Работа балки с гофрированной стенкой с различными профилями гофрирования

УДК 624.014.2

РАБОТА БАЛКИ С ГОФРИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ С РАЗЛИЧНЫМИ ПРОФИЛЯМИ

ГОФРИРОВАНИЯ

Митрофанов С.В., Митрофанов В. А.

ФГОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского», Академия строительства и архитектуры. Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181

Аннотация: В данной научной статье на основе исследований балок с гофрированной стенкой произведены попытки определить наиболее эффективный профиль гофрирования стенки балки. Целью данной работы является исследование балок с гофрированной стенкой методом конечных элементов,получение результатов и их анализ. Определение влияние профиля гофров на величину несущей способности балок с гофрированной стенкой. Определение наиболее эффективных параметров гофрирования стенки с целью более полной реализации потенциальных возможностей гофрированных стенок. Ключевые слова: Балка с гофрированной стенкой, профиль гофр, метод конечных элементов, параметры гофрирования.

Одним из путей снижения материалоемкости строительных конструкций является оптимальное распределение материала по площади поперечного сечений в соответствии с напряженно-деформированным состоянием элементов. Этому направлению отвечает применение конструкций со стенкой в виде гофрированного листа. Известно много примеров реализации конструкций с гофрированной стенкой в качестве балок, ригелей и колонн стальных несущих рам металлических каркасов зданий.

Область исследования гофрированных элементов в строительной индустрии еще сравнительно молода. Основные научные разработки проводились в 60 - 70 годах прошлого века. Обоснованность гофрированных элементов в качестве частей строительных несущих конструкций, а также научно-методологические основы данного вопроса заложили такие ученые как Е. Зейдель, В.Н. Горнов [1], Г.А. Аржемачев [2], Кириленко В.Ф. [4], Я.И. Ольков[3], А.Н. Степаненко и др.

Исследованием формы гофрирования занимались многие ученые.

В статье К.И. Мак Кензи [5] приводятся результаты теоретического определения жесткости стенки с волнистым гофрированием и зависимость жесткости стенки от геометрических размеров гофров и стенки.

Е.М. Концевой провел ряд теоретических и экспериментальных исследований устойчивости стенок балок усиленных в верхней зоне односторонним гофром. [6]

Я.И. Ольков и А.Н. Степаненко в 1972 г. Публикуют работу [7] в которой рассматриваются гофрированные волнообразным профилем стенки, гофры которых являются наклонными по отношению к оси балки, и имеют различные углы наклона

С целью упрощения изготовления и присоединения гофрированной стенки к поясам Т.В. Михайловой в работе [8] рассматривала разреженные гофры, которые в стенке предлагается выполнять штамповкой закрытыми

(продолжающимися не на всю высоту или длину стенки) с поперечным или продольным их расположением.

Р. Гамильтону в 1993 г. удалось показать, что предельное состояние всех образцов наступило в результате потери стенкой местной устойчивости в одном из гофров. В результате испытаний Р. Гамильтон делает вывод, что в стенке с более частым расположением гофров скорее наступает потеря общей устойчивости.

С.Л. Чан, Я.А. Халид, Б.Б. Сахари и А. Хамауда в работах [9] (2001 г.) изучают влияние различного вида гофрирования стенки на прочность всей балки при изгибе.

В 2007 г. П.И. Егоров опубликовал работу [10], в которой, уравнение профилей гофров описал с помощью рядов Фурье и получил формулы для определения дополнительных изгибно-крутящих усилий, возникающих из-за периодического смещения стенки с оси стержня. Представленные в данной работе формулы применимы для гофров любогоочертания (волнистого, трапециевидного, треугольного).

Рыбкин И.С.в 2008 году в своей работе[11] рассматривает новую конструктивную форму двутавровых металлических конструкций с переменно-гофрированной стенкой. Данное решение, сочетая в себе все преимущества традиционного гофрирования, обладает меньшей металлоемкостью.

Полтораднев А. С. [12] В 2012 году на основе принципов развития технических систем получил новое конструктивное решение тонкостенных балок, объединяющее гофрированные элементы наопорах и плоские - в середине пролета.

В связи с этим актуальной задачей повышения эффективности использования гофрированных элементов является оптимизация известных конструктивных решений. Нахождение эффективных геометрических параметров сечения балок и колонн с гофрированными стенками и параметров гофрирования стенки, что позволит более полно реализовать потенциальные возможности несущих двутавровых элементов с гофрированной стенкой.

ГЛ 4 /

\

\ Л Л г- 17 У

\

и-,

^

\

/ У

V №

V

\ / /775 г

0.5

Были поставлены следующие задачи:

1. Создать модели несущих элементов с использованием метода конечных элементов в программном комплексе «Лира»

2. Выполнить растёт моделей несущих элементов с помощью метода конечных элементов.

3. Провести анализ результатов полученных с помощью метода конечных элементов.

4. Определить влияние профиля гофров на величину несущей способности несущих элементов.

Для решения поставленной задачи были проведены исследования трех балок с гофрированной стенкой методом конечных элементов в программном комплексе «Лира». Были созданы модели балок с различным профилем гофрированной стенки: треугольным,

трапециевидным, синусоидальны.

Все модели имеют длину L=2,015м, высоту h=0.246м. За основу была принята реально существующая балка фирмы «Zeman» имеющая волнообразный профиль гофр и длину волны равную 155мм.

Длина волны гофрированной стенки в независимости от формы гофрирования составляет 1=155мм. Геометрические характеристики сечения указаны на рисунке 1.

Балки закреплены шарнирно. Ограничение перемещений в узлах опирания балки справа по Х, Y,Z, слева по Y,Z.

Модели были созданы с помощью физически нелинейных элементов оболочки. Были использованы треугольные прямоугольные и четырехугольные элементы. В месте крепления стенка и полка имеют общие узлы. Каждый узел содержит шесть степеней свободы.

Жесткосные параметры сварных швов идентичны жесткостным параметрам стенки.

Расчет задавался методом моделирования нелинейных загруженный. Нагрузка прилагалась пошагово, с шагом 0,05.

Общий вид балок представлен на рисунке 2.

Изополя напряжений и напряженно деформированная схема балок показана на рисунке 3.

43

Рисунок 1 - Геометрические характеристики сечения

,г

Я' и

А

¡,1.

.и

1 I

+ I

1 ¡"4

\>

У.\

/

Рисунок 2 - Общий вид балок с синусоидальным, треугольным и трапециевидным профилем гофрирования

Рисунок 3 - Изополя напряжений Результаты расчета сведены в таблицу 1.

Таблица 1

№ п/п Форма гофрирования стенки Значение критической нагрузки при потери устойчивости

1 Треугольная 50,106Кн/м2

2 Трапециевидная 52.18Кн/м2

3 Синусоидальная 139.2Кн/м2

Расчет показал, что при одинаковых геометрических параметрах несущих элементов и параметрах гофрирования, при одинаковых жесткостях и условиях загружения, балки (несущие элементы) с различным профилем гофрирования

теряют устойчивость при различной величине нагрузки.

ВЫВОДЫ

1. Были созданы модели несущих элементов с использованием метода конечных элементов в программном комплексе «Лира»

2. Был выполнен растёт моделей несущих элементов с помощью метода конечных элементов.

3. В результате расчета были получены изополя напряжений, максимальная величина нагрузки, напряженно деформированная схема несущих элементов.

4. Результаты расчета показали, что большей несущей способностью обладает несущий элемент, гофры которого имеют синусоидальный профиль.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горнов В.Н. Новые тонкостенные конструкции // Проект и стандарт. - 1937. - №4. - С. 25-28.

2. Ажермачев Г.А. Балки с волнистыми стенками // Промышленное строительство. - 1963. - №4. - С. 54-56.

3. Ольков Я.И., Степаненко А.Н. О расчете металлических балок с тонкой гофрированной стенкой // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. - 1972. - №10. - С. 12-15.

4. Кириленко В.Ф., Окрайнец Г.А. К вопросу расчета балок с гофрированной стенкой // Известия ВУЗов. Строительствоиархитектура.- 1969. - №4. -С. 23-27.

5. McKenzie K.I. The shear stiffness of a corrugated web.Reports and Memoranda №3342. - London, UK: Ministry of Aviation. Aeronauticalresearchcouncil, 1963. - 13 p.

6. Концевой Е.М. Устойчивость гофр в стенках крановых балок металлических конструкции. В НИИ П Т М А Ш//Исследования крановых металлоконструкций. В. 5(69), 1966. С -24.

7. Ольков Я.И., Степаненко А.Н. О расчете металлических балок с тонкой гофрированной стенкой // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. - 1972. - №10. - С. 12-15.

8. Михайлова Т.В., Беляев В.Ф., Кириленко В.Ф. Применение профилей высокой жесткости в сплошностенчатых и рамных конструкциях комплектной поставки // Комплексные здания из легких металлических конструкций: тезисы докладов всесоюзного совещания. - М.: ЦБНТИ, 1988. - С. 76- 78.

9. Chan C.L., Khalid Y.A., Sahari B.B., Hamouda

A.M.S. Finite element analysis of corrugated web beams under bending // Journal of constructional steel research. - 2002. - Vol. 58. - pp. 1391-1406.

10. Егоров П.И. Дополнительные изгибно-крутящие усилия в двутавровом стержне с поперечным непрерывным трапецеидальным профилем гофров в стенке // Промышленное и гражданское строительство. - 2007. - №10. - С. 3435.

11. Рыбкин И.В. Совершенствование конструктивных решений, методов моделирования и расчета конечных элементов.// Автореф. дис. .. .канд. тех. наук Москва, 2008. - 20с.

12. Полтораднев А.С. Несущая способность и оптимизация стальных тонкостенных балок.// Автореф. дис. .канд. тех. наук Москва, 2012. - 24с

13. Несущий элемент // Патент России № 157004 опубликован 20.11.2015. Бюл. № 32. / Митрофанов

B.А., Митрофанов С.В.. [и др.].

14. Несущий элемент // Патент России № 158035. опубликован 20.12.2015. Бюл. № 35. / Митрофанов В.А., Митрофанов С.В.. [и др.].

15. Несущий элемент // Патент России № 169391. опубликован 16.03.2017. Бюл. № 8. / Митрофанов В.А., Митрофанов С.В.. [и др.].

REFERENCES

1. Gornov, V. N. New thin-walled structures // Project and standard. - 1937. - No. 4. - P. 25-28.

2. Azhermacheva G. A. Beams with wavy walls // Industrial construction. - 1963. - No. 4. - P. 54-56.

3. Olkov J. I., Stepanenko A. N. On calculation of metal beams with thin corrugated wall // Izvestiya vuzov. Building and architecture. - 1972. - No. 10. - S. 12-15.

4. Kirilenko V. F., Okrainec G. A. To the question of the calculation of beams with corrugated web // proceedings of the Universities. Stroitelstvoimoti.com.-1969. - No. 4. - S. 23-27.

5. McKenzie K. I. The shear stiffness of a corrugated web.Reports and Memoranda No. 3342. - London, UK: Ministry of Aviation. Aeronauticalresearchcouncil, 1963. - 13 p.

6.End E. M. Stability of the corrugations in the walls of beams of the crane metal structure. In the Institute P T M A W Studies of crane steel structures. V. 5(69), 1966. With -24.

7. Olkov J. I., Stepanenko A. N. On calculation of metal beams with thin corrugated wall // Izvestiya vuzov. Building and architecture. - 1972. - No. 10. - S. 12-15.

8. Mikhailova T. V., Belyaev V. V., Kirilenko V. F. application of the profiles high rigidity splenomegaly and frame designs complete delivery // Complex buildings from light metal structures: theses of reports all-Union meeting. - M.: cbti, 1988. - P. 76 - 78.

9. Chan C. L., Khalid, Y. A., Sahari B. B., Hamouda A. M. S. Finite element analysis of corrugated web beams under bending // Journal of constructional steel research. - 2002. - Vol. 58. - pp. 1391-1406.

10. Egorov P. I. Additional Flexural-torsional beam in a rod with a cross continuous trapezoidal profile of the corrugations in the wall // Industrial and civil construction. - 2007. - No. 10. - Pp. 34-35.

11. Rybkin, I. V. improving the design solutions, methods of modeling and calculation of finite elements.// Abstract. dis. kand. of technical Sciences Moscow, 2008. - 20C.

12. Poltoranin A. S. Bearing capacity and optimization of thin-walled steel beams.// Abstract. dis. kand. of technical Sciences Moscow, 2012. - 24C

13. Supporting element // Patent of Russia No. 157004 published on 20.11.2015. Bull. No. 32. / Mitrofanov, V. A., Mitrofanov S. V.. [et al.].

14. Supporting element // Patent of Russia № 158035. published on 20.12.2015. Bull. No. 35. / Mitrofanov, V. A., Mitrofanov S. V.. [et al.].

15. Supporting element // Patent of Russia No. 169391. published 16.03.2017. Bull. No. 8. / Mitrofanov, V. A., Mitrofanov S. V.. [et al.].

THE WORK OF BEAMS WITH CORRUGATED WEB WITH DIFFERENT CORRUGATION

PROFILES

Mitrofanov, S. V., Mitrofanov V. A.

Summary. In this scientificarticlebased on research of beams with corrugated webmade attempts to define the most effective profile of the corrugation web of the beams. The aim of thiswork is to researchbeams withcorrugated webby method of finite element, get resultsand analyze them.Define effect of the profile of the corrugations on the value of the holding power of beams with corrugated wall. Define the most effective options corrugating web in order to more fully realize the potential of corrugated elements.

Key words: Beams with corrugated web, profile of the corrugation web,method of finite element, options corrugating.