Экспериментальное исследование местной потери устойчивости тонкостенных трапециевидных профилей

Библиографический список

1. Еремеев, П. Г. К проектированию бескаркасных конструкций арочных сводов из холодногнутых тонколистовых стальных профилей / П. Г. Еремеев, Д. Б. Киселев, М. Ю. Армен-ский // Монтажные и специальные работы в строительстве / ГУП ЦНИИСК им. Кучеренко. - 2004. - № 7. - С. 54-57.

2. Айрумян, Э. А. Прочность и надежность бескаркасных арочных зданий из стальных холодногнутых профилей / Э. А. Айрумян, И. А. Румянцева // Монтажные и спец. работы в стр-ве. - 1998. - № 7. - С. 8-9.

3. Айрумян, Э. А. Эффективные холодногнутые профили из оцинкованной стали - в массовое производство / Э. А Айрумян, В. Ф. Беляев // Монтажные и спец. работы в стр-ве. -2005. - № 11. - С. 10-17.

4. Legato-arch system technical documentation / Viena, 2002. -44 p. [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.zeman-stahl.com/ (дата обращения: 07.06.2011).

5. Афанасьев, В. Ю. Несущие арочные покрытия из трапециевидного профиля производства ООО «Монтажпроект», г. Омск. / В. Ю. Афанасьев, 3. Н. Соколовский, С. А Макеев // Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века : труды Всерос. науч.-техн. конф. -Омск : изд-во СибАДИ, 2006. - С. 81-86.

6. Еремеев, П. Г. Натурные испытания фрагмента арочного свода из холодногнутых тонколистовых стальных профилей / П. Г. Еремеев, Д. Б. Киселёв // Монтажные и спец. работы в стр-ве. - 2004. - № 12. - С. 5-8.

7. Численное решение плоского изгиба стержня с круговой осью малой кривизны / С. А Макеев [и др.] // Анализ и синтез механических систем : сб. науч. тр. ; под ред. Евстифеева В. В. — Омск : изд-во ОмГТУ, 2005. — С. 152 — 154.

8. Макеев, С. А Математическая модель бескаркасного двухслойного арочного свода на основе листового стального профилированного продольно-гнутого проката / С. А. Макеев, А В. Рудак // Строительная механика и расчет сооружений. — 2009. - № 2. - С. 2-5.

9. ТУ 112-235-39124899-2005. Профили стальные гнутые арочные с трапециевидными гофрами / СибНИИстрой. — Новосибирск, 2005. — 18 с.

10. СНИП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия / Госстрой России.—М. : ГУП Госстроя России, 2003.— 67 с.

11. ЛИРА 9.4. Примеры расчета и проектирования : учебное пособие / В. Е. Боговис [и др.]. — Киев : Факт, 2008. — 280 с.

МАКЕЕВ Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительные конструкции».

КУЗЬМИН Дмитрий Андреевич, аспирант кафедры «Строительные конструкции».

Адрес для переписки: е-шаД: dmitri.dmi.28@gmail.com

Статья поступила в редакцию 07.06.2011 г.

©С. А. Макеев, Д. А. Кузьмин

уДк 539-3 Е. Г. ХОЛКИН

3. Н. СОКОЛОВСКИЙ

Омский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕСТНОЙ ПОТЕРИ УСТОЙЧИВОСТИ ТОНКОСТЕННЫХ ТРАПЕЦИЕВИДНЫХ ПРОФИЛЕЙ_________________________

В статье приводятся методика и результаты экспериментальных исследований местной потери устойчивости сжатых тонкостенных трапециевидных профилей. Показана адекватность предложенной авторами инженерной методики расчета критических напряжений местной потери устойчивости в пластинчатых элементах профиля. Проведена экспериментальная оценка степени редуцирования и даны рекомендации для расчета несущей способности профиля с учетом редуцирования.

Ключевые слова: тонкостенный трапециевидный профиль, редуцирование, местная потеря устойчивости, допустимые напряжения.

В несущих конструкциях из профнастила с трапециевидной формой гофра при рабочих нагрузках возникают значительные сжимающие усилия. Это может приводить к местной потере устойчивости некоторых пластинчатых элементов, составляющих профиль. Элемент, потерявший местную устойчивость, частично перестает воспринимать нагрузку, и усилия в элементах профиля перераспределяются. СНиП II - 23 — 81 «Стальные конструкции» [1] допускает возникновение местной потери устойчиво-

сти отдельных элементов тонкостенной конструкции. При этом требуется дополнительный расчет конструкции с учетом редуцирования — частичного исключения из восприятия нагрузки элементов сечения, потерявших местную устойчивость. Данных о степени редуцирования пластинчатых элементов трапециевидного профиля не приводится.

Авторами в [2, 3] при некоторых упрощениях разработана инженерная методика расчета критических напряжений местной потери устойчивости пла-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

Рис. 1. Образец для испытаний

стинчатых элементов профиля. Задача решалась в упругой постановке и не предусматривала определения степени редуцирования.

В работе рассматриваются методика и результаты экспериментальных исследований для проверки адекватности инженерной методики [2, 3] и оценке степени редуцирования.

Эксперименты проводились на образцах из стандартного профиля С21-1000.

Чтобы избежать эффекта свободного бокового края и определить критическое напряжение в самом широком пластинчатом элементе, в экспериментах вместо целого листа профиля использовались специальные образцы. Они представляли собой одиночные фрагменты профилированных листов, объединенные в замкнутое симметричное шестиугольное сечение (рис. 1). Форма и толщина профиля подбиралась таким образом, чтобы местная потеря устойчивости происходила в упругой области. Было изготовлено 20 образцов длиной 300 мм из профиля толщиной 0,5 мм. Торцевые кромки обрабатывали, чтобы получить параллельные поверхности. Материал образцов — сталь 08Ю. Механические характеристики материала определялись испытаниями на растяжение. Экспериментальные исследования на чистое сжатие проводились на машине ГРМ-1.

В инженерных расчетах используется шарнирное опирание торцевых краев и произвольное закрепление боковых. Поэтому в экспериментах обеспечивалось шарнирное закрепление образцов по торцам путем их опирания на свинцовые пластины толщиной 8 мм. В этом случае практически исключался изгибающий момент на торцах, сохранялась прямолинейность и равномерное распределение сжимающего усилия. Свинцовые пластины, в свою очередь, опирались на жесткие стальные пластины толщиной 10 мм, которым передавалось сжимающее усилие через сферическую опору. Центр давления совпадал с центром тяжести сечения образца. Для контроля формы волнообразования и определения момента потери местной устойчивости измерялись перемещения отдельных точек поверхности профиля из ее плоскости. Схема измерения процесса волнообразования при испытаниях на сжатие показана на рис. 2. Перемещения измеряли индикатором часового типа ИЧ-10 (1), закрепленным на специальной подвижной платфо-

Iа

Рис. 2. Схема измерения волнообразования

рме (2), которая перемещалась по поверхности образца (3) в продольном направлении.

Перед экспериментом образцы профиля проверялись на начальное отклонение формы ^о, которое не должно было превышать 0,1 от толщины профиля. Затем отобранные образцы подвергались нагружению. Сжимающая нагрузка прикладывалась к образцу с шагом 0,1 кН, при этом измерялся максимальный прогиб пластинчатого элемента профиля wmax на каждом шаге нагружения. Полученные данные заносились в таблицу. В процессе нагружения по мере увеличения нагрузки волны постепенно нарастали. Максимальный прогиб наблюдался в центре волны. Критическую нагрузку определяли методом, аналогичным теоретическому методу «неидеально-стей».

По мере увеличения сжимающей нагрузки нормальные напряжения в образце и относительные перемещения (прогибы) увеличиваются по линейному закону. При приближении нагрузки к критическому значению относительные перемещения растут не линейно и практически стремятся к бесконечности. В расчетах, на базе которых строилась инженерная методика, за критическую принималась нагрузка, при которой максимальный прогиб пластинчатого элемента wmax превышал начальный прогиб wо в 100 раз. При этом элемент, потерявший местную устойчивость, существенно уменьшает продольную жесткость, и сжимающее усилие на устойчивые элементы увеличивается.

Усилия и деформации определялись методом тензометрии. Использовались тензорезисторы типа ПКБ-200.

Образец, на поверхности которого наклеены тензорезисторы в продольном направлении вблизи цилиндрических, более жестких участков показан на рис. 3. Тензорезисторы во время испытаний работали в пределах закона Гука. Всего на поверхности образца было наклеено 9 тензорезисторов (рис. 3). Для измерения деформаций применялся измеритель деформаций ИДЦ-1. Электрическая схема включения тензорезисторов представлена на рис. 4.

Результаты измерений для тензорезисторов в зоне волнообразования представлялись в виде диаграмм «напряжение — усилие» (рис. 5). На диаграммах выделялись характерные участки: прямая ОА соответствует устойчивому состоянию, линия АВ соответствует процессу волнообразования (местной потере устойчивости широкой полки), прямая ВС соответствует новому устойчивому положению после возникновения местной потери устойчивости и редуцирования.

Критическое напряжение местной потери устойчивости определяли по формуле

Таблица 1

Рис. 3. Образец с тензорезисторами

Рис. 4. Электрическая схема включения тензорезисторов

Р

¥

Результаты экспериментов

Сжатие

№ образца Фэксп, МПа отеор, МПа Омкэ, МПа

1 61,4

2 59,4

3 57,8

4 60,1

5 56,7

6 58,9

7 59,9

8 60,7

9 57,1

10 58,6 61,49 61,3

11 59,5

12 59,3

13 58,6

14 57,8

15 59,6

16 59,4

17 60,2

18 60,1

19 59,7

20 59,8

Вычислялось отношение начального и редуцированного значения площади образца

¥

У :

¥

ред

где Р — сжимающая сила в точке А, ¥ — площадь поперечного сечения образца.

В расчет брались результаты испытаний, в которых один из тензорезисторов находился вблизи от центра полуволны.

Результаты исследований по определению критических напряжений представлены в табл. 1.

Критические напряжения, полученные экспериментальным путем, хорошо совпадают с результатами, полученными в ЛЫБУБ (амкэ), и критическими напряжениями, вычисленными по инженерной методике (атеор) [2]. Отклонение результатов экспериментов от расчетных значений составило менее ± 5%.

Степень редуцирования сечения определялась по следующему алгоритму. По диаграмме в момент нового устойчивого положения (точка В рис. 5.) определялась редуцированная площадь

К

¥ ред -

ред

2Ы

где t — толщина профиля; Ь —ширина полки. После преобразования с учетом (3) получили

где а1 — напряжение на момент нового устойчивого положения.

Определялся коэффициент редуцирования полки после местной потери устойчивости, как отношение несущей площади полки после местной потери устойчивости к исходной площади

После обработки диаграмм, полученных по результатам тензометрии, определялись значения коэффициентов редуцирования в местах расположения тензорезисторов 1...6. Анализ полученных результатов показал, что редуцирование в профиле происходит не равномерно. Максимального значения редуцирование достигает в центре полуволны, по которой происходит выпучивание пластинчатого элемента. Коэффициент редуцирования минимален вблизи центра выпучивания и составил в среднем Кред »0,04. Зона редуцирования по длине профиля примерно ра-

а

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

вна ширине полки. Идентифицировать закон изменения Кред вдоль зоны выпучивания профиля не удалось.

В результате проведенных экспериментов с некоторым запасом можно рекомендовать следующий порядок расчета несущей способности профиля с учетом редуцирования вследствие местной потери устойчивости одного или нескольких пластинчатых элементов.

— по инженерной методике [2] вычисляются критические напряжения местной потери устойчивости пластинчатых элементов sj.

— для элемента (элементов) с минимальным значением ст. принимается К = 0 и исключаются их

j 1 peg

участки длиной b из расчета.

— для редуцированного, таким образом, профиля вычисляются новые (редуцированные) геометриче-

ские характеристики и проводится расчет на прочность. В этом случае возможны варианты:

1. Если значения ст( в оставшихся пластинчатых элементах не превышают действующие напряжения сжатия, которые в свою очередь не превышают допускаемые напряжения, местная потеря устойчивости не опасна.

2. Если значения ст( в некоторых оставшихся пластинчатых элементах превышают действующие напряжения сжатия, которые, в свою очередь, не превышают допускаемые напряжения, то необходимо продолжить редуцирование профиля.

3. Если значения ст. в оставшихся пластинчатых

I

элементах не превышают действующие напряжения сжатия, которые, в свою очередь, превышают допускаемые напряжения, то местная потеря устойчивости опасна и не допустима.

Библиографический список

1. СНиП II — 23 — 81* «Стальные конструкции».— М. : Стройиздат, 1990. — 134 с.

2. Холкин, Е. Г. Исследование местной устойчивости тонкостенных трапециевидных профилей при продольно-поперечном изгибе [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 01.02.06 : защищена 30.09.10 : утв. 21.01.11 / Холкин Евгений Геннадьевич. — Омск, 2010. — 118 с.

3. Холкин, Е. Г. Инженерная методика оценки критических напряжений в пластинах трапециевидного тонкостенного профиля / Е. Г. Холкин, З. Н. Соколовский // Омский научный вестник. Серия: Приборы, машины и технологии. — 2009. — № 1 (77). — С. 92 — 96.

ХОЛКИН Евгений Геннадьевич, ассистент кафедры «Сопротивление материалов».

СОКОЛОВСКИЙ Зиновий Наумович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Сопротивление материалов».

Адрес для переписки: е-шаД: holkin555@mail.ru

Статья поступила в редакцию 29.07.2011 г.

© Е. Г. Холкин, З. Н. Соколовский

Книжная полка

Инструмент для высокопроизводительного и экологически чистого резания / Г. В. Боровский [и др.]. - М. : Машиностроение, 2010. - 480 с. - 18БЫ 978-5-94275-571-1.

Представлены результаты исследований эффективности применения новых инструментальных материалов (твердые сплавы и быстрорежущие стали, керамические материалы, сверхтвердые материалы) и износостойких покрытий для высокоскоростного резания. Приведены различные конструкции режущего инструмента для обработки тел вращения, плоскостей и отверстий, способствующие эффективному использованию режущего инструмента. В связи с ужесточением экологических требований к смазочно-охлаждающим технологическим средствам рекомендованы альтернативные способы улучшения условий в зоне стружкообразования. Для конструкторов инструмента, технологов. Может быть полезна студентам втузов.

Стерин, И. С. Токарь-универсал : учеб. пособие для СПО / И. С. Стерин. - М. : Дрофа, 2010. - 551 с. -Гриф Экспертного совета по профобразованию МО РФ. - 18БЫ 978-5-358-00770-3.

В учебном пособии изложены основные сведения о специфике работы токаря. Содержание книги полностью соответствует Государственному общеобразовательному стандарту по профессии токарь-универсал. Даны сведения из истории токарного дела, представлены все виды обработки на токарных станках. Рассмотрены понятия шероховатости поверхности, точности обработки и проверки геометрической точности станка. Для учащихся системы начального профессионального образования; будет полезно для студентов колледжей и рабочих машиностроительных специальностей.