автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Некоторые вопросы расчета балок с раскосной перфорацией стенки

Всероосийокий заочный институт инженеров железнодорожного

РГ6 од транопорта

'На прэЕэх рукопиои УДК 624.014.072.22.23

ФИРАС КТЕЙШАТ

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ РАСЧЕТА ШОК С РАСКОСНОЙ ПЕРФОРАЦИЕЙ СТЕНКИ-

Специальность 05.23.01 -строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнено во Владимирском государственном техническом университете.

Научный руководитель - кавд. техн. наук, доцент

А.А.Заборокий

Официальные оппоненты - д-р техн. наук, профессор

И.П.Нисавв

- канд. техн. наук, доцент И А.Сазыкин

Ведущая организация - АО "Владпромстройпроект".

Защита состоится "27" июня в 15 часов на заседаний диссертационного совета Д 11409.01 ВАК при Всероссийском заочном институте инженеров железнодорожного транспорта по адресу: 125808 ГСП-47, Москва, ул. Часовая, 22/2.

С диооертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв по адресу:. 125808 ГСП-47, Москва, ул. Часовая, 22/2, ВЗИЖГ, Ученый совет.

Ученый секретарь

Б.В.Зайцев

ОЩАЯ МЕШЕРКСТИКА. РАБОТЫ

/ гстуалыюсть теми. В последнее время в Иордании применение металлических конструкций о промышленном и гражданском строительстве значительно возросло по сравнении о применением конструкций из железобетона. В связи о этим возникает проблема рационального использования металла в строительства, так как основной металл стране приходится закупать за рубежом.

Одним из путей экономии материала является применение конструкций из прокатных профилей, показатели которых могут быть значительно улучшены в результате перфорация стенги. Учитывая, что конструкции покрытий составляют 50 - 60 % от всего каркаса здания, применение дяя их устройства балок с раскосной перфорацией стенки может дать бэльшой экономический эффект.

Балка с раскосной перфорацией стенки получатся путем роспуска стенки прокатного двутавра по зигзагообразной линии с од-новремашшм получением дополнительного элемента - лепестке -раздвижкой полубалок, вставкой лепестков между выступами стенки и последующей сваркой. Преимуществами даклой конструкции являются: повышение несугчзй способности балки, экономия материала, небольшая масса, относительно малая строительная высота.

Балки с расгосной перфорацией стенки имеют ряд дополнительных достоинств в сравнении с широко извест'ълли балками о линейной перфорацией отешш:

- большая высота сечегщя в 1,3 - 1,4 (Высоту балки молно увеличить в 2 и более раза по сравнению с высотой исходного двутавра.);

- повышенная жесткость в 2,4 - 3 раза;

- удобство в конструктивном отношении;

- плавное изменение жесткости по длине отверстие (Разница значений моментов терции не превышает 7 %. В балках с линейной перфорацией эта розница составляет 10 % и более.);

- большая экономия материала (Сокращение расхода стали может достигнуть 30 % в сравнении со солошностенча-шш балками.)

Перечисленные достоинства балок о раскосной перфорацией стен-

ки позволяют рекомендовать их к широкому использованию в практике строительства.

Диссертация выполнялась как часть научно-исследовательской работы кафедры строительных конструкций и архитектуры Владимирского государственного технического университета.по теме "Разработка и исследование эффективных строительных конструкций" в рамках целевой комплексной программы ГНГК 0.Ц.031 (раздел 0.55.16.Ц).

Цель оаботн - разработка конструкций формы балок с раскос-нон перфорацией стенки, изучение действительной работы под нагрузкой и на основе этого разработка методов расчета и оптимизации таких балок.

Задачи исследования:

1. Исследование параметров реза исходных двутавров на эффективность балок.

2. Исследование напряженного состояния элементов балок с раскосной перфорацией стенок. •

Разработка методики расчета балок с раскосной перфорацией стенки.

4. Исследование деформированного состояния.

5. Исследование потери местной устойчивости элементов балки с ракосной перфорацией стенки.

С. Разработка способов оптимизации балок с ракосной перфорацией стег;ки на основе методики расчета.■

Научная новизна заключается:

- в создании новой конструктивной формы, балки с раскосной перфорацией стенкм;

- в разработке методики расчета балки;

- в определении условий, обеспечивающих местную устойчивость элементов балки;

- в получении формул для проверки местной устойчивости элементов балки;

- в исследовании напряженного состояния элементов балки-

Практическая ценность работы состоит в создании программы

для ЗВМ и инженерного метода расчета, позволяющих максимально использовать несущую способность по критерию местной устойчивости, прочности, жесткости, и тем самым снизить расход стали.

Внедрение результатов исследований: материал диссертационной работы в виде княенерного метода расчета передан в проектные

- 3 -

организации для практического использования.

На защиту выносится:

- ловая кслструктивна/- форма б^лки с раскосной перфорацией стенки;

- методика расчета балок раскосной перфорацией стенки;

- результаты экспериментальных исследований напряяенно-де-формированного 'состояния балки;

- результаты теоретического 3j экспериментального исследовс-ияя местной устойчивости элементов балки.

Апробация работы. Отдельные части рабэты доложены:

на научно-технических конференциях Владимирского государственного технического университета в 1991 - 1994 гг.;

на научно-технической конференции Новосибирского инженерно-строительного института им. В.3.Куйбышева в 1993 г.;

на Пятой Укрэинской ньучно-техкяческой конференции по-металлическим конструкциям в 1992 г.

По Tei."<? диссертации имеется две публикации.

Объем работа: диссертация состсит из введения, трех глав, основных вопросов, спыжа литературы из 108 наименований; включает 124 страницы мапинописного текста,56 рисунков, 7 таблиц. Общий объем работы 134 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введен/л обосновывался актуальность темк я необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований балок с раскосной перфорацией стенки, сформулирзвана цель работа.

В пемзой главе рассмотрен опыт применения конструкций с пер-фориро занными стенками.

В результате установлено, что:

- конструкция такого типа рационально применять в качестве изгибаемых элементов или скато-изогнутос при незначительной величине продольной силы;

- в перфорированных конструкциях стенка имеет отверстия различного ввда - от простейшего четырехугольника до многоугольника, овала, что в большей степени отвечает конструктивным требованиям при работе элементов на статическую нагрузку;

- Л -

- несущая способность перфорированных конструкций зависит от геометрических отверстий их формы.

Проанализированы опубликованные в печати теоретические и экспериментальные исследования балок с линейной перфорацией стенки. В процессе анализа выявлено:

- в практике проектирования несущая способность балок определяется по приближенной методике;

- при определении прогибов влияние упругой податливости стенки учитывается введением коэффициентов, величина которых устанаваливзотся по данным э^спержентов. Таким образом уменьшается расхождение между теоретическими и экспериментальными значешшли прогибов.

Установлены области применения перфорированных балок, виды конструкций, государства, в которых занимаются этими конструк-щжи, экономическая эффективноогь.

Известные техшнескиа решения балок с линейной или шахматной перфорацией стенки позволяют увеличить высоту балки в 1,5 -1,8 раза. Высота сечения балки лимитируется глубиной реза 0,750,8 высоты исходного двутавра, иг дальнейшее ее увеличение без дополнительного расхода материала становится невозможным. Сохраняя преимущества линейной перфорации, высоту балки можно увеличить в 2 раза и более, используя раскосную перфоращш стенки,

Стенку исходного двутавра режем по ломаной линии (рис. I),одновременно с наклонной стороны выступа вырезаем дополнительный лепесток.

Раздвигаем верхнш и нижнюю половинки балки и вставляем лепестки мевду выступает. После сварки и оформления опорных частей получаем балку с раскосной перфорацией. В зависимости oí оформления опорных частей мояем подучить балки постоянного сечения по длине и переменного сечения по длине. Высота сечения такой балки будет равна

где d - глубина рэза.

По сравнению с балками с линейной и шахматной перфорацией стенки балки с раскосной перфорацией:

- болзе жестки в 2,5 - 5 раза;

- более удобны в конструктивном отношении;

- имеют лучший характер изменения жесткости по длине отверстия. Разность моментов инерцки в зоне отверстия не превышает 7 %.

£

Рио. I. Изготовление балок с раскосной перфорацией

В балках с раскоской перфорацией эта разность превышает 10 %;

- более экономичны. Сокращение расходов материала монет достигать 30 % по сравнению со сплошностенчатыми балками.

Вопросами исследования конструкций с перфорированными стенками в разное время занимались Ю.М.Дукарский, М.М.Еербкн, М.А.Жандаров, Я.А.Каплун, М.М.Копылов, Я.И.Ольков, Б.Е.Огородный, Г.М.Остриков, А.И.Перич, Н.И.Скляднев, Ю.Н.Симаков, Б.В.Хлопцев, Ю.АЛернов, Т.Гибсон, Х.Кейтс, Г.Коврад, Е.Кал-. лос, В.Тенкине, В.Такус, ф.фальтуе и многие другие ученые.

К настоящему времени в основном решены задачи прочности, жесткости и местной устойчивости для балок с линейной и шахматной перфорацией стенки.

Балки о раскосной перфорацией стенки предлагается впервые, поэтому не"ясна их действительная работа под нагрузкой, не исследованы резервы несущей способности, устойчивость юс отдельных элементов. Исходя из вышесказанного, поставлена следующие задачи исследования.

- определение параметров реза;

- исследование напряженного состояния балок по высоте сечения и по длине отверстий;

- разработка методики росчета;

- исследование деформированного состояния и разработка методики определения прогибов;

- исследование местной устойчивости элементов балок;

- экспериментальные наследования работы балок на моделях. Во второй главе исследуются и определяются параметры реза

исходного.двутавра.

Длина сшгоыностокчатой приопорной зоны балки регламентируется условием равнопрочности исходного двутавра и перфорированной балки, когда нормальные напряжения б зоне действия будут равны приведзнннм напряжениям в зоне изменения сечегаш

Предполагаем, что в предельном состоянии Тху<. Rs а, учитывая зависимость Rs -0,5 8 Ry , получим выражение для определения величины изгибающего момента , воспринимаемого материалом ослабленного сечения

где Wx - момент сопротивления исходного двутавра. Изгибающий момент в этом ко сечении от действия нагрузки

приравнивая моменты, получил выражения для определения длины приопорной сплоишостенчатой зоны

X e i- . (i)

Численный анализ полученного выракения показывает, что длина приогорного участка балки не должна превышать двух высот исходного двутавра.

Глубина реза d опеределяет высоту перфорированной балки и, следовательно, ее эффективность. Глубина рега будет ограничиваться, с одной стороны, местной устойчивостью стенки малого тавра.и, о другой стороны, устойчивостью всего малого тавра при работе его в составе балки на ссевез сжатие с изгибом. Задача устойчивости решалась энергетическим методом. Уравнение выпучивания срединной поверхности представлялось в воде

0J=f sen тг sin ^ , (2)

де а и в - соответственно длина и ширина пластинки. Выражение для определения критических напряжений

№ аУ *

оБ.

к = г!Вьга 6(9 - 2/Ъ)

здучзно сравнением выражений для потенциальной энергии изгиба иастинки и работы внешних сил. Из-за слояности определения [ервообразной функции выражение для работы внешних сил получено щпроксимацией результатов численного интегрирования при разлитых значениях параметров пластинки. Анализ значений критических гапряжений для прокатных двутавров типа Б и И показал, что при глубине реза о( >0,75 местная устойчивость стенки малого тав-за всегда'обеспечивается.

В зоне отверстия верхний пояс балки а виде малого тавра работает на одновременное действие изгиба и скаткя (рио. 2) ■

1ормальнке наибольшие напряжения в сечении от изгиба

Ош - Of 'h(jJ i от осевого сжатия

rf huí-Ус f i-Л) Чо-О/ ht ,

Здесь

Л- j,cf - i >

(5)

(6)

б>1

Рис. 2.Напряжения в стертне к \д/^ - соответственно площадь стер&ня и момент сопротивления относительно наиболее сжатого волокна. Относительный эксцентриситет будет равен

Ус Г/-/3) Пш- Ус (4-Я)

Используя известное решение задачи устойчивости занецентренно снатого стержня

т -

л2 ,,,< , еОсГ , ¿Hieor-'* -л после преобразований и упрощений получил

zAi&dc

- а -

¿Мугс ч-у>}

где .

При конкретных значениях относительного эксцентриситета и Н/а&ь ■* у 2с

) задача оптимизация уравнения (8) сводится к нахождению наибольшего значения гибкости, при которой обеспечивается устойчивость стержня. Данные численного решения ее при различных значениях глубины реза показали, что длина реза, равная ширине двух лепестков, не долина превышать двух высот исходного тавра при глубине реза с( = 0,75 и 0,7 высоты исходного двутавра при ОС =0,9.

Таким образом, при условии обеспечения уст&йчивости малого тавра ширина лепестка не должна превышать (I - 0,35) Н высоты исходного двутавра при изменении реза Ы = (0,75 - 0,9).

Ширина лепестка при заданной глубине реза однозначно определяет угол наклона внутренней грани отверстия Ьд^ — Н(¿Ы. - !)/£<%. Оптимальный угол наклона по условиям обеспечения местной устойчивости стенки балки не должен превышать 50°. Это требование ограничивает ширину лепестка а ^ 0,5Н при глубине реза С( = 0,75 -0,85.

Анализ напряженного состояния элементов балки о раскосной перфорацией производится с помощью функций Эри, которая принята в ваде полинома 11-й степени

У6х юу -^тьА -6)х9уг-1 (60Ь -Н)х8уъ-Кху<0+ /л/";

-6 - • Т -д.

чц

дгу2 > ^ дх* ' Зхду

Условие неразрывности деформаций проверяем по уравнению

у дх* дгхдуг ду*

В общем случае полином включает восемь неизвестных факторов, которые находятся из граничных условий. Задача решалась с помо-

щью ЭВМ по специально разработанной программе, которая позволяет вычислять напряжения в любых точках по высоте сечения и длине пролета. Характер распределения напряжений по высоте сечения в зависимости от глубины реза показан на рис. 3.

Л

Рис. 3. Влияние глубины реза на распределение напряжений: а - ври х ^ 2а; б - при 2а < х 4 4а;- глубина реза - 0,75;---глубина реза = 0,8;---глубина пе-

за = 0,В5

Данные теоретического исследования показывают, что распределение нормальных напряжений в малом тавре может быть принято отвечающим гипотезе плоских сечений. Напряжения к деформации в стенке также мой!о считать линейными в границах между малыми таврами.

Напряжения по длине отверстия распределяются неравномерно о наибольшими значениями по концам отрезка. Численной анализ позволяет рекомендовать в запас прочности производить проверку ■ ( принятого сечения в соответствии с требованиями СНиП П-23-81* как для балок с линейной перфорацией стенки.

В зоне изменения высоты сечения балки нормальные и касательные напряжения одновременно имеют относительно большие значения, поэтому требуется проверка прочности стенки тто приведенным напряжениям.

Исследование местной устойчивости стенки проводилось как для пластинки переменной ширины, ке&тко закрепленной в поясах балки, на действие касательных напряжений (ряс. 4).

Потеря местной устойчивости такой пластинки выражается поворотом ее относительно оси, проходящей через наиболее удаленные точ-

кн закрепления. Поворот сопровождается появлением двух волн вы- -

пучиьания в месте пришканкя пластинки к поясу. Задача решается энергетическим методом. Уравнение поверхности выпучивания пластинки представлялось в взде

- Ш)

Данное уравнение отвечает всем граничным условиям. Численное решение поставленной задачи реализовано на ПЭВМ, Приводятся блок-схема программы. Анализ полученных, результатов показал, что с достаточной для практических целей точность» значение критических напряжений при сдвиге может быть вычислено по формуле

ту

ten = ТГ К > № •

где V - цилиндрическая жесткость.

Коэффициент К вычисляется в зависимости от параметров лепестка по формулам

* % ^

mgL при 0,85 < g 4 1.25, (13).

Оптимальный угол наклона оси лепестка к продольной оси балки равен 50°.

Для оценки кеоткости балок с раскосной перфорацией стенки можно применить приближенную формулу определения прогиба в середине пролета

ZAL . ZAL

а____

-к---:-

Рис.4. Расчетная схе?<ш пла-

с1инки

где -fQ - прогиб в середина пролета условно сплоиностекчатой балки; - прогиб сквозной балки от местного изгиба поясов и сдвига стенки

(15)

7 7 51 ■ »/з

Здесь и v/^ соответственно моменты инерции малого тавра _ стенки; С1 - расстояние меаду центрами тяаести балки и малого тавра.

В третьей главе описывавтся результаты экспериментальных исследований на крупноразмерных моделях о раскосной перфорацией стенки, выполненных в масштабе 1:2 из прокатного 16Б1.

Приведена методика экспериментального исследования балок, изложена - методика рационального планирования эксперимента, позволяющая с помощью минимального числа образцов решать поставленные задачи исследования, .а именно:

- определить напряженное и деформированное состояние балки на всех стадиях работы материала;

- оценить влияние параметров' реза исходных двутавров на напрятанное состояние;

- оценить местную устойчивость элементов поясов и стенки балки в зоне перфорации;

- определить величины предельной нагрузки и оценить сссбекно-сти перехода балок в предельное состояние.

Для решения поставленных задач экспериментального исследования было запроектировано две серта опытных балок, кандея серия из трех образцов.

Длша балок была принята равной 3 м, что являлось геометрическим подобием натурной конструкции длиной 6 м. Испытывались балкл переменного сечения по длине пролета.

Балки первой серии имеот одинаковые параметры реза. В них менялось конструктивное оформление опорной зоны бэлки. В первой балке приопорнзя часть специально не оформлялась и оставалась соответствующей резке. Во второй баляе в пркопоркой зоне усиливалась листовой вставкой стенка балки. В третьей балке дополнительно к листовой вставке приваривалось поперечное ребро»

Испытание моделей подтвердило влияние конструктивного оформления зоны ка работу балки под нагрузкой и позволило выбрать более простое конструктивное оформление зоны перехода сплошно-стенчатого сечения к сквозному, которое было реализовано во второй серки балок.

Вторая серия балок предназначалась в основном для исследования влияния параметров реза на напряженное состояние балок и местной устойчивости стенки и полок перфорированной балки. Балки этой серии отличались друг от друга глубиной реза с/ = 0,75; 0,8; 0,85.

Испытания моделей проводились на специальном стенде. Нагрузка передавалась с помощью рычакной установки в трех точках по длине пролета.

Методика испытаний предусматривала измерения:

- прогибов балок с помощью прогибомеров 6ПЛ0 с точностью измерений 0,01 мм, прогмбомеры устанавливались в середине про--лета;

- возможной осадки опор индикаторами часового типа йЧ-1 с точносгь» измерения 0,01 мм;

- относительных деформаций, для изучения напряженного состояния, с помощью тензорезнсторов типа 2ПКБ-Ю-200 ВС с базой

10 мм и трехкошонентных розеток тйпа 2ФКРГ-5-100 ГВС с базой 10 мм.

Для регистрации деформаций применялся цифровой тензометри-ческий комплекс СИИГ-3 с выводрм информации на печать.

В процессе испытаний определялись: предельная нагрузку, особенности перехода балок в предельное состояние, оценивалась местная устойчивость элементов балки, влияние параметрои~рёз£Гна напряженное и деформированное состояние балки.

Проведенные экспериментальные исследования позволяет сделать оледущие вывода:

- В зоне действия наибольших изгибающих моментов (малые тавры) работают на внецентренно сяатие элементы. Гипотеза плоских сечений для малого тавра сохраняется. Испытательный коэффициент равен 0,9.

- Напряжения неравномерно распределяются по длуяе отверстия. Наибольшие значения они имеют в зоне прямого угла:в 1,5 больше,

- 13 -

чем в ореднем по длине отверстия сечения, и в 2 раза больше, чем на другом конце отверстая. Очевидно, что прямой угол является концентраторам напряжений.

- В зонах сплошностенчатых участков с-тенки при общей тенденции сохранения закона плоских сечений в местах контакта верхнего большого тавра о лепестком стенки отмечается рост нормальных напряжений. Эти точка является наиболее опасной, поэтому требуется проверка прочности стенки в этой точке по приведенным напряжениям .

1/б* + ЗГху * 4 ■

- Переход балок в предельное состояние происходит за счет разрыва лепестка в зоне иерехода от сплошностенчатой части Салки к сквозной в маете примыкания его к стенке большого тавра. Потерь местной устойчивости элементов балок при переходе их в предельное состояние не отмечалось.

- -Местная устойчивость стеной малого тавра обеспечивается при глубине реза с( > 0,75, при эте.ч общая устойчивость малого гавра может не проверяться, если длина его не превышает высоты исходного двутавра.

- Деформации перфорированных балок презышакгг теоретические значения в 1,03 раза, поэтому с достаточной для практических целей точностью прогибы могут быть зэткслены как для условно оплошностенчатой балки я увеличены за счет влияния жесткости стенки ^з = 7,4.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДИ

1. Предложена новая конструктивная форма балок с раскосной перфорацией стенки, которая позволяет уаеличигь высоту сечения балки в 2 раза, момент инерции сечения в 4 раза к в 2 раза момент сопротивления по сравнены) с исходны:.! двутаврам.

2. Разработан* рекомендации по выбору размеров параметров реза с учетом прочности и местной устойчивости поясов и стенки балки.

- К -

3. Исследованы вопгхзсы потери местной устойчивости элементами вертлего пояса в зоиз отверстия и стенки в зоне выреза. При рекомендуемых параметрах реза потери местной устоачиьостя не происходили.

Проведены экспериментальные исследования балок, результаты которых подтвердили основные элементы теоретических исследований .

4. Установлено, что в балках' с раскосной перфорацией стенки переход в предельное хос/ьяние вызван разрушением стенки балки в месте изменения сечения от совместного действия нормальных

и касательных напряжений. Предельная нагрузка на балку ограничивается по прочности на сдвиг. Балка имеет запас прочности на изгиб.

5. Ка ¡.¿стко'ть оалки больное влияние оказывает упругая податливость стенки, зависящая от относительной жесткости лепестка-вставки. С повышением жесткости лепестка уменьшается прогиб оалки.

6. НГ) жесткость балки большое влияние оказывает упругая податливость стенки, зависящая от относительной жесткости лепес-тке-вставки. С повышением жесткости лепестка уменьшается прогиб балки.

7. Прогиб балки с достаточной для практических це^гй точностью может быть вычислен как для условно оплошностенчатой Салки с моментом инерции, соответску/*-адкм перфорированному сечению, и увеличен за счет упругой податливости станки умножением на коэффициент А $ = 1,14.

8. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации по конструированию и расчету балок с раскосной перфорацией стенки.

9. Разработай программа расчета балок с раскосной перфорацией стенки на ЭВМ. Но заданным величинам продетой, интенсивности нагрузки и прочности материала выдаются данные о номере исходного двутавра и параметрах реза.

Основные положения диссертации опубликованы в следувдих роботах:

1. Заборокий A.A., Ктойдат ф. Балки увеличенной eiicoth из прокатных двутавров // Усиление и реконструкция производственных зданий и сооружений, построенных в металле : Тез. докл. Пятой Украинской науч.-техн. конф. по металлическим конструкциям. Киев, 1992. С. CS.

2. Наборцкпй A.A., Кт..;йкат Выбор параметров реза балок

с ряскосноЛ перфорацией стенки// Тез. докл. науч.-техн. конф. • профессорско-преподавательского состава с участием представителей строительных, проектных и научно-исследовательских организаций. Новосибирск, 1993. С. 15.

/