Численный анализ напряженнодеформированного состояния многоярусной однопролетной рамы

УДК 624.01 Алёхин В.Н.

Коковихин И.Ю.

Численный анализ напряженно-деформированного состояния многоярусной однопролетной рамы

Аннотация

Статья посвящена вопросу регулирования усилий в верхнихузлах соединения ригеля с наружными колоннами в металлических многоярусных однопролетных рамах. Представлено новое техническое решение по регулированию НДС в рамах и произведена оценка полученных решений с точки зрения экономии материала в ригелях рамы.

Alekhin V. N., Kokovikhin I.Y.

Numerical analysis ofstress-strain state of multistorey single-spanframe under variation offorces in the beam-column connection.

Paper is devoted to variation offorces in the beam-column connection in the multistorey single-span steel frames. New technical solutionfor the variation ofstress-strain state inframes and evaluation of solutions in terms of saving material in the girders of theframe are presented.

Ключевые слова: техническое решение, каркас, прочность, жесткость элементов, упрощение конструкции, регулирование, оценка.

Металлические многоярусные однопролетные рамы являются составной частью каркасов (основной несущей конструкцией сооружения), которая воспринимает и передает на фундамент все вертикальные и горизонтальные нагрузки.

Одним из направлений снижения расхода материала на элементы рамных конструкций является регулирование их напряженно —деформированного состояния (НДС). Примеры регулирования усилий в строительных конструкциях решетчатых ригелей однопролетных рам приведены в книгах [1], [2].

Во многих задачах регулирования главным является выполнение требования выравнивания напряжений или усилий. Оно основано на идее равнопрочное™ и в этом обнаруживается связь с оптимизацией, так как многие равнопрочные конструкции являются оптимальными по расходу материала.

В некоторых задачах регулирования требуется улучшить какую-либо характеристику конструкции в определенной пропорции к заданной (например, уменьшить максимальный момент на 20%, повысить устойчивость, увеличить собственную частоту).

В настоящей статье рассмотрено техническое решение по регулированию НДС в верхних узлах соединения ригеля с наружной колонной в металлической многоярусной однопролетной раме и произведена оценка полученных решений с точки зрения экономии материала в ригеле рамы.

Для повышения прочности и жесткости элементов каркаса металлической многоярусной однопролетной рамы, а также снижения металлоемкости и упрощения монтажа за счет возможности регулирования усилий в элементах рамы предлагается усовершенствованная конструкция узла соединения ригеля с наруж-

Алехин

Владимир Николаевич

канд. техн наук, проф. декан строительного факультета УГТУ-УПИ

Коковихин Иван Юрьевич

аспирант УГТУ-УПИ

Строительные науки

Рисунок! Боковойвидконструкции верхнего узла соединения ригеля с наружной колонной в многоярусной раме

ными колоннами в многоярусной раме [3].

На рисунке 1 изображена конструкция узла соединения ригеля с одной наружной колонной в многоярусной раме.

Указанная задача в работе [3] достигается за счёт того, что: верхний узел соединения ригеля с наружной колонной в многоярусной раме, содержащий жестко соединенные между собой двутаврового сечения колонну и ригель, включающие стенку и полки, при этом колонна снабжена горизонтальными ребрами жесткости, расположенными на уровне полок примыкающего ригеля,. Ригель скреплен с колонной с помощью соединительных элементов с болтами, причем соединительные элементы выполнены в виде уголков, которые

установлены с наружной и внутренней сторон примыкающей к ригелю полки колонны, а верхняя полка ригеля с внутренней стороны снабжена упорными деталями в виде уголков с отверстиями для болтов, при этом в соединительных элементах, расположенных под верхней полкой ригеля, выполнены горизонтальные отверстия, в которых для возможности регулирования усилий в элементах рамы установлены горизонтально дополнительные высокопрочные болты длиной, не превышающей 0,15 пролета ригеля, которые другим концом закреплены в упорных деталях, установленных с внутренней стороны полки ригеля, при этом наружная полка колонны с внутренней стороны снабжена упорными деталями в виде уголков с отверстиями для болтов, установленных ниже ребер жесткости. Соединительные элементы в виде уголков установлены с внутренней стороны наружной полки колонны на уровне нижних ребер жесткости, при этом в последних соединительных элементах выполнены вертикальные отверстия, в которых установлены вертикальные высокопрочные болты длиной, не превышающей 0,3 высоты колонны верхнего яруса рамы, которые нижним концом закреплены в упорных деталях, установленных с внутренней стороны наружной полки колонны.

Для оценки предложенного технического решения по регулированию усилий в верхних узлах соединения ригеля с наружной колонной

в металлических многоярусных однопролетных рамах [3] были выполнены расчеты в программе «Lira 9.4 R8». Расчетная конечно элементная модель фрагмента рамы выполнена с использованием конечных элементов (КЭ) тип 241 с учетом развития пластических деформаций (физически нелинейный универсальный прямоугольный КЭ оболочки), диаграмма работы стали принята как для стали высокой прочности С 390, размер конечных элементов тип 241 принят 50x50 мм. Для упрощения расчетной модели представлены схемы, показанные на рисунке 2.

Геометрические параметры фрагмента рамы: пролет ригеля L=12,0 м; высота фрагмента яруса рамы Н=4,0 м.

Расчетная схема выполнена с использованием конечных элементов типа 10 (универсальный стержень), на опорах принято шарнирное закрепление, расчет линейный. Нагрузки: фрагмент рамы загружен равномерно распределенной нагрузкой, приложенной к ригелю, интенсивностью 10 т/м. Для уменьшения и выравнивания опорных и пролетных изгибающих моментов в ригеле, а также изгибающего момента в колоннах рамы выполнялось регулирование усилий в верхней полке ригеля и наружной полке колонн вблизи узлов рамы путем натяжения дополнительных высокопрочных элементов (болтов). Усилие натяжения высокопрочных болтов в ригеле моделировалось с помощью прило-

Рисунок 2. Расчетная схема с регулированием усилий в верхнихузлахсоединения ригеля с наружной колонной

Рисунок 3. Эпюры изгибающих моментов в ригеле рамы при регулированииусилий в верхних узлах соединения ригеля с наружной колонной (значения в т/м): а — усилие натяжения высокопрочныхболтов в наружной полке колонн — От, в верхней полке ригеля — 0;б — усилие натяжения высокопрочных болтов в наружной полке колонн — От, в верхней полке ригеля — 100; в — усилие натяжения высокопрочныхболтов в наружной полке колонн — 50т,в верхней полке ригеля — 0т;г — усилие натяжения высо-копрочныхболтов в наружной полке колонн — 50т, в верхней полке ригеля — 100 т

жения сосредоточенных сил (см. рисунок 2.): к колонне на расстоянии 400 мм от узла соединения с ригелем и к верхнему узлу упорной детали высотой 400 мм, установленной на расстоянии 2 м от узла соединения ригеля с колонной. Сосредоточенные силы направлены друг к другу таким образом, чтобы в верхней полке на приопорном участке ригеля создать сжатие. Значение усилия натяжения высокопрочных болтов в верхней полке ригеля вблизи узлов рамы варьировалось от 0 до 100 т. Усилие натяжения высокопрочных болтов в колоннах моделировалось с помощью приложения сосредоточенных сил к колонне на расстоянии 400 мм, от узла соединения с ригелем и к верхнему узлу упорной детали высотой 400 мм, установленной на расстоянии 2,4 м от узла соединения ригеля с колонной. Сосредоточенные силы направлены по оси Ъ друг к другу таким образом, чтобы в наружных полках на при-опорных участках колонн создать сжатие. Значение усилия натяжения высокопрочных болтов в наружных полках колонн вблизи узлов рамы варьировалось от 0 до 50 т.

Эпюры изгибающих моментов в ригеле и на участках регулирования в колонне рамы при регулировании усилий в верхних узлах соединения ригеля с колоннами

приведены на рисунок 3. и рисунок 4. соответственно.

Выводы:

При регулировании усилий в узлах металлических многоярусных однопролетных рам по техническому решению [3] снижение значений изгибающих моментов в сечениях ригеля и колонн может составлять до 20-25%. При этом достигается выравнивание значений изгибающих моментов в сечениях рамы.

Список использованной литературы:

1 Абовский Н. П., Енджиевс-кий Л. В., Савченков В. И., Деруга А. П., Гетц И. И. Регулирование. Синтез. Оптимизация. Избранные задачи по строительной механике и теории упругости. М.: Стройиз-дат, 1993.456 с.

2 Ольков Я. И., Холопов И. С. Оптимальное проектирование металлических предварительно напряженных ферм. М.: Стройиздат, 1985.156 с.

3 Алехин В. Н., Иванов Г. П., Ко-ковихин И. Ю. Узел соединения ригеля с наружной колонной в многоярусной раме. Патент РФ на полезную модель № 80470. Опубликовано: 10.02.2009 г. Бюллетень № 4.

Г)

в) г)

Рисунок 4. Эпюры изгибающих моментов на участке регулирования в колонне рамы при регулированииусилий в верхнихузлах соединения ригеля с наружной колонной (значения в т/м): а — усилие натяжения высокопрочных болтов в наружной полке колонн — 0т,в верхней полке ригеля — 0т;б — усилие натяжения высокопрочных болтов в наружной полке колонн — 0т,в верхней полке ригеля — 100т; в — усилие натяжения высокопрочных болтов в наружной полке колонн — 50т,в верхней полке ригеля — 0т;г — усилие натяжения высокопрочных болтов в наружной полке колонн — 50т,в верхней полке ригеля — 100 т