Экспериментально-теоретические исследования стальных ферм покрытия легкоатлетического манежа в г. Тюмени

DOI: 10.15593/2224-9826/2015.2.08 УДК 624.014.2

А.П. Малышкин, А.В. Есипов

Тюменский государственный архитектурно-строительный университет,

Тюмень, Россия

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ФЕРМ ПОКРЫТИЯ ЛЕГКОАТЛЕТИЧЕСКОГО МАНЕЖА В Г. ТЮМЕНИ

Объектом исследований являлись большепролетные стальные трапециевидные фермы с треугольной решеткой из парных горячекатаных уголков. Необходимость проведения натурных испытаний ферм статическими нагрузками вызвана выполненным ранее усилением узлов фермы путем наращивания фасонок. Целью исследований было получение и сопоставление экспериментальных и расчетных данных о деформациях ферм, оценка их несущей способности и надежности. Испытания ферм статическими нагрузками выполнялись загружением блока из двух ферм, системы связей, распорок и прогонов свободными грузами - дорожными плитами и фундаментными блоками. Статические расчеты ферм выполнялись по трем вариантам расчетных схем: с шарнирным сопряжением поясов, раскосов и стоек между собой, с жесткими поясами и шарнирно примыкающими к ним раскосами и стойками и с моделированием габаритов и жесткости фасонок. В результате проведенных комплексных исследований было установлено влияние размеров и жесткости фасонок на напряженно-деформированное состояние и остаточные деформации ферм, исследованы экспериментальные и теоретические прогибы конструкций, определены остаточные деформации ферм в результате натурных экспериментов, выполнены расчеты несущей способности конструкций. Большие размеры и жесткость фасонок привели к образованию больших изгибающих моментов и перегрузке верхнего пояса ферм на 16,8 %. По результатам проведенных исследований стропильные фермы были признаны непригодными к дальнейшему использованию из-за больших остаточных деформаций конструкций как при предварительном, так и при основном нагружении статическими нагрузками.

Ключевые слова: экспериментально-теоретические исследования, большепролетные стальные конструкции, испытания статическими нагрузками, трапециевидные фермы, статические расчеты, жесткости фасонок ферм.

A.P. Malyshkin, A.V. Esipov

Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering, Tyumen, Russian Federation

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL STUDIES OF STEEL ROOF TRUSSES OF THE ATHLETIC ARENA IN TYUMEN

The object of study is large-span steel trapezoidal truss with a triangular lattice made of paired hot rolled corners. The need for full-scale trusses testing by static loads caused by the previously performed strengthening of the truss joints with the upbuilding of gusset plates. The aim of research

was receiving and comparison of experimental and calculated data about trusses deformations, assessment of their load-carrying ability and reliability. Testing trusses by static loads performed by uploading a free weights - road plates and base blocks on block of two trusses, bracings, struts and girders. Static calculations of trusses performed in three variants calculation schemes: with articulated conjugation chords, braces and struts together, with a rigid chords and the adjacent hinged braces and struts and with modeling of the size and hardness of gusset plates. The comprehensive studies revealed the influence of the size and hardness of gusset plates on the stress-strain state and residual deformations of trusses, experimental and theoretical deflections of structures were studied, residual deformation of trusses were defined as a result of field experiments, calculations of the bearing capacity of structures were performed. Large size and rigidity of gusset plates led to the formation of large bending moments and overload of upper zones of truss by 16,8 %. According to the results of studies trusses were considered unusable for further usage due to large permanent deformation of structures, as in the preliminary, and in the main loadings by static loads.

Keywords: experimental and theoretical research, large-span steel structures, static load test, trapezoidal trusses, static calculations, stiffness of trusses gusset plates.

Надежность и долговечность большепролетных стальных конструкций определяется на этапе проектирования выбором адекватных расчетных схем конструкций и их близкого к действительности численного моделирования, условиями эксплуатации конструкций, нагрузками и воздействиями в соответствии с действующими строительными нормами, а также непроектными воздействиями на конструкции (авариями, террористическими актами и т.д.).

В связи с этим непроектное воздействие на большепролетные конструкции и увеличение их материалоемкости рассматриваются в исследованиях прогрессирующего обрушения строительных конструкций [1-10].

В рамках настоящей статьи приведены расчетно-теоретические исследования большепролетных конструкций легкоатлетического манежа в г. Тюмени: численное моделирование конструкций и испытание их статическими нагрузками.

В качестве стропильных конструкций покрытия были применены стальные трапециевидные фермы пролетом 57,6 м с треугольной решеткой из парных горячекатаных уголков (рис. 1). Шаг ферм 6,0 м, высота ферм на опоре 3,0 м, в коньке 5,38 м, строительный подъем 250 мм. Фа-сонки выполнены из листовой стали толщиной 14 и 16 мм.

В ходе авторского надзора за строительно-монтажными работами институтом «Проектстальконструкция» были зафиксированы недостаточные длины сварных швов крепления стержней ферм к фасонкам. В результате было выполнено усиление узлов ферм наращиванием фа-сонок с увеличением длины сварных швов крепления элементов (рис. 2).

Рис 1. Общий вид стропильной фермы

Рис. 2. Усиление узлов фермы наращиванием фасонок

В результате габариты некоторых фасонок увеличились более чем в два раза - до 2,2 м, что привело к увеличению жесткости узлов на порядок.

Для оценки действительной работы ферм после усиления узлов наращиванием фасонок авторами настоящей статьи был выполнен расчетный анализ конструкций и проведены испытания ферм статическими нагрузками.

Численное моделирование и поверочные расчеты ферм выполнялись в системе сквозного архитектурно-конструкторского проектирования Ing+. Расчетная модель стропильных конструкций создавалась в подсистеме конечно-элементных расчетов строительных конструкций Gen 3Dim.

Всего было исследована работа трех вариантов расчетных схем стропильных ферм:

1-й вариант. С шарнирным сопряжением поясов, раскосов и стоек между собой (врезные шарниры между стержнями). Предпосылка шарнирного закрепления элементов плоских ферм из уголков между собой закреплена в действующих строительных нормах.

2-й вариант. С жесткими поясами и шарнирно примыкающими к ним раскосами и стойками (приставные шарниры на решетке). Проектная расчетная схема фермы учитывает дополнительные изгибающие моменты в элементах от влияния жесткости поясов.

3-й вариант. С моделированием габаритов и жесткости фасонок (фасонки моделировались заданием геометрических групп узлов ЯЮ!). Расчетная схема, принятая на стадии проведения статических испытаний ферм, учитывает жесткости увеличенных в процессе усиления фа-сонок и наличие изгибающих моментов во всех элементах.

Полученные после усиления габариты фасонок привели к превышению предельной длины сварных швов крепления элементов решетки. В этом случае большая часть усилий от раскосов стала передаваться на элементы наращивания фасонок. Расстояние от места приложения усилия до точки центрирования стержней в узлах значительно увеличилось, что привело к концентрации напряжений в местах стыковки фасонок и увеличению моментов в узлах.

По результатам поверочных расчетов конструкций получено следующее:

1. Расхождения по 1-му и 2-му вариантам расчетных схем ферм по 1-й и 2-й группам предельных состояний оказалось незначительным, и в дальнейшем исследовании приводятся данные по 1-му варианту (с шарнирными узлами), регламентируемому строительными нормами.

2. Несущей способности стержней ферм при расчете по 1-му варианту на проектные нагрузки достаточно. Минимальный запас по всем условиям прочности и устойчивости составил 11,7 %.

3. Несущей способности стержней ферм при расчете по 3-му варианту (с жесткими узлами и увеличенными фасонками) на проектные нагрузки недостаточно. Часть элементов перегружена, а именно:

- условие прочности на действие продольной силы и изгибающих моментов в верхнем поясе фермы не выполняется. Превышение предельных значений на 0,5 %;

- устойчивость верхнего пояса фермы как внецентренно-сжатого элемента в плоскости действия момента (в плоскости фермы) не обеспечивается. Превышение предельных значений на 0,1 %;

- устойчивость верхнего пояса фермы как внецентренно-сжатого элемента из плоскости действия момента (из плоскости фермы) не обеспечивается. Превышение предельных значений на 16,8 %.

Статическим испытаниям подвергались две стропильные фермы, раскрепленные между собой в единый неизменяемый блок системой вертикальных, горизонтальных связей, распорок и прогонов. В соответствии с проектными решениями опорные узлы ферм были выполнены шарнирными.

Нагружение конструкций статической нагрузкой выполнялось дважды (рис. 3). Первое (предварительное) нагружение выполнялось до контрольной нагрузки, равной расчетной. Второе (основное) нагру-жение доводилось до контрольной нагрузки, соответствующей расчетной с учетом веса снегового мешка. Оба нагружения предусматривали фиксирование прогиба и осадок опор при достижении контрольной нагрузки, равной нормативной.

Первое нагружение статической нагрузкой выполнялось с контролем технического состояния опытных конструкций по показаниям измерительных приборов и визуальному осмотру, оценивалась несущая способность элементов и узлов, возможная потеря устойчивости стержней и фасонок, разрушение сварных швов, работа связевых конструкций и т.д. При первом нагружении происходила «выборка» возможных зазоров, неплотностей и дефектов узлов и опор.

Рис. 3. Общий вид нагружения ферм статической нагрузкой

Второе нагружение выполняется с большим количеством регистрирующих приборов и с большей выдержкой на каждой ступени на-

гружения. Во втором нагружении задавались два варианта нагружения (равномерная и несимметричная нагрузки).

Для нагружения ферм использовались штучные грузы, которыми служили дорожные плиты ПДН 60.20.14 (68 шт.) и фундаментные блоки ФБС 12.6.6 (4 шт.). Средняя масса грузов составила 4,2 т и 1,0 т соответственно. В ходе испытания производилось взвешивание прикладываемых грузов. Расхождение веса взвешенных грузов с массой, указанной производителем, не превышало 5 %.

Фиксация перемещений выполнялась при помощи механических прогибомеров 6 ПАО с ценой деления 0,01 мм. Опорные датчики устанавливались на независимые реперные системы, пролетные прогибо-меры устанавливались непосредственно на испытываемые конструкции. При разгрузке фиксировались остаточные деформации.

Значения относительных вертикальных перемещений узлов, полученных в ходе испытания исходных ферм статическим нагружением, представлены в таблице. Все величины перемещений приведены с учетом вычитания зафиксированных осадок опор.

Прогибы ферм в результате статических испытаний и по расчету

Вид нагружения Эксперимент Расчет

С шарнирными узлами Погрешность, % С жесткими узлами Погрешность, %

Первое (предварительное) нагружение

При контрольной нормативной нагрузке (9-я ступень 189 т), мм 90,10 116,06 28,81 94,68 5,08

При контрольной расчетной нагрузке (12-я ступень 252 т), мм 123,05 154,47 25,53 126,01 2,41

Остаточный прогиб при разгрузке, мм 7,95 0,00 - 0,00 -

Остаточный прогиб при разгрузке, % 6,46 0,00 - 0,00 -

Второе (основное) нагружение

При контрольной нормативной нагрузке (9-я ступень 189 т), мм 90,56 116,06 28,16 94,68 4,55

При контрольной расчетной нагрузке (12-я ступень 252 т), мм 120,69 154,47 27,99 126,01 4,41

Окончание таблицы

Вид нагружения Эксперимент Расчет

С шарнирными узлами Погрешность, % С жесткими узлами Погрешность, %

При контрольной расчетной нагрузке с учетом снегового мешка (14-я ступень 290 т), мм 131,02 159,57 21,79 130,12 -0,69

Остаточный прогиб при разгрузке, мм 6,46 0,00 - 0,00 -

Остаточный прогиб при разгрузке, % 4,93 0,00 - 0,00 -

Остаточные прогибы при первом испытании составили 7,95 мм (6,46 %), при втором испытании - 6,46 мм (4,93 %), что свидетельствует о пластических деформациях узлов.

Прогибы ферм от контрольной нормативной и расчетной нагрузок меньше расчетных прогибов по 1-му варианту расчетной схемы (с шарнирными узлами) на 21-28 % и на 0-5 % по 3-му варианту (с моделированием габаритов и жесткости фасонок) соответственно. Меньшие экспериментальные прогибы по сравнению с расчетными прогибами свидетельствуют о влиянии жесткости узлов ферм на действительную работу фермы.

На рис. 4 видно, что графики зависимости «нагрузка - прогиб» описывают петли гистерезиса, причем пластические деформации при втором нагружении незначительно уменьшились по сравнению с первым. Площадь петли характеризует энергию, затраченную при каждом цикле на-гружения на образование пластических деформаций в узлах и элементах.

В процессе статических испытаний произошло искривление фасо-нок из плоскости на величину до 7,8 мм (рис. 5). Это свидетельствует о возникновении значительных локальных моментов в узлах ферм.

Горизонтальное суммарное смещение опор ферм, соответствующее удлинению нижнего пояса, составило 33 мм, что незначительно меньше расчетного значения смещения опоры.

При втором нагружении (ступени 14 и 15) слышался нехарактерный для нормальной работы стальных конструкций треск, свидетельствующий о разрушениях сварных швов.

По результатам статических испытаний и поверочных расчетов смонтированные стропильные фермы с усиленными узлами были признаны непригодными к дальнейшей эксплуатации.

50

Суммарная нагрузка на блок из двух ферм, т

100 150 200 250

300

А Предварительная нагрузка Ф Предварительная разгрузка Я Основная нагрузка |: Основная разгрузка

Рис. 4. Графики нагрузки-разгрузки для предварительного и основного испытаний ферм

Рис. 5. Остаточные деформации от депланации фасонок ферм после разгрузки

Перепроектировние пролетных конструкций велось с учетом полученных в данной работе результатов. В качестве расчетной схемы ферм была принята стержневая конструкция с неразрезным верхним поясом и примыкающими к нему раскосами и стойками на приставных

шарнирах. Достоверность расчетной схемы новых ферм была подтверждена повторными статическими испытаниями.

Библиографический список

1. Теличенко В.И., Ройтман В.М. Обеспечение стойкости зданий и сооружений при комбинированных особых воздействиях с участием пожара - базовый элемент системы комплексной безопасности [Электронный ресурс] // Предотвращение аварий зданий и сооружений. -2010. - URL: http://www.pamag.ru/pressa/base-element-skb.

2. Ройтман В.М. Прогрессирующее обрушение высотных зданий: инженерные аспекты событий 11 сентября 2001 года [Электронный ресурс] // Предотвращение аварий зданий и сооружений. - 2009. - URL: http://www.pamag.ru/pressa/riska-obrush.

3. Назаров Ю.П., Городецкий А.С., Симбиркин В.Н. К проблеме обеспечения живучести строительных конструкций при аварийных воздействиях // Строительная механика и расчет сооружений. - 2009. -№ 4. - С. 5-8.

4. Малышкин А.П., Есипов А.В. Опыт проектирования большепролетного покрытия с учетом недопущения прогрессирующего обрушения // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура. -2014. - № 38 (57). - С. 40-48.

5. Roytman V.M., Pasman H.J., Lukashevich I.E. The Concept of Evaluation of Building Resistance against combined hazardous Effects "Impact-Explosion-Fire" after Aircraft Crash // Fire and Explosion Hazards. Proceedings of the Fourth International Seminar. Londonderry, NI, UK, 2003. - P. 283-293.

6. Dusenberry D. Review of existing guidelines and provisions related to progressive collapse // Multihazard Mitigation Council of the National Institute of Building Standards. - Washington, 2003. - P. 1-31.

7. Fu G., Frangopol D. Balancing weight, system reliability and redundancy in a multiobjective optimization framework // Structural Safety. -1990. - № 7 (2-4). - P. 165-175.

8. Gross J., McGuire W. Progressive collapse resistant design // Journal of Structural engineering. - 1983. - Vol. 109, № 1. - P. 1-15.

9. Marchand K., Khiri A. Blast and progressive collapse // Facts for steel buildings. American institute of steel construction. - 2004. - № 2.

10. Verdure M. Mechanics of progressive collapse: learning from WTC and building demolitions // Engineering mechanics. - ASCE, 2006.

References

1. Telichenko V.I., Roytman V.M. Obespechenie stoykosti zdanii i sooruzheni pri kombinirovannykh osobykh vozdeistviiakh s uchastviem pozhara - bazovyi element sistemy kompleksnoi bezopasnosti [Ensuring durability of buildings and structures under combined special effects involving fire is a basic element of integrated security]. Predotvrashchenie avarii zdanii i sooryzhenii, 2010, available at: http://www.pamag.ru.

2. Roytman V.M. Progressiruiushchee obrushenie visotnikh zdanii: inzhenernie aspekty sobytii 11 sentiabria 2001 goda [Progressive collapse of tall buildings: the engineering aspects of the events of 11 September 2001]. Predotvrashchenie avarii zdanii i sooryzhenii, 2010, available at: http://www.pamag.ru.

3. Nazarov Iu.P., Gorodetskii A.S., Simbirkin V.N. K probleme obespecheniia zhivuchesti stroitel'nykh konstruktsii pri avariinykh vozdeistviiakh [To the problem of ensuring the survivability of building structures under accidental actions]. Stroitel'naiia mekhanika i raschet sooruzhenii, 2009, no. 4, pp. 5-8.

4. Malyshkin A.P., Esipov A.V. Opyt proektirovaniia bolsheprolet-nogo pokrytiia s uchetom nedopushcheniia progressiruiushego obrusheniia [Experience of design of wide-span covering taking into account prevention of progressive collapse]. Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitecturno-stroitel'nogo universiteta. Seriia "Stroitel'stvo i arkhitektura", 2014, no. 38 (57), pp. 40-48.

5. Roytman V.M., Pasman H.J., Lukashevich I.E. The Concept of Evaluation of Building Resistance against combined hazardous Effects "Impact-Explosion-Fire" after Aircraft Crash. Fire and Explosion Hazards. Proceedings of the Fourth International Seminar. Londonderry, NI, UK, 2003, pp. 283-293.

6. Dusenberry D. Review of existing guidelines and provisions related to progressive collapse. Multihazard Mitigation Council of the National Institute of Building Standards. Washington, 2003, pp. 1-31.

7. Fu G., Frangopol D. Balancing weight, system reliability and redundancy in a multiobjective optimization framework. Structural Safety, 1990, no. 7 (2-4), pp. 165-175.

8. Gross J., McGuire W. Progressive collapse resistant design. Journal of Structural engineering, 1983, vol. 109, no. 1, pp. 1-15.

9. Marchand K., Khiri A. Blast and progressive collapse. Facts for steel buildings. American Institute of steel construction, 2004, no. 2.

10. Verdure M. Mechanics of progressive collapse: learning from WTC and building demolitions. Engineering mechanics. ASCE, 2006.

Получено 14.04.2015

Об авторах

Малышкин Александр Петрович (Тюмень, Россия) - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Проектирование зданий и градостроительство» Тюменского государственного архитектурно-строительного университета (625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2, e-mail: a.petrovich.m@yandex.ru).

Есипов Андрей Владимирович (Тюмень, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» Тюменского государственного архитектурно-строительного университета (625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2, e-mail: sibstroy.2012@yandex.ru).

About the authors

Aleksandr P. Malyshkin (Tyumen, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Professor, Head of Department of Design of Buildings and Urban Development, Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering (2, Lunacharsky st., Tyumen, 625001, Russian Federation, e-mail: a.petrovich.m@yandex.ru).

Andrei V. Esipov (Tyumen, Russian Federation) - Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Building Constructions, Tyumen State University of Architecture and Civil Engineering (2, Lunacharsky st., Tyumen, 625001, Russian Federation, e-mail: sibstroy.2012@yandex.ru).