Несущая способность и живучесть шарнирного узла крепления балок к колоннам на 2-х болтах

Несущая способность и живучесть шарнирного узла крепления балок к колоннам на 2-х болтах

А.А. Решетников, Д.А. Леонова, В.Ю. Корнет Донской государственный технический университет

Аннотация: В данной работе предлагается актуализировать значения несущей способности шарнирного узла крепления балок к колоннам на 2-х болтах. Проведен сравнительный анализ несущей способности узла представленной в серии 2.440-2 выпуск 1 и посчитанной по современным строительным нормам. Получено пять расчетных формул для пяти возможных предельных состояний узла. Представлена таблица с значениями предельных сил, воспринимаемых соединением. Приведен возможный вариант усовершенствования узла, путем включения в работу опорного столика. Ключевые слова: несущая способность, металлические конструкции, шарнирный узел, конструктивное решение, соединение элементов, предельное состояние.

При проектировании стальных конструкций довольно часто возникает необходимость конструктивного решения для соединения одних элементов с другими. Так при проектировании многоэтажных каркасных зданий, рабочих площадок производственных зданий и прочих объектов имеет место узел шарнирного крепления балок либо к колоннам, либо к другим балкам [1-3]. При этом для выбора конструктивного решения данного узла часто используется серия 2.440-2 выпуск 1 [4]. Несмотря на то, что данная серия была выпущена в 1989 году за авторством таких известных институтов, как ЦНИИ Проектстальконструкция, ГПИ Ленпроектстальконструкция и ВНИПИ Промсталькоснтрукция, на сегодняшний день она обоснованно имеет все права на популярность и доверие в среде проектировщиков.

Однако с момента разработки серии строительные нормы претерпели неоднократные изменения, что повлекло за собой изменение значений некоторых коэффициентов, расчетных сопротивлений для определенных марок стали, расчетных формул и прочее.

Рис. 1. - Шарнирный узел крепления балок к колоннам на 2-х болтах В данной работе предлагается актуализировать значения несущей способности шарнирного узла крепления балок к колоннам на 2-х болтах (рис. 1), как наиболее часто используемого.

При вычислении несущей способности узла использовались следующие предельные состояния и расчетные формулы [5].

1. Несущая способность сварного шва крепления уголка к колонне. Из предположения заводского исполнения сварных швов проволокой Св-08А под флюсом, а также принятой марки стали С245 для конструкций из прокатных профилей имеем следующие расчетные параметры по СП 16.13330.2017.

Rwf = 180 МПа, = 370 МПа, Rwz = 0Д5йцп = 166,5 МПа;

.

Так как,

fifRWf _ 0,9 -180

fiz^wz

1,05 -166,5

= 0,93 < 1,

то расчетное сечение необходимо проверять на условный срез по металлу шва.

Согласно п. 14.1.19 СП 64.13330.2017 при одновременном действии в сварном соединении с угловыми швами поперечной силы £ и изгибающего

момента М должно выполняться условие:

ТГ

<1,

-1

+ тм-

Учитывая, что в такой конфигурации узла работает в основном сварной шов по обушку уголка, а шов по перу идет в запас прочности, подставим в формулу равнодействующего касательного напряжения значения для т^, тм и

приравняем его несущей способности:

Выразим из полученного уравнения предельную нагрузку и обозначим

через

2. Несущая способность болтового соединения.

В серии [4] для указанного узла приняты болты нормальной точности диаметром й = 20 мм. Расчетное усилие, которое может быть воспринято

одним болтом, определяется по формулам:

на срез N¡>2 = НЬз - Аъ - щ - уъ - уе;

на смятие

Несущая способность соединения без учета действия изгибающего момента на болты будет равна:

(?пр(2) = п ' ЛЬ.,

,ттш

Согласно п. 14.2.12 СП 64.13330.2017 при одновременном действии на болтовое соединение силы (>пр и момента М = - е, действующих в одной

плоскости и вызывающих сдвиг соединяемых элементов болты следует проверять на равнодействующее усилие [6,7]. В этом случае несущая способность соединения будет равна:

Ж;

-Й*

у,- - расстояние между осями крайних болтов, V: - между промежуточными.

3. Несущая способность стенки балки, работающей на срез в опорном сечении.

Согласно п. 8.2.1 СП 64.13330.2017 предельная сила, воспринимаемая стенкой балки равна:

¿х ' ^У/ ' ' Ус

£пр(4) -

х

4. Несущая способность стенки уголка на срез.

Предельное состояние в работе соединения может наступить от потери прочности уголка при срезе:

Qп]>

I • * ' й,  Гс

< 1,

тогда предельная нагрузка, которую может воспринять перо уголка будет равна:

Таким образом, получено пять расчетных формул для пяти возможных предельных состояний узла. Значения предельных сил, воспринимаемых соединением, сведены в таблицу 1. При сравнении значений из столбца 12 с аналогичными значениями в серии [4] заметны различия, как в большую, так и в меньшую сторону.

Таблица 1

Геометрические характеристики и несущая способность шарнирного узла крепления

балок к колоннам на 2-х болтах

Профиль балки Мин толщина стенки балки Еи, Уголок к1 9пр! Qnfs Qnp6 ФярТ

Сеч. 1м> а Болты М20, класс прочности 5,8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

116 Б1 4 100х100х8 0,11 50 8 38,79 115,8 14,93 77,19 133 14,93 31,23 31,77

118 Б1 4,3 0,13 60 7 46,72 115,8 20,35 93,60 155,2 20,35 31,23 32,31

120 Б1 5,6 0,14 9 69,12 115,8 20,35 136,7 166,3 20,35 31,23 32,76

123 Б1 5,4 0,16 80 88,74 115,8 31,83 152,3 188,5 31,83 31,23 33,50

[ 24 5,6 88,74 115,8 31,83 138,1 188,5 31,83 31,23 32,76

126 Б1 5,8 0,20 120 6 88,91 115,8 53,31 183,2 232,9 53,31 59,14 78,24

130 Б1 5,8 88,91 115,8 53,31 212 232,9 53,31 59,14 79,56

135 Б1 6,2 88,91 115,8 53,31 263,1 232,9 53,31 59,14 80,85

140 Б1 7 0,24 160 122,5 115,8 69,79 335,1 277,2 69,79 72,59 98,90

145 Б1 7,8 122,5 115,8 69,79 421,7 277,2 69,79 72,59 99,75

150 Б1 8,8 122,5 115,8 69,79 526,9 277,2 69,79 72,59 100,86

На рис. 1 видно, что монтажный столик после использования по назначению в дальнейшей работе соединения не участвует. При этом в указанной серии [4] имеется узел, в котором учитывается совместная работа указанных в данном узле элементов и опорного столика.

В данной работе предлагается использовать опорный столик (рис. 2) как дополнительный элемент «живучести» соединения [8], т.е. в качестве запасного несущего фактора, у которого несущая способность должна быть не ниже, чем у основного соединения. Предполагается включение в работу опорного столика после исчерпания несущей способности основного соединения [9,10].

Рис. 2. - Опорный столик с ребром жесткости В столбцах 13, 14 таблицы 1 указаны значения несущей способности опорного столика по его предельным состояниям: потеря несущей способности уголка при изгибе, потеря несущей способности двух сварных швов его крепления к колонне.

Несущая способность для двух сварных швов:

Несущая способность уголка при изгибе:

£пр£7) -

¿хс * ^у ' Ус

е - К

Ц,Г.

Литература

1. Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций: Учебное пособие для техникумов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1991. - 431с.

2. Скачков С. В., Луптаков Р.И. Использование требований и норм для расчета на прогрессирующее обрушение / Инженерный вестник Дона, 2017, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4159

3. Металлические конструкции: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Кудишин Ю.И., Беленя Е.И., Игнатьева В.С. и др.; Под общ. ред. Ю.И. Кудишина.- 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 688с.

4. Серия 2.440-2 «Узлы стальных конструкций производственных зданий промышленных предприятий» Выпуск 1 «Шарнирные узлы балочных клеток и рамные узлы примыканий ригелей к колоннам»: Чертежи КМ. -ЦНИИПСК им. Мельникова, - 1989 - 81с.

5. Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы стальных конструкций: Учебное пособие для строит. Вузов / Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В. и др.; Под ред. В.В. Горева. - М.: Высш. шк., 1997. - 527с.

6. Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В. и др. Металлические конструкции. В 3т. Т.1. Элементы конструкций: Учеб. для строит. вузов - М., Высш. шк., - 2004. - 551 с.

7. Дарков А.В., Шапошников Н.Н. Строительная механика: Учеб. для строит. спец. Вузов. - М., Высш. шк., - 1986. - 607 с.

8. Н.Л. Вернези Метод оценки прочности металла неразрушающим способом с использованием априорной информации / Инженерный вестник Дона, 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1898

9. Hickman A.R. Carriers cut back coverage for construction defects / American Agent & Broker. 2003. V. 75. № 7. p. 24.

10. W.J. DeCoursey / Statistics and Probability for Engineering Applications With Microsoft Excel. - 2003 - 400 р. - Elsevier Science (USA).

References

1. Mandrikov A.P. Primery rascheta metallicheskih konstrukcij: Uchebnoe posobie dlja tehnikumov [Examples of calculation of metal structures: Textbook for technical schools]. 2-e izd., pererab. i dop. M. Strojizdat, 1991. 431p.

2. Skachkov S. V., Luptakov R.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4159

3. Kudishin Ju.I., Belenja E.I., Ignat'eva V.S. i dr.; Pod obshh. red. Ju.I. Kudishina. Metallicheskie konstrukcii: Uchebnik dlja stud. vyssh. ucheb. zavedenij [Metal Constructions: A Textbook for Stud. supreme. training. establishments] 8-e izd., pererab. i dop. M. Izdatel'skij centr «Akademija», 2006. 688 p.

4. Serija 2.440-2 «Uzly stal'nyh konstrukcij proizvodstvennyh zdanij promyshlennyh predprijatij» Vypusk 1 «Sharnirnye uzly balochnyh kletok i ramnye uzly primykanij rigelej k kolonnam» Chertezhi KM. CNIIPSK im. Mel'nikova, 1989. 81p.

5. Gorev V.V., Uvarov B.Ju., Filippov V.V. i dr.; Pod red. V.V. Goreva. Metallicheskie konstrukcii. V 3 t. T.1. Jelementy stal'nyh konstrukcij: Uchebnoe posobie dlja stroit. vuzov [Metal constructions. In 3 vol. T.1. Elements of steel structures: A manual for builds. universities]. M. Vyssh. shk., 1997. 527 p.

6. Gorev V.V., Uvarov B.Ju., Filippov V.V. i dr. Metallicheskie konstrukcii. V 3t. T.1. Jelementy konstrukcij: Ucheb. dlja stroit. vuzov [Metal constructions. In 3T. T.1. Elements of constructions: Proc. for builds. Universities] M., Vyssh. shk., 2004. 551 p.

7. Darkov A.V., Shaposhnikov N.N. Stroitel'naja mehanika: Ucheb. dlja stroit. spec. vuzov [Construction mechanics: Proc. for builds. specialist. universities] M., Vyssh. shk., 1986. 607 p.

8. N.L. Vernezi, Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1898

9. Hickman A.R. Carriers cut back coverage for construction defects. American Agent & Broker. 2003. V. 75. № 7. p. 24.

10. W.J. DeCoursey Statistics and Probability for Engineering Applications With Microsoft Excel. 2003. 400 р. Elsevier Science (USA).