Проектирование усиления раскосной фермы

УДК 69.04

A.B. Воробьев, И.Н. Фаизов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ РАСКОСНОЙ ФЕРМЫ

Описан процесс расчета стропильной фермы ослабленной вырезкой раскоса, моделирующей повреждение в результате эксплуатации. Получен результат расчета, совпадающий на качественном уровне с фактическим состоянием фермы. Выполнен расчет фермы с усиленными элементами. Результаты расчета подтверждают целесообразность запроектированного усиления.

Ключевые слова: стропильная ферма, раскос, конечные элементы, снеговая нагрузка, предел текучести, пластические деформации.

В процессе длительной эксплуатации в строительных конструкциях происходит накопление различного рода повреждений. Повреждения возникают в результате негативного воздействия эксплуатационной среды, механических воздействий и нарушений правил эксплуатации, сопровождающихся нарушением целостности отдельных элементов конструкций.

Так, на одном из промышленных предприятий для беспрепятственного пропуска коммуникаций в стропильной металлической ферме пролетом 24 м был удален раскос во второй панели. В классической расчетной схеме фермы в виде системы шарнирно соединенных между собой стержней удаление одного элемента превращает конструкцию в механизм. Однако опыт эксплуатации показывает, что исключение из работы некоторых элементов решетки не всегда вызывает обрушение конструкции, поскольку реальная расчетная схема не соответствует теоретической [1].

Шарнирная расчетная схема, принимаемая в расчете методами строительной механики, не подходит для решения поставленной задачи. В качестве расчетной схемы принята конструкция с жестким сопряжением элементов, что согласно п. 15.2 [2] является более предпочтительным вариантом.

На рис. 1 представлена схема стропильной фермы. В табл. 1 приведены типы сечений, материалы и прочностные характеристики элементов фермы.

3________________4________________6________________7________________9________________10________________12_______________13

/\ /\ /\ /\

, 6000 5 6000 8 6000 11 . 6000

24 000

Рис. 1. Схема стропильной фермы

Таблица 1

Элементы стропильной фермы

Элемент Тип профиля Материал ат, МПа

Верхний пояс 2 L 180x12 С345 320

Нижний пояс 2 L 180x12 С345 320

Опорные стойки I 45Б2 С245 230

1-3, 12-14 2 L 180x12 С245 230

3-5, 11-12, 5-6, 9-11 2 L 140x9 С245 230

6-8, 8-9, 4-5, 10-11, 7-8 2 L 90x7 С245 230

Ферма ослаблена вырезкой раскоса 6-8. Целью расчета является определение причины, по которой стропильная ферма не разрушилась, а также разработка мероприятий по усилению элементов фермы с целью дальнейшей безопасной эксплуатации.

Расчет выполнен в программном комплексе ANSYS.

Для моделирования элементов фермы использованы трехузловые балочные элементы BEAM 189 с квадратичной аппроксимацией. На рис. 2 представлена геометрия конечного элемента. В качестве материала использована билинейная изотропная модель, учитывающая переход стали в пластическое состояние, с пределом текучести для каждого типа стали согласно табл. 1.

f z

Рис. 2. Геометрия конечного элемента BEAM 189

Сечения балочных элементов заданы в соответствии с конструктивной схемой фермы. Расчетная схема с приложенными нагрузками и граничными условиями представлена на рис. 3.

Расчет ослабленной фермы

Расчет ослабленной фермы выполнен в три этапа:

1. Приложение эксплуатационной нагрузки на исправную ферму.

2. Удаление раскоса 6-8.

3. Приложение снеговой нагрузки.

После завершения второго этапа расчета выполнено сохранение деформированного состояния расчетной схемы.

Нагрузка на каждом этапе нагружения прикладывалась ступенчато с автоматическим выбором шага приращения.

На третьем этапе сходимость итерационного процесса не достигнута, приложено 94 % нагрузки от снега [3].

При этом вертикальные перемещения в середине пролета фермы составили 10,9 см (рис. 4), тогда как допустимым по строительным нормам является прогиб, равный //250 = 24/250 = 0,096 м = 9,6 см [2].

Разрушение фермы происходит из-за образования пластического шарнира в месте соединения раскоса 5-6 с верхним поясом; изополя пластических деформаций представлены на рис. 5. Распределение напряжений в элементах фермы представлено на рис. 6.

Расчет усиленной фермы

В качестве усиления приняты следующие мероприятия:

- усиление верхнего и нижнего поясов дополнительными уголками;

- усиление раскосов во второй и третьей секциях;

- усиление центральной стойки;

- устройство дополнительной стойки от нижнего пояса к узлу 6.

Ведомость элементов усиления представлена в табл. 2.

Таблица 2

Ведомость элементов усиления

Элемент усиления Тип профиля Материал от, МПа

Верхний пояс 4-10 2 |_ 140x10 С255 230

Нижний пояс 5-11 2 |_ 140x10 С255 230

Новая стойка 2 |_ 100x8 С255 230

5-6, 9-11 2 |_ 100x8 С255 230

3-10 2 |_ 75x8 С255 230

Расчет усиленной фермы выполнен в два этапа:

1. Загрузка сохраненного в первом расчете деформированного состояния на усиленную расчетную схему.

2. Приложение снеговой нагрузки.

Расчет выполнен, сходимость итерационного процесса достигнута. В результате усиления произошло перераспределение усилий и изменился характер деформирования фермы в районе первой и второй секций. Вертикальные перемещения удовлетворяют требованиям строительных норм и составляют 4,8 см (рис. 7). Максимальные напряжения реализованы в месте крепления центральной стойки к верхнему поясу и составляют 230 МПа (рис. 8). Пластических деформаций в конструкции нет.

Рис. 4. Вертикальные перемещения в ослабленной ферме, м

1 ШЭАЬ БОШНСЖ ЛИ

8ТЕР=3 ЗШ =7 Т1МЕ=2.93984 ЕРРЫМГ (АМЗ) ЭЖ =.108866 ЗЖ =.009704  х\

^7^173

° .001078 ЕЖМ КЕ1Ж(ЖСЕМЕЫТ .002157 .004313 .00647 .008626 .003235 .005391 .007548 .009704

Рис. 5. Образование пластического шарнира

Рис. 6. Распределение напряжений в элементах ослабленной фермы, Па

Рис. 7. Вертикальные перемещения в усиленной ферме, м

ЫСЮАЪ БОШПШ БТЕР=1 БШ =6 Т1МЕ=1

БШГ (АУС) ОМХ =.046587 5МХ =.230Е+09

Рис. 8. Распределение напряжений в элементах усиленной фермы, Па

На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Фактическое отсутствие разрушения объясняется тем, что за время эксплуатации фермы снеговой покров не достигал нормативного значения.

2. Запроектированное усиление является эффективным и позволяет в дальнейшем безопасно эксплуатировать рассматриваемую ферму. Запас прочности по напряжениям в верхнем поясе фермы составляет 28 %.

Библиографический список

1. Кашеварова Г.Г., Фаизов И.Н., Зобачева А.Ю. Конструктивные меры защиты зданий и сооружений на подработанной территории // Вестник ПГТУ. Строительство и архитектура. - Пермь, 2010. - № 1. -С. 72-77.

2. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции / Мин-во регион. развития Рос. Федерации. - М., 2011. - С. 85-86.

3. СНиП 23-01-99. Строительная климатология // Система нормативных документов в строительстве. Строительные нормы и правила Российской Федерации. - М., 2006. - С. 10.

Получено 2.10.2012

A.V. Vorobiev, I.N. Faisov GIRDER FRAME REINFORCEMENT DESIGN

Calculation of girder frame weakened by diagonal cutting out is described in this article. Obtained calculation results coincide at qualitative level with real frame condition. Calculation of frame with reinforcing elements has been carried out. Calculation results confirm a suitability (или reasonability) of the reinforcement designed.

Keywords: girder frame, diagonal, finite elements, snow load, yield point, plastic deformations.

Об авторах

Воробьев Александр Владимирович (Пермь, Россия) - студент кафедры «Строительная механика и вычислительные технологии» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: smivt@pstu.ru).

Фаизов Игорь Николаевич (Пермь, Россия) - доцент кафедры «Строительные конструкции» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: skstf@pstu.ru).

About the authors

Vorobiev Alexander Vladimirivich (Perm, Russia) - student, Department of Mechanics and computational technologies, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: smivt@pstu.ru).

Faisov Igor Nikolaevich (Perm, Russia) - Associate Professor, Department of Building units, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: skstf@pstu.ru).