Экспериментальные исследования влияния технологических и конструкционных параметров на несущую способность металлических балок с гофрированной стенкой

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ

СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

УДК 624.014

В.А. Зубков, А.О. Лукин

ФГБОУВПО «СГАСУ»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ БАЛОК С ГОФРИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ

Описаны методика, измерительная аппаратура, оборудование, а также результаты экспериментальных исследований балок с гофрированной стенкой синусоидального очертания. Исследовалось влияние параметров на несущую способность балок. Получены данные о критических нагрузках и видах предельного состояния при действии сосредоточенных сил с различной шириной участка передачи нагрузки. Произведена оценка несущей способности балок различной длины и высоты сечения при работе по однопролетной шарнирной схеме.

Ключевые слова: балки с гофрированной стенкой, эксперимент, потеря устойчивости, прогиб.

В современном строительстве все чаще в покрытии используются балки с гофрированной стенкой. При проектировании нагрузка на них может передаваться в виде сосредоточенных сил (прогоны) или равномерно распределяться по длине (монолитные железобетонные плиты или профилированный настил). Известно, что при равномерном распределении нагрузки по длине балки условия работы гофрированной стенки будут лучше, чем при наличии сосредоточенных сил. Это связано с возникновением значительных локальных напряжений в стенке под сосредоточенной силой и, как следствие, более ранней потерей местной устойчивости стенки. Изучению стальных балок с гофрированной стенкой посвящены работы Г.А. Ажермачева [1], С.Г. Барановской [2, 3], А.Н. Кретинина [4], М.В. Лазнюка [5], А.Н. Степаненко [6, 7], К.В. Чичулиной [8], H. Pasternak, G. Kubieniec [9], Gao J., Chen B.C. [10], но вопрос о несущей способности при действии сосредоточенных нагрузок остается не до конца изученным.

На кафедре металлических и деревянных конструкций Самарского государственного архитектурно-строительного университета были проведены экспериментальные исследования работы стальных балок с гофрированной стенкой при действии сосредоточенной статической нагрузки.

Целью исследования являлось экспериментальное изучение напряженно-деформированного состояния балок с гофрированной стенкой в зависимости от высоты ее сечения, пролета, а также ширины площадки передачи сосредоточенной нагрузки.

ВЕСТНИК ~

2/2013

Для проведения испытаний было отобрано шесть балок трех наиболее распространенных типов. Балки каждого типа имели двутавровое сварное сечение и отличались друг от друга величиной пролета и высотой стенки. Полки балок имели сечение 200*12 из стали С255 по ГОСТ 27772, а стенки были изготовлены из холоднокатаной листовой стали СтЗсп по ГОСТ 16523 толщиной 2,5 мм. Стенки имели в продольном направлении синусоидальный гофрированный профиль с длиной полуволны а = 77,5 мм и высотой гофра / = 20 мм (рис. 1).

1

х

I-

I----.+.Ш-Н

Г

ь

Рис. 1. Параметры гофрированных балок

Прочностные и деформативные характеристики стали были определены путем испытания на растяжение образцов длиной 400 мм, сечением 30*2,5 мм (металл стенок) и 30*12 мм (металл полок). В ходе испытаний стандартных образцов установлено, что механические характеристики сталей соответствуют требованиям ГОСТ. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Табл. 1. Механические характеристики материалов

№ Наименование Сталь Размеры, мм Напряжение текучести с , МПа пг Предел прочности с, в7 МПа Относительная деформация е10, %

1 Стенка Холоднокатаная 400*30x2,5 235 373 30

2 Полка Горячекатаная 400*30*12 260 431 30

Для испытанных балок была принята следующая структура обозначения (табл. 2): БГС ЬХ,

где БГС — балка с гофрированной стенкой; Ь — пролет балки; X — ширина участка, через который передается сосредоточенная нагрузка, при X = 1 ширина участка принята 100 мм, т.е. равна ширине полки прогона, а при X = 2 ширина составляла 200 мм.

Табл. 2. Характеристики гофрированных балок

№ Шифр Пролет L, м Высота стенки балки h , мм w7 Ширина полок балки b , мм Толщина полок балки t мм Ширина участка на-гружения, мм

1 БГС 6.1 6 500 100

2 БГС 6.2 200

3 БГС 9.1 9 750 200 12 100

4 БГС 9.2 200

5 БГС 12.1 12 1250 100

6 БГС 12.2 200

Все балки испытывались как однопролетные свободно опертые конструкции с одной подвижной и другой неподвижной шарнирной опорой. Расстояние между силами принято модульному значению, равному 2,0 или 3,0 м. Верхние полки в местах приложения сосредоточенных сил были закреплены от смещения в горизонтальной плоскости. Схемы балок при испытании приведены на рис. 2.

2000

2000

6000

2000

ss^ss

3000

P

а

3000

P

3000

9000

б

3000

P

3000

P

3000

P

3000

12000

в

Рис. 2. Схемы балок с гофрированной стенкой при испытании: а — БГС 6;

б — БГС 9; в — БГС 12

Сосредоточенную нагрузку создавали гидравлическими домкратами (рис. 3). Количество домкратов и насосных станций соответствовало количеству сил, которыми нагружали балку. Нагружение балок проводилось ступенями, с выдержкой во времени на каждой ступени в течение 10 мин. Величина ступеней для всех балок была принята одинаковой и равной Р = 10 кН.

При проведении испытаний контролировались следующие параметры: величины сосредоточенных сил; деформации краевых волокон металла в полках балки в середине пролета и в непосредственной близости от действия сосредоточенной нагрузки; относительная деформация металла в гофрах стенки под зоной приложения нагрузки; прогибы балки и осадка опор балки.

Величина приложенной нагрузки контролировалась манометрами, которые были градуированы совместно со всей гидравлической системой домкратов.

Деформацию металла в полках и стенках определяли методом электротензометрии. При этом были использованы тензометрические датчики с базой 20 мм, а в качестве вторичного прибора использовался тензометрический комплекс ТК 50, который позволял измерять деформацию металла с точностью до 10-6 единиц относительной деформации. Перед началом испытаний прибор ТК 50 совместно с датчиками был градуирован на тарировочной установке ТА-12.

Смещения сечений балок в пролете измерялись прогибомерами ПАО-6, а осадка опор — индикаторами часового типа ИЧ-10. Точность измерения перемещений составила 0,01 мм. Схема размещения приборов приведена на рис. 4.

Испытания прекращались после того, как приостанавливался прирост деформаций в полках или наблюдалось уменьшение ее величины.

Анализ данных с тензометрических датчиков показал, что наибольшее напряжение во всех балках возникает на участке гофров стенки под сосредоточенной силой на расстоянии 40.. .50 мм от верхней полки. Все участки стенки, в которых наблюдаются наибольшие напряжения, смещены с оси балки. В местах под сосредоточенными силами в стенке раньше всего наступает локальное предельное состояние, которое характеризуется достижением нормальных напряжений предела текучести.

1-1

Р

3

6

верхняя полка

— 13 — 16 —19

— 14 —17 —20

— 15 —18 —21

нижняя полка

22 25 28

— 23 —26 —29

— 24 —27 —30

Рис. 4. Схема датчиков для балок пролетом 9 м

При достижении нормальных локальных напряжений в гофрах стенки под сосредоточенной силой величин, соответствующих значениям расчетного сопротивления Л было установлено, что напряжения в полках балок находились в пределах (0,6...0,7)Лу (табл. 3).

Табл. 3. Сводная ведомость результатов для локального предельного состояния

№ Шифр балки Предельное состояние стенки Р, кН Напряжение в стенке под силой а, = а , loc.y т7 МПа Напряжение в полках а, МПа X7 Прогиб в середине пролета f мм Исчерпание несущей способности полок, %

1 БГС 6.1 90 165 15,4 68,8

2 БГС 6.2 92,3 150 15,05 62,5

3 БГС 9.1 80 235 135 18,2 56,3

4 БГС 9.2 109 229 25 95,4

5 БГС 12.1 84 169 24,5 70,4

6 БГС 12.2 97 164 26,4 68,3

Испытания показали, что при действии сосредоточенных сил исчерпание несущей способности гофрированных балок происходит за счет потери местной устойчивости гофра или достижения напряжений в полках предела текучести металла.

В балке БГС 6.1 напряжения в гофре стенки на участке приложения силы достигли предела текучести при Р = 90 кН (см. табл. 3), а потеря устойчивости гофра произошла при Р = 110 кН (рис. 5). Однако балка продолжала воспринимать нагрузку, максимальная нагрузка, созданная при испытании, равна 130 кН.

ВЕСТНИК

МГСУ.

2/2013

Рис. 5. Потеря устойчивости гофра стенки в балке БГС 6.1

В балке БГС 9.1 напряжения в гофре стенки на участке приложения силы достигли предела текучести при Р = 80 кН (см. табл. 3), а потеря устойчивости гофра произошла при Р = 120 кН. Максимальная нагрузка Р, которая была создана при испытании, равна 140 кН.

В балке БГС 6.2 общее предельное состояние наступило вследствие достижения напряжений в полках балок расчетного сопротивления (табл. 4).

Табл. 4. Сводная ведомость результатов для общего предельного состояния

№

Шифр балки

Предельное состояние стенки Р, кН

Напряжение в полках о, МПа

Прогиб в середине пролета

/, мм

Исчерпание

несущей способности полок, %

Примечание

БГС 6.1

130

239

24,48

99,6

Потеря уст. гофра Р = 110 кН

БГС 6.2

130

240

23,6

100

БГС 9.1

130

235,8

29,9

98,25

Потеря уст. гофра Р = 120 кН

БГС 9.2

120

240

28,5

100

Потеря уст. сжатой полки Р = 130кН

БГС 12.1

100

215,7

30,72

89,9

БГС 12.2

110

208,5

30,42

86,9

В балках БГС 12.1 и БГС 12.2 предельное состояние наступило из-за образования пластических шарниров в стенках балок под силами и возникших значительных остаточных деформаций. Максимальная нагрузка составила 100 и 110 кН соответственно (см. табл. 4). При этом напряжения в полках находились в пределах (0,87.. .0,9)К.

В ходе испытания было выявлено, что наступление предельного состояния всей гофрированной балки может быть связано с нарушением технологии изготовления. В балке БГС 9.2 пролетом 9 м результаты измерения геометри-

4

ческих характеристик показали, что продольная ось верхней полки смещена относительно продольной оси стенки на 8 мм. При нагрузке 75 кН верхний пояс балки начал изгибаться в горизонтальной плоскости на участке между приложениями сил и местами закрепления верхнего пояса в горизонтальной плоскости. Максимальная нагрузка Р, которая была создана при испытании, равна 130 кН. При максимальной нагрузке выгиб верхней полки в горизонтальной плоскости составил 25 мм, прогиб балки — 33,1 мм (рис. 6).

Рис. 6. Потеря общей устойчивости балки БГС 9.2

Смещение оси стенки с оси балки приводит к появлению эксцентриситета приложения силы, вследствие чего в сечениях гофрированной балки появляются напряжения от стесненного кручения, которые значительно влияют на напряженное состояние и могут привести к потере общей устойчивости.

В балках БГС 6.2, 9.2, 12.2 с шириной распределения сосредоточенной силы 200 мм местной потери устойчивости гофрированной стенки не наблюдалось. Очевидно, что при увеличении ширины участка распределения нагрузки локальные нормальные напряжения в гофрах стенки под сосредоточенной силой снижаются, а величина критической нагрузки увеличивается.

Для всех балок наблюдается практически линейная зависимость между величиной прогибов и уровнем нагрузки во всем диапазоне нагрузок. Нелинейная работа металла после наступления локального предельного состояния в стенке под сосредоточенной силой незначительно влияет на общие прогибы балки. Графики прогибов для балок с шириной распределения сосредоточенной нагрузки 100 мм приведены на рис. 7.

ВЕСТНИК

МГСХ-

2/2013

И

и

И

£ &

140 120 100 80 60 40 20 0

-

-Ф- БГС 6.1 БГС 9.1 БГС 12.1

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Прогиб, мм

Рис. 7. График зависимости прогибов от нагрузки в середине пролета балок

Выводы. 1. Локальное предельное состояние в испытанных балках возникает вследствие достижения напряжения в гофрах стенки предела текучести металла. Напряжения в полках балок при локальном предельном состоянии балки не достигают расчетного сопротивления металла и находятся в пределах (0,6...0,7)-Л.

2. Общее предельное состояние в гофрированных балках при действии сосредоточенных сил возникает вследствие потери местной устойчивости гофра или достижения напряжениями в полках величины предела текучести металла.

3. Прогиб балок при достижении расчетного сопротивления металла в стенках находится в пределах 1/375.1/460 их длины, а при исчерпании несущей способности всей балки — 1/272.1/394. На всех ступенях загружения наблюдается практически линейная зависимость прогиб — нагрузка.

4. Отклонение продольной оси полок балок от продольной оси гофрированной стенки более чем на 3 мм ведет к снижению несущей способности балок и способствует потере общей устойчивости балки.

5. На величину локальных напряжений в гофрах стенки и величину критических нагрузок влияет ширина участка передачи сосредоточенной нагрузки на пояс.

Библиографический список

1. Ажермачев Г.А. Об устойчивости волнистой стенки при действии сосредоточенной нагрузки // Строительство и архитектура. 1963. № 3. С. 50—53.

2. Барановская С.Г. Прочность и устойчивость гофрированной стенки стальной двутавровой балки в зоне приложения сосредоточенных сил : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 1990. 18 с.

3. Местное напряженное состояние гофрированной стенки двутавровой балки при локальной нагрузке / В.В. Бирюлев, Г.М. Остриков, Ю.С. Максимов, С.Г. Барановская // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1989. № 11. С. 13—15.

4. Крылов И.И., Кретинин А.Н. Эффективные балки из тонкостенных профилей // Известия вузов. Строительство. 2005. № 6. С. 11—14.

5. Лазнюк М.В. Балки з тонкою поперечно гофрованою стшкою при ди статичного навантаження : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Киш, 2006. 19 с.

6. Степаненко А.Н. Исследование работы металлических балок с тонкими гофрированными стенками при статическом загружении : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Свердловск, 1972. 20 с.

7. Степаненко А.Н. Испытание алюминиевых балок с гофрированной стенкой // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1970. № 1. С. 31—35.

8. Шчуггн С.Ф., Чичулта К.В. Експериментальш дослвдження балок з профшьованою стшкою // Вюник ДНАБА. 2009. № 4(78). С. 161—165.

9. Pasternak H., Kubieniec G. Plate Girders with corrugated webs // Journal of Civil Engineering and Management. 2010. №16 (2). pp. 166—171.

10. Gao J., Chen B.C. Experimental research on beams with tubular chords and corrugated webs // Tubular Structures XII. Proceedings of Tubular Structures XII, Shanghai, China, 8—10 October 2008. pp. 563—570.

Поступила в редакцию в октябре 2012 г.

Об авторах: Зубков Владимир Александрович — кандидат технических наук, профессор кафедры металлических и деревянных конструкций, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»), 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, 8 (846) 242-50-87;

Лукин Алексей Олегович — ассистент кафедры металлических и деревянных конструкций, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «СГАСУ»), 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, a.o.lukin@rambler.ru.

Для цитирования: Зубков В.А., Лукин А.О. Экспериментальные исследования влияния технологических и конструкционных параметров на несущую способность металлических балок с гофрированной стенкой // Вестник МГСУ 2013. № 2. С. 37—46.

V.A. Zubkov, A.O. Lukin

EXPERIMENTAL RESEARCH INTO THE INFLUENCE PRODUCED BY PROCESS-RELATED AND STRUCTURAL PARAMETERS ON THE BEARING CAPACITY OF METAL BEAMS WITH CORRUGATED WEBS

The article covers the experimental research into corrugated web beams exposed to the concentrated static load that has varied values of the width of load exposure. The authors describe the methodology of the experiment, instruments and machines involved in it, as well as the findings of the tests.

Six beams with sinusoidal webs were selected for testing purposes. The beams were 6, 9 and 12 m long, and their cross sections were 500, 750 and 1,250 mm long. All beams were tested as single-span simply supported structures with hinged rigidly or loosely fixed supports.

Beam tests have demonstrated that any failure to adhere to the beam manufacturing technology may seriously affect the load-bearing capacity of a beam. Any deviation of longitudinal axis flanges of beams from the longitudinal axis of a corrugated web in excess of 3 mm adversely affects the bearing capacity of beams and contributes to the overall beam stability loss.

The research findings have demonstrated that the limit state of tested beams arises due to the stress in the web corrugation.

Key words: corrugated web beams, experiment, buckling, deflection.

ВЕСТНИК ofon, ~

2/2013

References

1. Azhermachev G.A. Ob ustoychivosti volnistoy stenki pri deystvii sosredotochen-noy nagruzki [On Stability of a Wavy Wall Exposed to the Concentrated Load]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura [News of Higher Education Institutions. Construction and Architecture]. Novosibirsk, 1963, no. 3, pp. 50—53.

2. Baranovskaya S.G. Prochnost' i ustoychivost' gofrirovannoy stenki stal'noy dvutavro-voy balki v zone prilozheniya sosredotochennykh sil [Strength and Stability of the Corrugated Steel Web I-beam Exposed to Concentrated Forces]. Novosibirsk, 1990, 18 p.

3. Biryulev V.V., Ostrikov G.M., Maksimov Yu.S., Baranovskaya S.G. Mestnoe napry-azhennoe sostoyanie gofrirovannoy stenki dvutavrovoy balki pri lokal'noy nagruzke [Local Stress State of the Corrugated Web of I-beams Exposed to the Local Load]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura [News of Higher Education Institutions. Construction and Architecture]. Novosibirsk, 1989, no. 11, pp. 11—13.

4. Krylov I.I., Kretinin A.N. Effektivnye balki iz tonkostennykh profiley [Effective Thin-walled Beams]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. [News of Higher Education Institutions. Construction]. Novosibirsk, 2005, no. 6, pp. 11—14.

5. Laznyuk M.V. Balki z tonkoyu poperechno gofrovanoyu stinkoyu pri di'i statichnogo navantazhennya [Beams with a Thin Transversely Corrugated Web Exposed to the Static Load]. Kiev, 2006, 18 p.

6. Stepanenko A.N. Issledovanie raboty metallicheskikh balok s tonkimi gofrirovannymi stenkami pri staticheskom zagruzhenii [Research into Behaviour of Thin-walled Corrugated Web Metal Beams Exposed to Static Loading]. Sverdlovsk, 1972, 20 p.

7. Stepanenko A.N. Ispytanie alyuminievykh balok s gofrirovannoy stenkoy [Testing of Aluminum Beams with a Corrugated Web]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura [News of Higher Education Institutions. Construction and Architecture]. Novosibirsk, 1970, no. 1, pp. 31—35.

8. Pichugin S.F., Chichulina K.V. Eksperimental'ni doslidzhennya balok z profil'ovanoyu stinkoyu [Experimental Researches into Beams with Profiled Surfaces]. Visnik DNABA [Proceedings of Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture]. 2009, no. 4 (78), pp. 161—165.

9. Pasternak H., Kubieniec G. Plate Girders with Corrugated Webs. Journal of Civil Engineering and Management. 2010, no. 16 (2), pp. 166—171.

10. Gao J., Chen B.C. Experimental Research on Beams with Tubular Chords and Corrugated Webs. Tubular Structures XII. Proceedings of Tubular Structures XII. Shanghai, China, 8—10 October 2008, pp. 563—570.

About the authors: Zubkov Vladimir Aleksandrovich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Steel and Timber Structures, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SSUACE), 194 Molodogvardeyskaya st., Samara, 443001, Russian Federation;

Lukin Aleksey Olegovich — assistant lecturer, Department of Metal and Timber Structures, Samara State University of Architecture and Civil Engineering (SSUACE), 194 Molodogvardeyskaya st., Samara, 443001, Russian Federation; a.o.lukin@rambler.ru; +7 (846) 332-14-65.

For citation: Zubkov V.A., Lukin A.O. Eksperimental'nye issledovaniya vliyaniya tekhno-logicheskikh i konstruktsionnykh parametrov na nesushchuyu sposobnost' metallicheskikh balok s gofrirovannoy stenkoy [Experimental Research into the Influence Produced by Process-related and Structural Parameters on the Bearing Capacity of Metal Beams with Corrugated Webs]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 2, pp. 37—46.