Особенности расчета и защиты строительных конструкций от прогрессирующего обрушения

Выводы. В типовых сериях для узлов крепления не предусмотрена выверка балок, поэтому установка подкранового рельса в проектное положение осуществляется смещением его по вертикали и горизонтали. Этот процесс весьма трудоемкий, занимает много времени и связан, как правило, с необходимостью остановки производства. Кроме того, при смещении рельса с оси стенки балки возникают дополнительные усилия в балке, что приводит к разрушению верхних поясных швов или стенки балки. Предложенный нами узел крепления подкрановых балок к колоннам позволяет выполнять выверку и рихтовку балок без смещения рельса с оси стенки балки. Это значительно снижает количество времени, затрачиваемое на рихтовку, а так же предотвращает появление дополнительных усилий в балке от смещения рельса с оси стенки.

Крепление тормозных листов к подкрановым балкам с помощью волнистого реза значительно увеличивает несущую способность такого узла крепления. Кроме того, такой узел сокращает время, необходимое на монтаж, так как нет необходимости варить дополнительный потолочный шов.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Иванков О. Ф. К вопросу о напряженном состоянии стенок сварных подкрановых балок / О. Ф. Иванков. // В сб. науч. тр. Днепропетр. инж.-строит. ин-та. - 1963. - Вып. 31. - С. 95118.

2. Спенглер И. Е. Примеры экспериментального исследования металлоконструкций в условиях эксплуатации / И. Е. Спенглер // В сб. «Экспериментальные исследования инженерных сооружений». - 1969. - № 4. - С. 63-64.

3. Михайлов А. В. Экспериментальное исследование работы балок из двух марок стали / А. В. Михайлов // В сб. «Экспериментальные исследования инженерных сооружений». - 1969. - № 4. - С. 63-64.

4. Иванков О. Ф. О кручении коробчатых балок с поперечными деформируемыми диафрагмами / О. Ф. Иванков, В. П. Хлебородов // В сб. «Легкие строительные конструкции покрытий зданий». - 1977. - № 4. - С. 125-131.

5. Иванков О. Ф. Экспериментально-теоретическое исследование напряжений в стенках балок при помощи оптического метода и метода электротензометрии / О. Ф. Иванков, И. Е. Спенглер // В сб. «Экспериментальные исследования инженерных сооружений». - 1969. - № 4. - С. 65-69.

6.

ольшаков В. И. Обследования промзданий ОАО «ДЗМК им. И. В. Бабушкина» / В. И. Большаков, [Е. П. Лукьяненко], Н. Г. Братусь //Вюник Придшпровсько! державно! академп будiвництва та архгтектури. - 2007. - № 1 . - С. 4-10.

УДК 624.014.2

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

В. П. Хлебородов, к. т. н., доц., Ю. В. Федоряка, к. т. н.

Ключевые слова: болтовое соединение, расчет, конструирование, требуемое количество болтов.

Постановка проблемы. Объект исследования - болтовые соединения, применяемые в стыках металлических балок, стержнях рам, арок и комбинированных систем. Рассматриваются соединения при раздельном и совместном действии на стык продольной силы Ы, поперечной силы Q, изгибающего моментаМ, вызывающих сдвиг соединяемых элементов.

Анализ исследований. При расчете болтовых соединений используют те же исходные положения, что и для заклепочных соединений. При определении требуемого количества болтов в соединениях, подверженных одновременному действию момента, продольной и поперечной сил, используют формулы и таблицы, рекомендуемые для расчета заклепочных соединений [1].

На рисунке 1, а приведена схема болтового соединения двух стальных листов, перекрытых двумя стыковыми накладками.

+б2 № ]ттГс),

Рис. 1. Схема болтового соединения

Для предварительного определения количества болтов с одной стороны стыка запишем приближенную формулу (в принятых ныне обозначениях), рекомендуемую в работе [1] для расчета заклепочных соединений (с заменой заклепок на болты):

1г 6М ^2

Птр Ч а + N

V тах У

где атах - расстояние между крайними болтами вертикального ряда;

[^]тт - наименьшее усилие по срезу болта или смятию соединяемых листов; или расчетное усилие, воспринимаемое одним высокопрочным болтом с регулируемым натяжением [2];

ус - коэффициент условий работы соединения.

После конструирования соединения выполняется расчет болтов на прочность. При этом может возникнуть необходимость изменить количество болтов п и схему их расположения, что существенно увеличивает трудоемкость расчета.

Цель работы. Целью данных исследований является усовершенствование методики расчета болтовых соединений, позволяющей обоснованно определить требуемое минимальное количество болтов в соединениях, подверженных одновременному действию момента, продольной и поперечной сил.

Изложение основного материала. В данной статье исследуются болтовые соединения, в которых высота атах в три и более раз превышает ширину Ъ, то есть атах > 3Ъ (см. рис. 1, а).

Распределение усилий на болты от момента М принимаем, как и в работах [1; 3; 4], пропорционально расстояниям от нейтральной линии соединяемых листов до рассматриваемого болта (см. рис. 1, б). Сдвигающее усилие, приходящееся на наиболее нагруженный болт 1, на основании зависимостей, приведенных в работах [1; 3],

N. = МН--

Л а

где Л а2 - сумма квадратов расстояний между центрами болтов, расположенных симметрично

относительно нейтральной линии с одной стороны стыка. При совместном действии на болтовое соединение момента М, сил N и б, в соответствии с приведенными на рисунке 1, б, в, г эпюрами усилий и диаграммой усилий

-ЫШ • «3,

Представим формулу (2) в виде:

* = М,

пп

где

На п

Р =

6У а

Условие прочности болта: Ыь тах < [Ы]тт ус. С учетом (3) и (4), получаем:

ч2 /„\2

Ыь.т,х = , ^ + ^ 1 +( Q| <[Ы]т,„Гс.

Нп п) ^ п

Отсюда находим требуемое количество болтов, обеспечивающее прочность соединения:

п„=, ,| ^ + NI2 + Q2/

тр

Н

Найдем зависимость коэффициента в от расстояния между крайними болтами атах и шагом болтов 5" в вертикальном ряду для наиболее часто применяемых схем болтовых соединений, приведенных на рисунках 1, а и 2.

Рис. 2. Схемы размещения болтов в шахматном порядке: а - двухрядная схема; б - трехрядная схема

Шаг болтов в вертикальном ряду

5 = атах,

к -1

где к - количество болтов в вертикальном ряду, ближайшему к оси стыка.

При рядовой схеме расположения болтов (см. рис. 1, а), на основании приведенных в работах [1] и [4] формул

тк

У а

^ 1 6

2 тъуп, -т LJ ^2

тах

где т - количество вертикальных рядов с одной стороны стыка. Количество болтов в стыке п = тк .

Из (7) находим к = атах /5 +1. Для суммы У а2 получаем:

У а = патах(атах + 25 V6.

Коэффициент в определяем по (5). Получаем:

Р =

атах + 25

При двухрядной схеме расположения болтов в шахматном порядке (см. рис. 2, а), на основании приведенной в работе [1] формулы

у а2 = к(2к -1) а2 ^ 1 6(к -1) тах

Учитывая, что n = 2k — 1, k = amax / S +1, после тождественных преобразований получим

Za2 = na (a + S )/6.

l ma^V max

Тогда:

P =

amax + S

При трехрядной схеме расположения болтов в шахматном порядке (см. рис. 2, б), согласно [1]:

k 2

у a2 =—-a2 .

^ 1 2(k — 1) max

^OTb^ что n = 3k — 1, k = ^ / S + Ь получаем у О* = namax (amax + S )2/ (6amax + 4S) .

Тогда:

ß —

h

«max + S

1 -

S

3ax + 3S

max V max J

Анализ формул (8), (9), (10) показывает, что коэффициент ß незначительно отличается от единицы или ß — 1.

Требуемое количество болтов итр, определяемое по полученной формуле (6), меньше, чем по приближенной формуле (1), и одинаково только при S — 0 , что нереально.

Последовательность расчета и конструирования болтового соединения листов

1. Принимается ориентировочная величина коэффициента ß — 1 и по (6) определяется

требуемое ориентировочное количество болтов итр.

2. Выполняется конструирование стыка и определяется расстояние amax между крайними болтами вертикального ряда и шаг болтов S по (7).

3. Определяется величина коэффициента ß: для стыка по рисунку 1, а - по (8); для стыка по рисунку 2, а - по (9); для стыка по рисунку 2, б - по (10).

4. Уточняется по (6) требуемое количество болтов Ир, и при необходимости корректируется конструирование стыка.

5. Выполняется расчет на прочность соединяемых листов и накладок с учетом ослабления их сечений отверстиями для болтов.

Пример расчета монтажного болтового стыка стальной сварной жесткой затяжки комбинированной системы большепролетного покрытия здания

Исходные данные. Нагрузки на конструкцию - статические. Усилия от расчетных предельных нагрузок: изгибающий момент M — 2 640 кН-м, продольная сила Nc — 2 850 кН, поперечная сила Q —100 кН-м. Материал затяжки - сталь С375 ГОСТ 27772-88, расчетное сопротивление стали Ry — 375 МПа; затяжка выполнена из составного двутавра; размеры сечения стенки - высота hw — 1160 мм; толщина tw — 12 мм; размеры сечения поясов - ширина bf — 360 мм, толщина t f — 20 мм. Стык осуществляется высокопрочными болтами диаметром d — 24 мм из стали 40Х

«селект» ГОСТ 4543-71*, диаметр отверстия для болта d0 — 27 мм. Обработка поверхностей соединяемых элементов газопламенная, способ регулирования натяжения болтов - по М. Коэффициент условий работы конструкции yc — 1. Коэффициент надежности по назначению — 1.

Площади поперечных сечений: стенки Aw — 116  1,2 — 139,2 см2, одного пояса Af — 36 • 2 — 72 см2; затяжки A —139,2 + 2 72 — 283,2 см2.

Моменты инерции сечений относительно нейтральной осиХ: стенки Iw —1,21163 /12 —156 090 см4, поясов If — 2-36-23 /12 + 2-36(0,5116 + 0,5-2)2 — 503 312 см4; затяжки

I —156 090 + 503 312 — 657 402 см4.

Усилия для расчета стыка стенки: изгибающий момент Mw — Mc • Iw /1 —

— 2 640 156 090/65 7 402 — 626,8 кН-м; продольная сила Nw — Nc • Aw / A —

— 2850-139,2/283,2 — 1400,8 кН, поперечная сила Qw — Oc — 100 кН. 36

Продольная сила для расчета стыка наиболее нагруженного нижнего пояса затяжки

Ы1 = (Мс - Мк)/Ь/ + Ыс • Л/ /А = (2 640-626,8)/1,18 + 2 850-72/283,2 = 2 430,7 кН.

Стык стенки и поясов выполняем двухсторонними накладками (рис. 3).

Расчетное усилие, воспринимаемое одним высокопрочным болтом при наличии двух поверхностей трения: по формуле (131)* [2] при учете данных, приведенных в таблице 36*, 61*, 62*

и ф°рмулЫ (3) [2] : ]тг„ = 2^Н = 2 • 0,7 • Кьшп Пь • ЛЬИ ПИ =

= 2 • 0,7 • 110 • 1 • 3,52 • 0,42/1,12 = 203,28 кН.

Рис. 3. Схема равнопрочного болтового стыка жесткой затяжки

Стык стенки

1. Требуемое ориентировочное количество болтов с одной стороны стыка. На основании (6) при Р = 1:

п =

(6МР + N ' 2

V К ,

(}ШпУс ) =

6 • ^Пб •1 +1400,8 I +1002 ¡(203,28 • 1) = 22,8

Округляя, получаем птр = 23 .

2. Конструируем соединение, приняв двухрядную схему болтов, расположенных в шахматном порядке. Количество болтов в первом ряду к = 12 , во втором -ряду к]=11. Расстояние между крайними болтами атах = - 2'85 = 1160-170 = 990 мм. Шаг болтов 5 = атах/(к-1) = 990/(12-1) = 90 <2,5 = 2,5• 27 = 67,5 мм; 5 = 90 <12^н = 12• 8 = = 96 мм (twн - толщина накладки).

3. Коэффициент Р. На основании (9) Р = НК /(атах + 5) = 1160/(990 + 90) = 1,074.

4. Уточнение расчета болтов. На основании (6):

б • • 1,074 + 1400Д ^ +1002 (Ш28 _ 1} = 24 > 23

Птр 1,16 Принять 23 болта недостаточно.

Рассматриваем двухрядное соединение и определяем коэффициент в на основании (8): Р = /(атах + 2£) = 1160 /(990 + 2 • 90) = 0,991« 1.

Требуемое количество болтов птр = 22,8. Принимаем п = 24 - по 12 болтов в каждом ряду (к = 12, т = 2).

5. Расчет стенки и стыковых накладок на прочность. Расчет, выполненный в соответствии с требованиями СНиП [2], показал, что для стенки < = 339 < Яу/С = 345 -1 = 345 МПа, для

накладок «Кн = 292 < 345 МПа. Прочность стенки и накладок обеспечивается. Стык поясных листов

Необходимое количество болтов для полустыка, на основании [2] или формулы (6) при N = , М = 0, М=0, 0 = 0

пг > Nf Фтт к) = 2 430,7/(203,8 -1) = 12. Принимаем 12 болтов (см. рис. 3).

Расчет нижнего пояса двутавра и поясных накладок показал, что их прочность обеспечивается,

так как для пояса <7 f = 342 < 345 МПа, для накладок < = 307 < 345 МПа.

f н

Выводы. 1. Для болтовых соединений, подверженных действию момента, или момента вместе с продольной и поперечной силами, требуемое количество болтов птр определяется в зависимости от схемы расположения болтов, расстояния между крайними болтами атах и шага болтов S.

2. Для соединений с расположением болтов, симметричным относительно нейтральной линии соединяемых элементов при количестве болтов п, не меньше требуемого птр по (6), расчет на прочность болтов не требуется.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Хомутинников Н. И., Морозов К. Д. Металлические конструкции промышленных зданий / Н. И. Хомутинников, К. Д. Морозов. - М. : Госстройиздат, 1933. - 536 с.

2.СНиП 11-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 96 с.

3. Михайлов А. М. Металлические конструкции в примерах / Михайлов А. М. - М.: Стройиздат, 1976. - 320 с.

4. Металлические конструкции. Общий курс. Учебник для вузов / Беленя Е. И., Балдин В. А., Веденников Г. С. и др.; Под общ. ред. Е. И. Беленя. - [6-е изд. перер.и доп. ] - М. : Стройиздат, 1986. - 560 с.

УДК 69.059.2

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА И ЗАЩИТЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО ОБРУШЕНИЯ

И. И. Давыдов, к. т. н., доц.

Ключевые слова: прогрессирующее обрушение, диссипативные свойства системы, конструктивная система, метод конструктивной защиты.

Постановка проблемы. В последнее время участились случаи цепного обрушения зданий и сооружений в результате различного рода ошибок проектирования, монтажа и эксплуатации зданий (неквалифицированная реконструкция), а также обрушения жилых зданий в результате взрывов газа и терактов. Поэтому существует проблема предотвращения прогрессирующего обрушения зданий при локальных разрушениях одного или нескольких несущих элементов в результате непроектных воздействий.

Анализ исследований и публикаций. Термин "прогрессирующее обрушение" и формулировка проблемы защиты зданий появились в 1968 г. в докладе комиссии, расследовавшей причины аварии