Экспериментальные исследования конструкции узлового сопряжения структурного блока покрытия

УДК 624.01/04

ГОРЕЛОВ Н. Г

Экспериментальные исследования конструкции узлового сопряжения структурного блока покрытия

Применение в строительстве новых прогрессивных конструкций, среди которых видное место занимают легкие металлические конструкции (ЛМК), изготовленные из профилей холодной формовки, позволяет значительно снизить массу монтируемых из них зданий, уменьшить трудоемкость возведения и его продолжительность в сравнении с традиционными решениями с использованием горячекатаных профилей и элементов из сборного железобетона. Однако проектирование ЛМК требует индивидуального подхода в части применения новых нестандартных типов профилей, так как многие параметры не нормированы действующими СНиП. Отсутствие готовых методик расчета, формул и расчетных таблиц влечет за собой необходимость опытной проверки реализуемых технических решений конструкций зданий с применением тонкостенных холодногнутых стержней с новыми типами профилей. В статье приводятся результаты экспериментальных исследований пространственного узлового сопряжения стержней раскосов с поясными элементами структурной конструкции, дается анализ напряженно-деформированного состояния узла под нагрузкой.

Ключевые слова: структурный блок, поясной стержень, раскосы, пространственный узел, испытательная установка.

Горелов Николай Григорьевич

кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой строительных конструкций и строительного производства Уральского государственного университета путей сообщения

e-mail: goreloff@bk.ru

GORELOV N. G.

EXPERIMENTAL STUDY OF THE DESIGN OF INTERFACE BETWEEN COVERING BUILDING BLOCK

Application in the construction of new advanced designs, among them a prominent place is occupied by light metal structures (LMS) made of cold formed profiles, can significantly reduce the weight of the mounted buildings, to reduce the complexity of construction and duration in comparison with conventional solutions using hot rolled sections and elements precast concrete. However, designing LMS requires an individual approach with regard to the use of new types of non-standard profiles, because many parameters aren't normalized by operating construction rules and regulations. Lack of ready calculation methods, formulas and computational tables entails the need for experimental validation of technical solutions implemented constructions of buildings with thin-walled cold-formed rods with new types of profiles. The article presents the results of experimental study space frame joint between diagonal and boom rods; analysis of the stressstrain state of this junction under load is given.

Keywords: space frame, boom rod, diagonal rods, space frame joint, test unit.

В производстве легких металлических конструкций все большее применение находят гнутые профили благодаря рациональному использованию площади их поперечного сечения, возможности создания бесфасоночных узловых сопряжений, а также и преимуществам, которые возникают на стадии изготовления проката путем холодной гибки [1].

Использование новых типов несимметричных или с одной осью симметрии профилей, сформированных холодной гибкой, часто приводит к тому, что стержневые элементы, сопрягаемые в узле, испытывают сложное напряженно-деформированное состояние, выз-

ванное одновременным действием продольного и поперечного усилий, а также изгибающего и крутящего момента.

Цель данного исследования — изучение напряженно-деформированного состояния узлового сопряжения пространственного блока покрытия экспериментальным путем с учетом таких конструктивных особенностей, как бес-фасоночное примыкание раскосов к поясам и наличие узловых эксцентриситетов.

Широко известны серийно выпускаемые конструкции типа «Молодечно», в которых используются гнуто-сварные профили замкнутого поперечного сечения.

Иллюстрация 1. Структурный блок покрытия зданий, собираемый из отдельных плоских ферм. Автор Н. Г Горелов

Большую популярность в Свердловской области приобрели быстро возводимые модульные здания из складывающихся секций производства ПЗКМК. Известны также здания комплектной поставки из легких металлических конструкций рамной системы типа «Орск».

Все перечисленные виды конструкций выполняются преимущественно из сварных гнуто-замкнутых профилей прямоугольного сечения. Вследствие ограниченного сортамента профилей большого калибра несущая способность конструкций, создаваемых на их основе, относительно невелика. Поэтому возможности перекрытия такими конструкциями больших пролетов сужены. Их можно расширить, применяя гнутые профили в конструкциях структурного типа [2].

Применяются в покрытиях промзданий структурные блоки типа «ЦНИИСК» из прокатных профилей с соединениями стержней на болтах нормальной точности. Но они обладают некоторыми недостатками.

1. Повышенная деформативность, обусловленная податливостью болтовых соединений.

2. Повышенный расход металла, связанный с неэффективностью прокатных профилей и наличием фасонок для сопряжения поясных стержней с раскосами; последнее обстоятельство влияет и на повышение трудозатрат при изготовлении и монтаже блока из отдельных стержневых элементов.

В связи с изложенным представляются рациональными следующие пути совершенствования структурных блоков покрытия:

а) использование в конструкции эффективных тонкостенных гнутых профилей;

Иллюстрация 2. Компоновка профиля сечения поясных стержней структурного блока покрытия: а — профиль элемента верхнего пояса; б — профиль элемента нижнего пояса. Автор Н. Г. Горелов

б) отказ от фасонок, т. е. придание профилю такой формы, которая бы обеспечила бесфасоночное сопряжение стержней;

в) сборка конструкции блока из укрупненных отправочных элементов — плоских раскосных ферм, что позволяет основной объем работ перенести в наиболее удобные заводские условия;

г) выбор рациональных размеров ячеек поясных сеток и высоты конструкции.

Если следовать перечисленным возможностям, нужно признать, что одним из решений может быть конструирование новых типов профилей, изготавливаемых путем холодной гибки из листового проката. Практика применения холодногнутых профилей в конструкциях стропильных ферм показала, что в случае работы на сжатие с изгибом и обеспеченности устойчивости из плоскости изгиба гнутые профили с открытым сечением типа швеллера, С-образного типа, 2-образного типа по несущей способности могут конкурировать с гнуто-замкнутыми профилями квадратного или прямоугольного сечения. Такие усилия характерны для верхних поясов покрытий, по которым уложен профилированный настил конструкции кровли. При этом холодногнутые профили более рациональны по сравнению с профилями традиционной компоновки, например, со спаренными уголковыми профилями, составленными из элементов сортамента горячей прокатки.

В конструкции поясов структурного блока покрытия для промышленных зданий, о котором идет речь в этой статье, используются новые типы гнутых профилей, сконструированных исходя из перечисленных выше принципов совершенствования технического решения. Блок покрытия (Иллюстрация 1) собирается из плоских наклонно установленных продольных ферм, связанных по концам поперечными торцовыми фермами. Геометрическая неизменяемость блока в поперечном направлении обеспечивается постановкой линейных связей в уровнях поясов и листами профилированного настила, установленными по верхним поясам ферм [3].

Стержни верхнего пояса структурной конструкции испытывают наиболее неблагоприятные сочетания усилий, возникающих при работе конструкции блока. В частности, это продольная сжимающая сила и изгибающий момент при действии нагрузки от кровельного ограждения, опирающегося на верхние пояса. Следовательно, сечение пояса должно воспринимать изгибающий момент в вертикальной плоскости и иметь в своем составе верхнюю и нижнюю полки. Одновременно одну из полок поясных стержней можно выполнить наклонной относи-

тельно вертикальной плоскости для достижения возможности пространственного примыкания раскосов. Таким образом, профиль сечения стержня, отвечающего выдвинутым требованиям, должен иметь в своем составе горизонтальную полку, вертикальную стенку и отогнутую относительно нее под углом а наклонную полку (Иллюстрация 2).

Используя возможности технологии изготовления гнутых профилей — образование отгибов полок и углов загиба стенок произвольной величины, можно получить профиль для применения в поясах структур, более благоприятный для одностороннего бесфасоночного прикрепления элементов решетки пространственной конструкции, чем простой уголок (прокатный или гнутый). Те же преимущества, в частности — повышенную жесткость, равноустойчивость относительно главных осей сечений, удобство прикрепления раскосов к поясам в узлах, которое может осуществляться на сварке угловыми швами по границам контура частей стержней, находящихся в непосредственном контакте, можно использовать при поиске рационального типа профиля для элементов решетки.

Геометрическая схема структурного блока (Иллюстрация 1) имеет в основе поясных сеток ячейку квадратной формы. Взаимное расположение верхней и нижней поясных сеток одной относительно другой смещено на половину ячейки (таков общий принцип формирования некоторых структурных конструкций) [2]. Стержни раскосной решетки соединяют каждый узел одной поясной сетки с четырьмя смежными узлами другой поясной сетки. Для реализации такой геометрической схемы узлы должны иметь пространственную конструкцию. Конструкция узловых сопряжений структурного блока разработана автором с учетом возможности примыкания раскосов за счет отогнутых на угол 45° относительно вертикаль-

ной оси полок поясных профилей (Иллюстрация 3).

Использование в качестве раскосных элементов разных типов С- образных профилей приводит к появлению узловых эксцентриситетов в вертикальной плоскости. Таким образом, все стержневые элементы, соединяемые в узле, испытывают сложное напряженно-деформированное состояние, вызванное одновременным действием продольного и поперечного усилия, а также изгибающего и крутящего моментов.

Для изучения напряженно-деформированного состояния узлового сопряжения пространственного блока проведены экспериментальные исследования, включающие натурные испытания рядового узла конструкции блока. Опытный образец узла структуры состоит из спаренного поясного стержня профиля № 1 сортамента специальных гнутых профилей [3]. К наклонным полкам приварены раскосные элементы из С-образного хо-лодногнутого профиля 100 х 60 х 15 по ТУ 67-559-83. Катет сварного шва к^ = 3 мм принят, исходя из толщин свариваемых элементов.

Такие узлы образуют смежные средние наклонные фермы блока в уровне верхнего пояса пространственного блока покрытия. Сопрягаемые стержневые элементы имеют длины, соответствующие половинам длин стержней в натурной конструкции блока, и по свободным концам оснащены приваренными нормально их (стержней) осям стальными фланцами толщиной 10 мм. Материал элементов узлового сопряжения — сталь С255 по ТУ 14-1-3023-80, установлен по результатам соответствующих испытаний стандартных образцов материала.

Для планируемых испытаний принципиальное значение имел режим нагружения по соотношению величин и направлений прикладываемых нагрузок. Наиболее точные результаты могли быть получены

при исследовании возможностей узлового сопряжения обеспечивать способность эффективно воспринимать усилия, имеющие характер и величины, аналогичные тем, что возникают в конструкции блока при эксплуатации. Выполнение вышеперечисленных условий вызвало необходимость создания специальной установки, позволяющей создавать в стержнях, соединяемых в узле, любые требуемые продольные усилия, поперечные силы и изгибающие моменты, имитирующие реакцию в элементах конструкции от воздействия внешних нагрузок. Такая установка разработана и запатентована [4]. Изготовление частей установки из-за технологической сложности велось на одном из опытных механических заводов, выпускающих подобное оборудование малыми партиями.

Общий вид установки представлен на Иллюстрации 4. На изображении видны основные составляющие части данного устройства: нижняя опорная крестовина; пространственная система шарнирно соединенных тяг, передающих и распределяющих в нужном соотношении внешнюю нагрузку от домкрата на элементы узлового сопряжения; дополнительные рамы-траверсы, через которые реакция от испытательной нагрузки передается на силовой пол, а также сам узловой элемент, на концы поясного стержня которого воздействуют передаточные элементы тяг системы силовозбуждения. При этом нижние концы раскосов через свои фланцы закреплены на конструкции опорной крестовины.

Шарнирные тяги установки в сборе образуют ребра пространственной фигуры — октаэдра, в верхней и нижней вершинах которого имеются нагрузочные узлы с проушинами для крепления тяг. Остальные вершины, образованные пересечением тяг, взаимодействуют собственно с поясными элементами испытываемой конструкции узла. Проушины

Иллюстрация 5. Возможные варианты нагружения узлового сопряжения: а — в раскосах — сжимающие усилия, в поясе — сжатие с изгибом; б — в раскосах — усилия разных знаков, в поясе — сжатие с изгибом. Автор Н. Г Горелов

Иллюстрация 6. Возможные варианты нагружения узлового сопряжения: а — в раскосах — сжимающие усилия различной величины, в поясе — сжатие с изгибом; б — в раскосах — растяжение, в поясе — сжатие с изгибом. Автор Н. Г. Горелов

крепления тяг ориентированы так, чтобы испытывать узлы как с ортогональной сеткой поясов, так и узлы структур с более сложным планом очертания поясных сеток с элементами, образующими между собой смежные углы 60° и 120°. Конструкция самих тяг дает возможность регулировать их длину, расширяя тем самым возможности испытания узлов различных габаритных размеров.

Усилия в элементах узлового сопряжения возникают при изменении формы плоских четырехугольников, образуемых двумя парами шарнирных тяг под воздействием внешней силы, приложенной к нагрузочным узлам в верхней или нижней вершинах. При этом противоположные боковые шарниры тяг перемещаются и, будучи прикрепленными к концам поясных стержней испытываемого узла, вызывают в сопрягаемых стержнях усилия изгибающего, продольного и поперечного характера. На Иллюстрации 5, а показан случай нагружения, в результате которого в поясном элементе возникают сжатие и изгибающий момент переменной величины в вертикальной плоскости, а в раскосах — сжимающие усилия одинаковой величины, действующие совместно с узловыми моментами.

Регулированием длины тяг, вызывающим смещение в вертикальной плоскости одного из нагрузочных узлов (Иллюстрация 5, б), можно добиться появления в поясных элементах усилий сжатия и узлового момента. При этом в раскосах попарно возникают сжимающие и растягивающие усилия с равными (по модулю) значениями величин, сопровождаемые появлением узловых изгибающих и крутящих моментов, непременно действующих при работе натурной конструкции с элементами таких сечений. Изменить соотношение величин усилий, попарно действующих в раскосах, позволяет включение в работу свободной пары тяг. Этого можно добиться, если поместить между одним из свободных боковых шарниров и нагружаемым узлом распорку, как это показано на Иллюстрации 6, а. Такой характер нагружения полностью соответствует случаю наиболее неблагоприятного сочетания усилий, возникающих в узлах верхнего пояса блока покрытия от расчетной нагрузки.

При необходимости можно создать и другие не упомянутые здесь комбинации усилий в элементах узлового сопряжения, добиваясь этого путем изменения внешней нагрузки, а также изменением геометрии пространственной системы шарнирных тяг. Наиболее удобно определять искомые режимы нагружения, варьируя параметры испытательной установки (геометрию и нагрузку) расчетом на компьютере, как это сделано в данной работе. Система «испытательная установка — узловое сопряжение» (Иллюстрации 5, 6) описана конечными элементами:

шарнирными стержнями — собственно элементы, относящиеся к установке; балочными стержнями — элементы испытываемого образца узлового сопряжения. Жесткости и материалы конструкций принимались по фактическим величинам. Нужный для испытаний режим нагружения подбирался за 3...5 попыток расчета.

В данном исследовании нагружение происходило следующим образом: внешняя нагрузка, прикладываемая к нагрузочному узлу установки, имела вертикальное направление и создавалась работой гидравлического домкрата ДГ-50 в распор между нижней рамой — траверсой и нагрузочным узлом, если требовалась сила, направленная вверх; или работой домкрата в распор между ригелем внешней рамы — траверсы и нагрузочным узлом, если требовалась сила, направленная вниз (см. Иллюстрацию 4). Усилие, передаваемое от боковых шарниров тяг на элементы узла, измерялось образцовыми динамометрами ДОСМ-3-5, установленными между фланцами толкателя установки и поясного элемента узлового сопряжения (см. Иллюстрацию 4).

Напряженно-деформированное состояние узлового сопряжения конструкции исследовалось путем измерения деформаций элементов образца под действием нагрузки. При этом был использован комплект цифровой тензоме-трической аппаратуры ЦТК-1, которым регистрировались деформации наклеенных на элементы узла тензорезисто-ров с базой 20 мм. Сечения, в которых производилась наклейка датчиков, и схемы размещения последних в пределах сечений приведены на Иллюстрации 7. В каждой из указанных точек располагали по два тензодатчика. Один сориентирован параллельно продольной оси стержневого элемента, другой — перпендикулярно. В местах прикрепления раскосов к поясам применены прямоугольные розетки тензорезисторов, которые наклеивали на внешние стороны наклонных полок поясов.

Поперечные и продольные перемещения определяли с помощью образцовых прогибомеров 6ПАО, измерявших смещения геометрического центра узлового сопряжения и концевых сечений поясного элемента пространственного блока покрытия, через которые происходило нагру-жение образца.

Испытания проводили до момента разрушения образца, при нагружении его ступенями величиной 0,1 от ожидаемой разрушающей нагрузки, делая выдержки 30 мин между очередными этапами нагружения. Длина шарнирных тяг, а также направление и величина испытательной нагрузки подобраны таким образом, что в элементах испытательного образца возникали усилия, соответствующие расчетным усилиям, возникающим в конструкции блока.

Иллюстрация 7. Места расположения тензорезисторов на узловом сопряжении. Автор Н. Г. Горелов

Иллюстрация 8. Иллюстрация 8. Векторы главных напряжений в точках измерений. Автор Н. Г. Горелов

Результаты тензоизмерений были преобразованы в величины относительных деформаций по направлению главных напряжений путем произведения величины отсчета по прибору на цену деления прибора: £ = Д • п. Так было сделано во всех сечениях, где направления главных напряжений легко предсказуемы. В местах примыкания раскосов, где картина напряженного состояния имеет сложный характер из-за возникающей концентрации напряжений, относительные деформации £2в направлении главных напряжений определены с использованием веерных прямоугольных розеток:

£1

£0 + £90 + £0 — £90 .

2 2cos а

£2 =

£0 + £90 £0 — £90

2 2 cos 2а'

где е0, £90 — относительные деформации по результатам измерений соответствующих датчиков розетки (см. Иллюстрацию 7);

а — угол между направлением главных напряжений и осью датчика розетки с обозначением «0» определен из:

2е45 -

tg2a =

£0 - £90

Собственно, значения главных напряжений ст:, ст2 и ттах определены по формулам сопромата [5] для случая плоского напряженного состояния:

Е

а1

1 -Ц

(£1 +^£2 );

1 -Ц"

"(£2 +^£1);

2

где (х— коэффициент Пуассона.

Правильность результатов тензоизмерений в местах размещения розеток проверена на основании выполня-емости условия:

£1 + £2 = £0 + £90 = £45 + £135 = const,

где £135 — результат измерений контрольного тензорези-стора, обозначенного на схеме розетки цифрой «135» (Иллюстрация 7).

Полученные при испытаниях значения и траектории главных напряжений представлены на Иллюстрации 8. С учетом пространственной конфигурации узлового сопряжения графические изображения векторов напряжений даны в двух проекциях, при этом величины значений ст: и ст2 приведены к одному масштабу, а их характер по знаку направленности обозначен разными цветами: сжатие — зеленым цветом, растяжение — красным. Для наиболее нагруженных, а следовательно, опасных сечений на Иллюстрациях 9, 10 приведены эпюры максимальных по толщине элемента значений нормальных и касательных напряжений. Там же с целью сопоставления даны значения напряжений, вычисленные с использованием МКЭ.

Результаты тензоизмерений показали, что значения напряжений в одной и той же точке сечения, но на противоположных поверхностях могут сильно отличаться, например, в сечении 2-2 с внутренней стороны наклонной полки максимальное значение К0 = ст;/Ry составляет 1,11, а с наружной — 1,44. Как видно из приведенных эпюр, наибольшей величины главные нормальные напряжения достигли в отгибах наклонных полок, где величины К0 составляют от 1,72 до 1,84, что вполне согласуется с результатами расчета по МКЭ (К0 = 1,7).

Испытания узла продолжались до момента потери местной устойчивости наклонных полок в месте примыкания растянутых раскосов. Потеря устойчивости произошла в форме выпучивания наружу нижних частей (0,3 от высоты сечения) наклонных полок поясного элемента. Деформации имели пластический характер и привели к необратимому изменению формы сечения поясного стержня. При этом сам узловой элемент повернулся в вертикальной плоскости в сторону направления узлового момента.

Графики поперечных перемещений геометрического центра узла относительно центров концевых сечений поясного элемента приведены на Иллюстрации 11.

Jo =

2

Т

max

Иллюстрация 9. Эпюры напряжений в поясном элементе в сечении 2-2 примыкания растянутых раскосов, МПа: а — эпюра нормальных напряжений ст^ б — эпюра нормальных напряжений Ст2; в — эпюра максимальных касательных напряжений; сплошная линия — расчетно-теоретические значения, пунктирная линия — экспериментальные значения напряжений. Автор Н. Г. Горелов

Иллюстрация 10. Эпюры нормальных и касательных напряжений в сечениях раскосов в месте примыкания к поясному элементу, МПа: а, б — эпюра главных нормальных напряжений ст и максимальных касательных напряжений т в сечении 4-4 растянутого раскоса по Иллюстрации 7; в, г — то же для сечения 6-6 сжатого раскоса; сплошная линия — расчетно-теоретические значения, пунктирная линия — экспериментальные значения напряжений. Автор Н. Г. Горелов

Иллюстрация 11. Поперечные перемещения точки геометрического центра узла под действием внешней нагрузки: а — горизонтальное перемещение геометрического центра узлового сопряжения относительно центров концевых сечений поясного элемента; б — то же в вертикальном направлении; серым цветом показаны измеренные перемещения, черным — результаты расчета по МКЭ, штрих-пунктир — результат разгрузки. Автор Н. Г. Горелов

Заключение

1 Разрушение узла, как и предполагалось, началось с потери местной устойчивости наклонных полок поясного элемента и сопровождалось в заключительной стадии испытаний появлением остаточных деформаций в виде изгиба примыкающих к узлу стержневых элементов в направлении действия узлового момента в вертикальной плоскости.

2 Тензоизмерения и расчеты показали, что все стержневые элементы узлового сопряжения, помимо продольных усилий, испытывали также действие поперечных сил и изгиба, сопровождаемого кручением, следовательно, был оправдан способ, примененный при статических расчетах структурного блока по рамной схеме с учетом наличия узловых эксцентриситетов.

3 Результаты статического расчета по МКЭ достаточно хорошо согласовываются с результатами экспериментов (величина отклонения составляет в среднем 10 %), что расширяет возможности численных исследований аналогичных узлов конструкции при использовании профилей других типоразмеров.

4 На основании результатов исследования напряженно-деформированного состояния узлового сопряжения можно выработать меры по увеличению несущей способности узлов путем приварки планок, соединяющих свободные концы горизонтальной и наклонной полок поясного стержня и делающих профиль условно замкнутым в опасном месте (места, где примыкают наиболее нагруженные раскосы).

Список использованной литературы

1 Котляр Е. Ф. Применение гнутых профилей в строительстве за рубежом. М. : Стройиздат, 1971. 52 с.

2 Клячин А. З. Металлические решетчатые пространственные конструкции регулярной структуры (разработка, исследование, опыт применения). Екатеринбург : Диамант, 1994. 276 с.

3 Горелов Н. Г. Структурные конструкции из эффективных гнутых профилей. Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing. Saarbrücken, Deutschland/Гер-мания, 2014. 129 с.

4 А.с. № 1128132. Устройство для испытания стержневых конструкций/ Горелов Н. Г., Дерябин Г. Н., Клячин А. З. / Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий, 1984.

5 Аистов Н. Н. Испытание сооружений. Л. : Госстрой-издат, 1960. 316 с.

а б

100

Hd

п

р

* -а$

I

и

б

а