проблема планирования исследований связана с большим разнообрази ем задач, возникающих в практике эксперимента. Планирование эксперимен тов по выяснению механизма явлений связано с определением закономерно стей, характеризующих явление в целом [15]. Изучение напряженно деформированного состояния конструкций узлов проведено на натурной конструкции. При решении сложных задач на натурных конструкциях или моделях наиболее правильные результаты получаются при сочетании в одном исследовании эксперимента и численных расчетов [16]. К тому же известны преимущества эксперимента узловых сопряжений в составе натурной конструкции по сравнению с испытаниями их моделей. При испытании отдельно взятых конструкций узлов или их моделей трудно добиться действительного соотношения сходящихся в узле усилий. А воспроизведение реальных условии, соответствующих закреплению узла в составе конструкции, для модели узлового сопряжения представляется достаточно сложной задачей. Таким образом, выбор был сделан в пользу исследований работы узловых сопряжений натурной конструкции.
Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен испытательный стенд, позволяющий создавать вертикальную статическую нагрузку.
Эксперименты проведены в два этапа. На первом этапе исследовалась работа центрального узла и промежуточного узла верхнего пояса. Испытания каждого узла проведены по пять раз. В процессе каждого испытания проводилось согласование полученных результатов с результатами численного расчета. На втором этапе исследовалась работа опорного и промежуточного узлов. Эксперименты проведены в упругой стадии работы материала. Нагрузка прикладывалась к верхнему поясу ступенчато. На каждой ступени нагрузка выдерживалась 15 - 20 минут. Величина ступени нагружения принималась равной 10% от расчетной нагрузки. Разгрузка конструкции проводилась обратным порядком с соблюдением всех условий каждой ступени.
Конструкция экспериментального модуля представляет собой фрагмент складчатого покрытия в виде системообразующей складки с одним верхним и двумя нижними поясами. Модуль выполнен в натуральную величину, что позволило исключить решение вопросов, связанных с механическим моделированием конструкции [79]. Конструкция модуля показана на рис. 4.1. Она имеет четыре панели по верхнему поясу, три — по нижним поясам. Размеры в плане 12x1,5 м, высота 1,5 м.
Пятигранное сечение верхнего пояса выполнено из прокатного швеллера № 12 и равнобокого уголка 80x8, которые объединены между собой прерывистыми сварными швами по длине. В зонах узловых сопряжений сварные их швы выполнены непрерывными. Нижние пояса из равнобокого уголка 80x8 ориентированы обушком вверх.
