ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Очевидно, что надёжность любой конструкции определяется не только работой её элементов, но и в не меньшей степени точностью расчёта узловых сопряжений. Однако в отечественных нормах не уделялось и не уделяется должного внимания проектированию узловых соединений.

В настоящий момент остро встаёт вопрос адекватности назначения расчётных схем, а именно: проблема соответствия применяемой схемы фактической работе стального каркаса. В связи с ростом темпа строительства административных и торгово-выставочных центров в большинстве случаев, как показывает практика, применяется рамная или рамно-связевая конструктивная схема здания, преимуществом которой является свобода планировки. Геометрическая неизменяемость здания обеспечивается рамным сопряжением ригелей с колоннами.

Экономическая эффективность и надёжность таких каркасов может быть обеспечена как усовершенствованиями методик расчёта, так и конструктивными мероприятиями.

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, такие примеры в строительной практике известны.

Вопросы расчёта узловых соединений в строительных конструкциях, а также учёт особенностей их работы при расчёте стержневых моделей являются актуальным направлением для исследования. Например, учитывая фактическое распределение усилий в системе, возможно снизить расход материала на применяемую конструкцию, что является первоочередной задачей.

3

Объектом исследования является рамный узел, традиционно применяемый в каркасах многоэтажных производственных и гражданских зданий, выполненных по рамной и рамно-связевой конструктивным схемам. 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 изготовлении. Необходимость исполнять все швы в нижнем положении приводит к усложнению формы верхней горизонтальной накладки. Исследуемый узел образуется рамным сопряжением ригеля с колонной двутаврового профиля.

Цель исследования заключается в повышении надёжности рамных узловых сопряжений ригелей с колонной в каркасах многоэтажных зданий, а также в оценке влияния конструктивных факторов на напряжённо-деформированное состояние элементов рамного узла.

Задачами исследования являются:

−анализ конструктивных 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.

4

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, проектные организации могут получить определённый экономический эффект. Снижение стоимости достигается рациональными конструктивными мероприятиями, увеличивающими несущую способность и жёсткость соединения. Разработанная методика позволяет с большей точностью выполнять расчёт рамных узлов стальных каркасов. В практических расчётах необходимо учитывать совместность работы стержневой модели с принимаемым конструктивным решением рамного соединения.

Результаты диссертационной работы использованы:

−при разработке проекта марки КМ девятиэтажного административного здания с техническим подпольем и техническим этажом. Рабочий проект "Пристрой к дому 15А на пересечении Московского шоссе и улицы Маршала Казакова в г. Н. Новгороде";

−при разработке проекта по реконструкции административного здания. Рабочий проект "АБК комплекса глубокой переработки нефти. ОАО "ЛУКОЙЛ

-Нижегороднефтеоргсинтез", г. Кстово";

5

− при разработке проекта по реконструкции административного здания. Рабочий проект "АБК комплекса глубокой переработки нефти. Лифтовые шахты. ОАО "ЛУКОЙЛ - Нижегороднефтеоргсинтез", г. Кстово".

Апробация работы. Основные 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. Дзержинск, 2005 г.); на форуме "Великие реки-2005" (г. Нижний Новгород, 2005 г.); на XIV польско-русско-словацком семинаре (Warszawa, 2005 г.).

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;

−методика по вычислению граничного и допускаемого усилия на растянутую горизонтальную накладку при неподкреплённых поясах колонны;

−результаты экспериментальных исследований по определению особенностей напряжённого состояния 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, 5 глав, основных результатов и выводов, а также 7 приложений на 38 страницах. В общий объём диссертации входят 222 страницы, в том числе 148 иллюстраций, 30 таблиц, а также библиографический список используемой литературы, включающий 108 источников.

6

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цели исследования и отмечается научная новизна выполненной работы.

В первой главе выполнен обзор работ, посвященных вопросам проектирования рамных узлов стальных каркасов.

Традиционно применяемая методика расчета такого узла носит условный характер: не учитывается концентрация напряжений в элементах; сложное напряженное состояние стенки колонны учитывается приближенно. Отсутствует связь конструктивной схемы рамного узла и работы всего каркаса.

Распределение трёх компонентов напряжений в стенке колонны, в зоне примыкания ригеля, хорошо согласуется с теорией местных напряжений, разработанной Б.Б. Лампси для подкрановых балок при локальном действии нагрузки, а также в работах его последователей на кафедре металлических конструкций НГАСУ: А.И. Кузина, А.И. Колесова, Е.В. Курочкиной, В.И. Пашкевича, А.К. Юфимычева, А.А. Лапшина.

Уточнённое напряжённое состояние стенки колонны среднего рамного узла рассматривалось в работе В.И. Пашкевича "Напряжённое состояние рамных узлов тонкостенных металлических конструкций".

Значительный вклад в создание основ расчёта рамных узлов был внесён ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова. Экспериментальное исследование работы сварного рамного узла выполнено в работах П.Н. Троицкого, И.В. Левитанского, в них также оценивается влияние конструктивного исполнения рамного узла на его работу.

При рассмотрении задач, связанных с особенностями сопряжения элементов рамного узла, было отмечено их широкое практическое применение, например в судостроении – сопряжение горизонтальной накладки с поясом колонны при отсутствии рёбер жёсткости. Подобная задача рассматривалась в работе А.Ф. Вичёва "Экспериментальное исследование несущей способности и податливости узла с жёсткой точкой при действии статических нагрузок".

7

Особое внимание при обзоре уделено современным зарубежным изданиям. Это вызвано отсутствием достаточного количества материала в отечественной литературе для полноты раскрытия вопроса. В этом случае определённо помог материал Federal Emergency Management Agency: издание рекомендаций

FEMA и целого ряда работ были вызваны обширными повреждениями рамных узлов в США.

По результатам обзора принята наиболее распространённая конструктивная схема рамного узла в отечественной строительной практике. Исследуемое конструктивное решение узла не имеет кардинальных отличий по сравнению с зарубежными аналогами, поэтому найденный материал особенно важен для исследователей.

При изучении рекомендаций FEMA, разработанных совместным предприятием "SAC Joint Venture", были отмечены: актуальность выбранной темы; важность поставленных задач; необходимость более углублённого рассмотрения контактных задач в узловых соединениях, а также отмечено особое влияние конструктивных факторов на работу рамного узла.

Особенности напряжённого состояния элементов рамного узла также рассматривались в работах зарубежных исследователей: S.C. Goel,

B.Stojadinovic, J. Choi, K.H. Lee.

Внастоящий момент активно исследуется тема, касающаяся фактического распределения усилий в стержневой системе при различных типах конструктивных решений рамных узлов. Данная тема развита в работе А.Б. Павлова "Учёт реального поведения узлов при расчёте рам стальных каркасов", а также

вработах зарубежных исследователей: S.O. Degertekin, M.S. Hayaliogli.

При изучении современного состояния вопросов, касающихся расчётов сварных рамных узлов на горизонтальных накладках, учтена степень их проработанности. На основании этого сформулированы цели и поставлены основные задачи исследования.

8

Во второй главе исследована работа наиболее нагруженных элементов рамного узла. Разработана методика расчёта нормальных напряжений в горизонтальной накладке для двух случаев компоновки узла, а именно: с ребрами жёсткости и при их отсутствии.

Определение максимальных нормальных напряжений в горизонтальной накладке без рёбер жёсткости предлагается выполнять следующим образом. Горизонтальная накладка рассматривается как пластина на упругом основании (рис. 1). Переменная жёсткость основания зависит от податливости пояса и стенки (рис. 2):

Значения продольных и поперечных перемещений узлов сварного шва, крепящего накладку к поясу колонны, существенно отличаются (от 30 до 70 раз), в связи с этим предлагается следующая предпосылка. Граничные условия представляют собой ограничение перемещений в поперечном направлении и упругие связи в продольном направлении накладки.

Прогиб пояса определяется как для полубесконечной консольной пластинки от действия сосредоточенного усилия (расчётную схему пояса колонны см. рис. 3). Тогда дифференциальное уравнение прогиба представится в следующем виде:

9

Как известно, любая чётная функция допускает представление через интеграл Фурье:

Поскольку интенсивность нагрузки f (η) = PV постоянная в интервале

V/2 < η < V/2 и исчезает на остальной площади пластинки, то функция f(y) представляется в следующем виде:

Таким образом, функция f(y) представляет собой разность между значениями поперечной силы Q по обоим краям сечения х = с.

Общим решением дифференциального уравнения (2) будет являться следующее выражение:

Для определения коэффициентов A1, B1,…D2, зависящих от α, необходимо подставить выражение (5) в граничные условия на кромках пластинки при

х= 0, х = а, а также в условия неразрывности при х = с.

Вработе выполнено табулирование результатов с использованием численных методов. Значения сведены в таблицу, таким образом, от любого загружения и геометрии пластинки возможно определить максимальный прогиб пояса по сечению нормали к заделке ∆(х)пояс (табл. 1, 2). В табл. 1 параметр V =са

характеризует координату приложения сосредоточенного усилия.

10