автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Экспериментально-теоретические исследования рамных конструкций из стальных тонкостенных холодногнутых профилей

На правах рукописи

005531451 ^У

Тарасов Алексей Владимирович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ХОЛОДНОГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 т ш

Томск-2013 г.

005531451

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (ФГАОУ ВПО СФУ).

Научный руководитель: Лев Васильевич Енджиевский

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты:

Картопольцев Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Мосты и сооружения на дорогах» ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», г. Томск;

Зверев Виталий Валентинович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Металлические конструкции» ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», г. Липецк.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский

государственный университет» (национальный исследовательский университет), г. Челябинск.

Защита состоится 4 октября 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 при ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, корп. 5, ауд. 307.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.

Автореферат разослан »2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Копаница Н.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время значительная часть производственных зданий в России, представляет собой перепрофилированные заводские помещения, оставшиеся невостребованными в результате снижения объемов промышленного производства. Техническое состояние конструкций, инженерных сетей и коммуникаций таких сооружений зачастую не соответствует нормативным требованиям и потребностям эксплуатирующих организаций. По данным аналитических агентств рынок недвижимости испытывает дефицит производственных площадей в виде мобильных зданий небольших пролетов. Существует необходимость разработки технических решений, которые дадут возможность быстрого, надежного и экономически выгодного восстановления утраченных производственных фондов.

На строительном рынке требуются промышленные здания, главными характеристиками которых является высокие эксплуатационные характеристики, технико-экономические показатели и скорость возведения.

В условиях плотной городской застройки, когда в крупных городах сохраняется тенденция к строительству в центральных районах, актуальной становится также реконструкция зданий в виде надстроек мансард. Легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК), в частности, элементы каркаса зданий из тонколистовой оцинкованной холодногнутой стали, отвечают этим требованиям. Сдерживающим фактором широкомасштабного использования ЛСТК является отсутствие нормативной базы, регламентирующей область применения, расчет и конструирование таких конструкций. По этой причине строительным компаниям, которые пользуются технологией ЛСТК, зачастую приходится опираться на зарубежный опыт возведения зданий из тонкостенных холодног-нутых элементов. Поэтому, развитие теоретических положений для расчета и конструирования тонкостенных холодногнутых несущих элементов, а так же разработка типовых конструктивных решений, обеспечивающих надежное и эффективное применение ЛСТК в строительстве, является актуальным.

Цель работы - разработать конструктивные решения и провести экспериментально-теоретические исследования напряженно-деформированного состояния рамы каркаса здания с несущими элементами бикоробчатого сечения, сформированных из тонкостенный -образных холоднодеформированных оцинкованных профилей.

Основные задачи:

- На основе анализа существующих конструкций из тонкостенных оцинкованных профилей обосновать выбор конструктивной схемы рамы и разработать конструктивные решения узловых соединений несущих элементов;

- Исследовать работу несущих элементов рамной конструкции из тонкостенных профилей с целью совершенствования конструктивной формы сечения;

- Выполнить исследования по поиску решения для снижения податливости и повышения несущей способности многоболтовых соединений тонкостенных профилей;

- Провести численный анализ и экспериментальные исследования работы фрикционных одно- и многоболтовых соединений стальных пластин при различных соотношениях их толщин;

-Выполнить натурные экспериментальные и численные исследования рамных конструкций из холодногнутых оцинкованных профилей. Определить возможные области применения разработанной конструкции;

- Определить основные положения и рекомендации по конструированию и расчету несущих элементов замкнутого составного сечения из двух сигма профилей с объединенными участками стенок по длине.

Научная новизна

- Установлены особенности распределения напряжений по сечению элементов замкнутого составного бикоробчатого сечения из двух тонкостенных сигма профилей с объединенными участками стенок по длине, позволяющие разрабатывать конструкции с повышенной несущей способностью и технологичностью;

- Установлено влияние на напряженно-деформированное состояние и несущую способность рамной конструкции нахлёсточных стыков по длине бико-робчатых ригелей, выполненных со смещением профилей составного сечения, позволяющих уменьшить размеры отправочных элементов и снизить стоимость их изготовления;

-Выявлены особенности работы на сдвиг фрикционных соединений стальных элементов с различным сочетанием толщин от 1,2 до 5 мм, определяющие их податливость и несущую способность;

- По результатам экспериментальных исследований и численных расчетов получены значения коэффициента уь учитывающего соотношение толщин и количество болтов при расчете несущей способности фрикционных соединений стальных тонкостенных элементов.

Практическая значимость работы

- Разработана новая конструктивная форма несущих элементов замкнутого составного сечения из двух сигма профилей с объединенными участками стенок по длине и приведены рекомендации по их конструированию (патент РФ № 2478764);

- Разработаны конструктивные решения поперечных рам каркаса здания пролётом от 9 до 18 м из лёгких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) без использования затяжки между жесткими карнизными узлами выполненными на высокопрочных болтах (патент РФ № 2423582);

- Даны рекомендации по конструированию и расчету узловых фрикционных соединений и нахлёсточных соединений по длине ригелей.

Достоверность результатов обеспечена:

- использованием основных положений теории расчета металлических конструкций, механики деформированного твердого тела и строительной механики;

- использованием сертифицированных расчетных комплексов для выполнения численных исследований и сертифицированного оборудования для выполнения экспериментальных исследований;

- воспроизводимостью результатов исследований, согласованием экспериментальных результатов с результатами аналитических и численных расчетов.

Внедрение результатов

Результаты диссертационного исследования использованы:

- ООО «ПСК «ПроектСтройСервис» при разработке проекта «Капитальный ремонт гостиничного комплекса «Огни Енисея», г. Красноярск;

- ООО «СтройСервис» при капитальном ремонте мансардного этажа общественного здания, Красноярский край, п. Кедровый;

- Основные положения диссертационных исследований используются в учебном процессе по дисциплине «Металлические конструкции, включая сварку» на кафедре строительных конструкций и управляемых систем Сибирского федерального университета.

На защиту выносятся:

- конструктивные решения тонкостенных балок и стоек замкнутого составного сечения, выполненных из двух холодногнутых оцинкованных сигма профилей с объединенными участками стенок по длине;

- конструктивные решения узлов рамы с фрикционными болтовыми соединениями элементов из тонкостенных холодногнутых оцинкованных сигма профилей;

- результаты экспериментальных исследований фрикционных соединений на болтах М16 класса прочности 8.8, выполненных из стальных пластин с различным сочетанием толщин от 1,2 до 5 мм;

- результаты экспериментальных исследований натурной конструкции рамы пролётом 12 м из холодногнутых сигма профилей;

- результаты аналитических расчетов на местную устойчивость тонкостенных сигма профилей с объединенными участками стенок по длине и численных расчетов несущих элементов натурной конструкции рамы пролетом 12 м;

-результаты технико-экономической оценки эффективности каркасов здания из тонкостенных холодногнутых профилей и область их применения.

Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов и данных по исследуемой проблематике, постановке задач и разработке программы исследования; изготовлении опытных конструкций, проведении экспериментальных и численных исследований; обработке результатов и формулировке основных положений, определяющих научную новизну.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены: на научно-технических конференциях СФУ (г. Красноярск, 2009 - 2012 гг.); I Международной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии строительства» (г. Красноярск, 2011 г.); XV Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции

из металла, дерева и пластмасс» (г. Одесса, 2011 г.); V Всероссийской научно-технической конференции, посвященной актуальным вопросам строительства (г. Новосибирск, 2012 г.); XVI Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла, дерева и пластмасс» (г. Одесса, 2012); Международном конгрессе, посвященном 180-летию СПбГАСУ «Наука и инновации в современном строительстве - 2012» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.).

Публикации

По материалам диссертационных исследований опубликовано 12 печатных работ, из них 5 публикаций в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации, и 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка и приложений. Диссертация содержит 200 страниц, 97 рисунков, 16 таблиц, библиографический список из 140 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи исследований, научная новизна, практическая значимость, изложены основные положения, вынесенные на защиту, представлены сведения об апробации работы и о публикациях по теме исследований.

В первой главе выполнен обзор научно-конструкторских работ в области лёгких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК), в частности конструктивных решений каркасов здания, типов сечений несущих элементов, а также узловых соединений тонкостенных профилей, дана характеристика лёгких тонкостенных оцинкованных профилей, представлена область их применения, рассмотрены типы и способы производства.

Результаты обзора практики применения ЛСТК показали, что в современных конструкциях для создания несущих элементов каркаса здания наиболее часто применяют холоднокатаные С-образные профили. Стенка таких профилей может иметь гофры, выступающие в роли продольных ребер жесткости, а тип поперечного сечения такого элемента называют ^-профиль. Обзор существующих конструктивных вариантов несущих элементов ЛСТК показал, что наибольшее распространение в промышленном строительстве получили профили С- и £ -образного типа сечений толщиной от 1,5 мм до 3 мм, применяемые обычно для формирования составных двутавровых сечений.

Разработкой и исследованием новых конструктивных решений ЛСТК в России активно занимаются Э. Л. Айрумян, И. И. Ведяков, Г. И. Белый, В. В. Зверев, И. И. Крылов, В. В. Катюшин, А. С. Семенов и др. Работы этих авторов посвящены изучению несущих конструкций каркасных зданий - сплош-ностенчатых или решетчатых (ферменных) ригелей из тонкостенных профилей толщиной до 3 мм. Так как в России отсутствуют нормативные документы, регламентирующие расчет ЛСТК по предельным состояниям, многими авторами предпринимались попытки разработать научно-обоснованные методики расчета элементов из холодногнутых профилей, которая в большинстве случаев основывается на Еигосо<1е 3, где для расчетов на прочность, устойчивость и же-

сткость используется эффективная форма поперечного сечения. В области разработок и исследований легких металлоконструкций, в частности перфорированных балок, известны исследования М. М. Копытова и С. Г. Яшина. Одной из основных проблем перфорированных балок авторы отмечают потерю местной устойчивости стенки и приводят рекомендации по их расчету и конструированию.

Помимо анализа и разработки конструктивных форм несущих ЛСТК известны численные и экспериментальные исследования болтовых соединений, а также соединений на самонарезающих винтах Б. И. Беляева, Т. М. Богданова, А. Ф. Княжева, В. С. Корниенко, В. Н. Савельева, А. С. Чеснокова, П. Д. Одесского и др.

Изучением разъемных соединений тонкостенных элементов занимались Н. П. Абовский и Л. В. Енджиевский, предложившие способ соединения тонколистовых элементов между собой при помощи специальных шайб, образующих шпоночно-болтовое соединение.

Известны исследования Б. М. Вейнблата и Г. И. Бунеева, в которых установлено, что на несущую способность болтовых соединений существенное влияние оказывает разность толщин соединяемых элементов. Однако такие исследования проводились лишь для элементов толщиной от 10 мм.

В рекомендациях Н.С. Москалева отмечается необходимость применения в тонколистовых соединениях на высокопрочных болтах обжимающих накладок, изготовленных из более толстых полос, но автор не уточняет какие-либо условия их применения, а также не приводит характеристик соединений с ее использованием.

На необходимость исследования и разработки нормативных документов, учитывающих особенности работы болтовых соединений тонколистового проката толщиной до 4 мм, указывают работы И. И. Ведякова, П. Д. Одесского, Д. В. Соловьева. Авторы отмечают, что повышению несущей способности болтовых соединений способствуют конструктивные мероприятия, позволяющие увеличить площадь контакта соединяемых элементов: использование шайб с уширенным полем и болтов с увеличенными диаметрами головок и гаек.

Во второй главе приведен анализ существующих конструктивных форм, в результате которого выявлены преимущества и недостатки известных типов сечений профилей.

В работе в качестве прототипов новой конструктивной формы рассмотрены составные элементы, образованные из профилей: двухветвевое сечение открытого типа, двутавровое сечение и коробчатое сечение (рис. 1, а, 6, в). Элементы, образованные из ^-профилей, обладают большей устойчивостью стенок по сравнению с распро-

\

/

J 1_

—^ ^ !оа=»а=в !

Рис. 1. Поперечные сечения несущих элементов из ^-профилей: а — двухветвевое сечение; б - двутавровое сечение; в — коробчатое сечение

странёнными С-образными профилями, что подтверждают также исследования других авторов. Наличие в них продольных гофр позволяет увеличивать высоту стенки, обеспечивая при этом условие местной устойчивости. Предложено новое конструктивное решение несущих элементов исследуемой рамы каркаса здания в виде бикоробчатого сечения (рис. 2).

5,

К

У

Ч Мх

В 2

Рис. 2. Формообразование бикоробчатого сечения несущих элементов рамы: а - форма ^-профилей; б - профили, перевернутые (указано стрелками) для образования бикоробчатого сечения; в - бикоробчатое сечение

Преимуществом разработанного типа сечения по отношению к двутавровым элементам является большая несущая способность по условию потери устойчивости полок. В сравнении с коробчатым преимущество бикоробчатого сечения заключается в объединении стенок профилей. Форма элементов, образующих составное сечение, позволяет использовать один типоразмер профилей.

Учитывая малую толщину стали холодногнутых профилей, крепление узловых фасонок к несушим элементам проходящими насквозь болтами не представляется возможным. Это приведет к смятию сечения при закручивании болтов. Необходимым условием в данном случае является крепление фасонок болтами к каждой стенке профиля в отдельности. Для решения этой задачи разработано новое конструктивное решение соединения несущих элементов рамной конструкции с применением сборной закладной вставки (рис. 3). По существу, функциональное назначение вставки - вспомогательный элемент на период монтажа или демонтажа конструкции.

Такие вставки могут устанавливаться в заводских условиях или на строительной площадке путем их закрепления внутри элементов при помощи самонарезающих винтов. Специальный брусок (рис. 3) сборной закладной вставки может быть выполнен, например, из пластика или алюминиевого сплава путём штамповки, отливки или фрезеровки. Наиболее доступным, недорогим, и в большинстве случаев достаточным способом является изготовление бруска из древесины.

элемент

Рис. 3. Узел сопряжения стойки и ригеля с применением сборной закладной вставки: 1 - сборная вставка; 2 — ригель; 3 — стойка;

4 - узловая фасонка; 5 — болты

В третьей главе представлены результаты экспериментальных и численных исследований узловых соединений рамной конструкции. Испытанию подвергались 146 образцов, в которых варьировались толщина соединяемых деталей, расположение и количество болтов вдоль усилия. Были рассмотрены варианты соединений с использованием дополнительной стальной накладки под шайбы болтов. Экспериментальные исследования были разделены на три этапа:

1. Исследование работы фрикционного пятиболтового соединения элементов, значительно отличающихся по толщине, на болтах, расположенных вдоль действия сдвигающей нагрузки.

2. Исследование соединений с расположением пяти болтов поперёк действия нагрузки.

3. Исследование влияния разности толщин соединяемых элементов на податливость и несущую способность фрикционных соединений, с количеством болтов в ряду от одного до пяти вдоль оси приложения нагрузки.

На всех этапах предметом исследований являлись фрикционные болтовые соединения, состоящие из двух пластин, соединенных высокопрочными

болтами М16 класса прочности 8.8 с контролируемым натяжением (рис. 4). Для сравнения также были выполнены испытания аналогичных образцов на болтах класса прочности 5.8 без контролируемого натяжения. Соотношение толщин соединяемых деталей варьировалось в пределах 1 < (V 3,3.

Соприкасающиеся поверхности очищались от грязи и обезжиривались. Регистрация относительных сдвигов (срывов) соединяемых элементов производилась при помощи механических средств измерения типа 2 МИГ П. Для регистрации НДС соединений была применена тензометрическая система. Испытание проводилось на растягивающее усилие в электрогидравлической разрывной машине.

За критерии потери несущей способности соединений приняты следующие состояния: преодоление сил трения поверхностей соединяемых деталей, при котором происходит взаимный сдвиг элементов и усилия сдвига передаются на торцевые поверхности кромок отверстий многоболтового соединения; начало текучести металла образца; совместное проявление сдвига и текучести.

Принципиальными отличиями от исследований И. И. Крылова, В. В. Зверева, А. В. Коротких, А. Н. Кретинина и др., отражающимися на качественных характеристиках фрикционных болтовых соединений, является применение дополнительной накладки под шайбы болтов и значительная разность толщин соединяемых пластин.

По результатам первого этапа испытаний установлено, что применение фрикционного соединения позволяет повысить несущую способность узлов сопряжения элементов из стали толщиной 1,2 и 4 мм до 36 % по сравнению с болтовыми соединениями, работающими на срез и местное смятие.

За счет установки накладок шириной Ъс1 (д. - диаметр отверстия под болт), под шайбы болтов со стороны тонкой пластины, несущая способность (НС) фрикционного болтового соединения увеличивается до 16 %. При этом исключается срыв соединения: разрыв стального листа происходил по первому бол-токонтакту при незначительном взаимном сдвиге деталей без смятия кромок болтовых отверстий (рис. 7, в).

Установлено, что для повышения НС соединенных болтами М16 и раз- | личных по толщине пластин наиболее рациональным является использование накладки шириной 3,5й? и толщиной ?тах (Гтах- наибольшая толщина пластины в соединении). Несущая способность соединения в этом случае увеличивается на I 18,6%.

На втором этапе были исследованы образцы с поперечным расположением ряда болтов в соединении пластин 1,5 и 5 мм. Экспериментальные испыта-

Элемент траверсы

\ Гайки

Шайбы 030...48 мм Стальной лист »=5 мм

Элемент траверсы

Рис. 4. Схема сборки экспериментальных образцов

ния показали, что разрушение происходило более резко и четко выражено значительным срывом всех болтоконтактов одновременно при нагрузке 67 кН. При этом сдвиг пластин относительно друг друга, соответствующий предельному значению нагрузки, составил 0,3 мм.

Третий этап исследований был направлен на выявление особенностей работы фрикционного соединения в зависимости от разницы толщин элементов и количества болтов, расположенных вдоль действия нагрузки. В данной серии испытаний все образцы, за исключением соединения пластин одинаковой толщины 5 мм, выполнены с применением накладки (рис. 4).

По результатам экспериментальных испытаний установлено, что расчет фрикционных соединений по СП или СНиП «Стальные конструкции» справедлив для элементов толщиной от 5 мм и более и не может быть корректно применен для расчета соединений тонколистовых элементов толщиной 1—5 мм. На несущую способность фрикционных соединений стальных пластин значительное влияние оказывает их толщина и разность толщин. Например, при различном сочетании толщины пластин в пределах 1-5 мм несущая способность пяти-болтовых соединений может различаться на 70 %.

Качественные отличия выражаются в непропорциональной зависимости НС соединений от количества болтов в образцах с различной толщиной пластин. Например, из графика (рис. 5) видно, что увеличение количества болтов в ряду оказывается неодинаково эффективным для образцов типов 1 и 4. При увеличении количества болтов, соединяющих пластины толщинами 1,5 и 5 мм (тип 1), с одного до пяти НС соединения увеличивается в 1,77 раза, а в случае соединения пластин одинаковой толщины 5 мм (тип 4) — в 4,5 раза.

х 125 |l05

I &

I 85

о

к 75

Тип 1 (1,5мм + 5,0мм) Тип 3 (3,0мм + 5,0мм) Тип 5 (1,5мм + 1,5мм)

Кол-во болтов в соединении, urr

тип 2 (2,0ММ + 5,ОММ) Щ j Тип 4 (5,Омм + 5,0мм) Расчет по СП

Рис. 5. Графики работы образцов болтовых соединений

Сравнивая образцы соединения пластин одинаковой толщины 1,5 мм с применением дополнительной накладки (рис. 5, тип 5) и соединения пластин толщиной 5 мм (рис. 5, тип 4), видно, что разница их несущей способности пропорциональна уменьшению толщины пластин и эта тенденция не зависит от количества болтов в соединении.

Численные исследования были выполнены с использованием САПР 8оНс1\¥огк5 2010, реализующей метод конечных элементов. Расчетные модели образцов создавались объемными конечными элементами второго порядка, геометрические размеры и условия закрепления которых соответствовали физическим образцам. Разбиение геометрической модели на конечные элементы выполняль с учетом наличия отверстий и расстояния между ними.

Для сравнения характера распределения напряжений в тонкой пластине и более толстой пластине вдоль ряда болтов введен коэффициент К,.

где аI - напряжение в рассматриваемой пластине в области г'-го болта.

Из графика (рис. 6) видно, что характер распределения напряжений в пластинах отличается не только в количественном, но и в качественном отношении. При соединении пластин толщинами 4 и 1,2 мм тонкая пластина в области первых двух болтов более нагружена по отношению к толстой пластине. А в области последних двух болтов наблюдается обратная картина. Это свидетельствует о том, что в тонкой пластине доля усилий, которые приходятся на первые болты, больше на по сравнению с толстой пластиной.

Рис. 6. Распределение напряжений вдоль ряда болтов в пластинах толщиной 4 и 1,2 мм без дополнительной накладки

В результате полученных данных на всех этапах исследований можно сформулировать основные положения, касающиеся работы рассматриваемых соединений.

Срезные соединения характеризуются небольшой несущей способностью и значительной податливостью, которая проявляется с начальных этапов приложения нагрузки. Разрушение характеризуется значительным сдвигом соединения и смятием кромок болтовых отверстий тонкой пластины (рис. 7, а).

Разрушение многоболтовых фрикционных соединений без дополнительных накладок происходит при значительно меньшем взаимном сдвиге пластин и большей нагрузке относительно срезных соединений. В тонкой пластине наблюдается смятие кромок всех болтовых отверстий с последующим разрывом металла по первому отверстию (рис. 7, б).

Использование накладки во фрикционном соединении позволяет повысить несущую способность и снизить его податливость. Разрушение образцов происходит по первому болтовому отверстию в тонкой пластине без признаков контакта тела болта с кромкой первого и всех следующих отверстий (рис. 7, в).

Рис. 7. Фрагменты пластин толщиной 1,2 мм после испытания: а - срезное соединение; б - фрикционное соединение; в - фрикционное соединение с дополнительной накладкой

Особенность работы соединений тонких пластин (1—2 мм), а также деталей, значительно отличающихся по толщине, заключается в нескольких факторах. Во-первых, неравномерное распределение напряжений между деталями проявляется не только в количественном отношении вследствие отличия площадей поперечного сечения пластин, но и в качественном, как это показано на рис. 5. На напряженно-деформированное состояние пластины также оказы-

вает влияние натяжение болтов. Это обуславливает концентрацию напряжений в области первого болтового отверстия тонкой пластины и, как следствие, большие деформации по сравнению с толстой пластиной как в абсолютных значениях, так и в процентном соотношении. Кроме того, малая суммарная толщина соединяемых деталей и длина рабочей части болтов снижает абсолютную упругую деформацию соединения вдоль оси болта, которая компенсирует поперечные деформации пластины при растяжении и способствует сохранению натяжения болта.

В конечном счете это проявляется в том, что в многоболтовом соединении пластин, значительно отличающихся по толщине, эффективность увеличения количества болтов вдоль действия сдвигающей нагрузки значительно меньше, чем это принято считать в классическом представлении (рис. 5, тип 1). Это обусловлено тем, что при увеличении количества болтов несущая способность соединения в целом ограничена сдвигоустойчивостью первых, наиболее нагруженных болтоконтактов. Для тонких пластин одинаковой толщины влияние перечисленных факторов выражается в пропорциональном снижении несущей способности всех фрикционных болтоконтактов соединения без выраженной значимости отдельных болтов (рис. 5, тип 5).

В результате исследований определены значения дополнительного коэффициента У[ для некоторых типов болтовых соединений (табл. 2), который учитывает толщину соединяемых элементов и количество болтов в соединении.

Для выявления степени влияния каждого фактора и введения ограничения количества болтов вдоль действия силы в зависимости от отношения толщин соединяемых элементов, а также определения поправочных коэффициентов для корректного расчета соединений тонких пластин одинаковой толщины требуются дальнейшие полномасштабные исследования фрикционных соединений современных конструкций.

Четвертая глава посвящена экспериментально-теоретическим исследованиям несущих элементов и модели двускатной рамы каркаса здания.

Ввиду отсутствия отечественных нормативных документов, регламентирующих расчет тонкостенных профилей на местную устойчивость, автором предлагается алгоритм проверки устойчивости стенки и полок, основанный на исследованиях С. П. Тимошенко в области решения задач устойчивости прямоугольных пластинок.

Напряжение асг, соответствующее потере устойчивости пластинки шириной Их и толщиной определяют по формуле, предложенной С. П. Тимошенко:

Известные значения ка при различных соотношениях а и £ в приведены табл. 1.

(2)

Таблица 1

Значения коэффициента устойчивости ка

Значения коэффициента ^ a=a/h{

0,4 0,5 0,6 0,667 0,75 0,8 1 1,5

2,00 29,1 25,6 24,1 23.9 24,1 24,4 25,6 24,1

1,66 23,6 - 17,7 - 15,7 16,4 16,9 15,7

1,33 18,7 - 12,9 - 11,5 11,2 11.0 7,8 5.S 11,5

1,00 15,1 - 9,7 - 8,4 8,1 8,4

0,66 10,8 - 7,1 - 6,1 6,0 6,1

0,00 8,4 - 5,2 - 4,3 4,2 mm 4,3

При расчете ^-профиля в качестве расчетной пластинки принимается участок стенки высотой hi от полки до продольного ребра (гофра) стенки (рис. 8). Формула для определения £ в табл. 1 имеет следующий вид:

t _ g max ~ ° 1 (3)

шах

Рис. 8. К расчету на устойчивость участка стенки балки

Считая значение отах отрицательным при сжатии, величину напряжения сг, у противоположной грани расчетной пластинки можно выразить линейным соотношением

(а шах ® тт\ , ...

О 1 = °тах~ -^-) ■ . (4)

В каждой строке табл. 1 имеется минимальное значение ка при а=0,667 и 4=2 и при а=1 и £,=0. Следовательно, в случае чистого изгиба (^=2) очень длинная пластинка выпучивается по полуволнам длиной С уменьшением длина волн возрастает и стремится к предельному значению "к=к 1 в случае постоянной сжимающей нагрузки (£,=0).

Основываясь на положениях, изложенных Ф. Блейхом, минимальные значения кп справедливы для длинных пластинок и могут быть использованы для пластинок со значением отношения а выше Ук{. Отсюда в формуле (1) следует использовать минимальные значения к„ из табл. 1, которые можно представить

в графическом виде (рис. 9).

Путем полиномиальной аппроксимации данных из графика получено уравнение

ка = 2,82? - 2,28? + 3,19? + 3,98. (5)

Используя (3) и (5), критические напряжения для расчетного участка стенки профиля можно вычислить по формуле

а гт —

2,82

max

V tim

+ 3,98

(ti2

iy_2f28.(?=iZii) +3.19(5=:

> V ffmax / V

■Ю

12(1- v2)

©

(6)

^25

ka= 2,82C3- 2,2Щ2 + 3,1+ 3,98

Рис. 9. График зависимости коэффициента к„ от ё

Для проведения экспериментальных исследований предварительно было выполнено численное моделирование и расчет рамной конструкции с использованием программных комплексов SCAD и SolidWorks, при помощи которых были определены усилия в элементах, необходимые геометрические характеристики сечений, а также усилия в узлах, необходимые для восприятия болтовыми соединениями. Расчет на прочность элементов экспериментальной

рамы каркаса здания производился с использованием известных методик расчета СНиП II-23-81 * и СП 16.13330.2011 .

Экспериментальная модель рамы выполнена из расчета возможности её эксплуатации в составе отапливаемого здания в III снеговом районе при нагрузке на покрытие 210 кг/м2. Модель выполнена в масштабе 1:1 пролётом 12 м, высотой по коньку 4,6 м и с уклоном ригелей 1:4 (рис.10). Все несущие элементы рамы имеют составное бикоробчатое сечение, при этом ригель выполнен наращиваемым по длине. Формообразование длинноразмерного элемента производится путём нахлёсточного соединения профилей с предварительным их взаимным смещением. В области соединения стыкуемые элементы закреплены вытяжными заклёпками к полкам и стенке цельного профиля. Соединение несущих элементов рамы осуществлено при помощи фасонок, которые крепятся с обеих сторон к каждой стенке профиля при помощи высокопрочных болтов с контролируемым натяжением. Характеристики поперечного сечения несущих элементов и болтовых соединений определены с учетом полученных экспериментально-теоретических данных на предыдущих этапах исследования.

Для раскрепления рамы из плоскости применена система связей, позво-

ляющая перемещаться несущим элементам только в плоскости рамы.

Испытание проводилось пошаговым приложением нагрузки с использованием системы рычагов и гидравлических домкратов. На каждом шаге производилась выдержка под нагрузкой до стабилизации деформаций и регистрация показаний приборов и тензорезисторов.

Рис. 10. Экспериментальная модель рамной конструкции пролётом 12 м

Суммарная нагрузка на раму Р1=75,6 кН (рис. 11) соответствовала началу смятия тела заклёпок и податливости соединений ригеля по длине. Коэффициент запаса на данной стадии составил 1,2. При дальнейшем нагружении произошло перераспределение напряжений между профилями составного сечения. Участок графика между точками Р3 и Р4 характеризуется проявлением местной потери устойчивости стенок в карнизном узле и последующей полной потерей несущей способности при нагрузке 82,5 кН.

Прогиб ригеля мм Рис. 11. Диаграмма работы экспериментальной рамной конструкции

После испытания и разборки конструкции был выполнен осмотр болтовых отверстий, по результатам которого не было выявлено признаков деформаций, смятия или какого-либо контакта тела болта с кромками отверстий (рис. 12). Это свидетельствует о корректности выполненных расчетов, основанных на результатах испытаний фрикционных соединений.

Для анализа напряженно-деформированного состояния, а также определения резервов разработанных решений применительно к рамным конструкциям, были выполнены численные исследования с использованием модуля конечно-элементного моделирования СозтоБХУогкз, интегрированного в систему пространственного проектирования 8оПсШогк:з.

Геометрическая модель несущих элементов рамы реализована с использованием функции «тонкостенный элемент», а конечно-элементная модель построена на основании геометрической путём автоматической разбивки последней средствами программного обеспечения на объемные конечные элементы тетраэдальной топологии. На стадии отработки расчетной модели (изучение взаимодействия профилей и фасонок между собой, определение параметров уплотнения сетки в зонах контакта профилей с фасонками и т. п.) использовались конечные элементы первого порядка. После выполненных уточнений для окончательных расчетов применены конечные элементы второго порядка, которые позволяют более точно учитывать геометрию профилей. Аппроксимация модели выполнена с уплотнением сетки разбивки в областях концентрации напряжений, определенных в процессе предварительной отработки расчетной модели.

На первом этапе численных исследований расчетная модель конструкции полностью соответствовала физическому эксперименту рамной конструкции. В том числе, было выполнено моделирование разрушения стыков по длине ригеля. На следующих этапах были рассмотрены варианты конструкции без стыков ригелей по длине, а также различные варианты толщин используемых профилей и пролётов рамы.

Было установлено, что стыки по длине ригеля могут способствовать неравномерному распределению напряжений в узлах рамы (рис. 13), что приводит к преждевременной потере устойчивости только одной, перегруженной стенки бикоробчатого ригеля. Поэтому расположение стыков по длине рекомендуется

Рис. 12. Состояние болтовых отверстий после испытания конструкции: смятие отсутствует

выполнять в сечениях с наименьшим значением изгибающего момента, даже при наличии дополнительных усиливающих соединение накладок.

Gmax=137 МПа

Рис. 13. Распределение напряжений в узле сопряжения стойки с наращиваемым по длине ригелем (а) и ригелем, не имеющим стыков по длине (б)

В результате исследований установлено, что с использованием в качестве несущих конструкций наращиваемых по длине балок возможно применение конструкции пролётом 12 м в III снеговом районе с тёплой кровлей типа «Сэндвич-панель». Несущая способность экспериментально исследованной конструкции соответствует 257 кг/м2 для здания пролётом 12 м и шагом поперечных рам каркаса 3 м.

Численными расчетами определено, что исключение стыков^ -профилей по длине ригеля увеличивает несущую способность рамы до 22,5 % (315 кг/м2).

Для увеличения несущей способности или пролёта конструкции необходимо изменение геометрических параметров поперечного сечения несущих элементов. Например, для здания, расположенного в IV снеговом районе, достаточно увеличения толщины используемых профилей до 3 мм.

В пятой главе приведен алгоритм расчета бикоробчатых элементов, основанный на Eurocode и подтвержденный результатами численных и экспериментальных исследований. Основными положениями являются: проверка на прочность и устойчивость сжато-изгибаемых элементов рамы; расчет фрикционных болтовых соединений с применением полученных по результатам исследований коэффициентов; приведены конструктивные требования к накладке под шайбы болтов, а так же рекомендации по расчету заклёпочных соединений.

Для расчета требуемого количества болтов во фрикционном соединении с накладкой предлагается использовать формулу СП 16.13330.2011 с применением дополнительного коэффициента yt, значения которого зависят от толщины соединяемых элементов и количества болтов в соединении, принимаемый по табл. 2.

N • у h

п ^-7---г ■ (4)

Rbh ■ Abh ■ ц • у t • у • у ь ■ к

Таблица 2

Значение коэффициентов Ус для некоторых типов соединений_

Толщина соединяемых элементов, мм Количество болтов в ряду, шт.

1 2 3 4 5

1,5+5 1,00 1,00 0,85 0,75 0,60

2+5 1,00 1,00 0,90 0,85 0,70

3+5 1,00 1,00 0,95 0,95 0,80

5+5 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

1,5+1,5 0,80 0,70 0,70 0,70 0,60

2+2 1,00 0,80 0,80 0,85 0,85

3+3 1,00 0,90 0,90 0,90 0,90

В работе проведена оценка технико-экономической эффективности применения предлагаемой конструкции в качестве стропильной конструкции покрытия. Оценка производилась по критериям стоимости изготовления, транспортировки и монтажа конструкций покрытия в сравнении с фермой из холод-ногнутых тонкостенных оцинкованных профилей (ТОП) и балкой из ТОП и профилированного листа переменной высоты сечения.

Выполнено сравнение металлоёмкости разработанной рамной конструкции пролётом 12 м, без стыков ригелей по длине, с конструкцией типа «Унитэкс-Р1» (ООО Научно-исследовательская и проектно-строительная фирма «Уникон). В сравниваемых вариантах несущими элементами являются холодногнутые оцинкованные профили толщиной до 1,8 мм.

По результатам сравнения технико-экономических показателей покрытий, несущими элементами которых являются тонкостенные холодногнутые профили, можно сделать вывод, что применение двускатного ригеля бикоробчатого сечения позволяет снизить себестоимость каркаса здания пролётом 12 м на 5 % в сравнении с фермой из ТОП и на 11,7 % - с решетчатой балкой. Металлоёмкость разработанной конструкции на 11,2% меньше в сравнении с типовой рамной конструкцией «Унитэкс Р-1».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана новая конструктивная форма несущих элементов бикоробчатого сечения из двух тонкостенных стальных сигма профилей с объединенными стенками по длине, использованных в качестве ригелей и стоек, применение которых снижает металлоёмкость рамы каркаса до 11,2% по сравнению с типовыми тонкостенными конструкциями «Унитэкс Р-1» (патент РФ №2478764).

2. Разработан алгоритм расчета несущих элементов тонкостенного бикоробчатого сечения на местную устойчивость, основанный на результатах экспериментально-теоретических исследований и учитывающий рекомендации Евро-код-3.

3. Разработаны новые конструктивные решения узловых соединений тонкостенных стальных элементов на высокопрочных болтах с применением сбор-

ной закладной вставки и дополнительных стальных накладок под уширенные шайбы болтов (патент РФ № 2423582). Эти соединения обеспечивают бесшарнирную статическую схему рамы, снижая максимальные значения изгибающих моментов в несущих элементах, что позволяют отказаться от применения затяжки между карнизными узлами.

4. Показано, что применение фрикционных болтовых соединений повышает несущую способность узлов сопряжения JICTK до 36 % по сравнению со срезными соединениями. Установлено, что дополнительная стальная накладка под шайбы на поверхности тонкой стальной пластины, повышает сдвигоустой-чивость и несущую способность многоболтового фрикционного соединения стальных пластин толщиной 1,2 - 5 мм до 18,6%.

5. Установлено, что соединение пластин на болтах М16 с соотношением толщин tтах/ tmin > 3 (при tmax > 5 мм) следует выполнять с расположением болтов не более трёх в ряду вдоль усилия. Показано, что при большем количестве болтов следует применять понижающий коэффициент Yt-

6. Установлено, что разработанная двускатная бесшарнирная рама пролётом 12 м с ригелями составного бикоробчатого сечения со стыками по длине может эксплуатироваться в III снеговом районе. При использовании цельных ригелей (без стыков по длине) пролет рамы может быть увеличен до 18 м для эксплуатации в IV снеговом районе.

Публикации по теме диссертации Статьи в журналах, включенных в перечень ВАК

1. Енджиевский, JI. В. Экспериментальные и численные исследования болтовых соединений стальных пластин при разных соотношениях их толщин [Текст] / JI. В. Енджиевский, А. В. Тарасов // Изв. высш. учеб. заведений. Стр-во. - 2011. - №7. - С. 98-107 (доля автора 60%).

2. Енджиевский, JI. В. Влияние толщины соединяемых элементов на несущую способность многоболтового фрикционного соединения / JI. В. Енджиевский, А. В. Тарасов // Вестн. МГСУ. - М.; 2012. - №9. - С. 116-123 (доля автора 50%).

3. Енджиевский, Л. В. Численные и экспериментальные исследования рамы каркаса здания из тонколистовой оцинкованной стали [Текст] / Л. В. Енджиевский, А. В. Тарасов // Промышленное и гражданское строительство. — 2012. - №10 - С. 52-54 (доля автора 55%).

4. Енджиевский, Л. В. Экспериментальные и численные исследования болтовых соединений стальных пластин при разных соотношениях их толщин [Текст] / Л. В. Енджиевский, А. В. Тарасов // Строит, механика и расчет сооружений. - М.; 2012. - №3. - С. 22-28 (доля автора 50%).

5. Енджиевский, Л. В. Конструктивные решения несущих элементов и узлов рамы каркаса здания из стальных тонкостенных профилей / Л. В. Енджиевский, А. В. Тарасов // Вестн. Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета: строительство и архитектура. Вып. 31.— Волгоград: ВолгГАСУ, 2013. - С. 29-34 (доля автора 50%).

Статьи в других печатных изданиях

6. Енджиевекий, Л. В. О совершенствовании строительных конструкций с применением холодногнутых профилей из тонколистовой оцинкованной стали в элементах каркаса здания [Текст] / Л. В. Енджиевекий, А. В. Тарасов // Сб. тр. III Всерос. науч.-техн. конф., посвященной 80-летию НГАСУ (Сибстрин). -Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2010. - С. 79-86 (доля автора 50%).

7. Тарасов, А. В. Узловые соединения элементов замкнутого типа сечения из тонколистовых с-образных профилей [Текст] / «Современные строительные конструкции из металла и древесины»: сб. науч. тр. - Одесса, 2011. -С. 239-245 (доля автора 100%).

8. Енджиевекий, Л. В. Исследования рамы каркаса здания с несущими элементами бикоробчатого сечения из тонколистовой оцинкованной стали [Текст] / Л. В. Енджиевекий, А. В. Тарасов // «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития»: сб. науч. тр. Sworld. В5От. Т.30. - 2012. - №3. С. 90-99 (доля автора 65%).

9. Енджиевекий, Л. В. Конструктивные решения рамы каркаса здания из стальных тонкостенных профилей [Текст] / Л. В. Енджиевекий, А. В. Тарасов // Рос. акад. архитектуры и строит, наук. Вестн. отд. строит, наук. В2т. Т.1. Вып. 16. - М.; 2012. С. 78-84 (доля автора 50%).

10. Тарасов, А. В. Рамная конструкция с несущими элементами составного бикоробчатого сечения из тонколистовой оцинкованной стали [Текст] / «Современные строительные конструкции из металла и древисины»: сб. науч. тр. -Одесса, 2012 - С. 256-251 (доля автора 100%).

Патенты и свидетельства

11. Пат. 2423582 Российская Федерация, МПК Е04В 1/58. Узел соединения трубчатых профилей [Текст] / Енджиевекий Л. В., Тарасов А. В., Тарасов И. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет». - №2010111575/03 ; заявл. 25.03.10 ; опубл. 10.07.11, Бюл. № 19 (доля автора 40%).

12. Пат. 2478764 Российская Федерация, МПК Е04С 3/07. Гнутый стальной профиль и составной строительный элемент на его основе [Текст] / Енджиевекий Л. В., Тарасов А. В., Тарасов И. В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет». - № 2011144954/03, заявл. 07.11.2011 ; опубл. 10.04.13, Бюл. № 10 (доля автора 40%).

Подписано в печать 03.06.2013. Печать плоская Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,3 Тираж 150 экз. Заказ № 2172 Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а, тел.: +7(391) 206-26-49, 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛЬНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ХОЛОДНОГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -Член-корреспондент РААСН доктор технических наук, профессор Л. В. Енджиевский

Красноярск 2013 г.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА............................................................................10

1.1. О технологии конструкций из тонкостенных стальных элементов...............................................................................................10

1.2. История развития теории тонкостенных конструкций.....................13

1.3. Устойчивость тонкостенных элементов.............................................26

1.4. Соединения тонкостенных элементов................................................35

1.5. Выводы...................................................................................................45

2. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

РАМНОЙ КОНСТРУКЦИИ И ИХ СОПРЯЖЕНИЙ................................47

2.1. Анализ различных типов сечений несущих элементов....................47

2.2. Формообразование элементов.............................................................60

2.3. Узлы сопряжения..................................................................................61

2.4. Выводы...................................................................................................72

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЙ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ РАМЫ................................73

3.1. Цель и задачи экспериментального исследования............................73

3.2. Исследование работы многоболтового соединения ЛСТК вдоль действия силы........................................................................................75

3.2.1. Объекты испытания и приборы для экспериментальных исследований.............................................................................76

3.2.2. Анализ результатов эксперимента..........................................83

3.3. Исследование работы многоболтового соединения ЛСТК поперёк действия силы.........................................................................87

3.3.1. Объекты испытания и приборы для экспериментальных исследований.............................................................................87

3.3.2. Анализ результатов эксперимента..........................................91

3.4. Исследование влияния разности толщин соединяемых элементов на несущую способность фрикционного соединения.............................................................................................92

3.4.1. Объекты испытания и приборы для экспериментальных исследований.............................................................................93

3.4.2. Анализ результатов эксперимента..........................................97

3.5. Численные исследования...................................................................101

3.6. Выводы.................................................................................................114

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАМЫ КАРКАСА ЗДАНИЯ.....................................................................116

4.1. Цель и задачи исследования..............................................................116

4.2. Теоретические исследования и расчет конструкции......................117

4.3. Численное моделирование рамных конструкций пролётом 9, 12 и 18м.......................................................................................................125

4.4. Экспериментальные исследования рамной конструкции...............133

4.4.1. Алгоритм проведения и результаты испытаний..................141

4.5. Анализ результатов экспериментально-теоретических исследований.......................................................................................145

4.6. Выводы.................................................................................................153

5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАМНОЙ КОНСТРУКЦИИ..........................................154

5.1. Общие положения...............................................................................154

5.2. Расчет ригеля на прочность...............................................................154

5.3. Расчет на общую устойчивость.........................................................158

5.4. Болтовые и заклепочные соединения несущих элементов.............160

5.5. Ограждающие конструкции...............................................................165

5.6. Область применения конструкции....................................................167

5.7. Оценка стоимости изготовления и монтажа рамной конструкции.........................................................................................168

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.............................................................................177

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................179

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Авторское свидетельство.........................................194

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты внедрения.........................................................198

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В настоящее время значительная часть производственных зданий в России, представляет собой перепрофилированные заводские помещения, оставшиеся невостребованными в результате снижения объемов промышленного производства. Техническое состояние конструкций, инженерных сетей и коммуникаций таких сооружений зачастую не соответствует нормативным требованиям и потребностям эксплуатирующих организаций. По данным аналитических агентств [53, 54 и др.], рынок недвижимости испытывает дефицит производственных площадей. Поскольку Россия является страной с развивающимися рыночными отношениями, существует проблема, связанная с необходимостью разработки решений, которые дадут возможность быстрого, надежного и экономически выгодного восстановления утраченных производственных фондов.

Для решения данной проблемы могут использоваться здания с небольшими пролетами. На строительном рынке требуются здания, главными характеристиками которых является не архитектурная выразительность, а скорость возведения и технико-экономические показатели. Легкие стальные тонкостенные конструкции (ЛСТК), в частности, элементы из тонколистовой оцинкованной холодногнутой стали, отвечают этим требованиям.

В условиях плотной городской застройки, когда сохраняется тенденция к строительству в центральных районах крупных городов, актуальной становится реконструкция зданий в виде надстроек мансард. Для этих целей легкие металлические конструкции имеют значительные преимущества перед другими типами.

Однако в России отсутствуют нормативные документы, регламентирующие расчет таких конструкций. По этой причине строительным компаниям, которые пользуются данной технологией, приходится опираться на зарубежный опыт возведения зданий из

тонкостенных холодногнутых элементов. Такие обстоятельства значительно затрудняют развитие легких металлических конструкций в России. Поэтому, развитие теоретических положений для расчета и конструирования тонкостенных холодногнутых несущих элементов, а так же разработка типовых конструктивных решений, обеспечивающих надежное и эффективное применение ЛСТК в строительстве, является актуальным.

Цель работы - разработка конструктивных решений и экспериментально-теоретические исследования напряженно-

деформированного состояния рамы каркаса здания с несущими элементами бикоробчатого сечения, сформированными из тонкостенных^ -образных холоднодеформированных оцинкованных профилей.

Задачи исследований:

1. На основе анализа существующих конструкций из тонкостенных оцинкованных профилей обосновать выбор конструктивной схемы рамы и разработать конструктивные решения узловых соединений несущих элементов;

2. Исследовать работу несущих элементов рамной конструкции из тонкостенных профилей с целью совершенствования конструктивной формы сечения;

3. Выполнить исследования по поиску решения для снижения податливости и повышения несущей способности многоболтовых соединений тонкостенных профилей;

4. Провести численный анализ и экспериментальные исследования работы фрикционных одно- и многоболтовых соединений стальных пластин при различных соотношениях их толщин;

5. Выполнить натурные экспериментальные и численные исследования рамных конструкций из холодногнутых оцинкованных профилей. Определить возможные области применения разработанной конструкции;

6. Определить основные положения и рекомендации по конструированию и расчету несущих элементов замкнутого составного сечения из двух сигма профилей с объединенными участками стенок по длине.

Научная новизна

Установлены особенности распределения напряжений по сечению элементов замкнутого составного бикоробчатого сечения из двух тонкостенных сигма профилей с объединенными участками стенок по длине, позволяющие разрабатывать конструкции с повышенной несущей способностью и технологичностью;

Установлено влияние на напряженно-деформированное состояние и несущую способность рамной конструкции нахлёсточных стыков по длине бикоробчатых ригелей, выполненных со смещением профилей составного сечения, позволяющих уменьшить размеры отправочных элементов и снизить стоимость их изготовления;

Выявлены особенности работы на сдвиг фрикционных соединений стальных элементов с различным сочетанием толщин от 1,2 до 5 мм, определяющие их податливость и несущую способность;

По результатам экспериментальных исследований и численных расчетов получены значения коэффициента ус, учитывающего соотношение толщин и количество болтов при расчете несущей способности фрикционных соединений стальных тонкостенных элементов.

Практическая значимость работы.

Разработана новая конструктивная форма несущих элементов замкнутого составного сечения из двух сигма профилей с объединенными участками стенок по длине и приведены рекомендации по их конструированию (патент РФ № 2478764);

Разработаны конструктивные решения поперечных рам каркаса здания пролётом от 9 до 18 м из лёгких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) без использования затяжки между жесткими карнизными узлами

выполненными на высокопрочных болтах (патент РФ № 2423582);

Даны рекомендации по конструированию и расчету узловых фрикционных соединений и нахлесточных соединений по длине ригелей.

Достоверность результатов обеспечена:

• использованием основных положений теории расчета металлических конструкций, механики деформированного твердого тела и строительной механики;

• использованием сертифицированных расчетных комплексов для выполнения численных исследований и сертифицированного оборудования для выполнения экспериментальных исследований;

• воспроизводимостью результатов исследований, согласованием экспериментальных результатов с результатами аналитических и численных расчетов.

Внедрение результатов.

Результаты диссертационного исследования использованы:

1. ООО «ПСК «ПроектСтройСервис» при разработке проекта «Капитальный ремонт гостиничного комплекса «Огни Енисея», г. Красноярск.

2. ООО «СтройСервис» при капитальном ремонте мансардного этажа общественного здания, Красноярский край, п. Кедровый.

Основные положения диссертационных исследований используются в учебном процессе по дисциплине «Металлические конструкции, включая сварку» на кафедре строительных конструкций и управляемых систем Сибирского федерального университета.

На защиту выносятся:

• конструктивные решения тонкостенных балок и стоек замкнутого составного сечения, выполненных из двух холодногнутых оцинкованных сигма профилей с объединенными участками стенок по длине;

• конструктивные решения узлов рамы с фрикционными болтовыми соединениями элементов из тонкостенных холодногнутых оцинкованных сигма профилей;

• результаты экспериментальных исследований фрикционных соединений на болтах М16 класса прочности 8.8, выполненных из стальных пластин с различным сочетанием толщин от 1,2 до 5 мм;

• результаты экспериментальных исследований натурной конструкции рамы пролётом 12 м из холодногнутых сигма профилей;

• результаты аналитических расчетов на местную устойчивость тонкостенных сигма профилей с объединенными участками стенок по длине и численных расчетов несущих элементов натурной конструкции рамы пролетом 12 м;

• результаты технико-экономической оценки эффективности каркасов здания из тонкостенных холодногнутых профилей и область их применения.

Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов и данных по исследуемой проблематике, постановке задач и разработке программы исследования; изготовление опытных конструкций, проведение экспериментальных и численных исследований; обработка результатов и формулировка основных положений, определяющих научную новизну.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены: на научно-технических конференциях СФУ (г. Красноярск, 2009 - 2012 гг.); I Международной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии строительства» (г. Красноярск, 2011 г.); XV Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла, дерева и пластмасс» (г. Одесса, 2011 г.); V Всероссийской научно-технической конференции, посвященной актуальным вопросам строительства (г. Новосибирск, 2012 г.); XVI Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла, дерева и пластмасс» (г. Одесса, 2012); Международном конгрессе, посвященном 180-летию СПбГАСУ «Наука и инновации в современном строительстве 2012» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.).

Публикации

По материалам диссертационных исследований опубликовано 12 печатных работ, из них 5 публикаций в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации, и 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка и приложений. Диссертация содержит 200 страниц, 97 рисунков, 16 таблиц, библиографический список из 140 наименований.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. О технологии конструкций нз тонкостенных стальных элементов

Технология Light Steel Framing Construction применяется в Европе и США с середины XX века. В России конструкции из тонкостенных стальных элементов имеют различные названия: ТОП (тонкостенные оцинкованные профили), СтОП (стальные оцинкованные профили), ППЖ (профиль повышенной жесткости). Наиболее распространённым является название J1CTK (лёгкие стальные тонкостенные конструкции). Под этими и некоторыми другими, менее распространёнными названиями, одинаково подразумеваются строительные конструкции из холодноформированных тонкостенных стальных элементов, зачастую оцинкованных.

Из J1CTK возводят каркасы зданий общественного и промышленного назначения. Такие здания имеют долгий срок службы, энергоэкономичны, устойчивы к климатическим воздействиям и сейсмическим нагрузкам.

Основными задачами совершенствования строительных металлоконструкций является уменьшение их веса, снижение трудоёмкости изготовления и монтажа. Один из путей решения этой задачи - разработка и использование плоских и пространственных формообразований из холодногнутых стальных оцинкованных профилей толщиной от 1 до 3 мм. Зарубежный и отечественный опыт применения конструкций на их основе выявил ряд преимуществ перед традиционными конструкциями из горячекатаного проката.

Важным экономическим показателем каркаса здания из JTCTK является небольшой вес конструкций: он значительно легче распространённых на сегодняшний день каркасов, в которых несущими являются элементы из сортового или листового горячекатаного проката. Применение каркасов на основе холодногнутых профилей из оцинкованной тонколистовой стали существенно снижает общий вес конструкций, что позволяет достигать экономии не только за счет снижения металлоёмкости каркаса, но также за

счет снижения расходов на устройство фундаментов.

Процесс возведения зданий из ЛСТК практически не зависит от климатических условий. Соединения элементов выполняют с помощью самонарезающих винтов, вытяжных заклёпок и болтов, а цинковое покрытие, как правило, не требует дополнительных антикоррозионных мероприятий. Данная технология предполагает всесезонное строительство в любых климатических условиях.

Также преимуществом ЛСТК является возможность монтажа без применения кранов или грузоподъемных механизмов на всех этапах установки элементов каркаса в проектное положение при сравнительно небольших пролётах конструкций (6-9 м). Данное преимущество имеет большое значение при строительстве зданий в отдалении от баз стройиндустрии, когда затруднен проезд техники, а также при необходимости сохранения окружающего ландшафта. Еще одним достоинством этой технологии с точки зрения защиты экологии является возможность переработки и повторного применения металлоконструкций в будущем.

Современное оборудование позволяет создавать широкую номенклатуру профилей с элементами жесткости, в качестве которых выступают различной формы отгибы. Высокая точность изготовления профилей обеспечивает ровную поверхность внутренних стен и потолков, что в свою очередь, позволяет до минимума снизить затраты времени и материалов на отделочные работы.

В малоэтажном строительстве, на