автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Повышение надежности рамных узлов стальных каркасов многоэтажных зданий

На правах рукописи

Святошенко Алексей Евгеньевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ РАМНЫХ УЗЛОВ СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2006

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ ЛРХИТЕКТУРНОСТГОИШ1МЮМ УНИОЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Молев Игорь Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Капустин Сергей Аркадьевич,

кандидат технических наук, доцент Л а мпс н Борис Борисович

Ведущая организация

Центральный научно-исследовательский и проектный институт строительных металлоконструкций (ЦНИИПСК) им. Н,П. Мельникова

{г. Москва)

Защита состоится 30 ноября 2006 г. в . 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212.162.03 при Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «27 » октября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, /у

кандидат технических наук, доцент^^^^Т® Н.М. Плотников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Очевидно, что надёжность строительной конструкции* определяется не только работой её элементов, но и в не меньшей степени точностью расчёта узловых сопряжений. Однако в отечественных нормах не уделяется должного внимания проектированию узловых соединений.

В настоящий момент остро встаёт вопрос адекватности назначения расчётных схем, а именно: проблема соответствия применяемой схемы фактической работе стального каркаса. В связи с ростом темпа строительства административных и торгово-аыставочных центров в большинстве случаев, как показывает практика, применяется рамная или рамыо-связевая конструктивная схема здания, преимуществом которой является свобода планировки. Геометрическая неизменяемость здания обеспечивается рамным сопряжением ригелей с колоннами.

Экономическая эффективность и надёжность таких каркасов может быть обеспечена как усовершенствованиями методик расчёта, так и конструктивными мероприятиями.

Особенности типовой конструктивной схемы рамного узла таковы, что вовлечение отдельных областей в зону пластических деформаций начинается на сравнительно низких уровнях нагружения. При этом не рассматривается влияние упруго-пластической работы части элементов узла на деформации и перераспределение усилий в каркасе. Наличие концентраторов напряжений и дефектов, вероятность которых в построечных условиях увеличивается, может приводить к преждевременным отказам, такие примеры в строительной практике известны.

Вопросы расчёта узловых соединений в строительных конструкциях, а также учет особенностей их работы при расчёте стержневых моделей являются актуальным направлением для исследования. Например, учитывая фактическое распределение усилий в системе, возможно снизить расход материала на применяемую конструкцию, что является первоочередной задачей. * - понятие принимает в соответствии с ГОСТ 27751-88

3

Объектом исследования является рамный узел, традиционно применяемый в каркасах многоэтажных производственных и гражданских зданий, выполненных по рамной и рамно-связевой конструктивным схемам. Конструкция рамного узла принята на основе обзора отечественных и зарубежных изданий металлических конструкций и активно применяется в настоящий момент. Рассматриваемый рамный узел очень трудоёмок и сложен в изготовлении. Необходимость исполнять все швы в нижнем положении приводит к усложнению формы верхней горизонтальной накладки. Исследуемый узел образуется рамным сопряжением ригеля с колонной двутаврового профиля.

Цель исследования заключается в повышении надёжности рамных узловых сопряжений ригелей с колонной в каркасах многоэтажных зданий, а также в оценке влияния конструктивных факторов на напряжённо-деформированное состояние элементов рамного узла.

Задачами исследовании являются:

— анализ конструктивных схем рамных узлов, применяемых в зарубежной и отечественной практике проектирования;

— обобщение результатов работ, затрагивающих проблему расчёта и конструирования рамных узлов стальных каркасов;

— уточнение напряженного состояния в элементах узла;

— разработка методики по определению нормальных напряжений в сварных швах, крепящих горизонтальные накладки к поясу колонны;

— вычисление граничной нагрузки на горизонтальную накладку при отсутствии в модели горизонтальных рёбер жёсткости;

— анализ влияния конструктивного исполнения рамного узла на работу стального каркаса;

— совершенствование конструкции рамных узлов с целью повышения их несущей способности н увеличения надёжности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработана методика по определению наиболее значимого компонента нормальных напряжений в элементах рамного узла при двух конструктивных решениях, а именно: с рёбрами жёсткости и при их отсутствии;

— решена задача по определению граничного и допускаемого усилия на горизонтальную накладку при отсутствии рёбер жёсткости в конструкции рамного узлового соединения;

— на основе анализа расчётов МКЭ и экспериментальных исследований предлагается инженерная методика проектирования (расчёта и конструирования) элементов рамного узла;

— разработано новое конструктивное решение рамного соединения ригеля с колонной, позволяющее повысить его несущую способность по сравнению с существующими аналогами.

Практическая значимость. Используя результаты н методики данной работы, проектные организации могут получить определённый экономический эффект. Снижение стоимости достигается рациональными конструктивными мероприятиями, увеличивающими несущую способность и жёсткость соединения. Разработанная методика позволяет с большей точностью выполнять расчёт рамных узлов стальных каркасов. В практических расчётах необходимо учитывать совместность работы стержневой модели с принимаемым конструктивным решением рамного соединения.

Результаты диссертационной работы использованы:

— при разработке проекта марки КМ девяти этажного административно го здания с техническим подпольем н техническим этажом. Рабочий проект "Пристрой к дому 15А на пересечении Московского шоссе и улицы Маршала Казакова в г. Н. Новгороде";

— при разработке проекта по реконструкции административного здания. Рабочий проект "АБК комплекса глубокой переработки нефти. ОАО "ЛУКОЙЛ - Нижегороднефтеоргсинтез", г. Кстово";

— при разработке проекта по реконструкции административного здания. Рабочий проект "АБК комплекса глубокой переработки нефти. Лифтовые шахты. ОАО "ЛУКОЙЛ - Нижегороднефтеоргсинтез", г. Кстово".

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались: на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов (г. Нижний Новгород, 2004 г.); на X Нижегородской сессии молодых учёных (технические науки, г. Дзержинск, 2005 г.); на форуме "Великие реки-2005" (г. Нижний Новгород, 2005 г.); на XIV польско-русско-словацком семинаре (Warszawa, 2005 г.).

На защиту выносятся:

— результаты теоретических И численных исследований работы элементов рамных узлов;

— методики по определению нормальных напряжений в растянутой горизонтальной накладке, при установке и отсутствии в узле рёбер жёсткости;

— методика по вычислению граничного и допускаемого усилия на растянутую горизонтальную накладку при неподкреплённых поясах колонны;

— результаты экспериментальных исследований по определению особенностей напряжённого состояния элементов рамного узла;

— конструктивное решение, позволяющее повысить несущую способность и жёсткость рамного узлового соединения.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 9 научных изданиях, одно из которых включено в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК. Общий объём публикаций составляет 1,2 печ. л..

Структура н объём работы. Диссертация состоит: из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, а также 7 приложений на 38 страницах. В общий объём диссертации входят 222 страницы, в том числе 148 иллюстраций, 30 таблиц, а также библиографический список используемой литературы, включающий 108 источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цели исследования и отмечается научная новизна выполненной работы.

В первой главе выполнен обзор работ, посвященных вопросам проектирования рамных узлов стальных каркасов.

Традиционно применяемая методика расчета такого узла носит условный характер: не учитывается концентрация напряжений в элементах; сложное напряженное состояние стенки колонны учитывается приближенно. Отсутствует связь конструктивной схемы рамного узла и работы всего каркаса.

Распределение трёх компонентов напряжений в стенке колонны, в зоне примыкания ригеля, хорошо согласуется с теорией местных напряжений, разработанной Б.Б, Лампси для подкрановых балок при локальном действии нагрузки, а также в работах его последователей на кафедре металлических конструкций НГАСУ: А.И. Кузина, А.И. Колесова, Е.В. Курочкиной, В.И. Пашкевича, А.К. Юфимычева, A.A. Лапшина.

Уточнённое напряжённое состояние стенки колонны среднего рамного узла рассматривалось в работе В.И. Пашкевича "Напряжённое состояние рамных узлов тонкостенных металлических конструкций".

Значительный вклад в создание основ расчёта рамных узлов был внесён ЦНИИ ПС К им. Н.П. Мельникова. Экспериментальное исследование работы сварного рамного узла выполнено в работах П.Н. Троицкого, И.В. Левитанского, в них также оценивается влияние конструктивного исполнения рамного узла на его работу.

При рассмотрении задач, связанных с особенностями сопряжения элементов рамного узла, было отмечено нх широкое практическое применение, например в судостроении — сопряжение горизонтальной накладки с поясом колонны при отсутствии рёбер жёсткости. Подобная задача рассматривалась в работе А.Ф. Вичёва "Экспериментальное исследование несущей способности и податливости узла с жёсткой точкой при действии статических нагрузок".

Особое внимание при обзоре уделено современным зарубежным изданиям. Это вызвано отсутствием достаточного количества материала в отечественной литературе для полноты раскрытия вопроса. В этом случае определённо помог материал Federal Emergency Management Agcncy: издание рекомендаций FEMA и целого ряда работ были вызваны обширными повреждениями рамных узлов в США.

По результатам обзора принята наиболее распространённая конструктивная схема рамного узла в отечественной строительной практике. Исследуемое конструктивное решение узла не имеет кардинальных отличий по сравнению с зарубежными аналогами, поэтому найденный материал особенно важен для исследователей.

При изучении рекомендаций FEMA, разработанных совместным предприятием "SAC Joint Venture", были отмечены: актуальность выбранной темы; важность поставленных задач; необходимость более углублённого рассмотрения контактных задач в узловых соединениях, а также отмечено особое влияние конструктивных факторов на работу рамного узла.

Особенности напряжённого состояния элементов рамного узла также рассматривались в работах зарубежных исследователей: S.C. Goet, В. Stojadirrovic, J. Choi, К.Н. Lee.

В настоящий момент активно исследуется тема, касающаяся фактического распределения усилий в стержневой системе при различных типах конструктивных решений рамных узлов. Данная тема развита в работе А.Б. Павлова "Учёт реального поведения узлов при расчёте рам стальных каркасов", а также в работах зарубежных исследователей: S.O. Degertekin, M.S. Hayaliogli.

При изучении современного состояния вопросов, касающихся расчётов сварных рамных узлов на горизонтальных накладках, учтена степень их проработанности. На основании этого сформулированы цели и поставлены основные задачи исследования.

Во второй главе исследована работа наиболее нагруженных элементов рамного узла. Разработана методика расчёта нормальных напряжений в горизонтальной накладке для двух случаев компоновки узла, а именно: с ребрами жёсткости н при их отсутствии.

Определение максимальных нормальных напряжений в горизонтальной накладке без рёбер жёсткости предлагается выполнять следующим образом. Горизонтальная накладка рассматривается как пластина на упругом основании (рис. 1). Переменная жёсткость основания зависит от податливости пояса и стенки (рис. 2):

Д = Д(л)™к + Ленки- (I)

Рис. I. Расчётная Рис. 2. Расчётная схема к опре- Рис. 3. Расчётная схема пояса

схема накладки делению жёсткости основания колонны (полубесконечная

консольная пластинка)

Значения продольных и поперечных перемещений узлов сварного шва, крепящего накладку к поясу колонны, существенно отличаются (от 30 до 70 раз), в связи с этим предлагается следующая предпосылка. Граничные условия представляют собой ограничение перемещений в поперечном направлении и упругие связи в продольном направлении накладки.

Прогиб пояса определяется как для полубесконечной консольной пластинки от действия сосредоточенного усилия (расчётную схему пояса колонны см. рис. 3). Тогда дифференциальное уравнение прогиба представится в следующем виде:

сх

Как известно, любая чётная функция допускает представление через интеграл Фурье:

Л» = — /соз(егуУаг//(?)со5(а 7)^17. (3)

Я о л

Поскольку интенсивность нагрузки /(т}) = р/у постоянная в интервале У/2 < ч < У/2 и исчезает на остальной площади пластинки, то функция /(у) представляется в следующем виде:

ПУ) = ^ТЛ-¿-¿а. (4)

яУ; а

•

%р ръ

так как I—сж(а?))Лу =---—, с учётом чётности искомой функции.

;У V а

Таким образом, функция /(у) представляет собой разность между значениями поперечной силы Q по обоим краям сечения х~ с.

Общим решением дифференциального уравнения (2) будет являться следующее выражение:

К = "\ХХх,а)со${ау)<1а, (5)

а

в котором функция Х,{х,а) имеет следующий вид:

Х,(х,а) = (А, + В1х)сКссх)+(С1 + О^к(ох). (6)

Для определения коэффициентов А/, В{, ...Д?, зависящих от а, необходимо подставить выражение (5) в граничные условия на кромках пластинки при * = 0, х « а, а также в условия неразрывности при х ** с.

В работе выполнено табулирование результатов с использованием численных методов. Значения сведены в таблицу, таким образом, от любого загружена и геометрии пластинки возможно определить максимальный прогиб пояса по сечеиню нормали к заделке Д^)^ (табл. 1,2).Втабл. 1 параметр V = с/а характеризует координату приложения сосредоточенного усилия.

Таблица I

Распределение относительного прогиба полубесконечной консольной пластинки по сечению нормали к заделке при действии сосредоточенного усилия

V* с а Относительный прогиб пластинки {и)т) х 10'1 в точке с координатами, при действии сосредоточенного усилия Р = 10 кН

т. 0 (0,0а) т. 1 (0.1а) т. 2 (0,2а) т. 3 (0,3а) г. 4 (0,4а) т. 5 (0,5а) Т. 6 (0,6а) т. 7 (0,7а) т. 8 (0.8а) т. 9 (0,9в) т. 10 (1,0«)

1,0 0,000 1,300 4.900 10,475 17,750 26,500 36,750 48,000 60.750 74,500 90£50

0,9 0,000 1,200 4,525 9,575 16,100 23,875 32,750 42,500 52,750 63,750 74.500

0,8 0,000 1,125 4,150 8,725 14,550 21,350 29,000 37,000 47,750 52,750 60,750

0,7 0.000 1,050 3.825 7.925 13.050 18,925 25,250 31,250 36^50 42,500 48.000

0,6 0,000 0,975 3,500 7,225 11,575 16,425 21350 25,250 29,000 32,750 36,750

0,5 0.000 0,915 3.200 6,375 10,025 13,800 16,425 18,925 21,350 23,875 26,500

0,4 0,000 0,850 2,875 5,525 8,325 10,025 11,375 13,050 14,550 16,100 17,750

0.3 0,000 0,800 2,500 4425 5,525 6,375 7,150 7,925 8,725 9,575 10,475

оа 0,000 0,718 2,060 2,500 2,875 3,200 3,500 3,825 4,150 4,525 4,900

0,1 0.000 0,668, 0,718 0,800 0,850 0,915 0,980 1,050 1,128 1,215 1Л0

Таблица 2

Распределение относительного арогнба полубесконечной консольной пластинки по сечению нормали к заделке при действии распределённого усилив

Координата Относительный прогиб (й)„)х 10' в точке с координатами, при действии распределенного усилия, эквивалентного Р = 10 кН

т.О (0,0а) т. 1 <0Л«"> т. 2 (0,2а) т. 3 (0.3а) т. 4 (0,4а) т. 5 (03а) Т. 6 (0,6л) т. 7 т. 8 (0,8а) т. 9 (0.9а) т. 10 (1.0а)

у = 0 0,00 0.90 2.98 5А4 9,18 12,81 16,64 20.4« 24,60 29.43 32,61

Используя результаты, приведённые в табл. 1, 2, фактическое перемещение сечения пояса предлагается определять по формуле

а1 1

- Р «>« * -¿Г* • (7)

Податливость стенки ¿тшЯ| может быть определена с использованием работ Б.Б. Лампси и Б.М. Броуде.

Методика по вычислению условных жёсткостей включает определение:

- перемещений пояса Д(*)л «с по сечению нормали к заделке от действия равномерно распределённого усилия;

- податливости стенки колонны Д«™«;

- суммарных перемещений Д;

- усилий Р, приходящихся на КЭ "пружина", при этом распределение усилий происходит обратно пропорционально перемещениям Л;

— жёсткости в каждом КЭ по формуле к = К/Л (зная перемещение и усилие, приходящееся на каждый КЭ).

Затем выполняем статический расчёт плоской КЭ модели с требуемыми граничными условиями. По результатам получаем распределение нормальных напряжений по оси действия усилия. Данные предпосылки справедливы только для определения нормальных напряжений вдоль действия усилия горизонтальной накладки.

Для учета плавности сопряжения пояса со стенкой достаточно за консольный вылет пояса принять расстояние от его края до начала радиуса скруг-ления, а жёсткость стенки колонны — постоянной по длине, равной толщине стенки плюс два радиуса скругления.

Используя предлагаемую методику, возможно с достаточной точностью определить фактическое распределение напряжений в горизонтальной накладке, при отсутствии подкрепляющих рёбер жёсткости.

Граничное усилие, характеризующее наступление пластических деформаций в сечении горизонтальной накладки и, следовательно, начало нелинейной зависимости изгибающего момента от угла поворота в опорном сечении ригеля, предлагается определять по следующей формуле:

Рд -О^хДуХ^х/^, (8)

где /кг — активная длина сварного шва, принимаемая в расчёте, равная расстоянию между точками пересечения фактической и элементарной эпюры нормальных напряжений;

/„ — толщина горизонтальной накладен. Допускаемое усилие на горизонтальную накладку предлагается определять последующей формуле:

Л) = 0,85 хйгх к . (9)

Допускаемое усилие, определяемое по формуле (9), ограничивает величину остаточных пластических деформаций в наиболее нагруженной области сечения накладки.

В соответствии с действующими нормативами рекомендуется ограничивать остаточные пластические деформации:

£>,ти = (Ю)

В работе также проанализированы результаты по определению активной шины сварного шва, учитывающейся в расчёте, получаемой по предлагаемой методике, по Еигосойе, по Л18С (при отсутствии в узле рёбер жёсткости). На рис. 4 показано сопоставление результатов расчёта по определению активной длины сварного шва, по различным методикам расчёта, при следующих исходных данных: колонна двутавровая 20К1 по СТО АСЧМ 20-93; горизонтальная накладка 6х 199x210мм.

Определение максимальных нормальных напряжений в стыковом сварном шве, крепящем горизонтальную накладку к поясу колонны в конструкции узла с рёбрами жёсткости, предлагается вычислять следующим образом.

Определяем нормальные напряжения в стыковом сварном шве вдоль действия усилий, при отсутствии рёбер жёсткости. Затем выполняем масштабирование полученной эпюры на коэффициент ¿в относительно прямой осред-нённых напряжений <г= М/Л. Результаты расчёта показаны на рис. 5.

Рис. 5. Эпюры нормальных на- Коэффициент к„ предлагается определять

пряжений на половине длины

стыкового сварного шва в следующем виде:

где «г,т:и£=3.

: и по лродег-«годм»

* О ПС АБС

' апошгокоаэ ' а фактическая

нтиирапт

Рис. 4. Сопоставление результатов расчета по различным методикам расчета

(9.066 + 2,767) х

3.842

5.654

■(И)

1-0,858 1-0.8^7 «З"

Отмечена необходимость учёта технологии проката на напряженное состояние пояса колонны. При этом методика по определению допускаемых напряжений поперек тол-щнны проката приводится в работах П.Н. Троицкого и И.В. Левитане кого и базируется на результатах исследований, выполненных в ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова. В выше перечисленных работах отмечена связь сжи-Рнс. 6. Напряженное состояв«« в

полке колонны в месте крепления мающих напряжении вдоль пояса и растягн-растянутой горизонтальной накладки

вающих поперёк пояса (рис. 6). Предотвращается возможность ламелярного расслаивания пояса колонны, а также устанавливается связь нормальных напряжений вдоль и поперёк толщины проката. Таким образом, увеличение одного из компонентов нормальных напряжений приводит к уменьшению допускаемого значения второго компонента напряжений:

сгу й

*(сгв-сгх)

и сгх £

*сга - усгу

(12)

У "к '

где к — коэффициент однородности материала пояса колонны; (та — временное сопротивление стали разрыву; егу, <Тх — нормальные напряжения вдоль и поперёк пояса колонны; у ~ коэффициент, зависящий от соотношения толщин пояса и накладки (в работе приведены графики по вычислению данного параметра).

В третьей главе проанализирована работа рамных узловых соединений при различных конструктивных решениях.

С учётом деформативносгн соединения, а также особенности наступления предельного состояния, предложено новое конструктивное решение рамного узла (рис. 7), что позволило увеличить его несущую способность и жёсткость. Разрушение предлагаемой конструкции произошло не в области монтаж-

ного соединения, а в сечении ригеля, отстающего от опоры (рис. 8). Выполнено разделение наиболее напряжённого сечения и области возможных дефектов, что является особенно важным.

Рис. 7. Предлагаема* усовершенствованна* конструкция рамного узла

Рис. 8. Результаты нелинейного расчёта предлагаемой конструкции (Time = 0.65) изопол* приведённых напряжений (Von Mises)

Установлено, что фактический угол поворота ригеля на опоре превышает угол поворота, определяемый при расчёте стержневой системы (рис. 9).

572 4*4 1716 22S8 2860

Рнс. 9. Сопоставление основных характеристик рамного соединенн» при различных конструктивных решениях: а) - эпюра углов поворотов опорного сечения рпгеля; 6) - эпюра прогибов консоли ригеля

Сопоставление основных характеристик конструктивных схем рамных узлов выполнено на основе расчётов МКЭ. Это вызвано тем, что теоретическое исследование напряжений в зонах узловых соединений классическими методами теории упругости весьма затруднительно. Последнее связано с разнообразием конструкции узлов, отличающихся жёсткостью и геометрической формой.

Таблица 3

Сопоставление основных характеристик рамного соединения при различных конструктивных решениях, результаты расчбт» МКЭ

Характеристика Стержневая модель Конструктивное исполнение рамного узла

без рёбер жёсткости с горизонтальными рёбрами жёсткости с горизонтальными и диагональными рёбрами ЖЕСТКОСТИ по предлагаемой конструктивной схеме

Прогиб консоли, мм 27.83 45,70 38,50 31,90 28,75

Угод поворота опорного сечення, радиан 0,00405 0,00924 0,00789 0,0056t 0,00446

Допускаемое усилие на консоль, кН - 49,5 57.0 141,0 201,5

SM2

к,! В табл. 3 приведены результаты расчёта КЭ

моделей рамных узлов при следующих исходных 1 данных: колонна 30К2; ригель 401112; горизонтальные | накладки толщиной 16 мм; вертикальная накладка толщиной 10 мм; предел текучести материала Яу "230 МПа; (см. расчётную схему загружения,

Рис. 10. Расчётная схема Рис- )0)- В расчётной схеме рамного узла с боковыми

консольного раыного узла ,, Л , г

' накладками усилие на консоль составляло 310 кН.

Как известно, дифференциальное уравнение упругой линии с учётом

сдвиговых деформаций имеет следующий вид:

ш*в

ШкЯ

-Í- = — + и—-).

dx' EJ dxGF

(13)

Тогда дополнительный компонент, увеличивающий прогиб ригеля, можно представить в следующем виде:

М

y(x) = fi

GF'

(14)

Наибольшим сдвиговым деформациям подвергается зона стенки колон* ны, ограниченная поясами ригеля. Тогда формулу (14) можно представить в

следующем виде, принимая в расчёт сдвиговых деформаций только сечение стенки колонны:

гс^/Г*"-- (15)

^'стенги

Дополнительный угол поворота опорного сечения ригеля предлагается определять по формуле:

о ш__^гтаГ-П:__((61

™ С * Гтни» X (^г + + *«„.)/ 2)'

Окончательно угол поворота опорного сечения составит в=+ «V™. . Угол поворота опорного сечения ригеля, определяемый по результатам расчёта пространственной КЭ модели, отличается от суммы слагаемых: угла поворота в0, вычисляемого в стержневой моделн, и добавки по формуле (16) > не более чем на 10%.

Зная фактический угол поворота ригеля на опоре, можно подсчитать упругое закрепление и учесть данную величину при расчёте стержневой модели, тем самым определить фактическое распределение усилий в стержневой системе и вычислить фактические вертикальные перемещения каркаса.

В четвёртой главе предлагаются требования по расчёту н конструированию рамных узлов, а именно:

- методика расчёта рамного узла крайней колонны;

- конструктивные мероприятия, позволяющие снизить касательные напряжения в стенке колонны;

- методика расчёта рамного узла с боковыми накладками. Как показали результаты исследования, установка боковых накладок позволяет увеличить несущую способность соединения вплоть до образования шарнира пластичности в сечении ригеля, отстающего от опоры на I =0,5й/+035Лриг;

- формула по определению касательных напряжений в стенке при установке диагональных рёбер жесткости. Результаты расчёта согласуются с экс-

пери ментальным и исследованиями, выполняемыми в ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова П.Н. Троицким и Н.В. Левитанеким. При установке диагонального ребра жесткости доля нагрузки вос-примется ребром кп а оставшаяся часть - стенкой = \ ~ к,. Долю усилия, воспринимаемого стенкой, можно определить следующим образом.

Вычисляются касательные напряжения в стенке колонны от единичного усилия ЛГИ1КЯ = 100 кН: = ЮОкН/И^!^ МПа, а затем напряжения, действующие в диагональном ребре: = МПа. Доля усилия, воспринимаемого ребром, определится из следующего соотношения:

¿г + Аг = 100%.

Сребре

(17)

Диагональные рёбра уменьшают касательные напряжения стенки на коэффициент кп тогда стенка воспринимает только часть от приходящегося усилия с горизонтальной накладки.

Касательные напряжения в стенке колонны, при установке диагональных рёбер жёсткости, определятся по следующей формуле:

(18)

В пятой главе выполнено экспериментальное исследование работы особо напряжённых элементов рамного узла на двух моделях, отличающихся одна наличием, а другая отсутствием рёбер жёсткости (рис. 11).

а)

Рис. 11, Экспериментальные образцы: а) при отсутствии рёбер (образец I); б) при установке рёбер (образец 2)

В настоящем исследовании проведение эксперимента вызвано следующими причинами: во-первых, отсутствием опытных данных и методик расчета особо напряжённых элементов узла; во-вторых, попыткой получить оценку выполненного теоретического исследования.

По итогам проведения экспериментальных исследований выполнено следующее.

1. По результатам тензометрии вычислено напряжённое состояние элементов рамного соединения, а именно: горизонтальных накладок, при установке или отсутствии в конструкции узла горизонтальных рёбер жёсткости.

Рис. 12. Распределение напряжений в сечении накладки (у=2б,0 мм): а) образец 1, при усилии Р=20 кН; б) образец 2, при усилии Р=80 кн.

ряд I — поМКЭ; ряд 2 — по результатам тензометрии; ряд 3 - по предлагаемой методике; ряд 4 - осредн4кные напряжения

2. Отмечено качественное совпадение этор нормальных напряжений в горизонтальной накладке в обоих экспериментальных образцах (рис. 12).

3. Отмечена точность расчета по предлагаемой методике (см. рис. 12).

4. Оценено фактическое разрушение экспериментальных образцов. Предельное состояние, достигаемое экспериментальными образцами, существенно отличается по своему поведению (рис. 13). Деформированное состояние экспериментального образца 1 (рис. 13 а, а 1), максимальное прикладываемое усилие на захват составляло 30 т. Деформированное состояние экспериментального образца 2 (рис. 13 б, б 1), усилие, при котором произошло разрушение сварного шва, крепящего рёбро жёсткости к поясу колонны, составляло 21 т.

5. Установлено влияние формы прокатного сечения, а именно: плавность сопряжения пояса со стенкой, на уменьшение всплеска напряжений в горизонтальной накладке на 15-25%. В предлагаемой методике по вычислению нормальных напряжений возможно учесть форму прокатного сечения.

6. Экспериментально определено граничное усилие на горизонтальную накладку, характеризующее начало пластических деформаций сечения накладки. По результатам испытаний граничное усилие составило 10 т. Граничное усилие, определяемое по формуле (8), составило 10,8 т, при этом активная длина сварного шва равна 75 мм (см. рис. 12 а), фактический предел текучести материала составил 283 МПа.

7. Экспериментально подтверждена обоснованность теоретических и численных расчётов.

Рис. 13. Разрушение экспериментальных образцов: а), а 1 > - предельное состояние образца ); б), б 1) - предельное состояние образца 2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На основе теоретических и экспериментальных исследований работы рамных узлов стальных каркасов разработаны методики, позволяющие с большей точностью выполнять расчёт рамных узлов и их элементов. Оценено влияние конструктивного исполнения узлового соединения на распределение усилий и деформаций в стальных каркасах. Предлагается новое решение рамного сварного соединения ригеля с колонной двутаврового сечения, позволяющее повысить его надёжность за счёт внесения конструктивных изменений.

Получены следующие основные результаты.

1. Выполнен многокритериальный анализ конструктивных схем рамных узлов и методик расчёта, применяемых в отечественной и зарубежной практике проектирования. Обобщены и проанализированы результаты разрушений, причины отказов рамных узлов стальных каркасов. Исследовано уточненное распределение напряжений в элементах рамного узла МКЭ.

2. Разработана методика и предлагается расчётная модель для определения нормальных напряжений в верхней горизонтальном накладке, при отсутствии в конструкции рамного узла рёбер жёсткости. Расчетная модель представляет собой пластинку на упругом основании переменной жёсткости. При этом значения переменной жёсткости могут быть определены с использованием табулированных значений, вычисляемых и приведённых в данной работе.

3. На основании анализа выполненных расчётов определено значение граничной нагрузки на горизонтальную накладку, при отсутствии в модели горизонтальных рёбер жёсткости, полученное значение характеризует начало пластических деформаций сечения накладки. Также вычислено допускаемое усилие на накладку, ограничивающее остаточные пластические деформации, в соответствии с действующими нормами. Выполнено сопоставление получаемой величины с зарубежными нормативами.

4. Получена практическая формула по определению эпюры нормальных напряжений в сечении верхней горизонтальной накладки в конструкции рамного узла с рёбрами жёсткости. В связи с этим представляется возможным оце-

21

нить эффективность установки рёбер жёсткости в конструкции рамного узла посредством вычисления масштабного коэффициента эпюры нормальных напряжений.

5. Выполнена оценка влияния конструктивного исполнения рамного узла на работу стального каркаса. Отмечено, что фактический угол поворота типовой конструкция рамного узла превышает определяемый при статическом расчете стержневых моделей. Фактические вертикальные перемещения каркаса при определённом соотношении размеров рамы могут в значительной мере превышать вертикальные перемещения, определяемые при расчётах стержневых моделей.

6. В результате анализа работы рамных узлов, с учётом деформативно-сти соединения, а также особенности наступления предельного состояния, разработано новое конструктивное решение рамного узла. Оно позволяет увеличить жёсткость и несущую способность в предельном состоянии до образования шарнира пластичности в сечении ригеля, отстающего от опоры. Выполнено разделение наиболее напряжённого сечения ригеля с областью возможных дефектов, допускаемых в построечных условиях.

7. Получены формулы по определению касательных напряжений в стенке колонны для двух случаев: с диагональными рёбрами жёсткости или с боковыми накладками по предлагаемой конструктивной схеме рамного узла.

8. Проведённый в процессе работы эксперимент позволил оценить точность вычислений по предлагаемой методике и подтвердить обоснованность теоретических н численных расчётов. В разработанной методике, по определению нормальных напряжений в сечении горизонтальной накладки, учтено влияние формы прокатного сечения, которое уменьшает всплеск напряжений в горизонтальной накладке на 15-25%, приводя их а соответствие с реальной работой сварного соединения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Святошей ко, А. К. Анализ конструктивного решения рамного узла стального каркаса [Текст] / И. В. Молев, В. В. Пронин, А. Е. Святошенко // Архитектура и строительство-2003 : тез. докл. науч.-техн. конф. профк-преподават. состава, доктора1ггов, аспирантов, магистрантов и студентов. — Н. Новгород: ННГАСУ, 2004. - Ч. 3. - С. 65-67.

2. Святошенко, А. Е. Анализ конструктивного решения рамного узла стального каркаса [Текст] / А. Е. Святошенко И Технические науки : сб. тр. аспирантов и магистрантов. — Н. Новгород: ННГАСУ, 2004. — С. 62-64.

3. Святошенко, А. Е. Анализ работы и совершенствование конструктивных решений рамного узла стальных каркасов [Текст] / И. В. Молев, А. Е. Святошенко П Строительство и архитектура : сб. материалов квалиф. и науч. работ студентов и магистрантов вузов России и стран СНГ, отмеченных на ме-ждунар., всерос. и регион, конкурсах. - Н. Новгород: ННГАСУ, 2004. - Вып. 6. -С. 32-34.

4. Святошенко, А. Е. Административное здание с подземной автостоянкой (по ул. Решетниковская в Нижегородском районе г. Н. Новгорода) [Текст] / И. В. Молев, В, В. Пронин, А. Е. Святошенко // Строительство и архитектура : сб. материалов квалиф. и науч. работ студентов и магистрантов вузов России и стран СНГ, отмеченных на междунар., всерос. и регион, конкурсах. — Н. Новгород: ННГАСУ, 2004. - Вып. 6. - С. 34-35.

5. Святошенко, А. Е. Анализ конструктивного решения рамного узла стального каркаса [Текст] / А. Е. Святошенко // Технические науки : тез. докл. X Нижегор. сессии молодых учёных. — Н. Новгород, 2005. — С. 40-42.

6. Святошенко, А. Е. Создание расчётной модели рамного узла и обоснование принятых упрощений [Текст] / А. Е. Святошенко // Технические науки : сб. тр. аспирантов и магистрантов. — Н. Новгород: ННГАСУ, 2005. - С. 4043.

7. Святошенко, Л. Е. Повышение надёжности рамных узлов стальных каркасов [Текст] / И. В. Молев, А. Е. Святошенко // Великие реки - 2005 : тез. докл. междунар. науч.-лромыш. форума. — Н. Новгород:ННГАСУ, 2005. — Т. 2. -С. 118-119.

В. Святошенко, А. Е. Повышение надёжности рамных узлов стальных каркасов [Текст] / И. В. Молев, А. Е. Святошенко // Теоретические основы : тез. докл. XIV Польско-Российско-Словацкнй семинар. — Варшава, 2005. - С. 173178.

9. Святошенко, А. Е. Исследование напряжённого состояния элементов узловых соединений [Текст) / А. Б. Святошенко // Проблемы прочности и пластичности : сб. Нижегор. ун-та им. Н.И. Лобачевского. — Н. Новгород, 2006. -Вып. 68.-С. 169-176. *

* — Статья опубликована в издании, включённом в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Российской Федерации.

Для заметок

Подписано в печать 4$• 06/Т Формат 60х901/1(1 Бумага газетная. Печать офсетная. Объём 1 неч. л. Тираж 100 экз. Заказ № 'У76

Отпечатано в полиграфическом центре Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета,

603950, Н.Новгород, Ильи ос кап. 65

Введение.

ГЛАВА 1. ОБЗОР РАМНЫХ УЗЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КАРКАСАХ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

Введение

1.1. Конструкции рамных узлов каркасов, применяемых в отечественной строительной практике.

1.2. Опыт зарубежной строительной практики конструирования рамных узлов в каркасах многоэтажных зданий.

1.3. Сравнительный анализ конструкций рамных узлов.

1.4. Итоги обзора рамных узлов.

Выводы по главе

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ, РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ РАМНОГО УЗЛА

Введение

2.1. Определение уточнённых напряжений в сварном шве, крепящем горизонтальную накладку к поясу колонны.

2.1.1. Вычисление нормальных напряжений в сечении накладки при отсутствии в узле рёбер жёсткости.

2.1.1.1. Прогиб полубескопечпой консольной пластинки, несущей сосредоточенную нагрузку

2.1.1.2 Прогиб иолубескопечпой консольной пластинки, несущей распределённую нагрузку.

2.1.1.3 Определение нормальных напряжений.

2.1.2. Вычисление нормальных напряжений в сечении накладки при установке в узле рёбер жёсткости

2.2. Напряжённое состояние пояса колонны, предельные напряжения.

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ РАМНОГО УЗЛА

Введение

3.1. Исходные данные.

3.1.1. Расчётные предпосылки.

3.1.2. Точность и сходимость результатов расчёта МКЭ.

3.2. Аиализ численного расчёта

3.2.1. Напряжённое состояние элементов рамного узла.

3.2.2. Влияние конструктивных факторов на работу рамных узлов каркасов высотных зданий

3.2.3. Защемление ригеля в опорном узле и его влияние на перераспределение усилий

3.2.4. Фактический угол поворота опорного сечения ригеля.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЁТ Н КОНСТРУИРОВАНИЕ

Введение

4.1. Расчёт крайнего рамного узла

4.2. Расчёт разработанной конструкции рамного узла

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ РАМНОГО УЗЛА

5.1. Цель эксперимента.

5.2. Выбор и описание модели.

5.3. Характеристики образцов и материала конструкции

5.4. Граничные условия.

5.5. Методика и программа проведения эксперимента.

5.6. Методика обработки показаний тензорезистров.

5.7. Результаты эксперимента.

5.8. Сопоставление результатов для образца №

5.9. Сопоставление результатов для образца №

5.10.Итоги эксперимента.

Выводы по главе

Актуальность темы. Очевидно, что надёжность строительной конструкции* определяется не только работой её элементов, но и в не меньшей степени точностью расчёта и адекватностью конструирования узловых сопряжений. В отечественных нормах не уделялось [5, 6] и не уделяется [7] должного впимаиня проектированию узловых соединений. В некоторых случаях конструктивная схема сопряжения элементов рассматривается с технологических позиций.

В связи с темпами роста строительства административных и торгово-выставочных центров в большинстве случаев применяется рамная конструктивная схема здания, которая допускает свободу планировки этажей. Геометрическая неизменяемость здания в продольном и поперечном направлении обеспечивается рамным сопряжением ригелей с колоннами. При выполнении расчётов по первому и второму предельным состояниям, реальное поведение рамного сопряжения играет существенную роль в действительной работе стального каркаса, что показано в работах Павлова А.Б. [66, 67], а также в работах других учёных [95, 34,43, 93].

Экономическая эффективность и надёжность стальных каркасов, выполняемых по рампой схеме, может быть обеспечена усовершенствованиями методик расчёта. А также, в не меньшей степени, требованиями по конструированию, которые существенно меняют напряжённо-деформированное состояние элементов рамного узла, уменьшая тем самым затраты на изготовление конструкций.

Зачастую на практике возникает проблема адекватности расчёта рамных узлов при преобладании одного из опорных усилий. В большинстве случаев это связано с отсутствием полной информации по фактическому напряжённому состоянию рамного узла.

Отсутствие систематизации ряда работ о взаимодействии элементов рамного узла и получаемых па основе их практических решений зачастую недостаточно. — понятие принимается в соответствии с ГОСТ 27751-88 "Надёжности строительных конструкции и оснований".

Особенности типовой конструктивной схемы рамного узла таковы, что вовлечение отдельных областей в зону пластических деформаций начинается на сравнительно низких уровнях нагружеиия. При этом не рассматривается влияние упруго-пластической работы части элементов узла па деформации и перераспределение усилий в каркасе.

Наличие концентраторов напряжений и дефектов, вероятность которых в построечных условиях увеличивается, может приводить к преждевременным отказам.

В связи с аварийными ситуациями в США в 1994 году, было выполнено большое количество экспериментальных и аналитических работ [10, 11, 97, 99, 100, 101, 106, 108, 109]. В результате пересмотрены существующие методики расчёта, а также выдвинут ряд необходимых конструктивных мероприятий.

В настоящий момент методика проектирования рамных каркасов такова, что статический расчёт рассматривается в отрыве от принимаемой конструктивной схемы рамного узла. При определённом соотношении габаритных размеров рамы это может приводить к ошибочным результатам.

Отказ от установки в узле горизонтальных рёбер жёсткости для снижения трудоемкости изготовления приводит к вопросу о граничном усилии на горизонтальную накладку. В связи с этим, необходимо определить начало нелинейной зависимости момента от угла поворота в опорном сечении ригеля.

Оценка эффективности установки подкрепляющих горизонтальных рёбер жёсткости в рамном узле, выдвигает требование по определению фактической эпюры нормальных напряжений в стыковом сварном шве.

В большинстве случаев стенка колонны крайнего рамного узла не проходит по прочности. Поэтому необходимы: четкие вариантные подходы, связанные с конструктивными изменениями рамного узла, а также фактические расчёты его элементов.

Объектом исследовании является рамный узел, традиционно применяемый в каркасах многоэтажных производственных и гражданских зданий, выполненных по рамной и рамно-связевой конструктивным схемам.

Конструкция рамного узла принята па основе обзора отечественных и зарубежных изданий металлических конструкций и активно применяется в настоящий момент. Рассматриваемый рамный узел очень трудоёмок и сложен в изготовление. Необходимость исполнять все швы в нижнем положении приводит к усложнению формы верхней горизонтальной накладки. Исследуемый узел образуется рамным сопряжением ригеля с колонной двутаврового профиля.

Теоретическое исследование напряжений в зонах узловых соединений методами теории упругости достаточно затруднительно. Это вызвано разнообразием конструкции узлов, которые отличаются: типом профиля, жёсткостью, особенностями сопряжения, а также геометрической формой элементов. Расчёт напряжёппо-дсформнроваппого состояния рамного узла выполняется МКЭ, на котором основаны все современные ПК.

Цель исследования заключается: в повышении надёжности рамных узловых сопряжений ригелей с колонной в каркасах многоэтажных зданий, а также в оценки влияния конструктивных факторов на напряжённо-деформированное состояние элементов рамного узла.

Задачами исследования являются:

- анализ конструктивных схем рамных узлов, применяемых в зарубежной и отечественной практике проектирования;

- обобщение результатов работ, затрагивающих проблему расчёта и конструирования рамных узлов стальных каркасов;

- уточнение напряженного состояния в элементах узла;

- разработка методики но определению нормальных напряжений в сварных швах, крепящих горизонтальные накладки к поясу колонны;

- вычисление граничной нагрузки на горизонтальную накладку при отсутствии в модели горизонтальных рёбер жёсткости;

- анализ влияния конструктивного исполнения рамного узла на работу стального каркаса;

- совершенствование конструкции рамных узлов с целью повышения их несущей способности и увеличения надёжности.

Актуальность вышеперечисленных задач обусловлена возможностью поиска методов их решения и позволяет избрать их в качестве темы исследования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана методика по определению наиболее значимого компонента нормальных напряжений в элементах рамного узла при двух конструктивных решениях, а именно: с рёбрами жёсткости и при их отсутствии;

- решена задача по определению граничного и допускаемого усилия па горизонтальную накладку при отсутствии рёбер жёсткости в конструкции рамного узлового соединения;

- на основе анализа расчётов МКЭ и экспериментальных исследований предлагается инженерная методика проектирования (расчёта и конструирования) элементов рамного узла;

- разработано новое конструктивное решение рамного соединения ригеля с колонной, позволяющее повысить его несущую способность по сравнению с существующими аналогами.

Практическая значимость. Используя результаты и методики данной работы, проектными организациями может быть достигнут экономический эффект, посредствам наиболее рационального соотношения "надёжность -стоимость". Снижение стоимости в данном случае достигается рациональными конструктивными мероприятиями, увеличивающими несущую способность и жёсткость каркаса.

Разработанная методика позволяет наиболее корректно и с большей точностью выполнять расчёт и конструирование рамных узлов стальных каркасов, увеличивая их надёжность, и избавляя от затрат на ремонтные работы. Например, в результате обширной программы исследования, выполняемой в США [94, 96, 97, 98, 102, 106], заключения экспертов, обследовавших повреждения рамных узлов, сводились к выводу, что часть зданий экономически выгодней демонтировать и построить заново, чем выполнять работы по их усилению.

Апробация работы.

Результаты исследовании докладывались: па научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов (г. Нижний Новгород, 2004 г.); па X Нижегородской сессии молодых учёных (Технические науки, г. Джержинск, 2005 г.); на форуме "Великие реки 2005" (г. Нижний Новгород, 2005 г.); па XIV Польско-Русско-Словацком семинаре (Warszawa, 2005). Результаты исследования применены при разработке рабочих проектов марки КМ (см. Прил. Е.). На защиту выносится:

- результаты теоретических и численных исследований работы элементов рамных узлов;

- методики по определению нормальных напряжений в растянутой горизонтальной накладке при установке и отсутствии в узле рёбер жёсткости;

- определение величины граничного и допускаемого усилия на растянутую горизонтальную накладку при иеподкреплённых поясах колонны;

- результаты экспериментальных исследований работы элементов рамного узла;

- конструктивное решение, позволяющее повысить несущую способность и жёсткость рамного узлового соединения.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 9 научных изданиях, одно из которых включено в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК. Общий объём публикаций составляет 1,2 печ. л.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит: из введения, 5й глав, основных результатов и выводов, а также Т1 приложений в составе 38 страниц. В общий объём диссертации входят 222 страницы: 148 иллюстраций, 30 таблиц, а также библиографический список используемой литературы 111 источников.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основе теоретических и экспериментальных исследований работы рамных узлов стальных каркасов разработаны методики, позволяющие с большей точностью выполнять расчёт рамных узлов и их элементов. Оценено влияние конструктивного исполнения узлового соединения на распределение усилий и деформаций в стальных каркасах. Предлагается новое решение рамного сварного соединения ригеля с колонной двутаврового сечения, позволяющее повысить его надёжность за счёт внесения конструктивных изменений.

Получены следующие основные результаты.

1. Выполнен многокритериальный анализ конструктивных схем рамных узлов и методик расчёта, применяемых в отечественной и зарубежной практике проектирования. Обобщены и проанализированы результаты разрушений, причины отказов рамных узлов стальных каркасов. Исследовано уточненное распределение напряжений в элементах рамного узла МКЭ.

2. Разработана методика и предлагается расчётная модель для определения нормальных напряжений в верхней горизонтальной накладке, при отсутствии в конструкции рамного узла рёбер жёсткости. Расчётная модель представляет собой пластинку па упругом основании переменной жёсткости. При этом значения переменной жёсткости могут быть определены с использованием табулированных значений, вычисляемых и приведённых в данной работе.

3. На основании анализа выполненных расчётов определено значение граничной нагрузки на горизонтальную накладку, при отсутствии в модели горизонтальных рёбер жёсткости, полученное значение характеризует начало пластических деформаций сечения накладки. Также вычислено допускаемое усилие па накладку, ограничивающее остаточные пластические деформации, в соответствии с действующими нормами. Выполнено сопоставление получаемой величины с зарубежными нормативами.

4. Получена практическая формула по определению эпюры нормальных напряжений в сечении верхней горизонтальной накладки в конструкции рамного узла с рёбрами жёсткости. В связи с этим представляется возможным оценить эффективность установки рёбер жёсткости в конструкции рамного узла посредством вычисления масштабного коэффициента эпюры нормальных напряжений.

5. Выполнена оценка влияния конструктивного исполнения рамного узла па работу стального каркаса. Отмечено, что фактический угол поворота типовой конструкция рамного узла превышает определяемый при статическом расчёте стержневых моделей. Фактические вертикальные перемещения каркаса при определённом соотношении размеров рамы могут в значительной мере превышать вертикальные перемещения, определяемые при расчётах стержневых моделей.

6. В результате анализа работы рамных узлов, с учётом деформативпости соединения, а также особенности наступления предельного состояния, разработано новое конструктивное решение рамного узла. Оно позволяет увеличить жёсткость и несущую способность в предельном состоянии до образования шарнира пластичности в сечении ригеля, отстающего от опоры. Выполнено разделение наиболее напряжённого сечения ригеля с областью возможных дефектов, допускаемых в построечных условиях.

7. Получены формулы по определению касательных напряжений в стенке колонны для двух случаев: с диагональными рёбрами жёсткости или с боковыми накладками по предлагаемой конструктивной схеме рамного узла.

8. Проведённый в процессе работы эксперимент позволил оценить точность вычислений по предлагаемой методике и подтвердить обоснованность теоретических и численных расчётов. В разработанной методике, но определению нормальных напряжений в сечении горизонтальной накладки, учтено влияние формы прокатного сечения, которое уменьшает всплеск напряжений в горизонтальной накладке на 15-25%, приводя их в соответствие с реальной работой сварного соединения.

1. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытания на растяжение Текст. -Введ. от 1986-01-01. М.: Изд-во стандартов, 2003. -26 с.

2. ГОСТ 27772-88. Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия Текст. Введ. от 1988-06-30. - М.: Изд-во стандартов, 2003. -26 с.

3. ГОСТ 23118-99. Конструкции стальные строительные. Общие технические условия. Текст. Введ. от 2001-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2001.-22 с.

4. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия : утв. Минстроем России 29.08.85 : взамен главам СНиП II-6-74 : дата введ. 01.01.87. М. : ГП ЦПП, 1996.-44 с.

5. СНиП Н-23-81*. Часть II Нормы проектирования. Глава 23 Стальные конструкции: утв. Госстроем СССР 14.08.81 : взамен СНиП II-B.3-72 : дата введ. 01.01.82.-М.: ЦИТП, 1990.-96 с.

6. Пособие по проектированию стальных конструкций к СНиП II-23-81* : утв. Госстроем СССР 15.08.85 : дата введ. 01.01.86. М. : ЦИТП, 1989.- 148 с.

7. СП 53-102-2004. Общие правила проектирования стальных конструкций: утв. Госстроем России 10.09.04 : дата введ. 01.01.05. М.: ФГУП ЦПП, 2005.- 131 с.

8. Eurocodc 3. Design of steel structures Part 1-1: General rules and rules for buildings Электронный ресурс. Ref. No. EN 1993-1-1. - Brussels. : European Committee for Standardization, May 2005.

9. Eurocodc 3. Design of steel structures Part 1-8: Design of joints Электронный ресурс. Ref. No. EN 1993-1-8. - Brussels. : European Committee for Standardization, May 2005.

10. AISC 1999. Supplement No. 1 to the 1997 Seismic Provisions for Structural Steel Buildings Электронный ресурс. American Institute of Steel Construction. Chicago. 1999.

11. AISC 2002. Seismic Provisions for Structural Steel Buildings Электронный ресурс. American Institute of Steel Construction. Chicago. 2002.

12. AISC 2003. Load & Resistance Factor De sign Specifications for Structural Steel Buildings, 1999 Edition, including all supplements through 2003 Электронный ресурс. American Institute of Steel Construction. Chicago. 2003.

13. Uniform Building Code 1976 Edition, International Conference of Building Officials, Whittier.-California. 1976.

14. Абовян, Г. А. Исследование работы жёстких узлов сварных рам Текст. : автореф. дис. . канд. т. н. / Г. А. Абовян. Jl., 1952. - 21 с

15. Ажсрмичев, Г. А., Остриков, Г. М. Экспериментальное исследование узловых соединений рамных каркасов Текст. / Г. А. Ажермичев, Г. М. Остриков // Изд. вузов Строительство и архитектура 1972. - № 9.

16. Алямовский, A. A. SolidWorks/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов (Серия "Проектироавание") Текст. / А. А. Алямовский М.: ДМК Пресс, 2004. - 432 с.

17. Анизотропия механических свойств толстолистовой малоуглеродистой стали Текст. / В. А. Балдин, М. М. Кобрин, П. Д. Одесский, П. И. Соколовский // Промышленное строительство 1966. - № 4.

18. Атлас стальных конструкций многоэтажных зданий Текст. : пер. с нем. / Ф. Харт, В. Хенн, X. Зонтаг. М. : Стройиздат, 1977. - 351 с.

19. Безухов, Н. И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести Текст. / И. И. Безухов. -М.: Высшая школа, 1968. 512 с.

20. Белсня, Е. И. Металлические конструкции Текст. : учебник / Е. И. Беленя, В. А. Балдин, Г. С. Веденников; под общ. ред. Е. И. Беленя ; Изд.5.е, перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1976. - 600 с.

21. Беленя, Е. И. Металлические конструкции Текст. : учебник / Е. И. Беленя, В. А. Балдин, Г. С. Веденников; под общ. ред. Е. И. Беленя ; Изд.6.е, перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1985. - 560 с.

22. Беляев, Н. М. Сопротивление материалов Текст. / Н. М. Беляев. М.: Государственное издание технической литературы, 1949. - 772 с.

23. Блинов А. Н. Лялин К. В. Сварные конструкции Текст.: учебник для техникумов / А. Н. Блинов, К. В. Лялин М.: Стройиздат, 1990. - 353 с.

24. Броудс, Б. М. Предельные состояния стальных балок Текст. / Б. М. Броуде. M.-J1: Госстройиздат, 1953. - 216 с.

25. Броуде, Б. М. Распределение сосредоточенного давления металлических балок Текст. / Б. М. Броуде. М.: Гос. изд. стр. литер., 1950. - 84 с.

26. Всдснников, Г. С. Металлические конструкции Текст. : учебник / Г. С. Веденников, Е. И. Беленя, В. С. Игнатьева; под общ. ред. Г. С. Веденникова. 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1998. - 760 с.

27. Вичсв, А. Ф. Экспериментальное исследование несущей способности и податливости узла с "жёсткой точкой" при действии статических нагрузок Текст. / А. Ф. Вичёв // Труды НКИ 1979. - № 151. - С. 83-92.

28. Власов, В. В. Основы теории упругости, пластичности и ползучести Текст. / В. В. Власов. М.: Стройиздат, 1959. - 275 с.

29. Гвоздев, А. А. Расчёт несущей способности конструкций по методу предельного равновесия Текст. / А. А. Гвоздев. М.: Стройиздат, 1932.

30. Глушаков, С. В. Математическое моделирование Текст. : учебный курс / С. В. Глушаков, И. А. Жакин, Т. С. Хачиров; под общ. ред. С. В. Глушакова. М.: ООО Издательство ACT, 2001. - 524 е.

31. Горев, В. В. Металлические конструкции Текст.: учебник / В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов; под общ. ред. В. В. Горева. В 3-х томах Т.2. - М.: Высш. шк., 1999. - 528 с.

32. Гурский, Д. А. Вычисление в MathCAD Текст. / Д. А. Гурский Мн.: Новое знание, 2003. - 814 с.

33. Енделе, М., Шейпога И. Высотные здания с диафрагмами и стволами жёсткости Текст. : пер. с чешек. / М. Енделе, И. Шейнога М. : Стройиздат, 1980. - 336 с.

34. Жемочкин Б. Н. Практические методы расчёта фундаментных балок и плит на упругом основании Текст. / Б. Н. Жемочкин, А. П. Сииицин. -М.: 1962.-239 с.

35. Житиннаи, Е. В. Несущая способность стальных неразрезных балок, подкрепленных поперечными ребрами жесткости, и разработка практических методов их расчета Текст. : автореф. дис. . канд. т. н. / Е. В. Житянпая. Горький, 1984. - 18 с

36. Илыошин, А. А. Пластичность Текст. / А. А. Ильюшин M.-JI.: Гостехиздат, 1948. - 376 с.

37. Каплун, А. П. ANSYS в руках инженера Текст. : практическое руководство / А. П. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.

38. Капустин, С. А. Метод конечных элементов в механике деформированных тел Текст. / С. А. Капустин Часть 1. Учебное пособие. - I I. Новгород: ННГАСУ, 1997. - 70 с.

39. Кикин, А. И. Повышение долговечности промышленных зданий Текст. / А. И. Кикин.-М.: Стройиздат, 1950. 415 с.

40. Козак, Ю. Конструкции высотных зданий Текст. : пер. с чеш. / Ю. Козак. под ред. Ю. А. Дыховичного. М.: Стройиздат, 1986. - 308 с.

41. Кузин, А. И. Исследование несущей способности и процессов образования пластического шарнира в металлических балках при сложном напряженном состоянии Текст. : автореф. дис. . канд. т. н. / А. И. Кузин. Горький, 1965. - 29 с

42. Кузнецов, 13.13. Металлические конструкции Текст. / В. В. Кузнецов -В 3-х томах. Т.2. М.: изд-во АСВ, 1999. - 528 с.

43. Курочкипа, Е. В. Влияние ребер жесткости на напряженное состояние металлических балок Текст. : автореф. дис. . канд. т. н. / Е. В. Курочкипа. Горький, 1974. - 24 с

44. Лампси, Б. Б. Металлические тонкостепные несущие конструкции при локальных нагрузках: (Теория местных напряжений) Текст. / Б. Б. Лампси М.: Стройиздат, 1979. - 272 с.

45. Лампси, Б. Б. Прочность двутавровых балок Текст. / Б. Б. Лампси // Изд. Вузов. Строительство и арх. 1959. - № 1. - С. 66-80.

46. Лампси, Б. Б. Прочность изгибаемой упруго-пластической полосы Текст. / Б. Б. Лампси // Труды ГИСИ им. В. П. Чкалова. Горький. -1961.-№30.-С. 43-68.

47. Лампси, Б. Б. Прочность тонкостенных металлических конструкций Текст. / Б. Б. Лампси М.: Стройиздат, 1987. - 280 с.

48. Лампси, Б. Б. Распределяющее влияние поясов тонкостенного стержня Текст. / Б. Б. Лампси, В. И. Пашкевич // Строительная механика и расчёт сооружений, М.: Стройиздат. - № 3 - С. 36-39.

49. Лапшин, А. А. Анализ численных и экспериментальных методов оценки несущей способности стальных двутавровых балок Текст. / А.

50. А. Лапшин // Науч.-техн. конф. проф.-препод. состава, докторантов, аспирантов и студентов. Н. Новгород. - 2000. - Часть 4 - с. 64 -64.

51. Лапшин, А. А. Прочность стальных неразрезных балок при локальных нагрузках и учёте влияния конструктивных факторов Текст. : дис. . канд. техн. наук: 05.23.01. / А. А. Лапшин. Н. Новгород, 2001.-379 с.

52. Макаров, И. И., Луцук, О. А. Прочность тавровых соединений металлических конструкций при переменном нагружении Текст. / И. И. Макаров, О. А. Луцук // Материалы по металлическим конструкциям -1977.-№ 19.

53. Макснмаджи А. И. Прочность морских транспортных судов Текст. / А. И. Макснмаджи. Л.: "Судостроение", 1976.

54. Мельников, Н. П. Металлические конструкции Текст. / Н. П. Мельников 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1980. - 776 с.

55. Металлические конструкции: Спец. курс: Учебное пособие для вузов / Е. И. Беленя, Н. Н. Стрелецкий, Г. С. Ведснников; под. ред. Е. И. Беленя. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1991. - 687 с.

56. Методы расчёта стержневых систем, пластин и оболочек с использованием ЭВМ Текст. / А. В. Александров, Б. Я. Лащенков, Н. Н. Шапошников; под общ. ред. А. Ф. Смирнова ; В 2-х ч. М.: Стройиздат, 1976.-248 с.

57. Молев И. В Святошепко А. Е. Повышение надёжности рамных узлов стальных каркасов Текст. /И. В. Молев, А. Е. Святошенко // Доклады: XIV Польско Российско - Словацкий семинар Теоретич. основы строит. - Warszawa - 2005. - С. 173-178.

58. Муханов К. К. Металлические конструкции Текст. / К. К. Муханов. -2-е изд. перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1976. - 504 с.

59. Одесский, П. Д. Анизотропия механических свойств высокопрочной стали для металлических конструкций. "Металловедение и термическая обработка металлов" Текст. / П. Д. Одесский. М.: Стройиздат, 1969.

60. Павлов, А. Б. Учёт реального поведения узлов при расчёте рам стальных каркасов Текст. / А. Б. Павлов // Промышленное и гражданское строительство 2002. - № 6. - С. 37-39.

61. Пашкевич, В. И. Напряженное состояние рамных узлов тонкостенных металлических конструкций Текст. : дис. канд. техн. наук: 05.23.01. / В. И. Пашкевич. г. Горький, 1976. - 204 с.

62. Пашкевич, В. И. Напряжённое состояние стенки двутаврового стержня при локальной загрузке его парой сил Текст. / В. И. Пашкевич // Труды ГИСИ им. В. П. Чкалова. Горький. - 1973. - № 63. - С. 107-114.

63. Пашкевич, В. И. О воздействии распределённых касательных нагрузок па один из поясов несимметричного двутаврового стержня Текст. / В. И. Пашкевич // Труды ГИСИ им. В. П. Чкалова. Горький. - 1975. - № 73.-С. 38-45.

64. Пашков, П. А. Пластичность и разрушение металлов Текст. / П. А. Пашков Судпромгиз, 1950. - 217 с.

65. Повреяеденис судовых конструкций Текст. / Н. В. Барабанов, Н. А. Иванов, В. В. Новиков, В. А. Окишев, И. М. Чибиряк. JL: Судостроение, 1977. - 400 с.

66. Погадасв, И. К. Особенности работы и расчета ребер жесткости тонкостенных стальных балок Текст. / И. К. Погадасв // Изв. вузов. Стр-во и архитектура 1978. - № 2.

67. Пятницкий, А. А. Введение в теорию и практику тензометрирования Текст. / А. А. Пятницкий. Новочеркаск.: Ред.-изд. отдел НПИ, 1960. -75 с.

68. Рекомендации по расчёту, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных конструкций Текст. : ВНИПИПСК / ЦНИИПСК-М.: 1989.

69. Ржаницып, А. Р. Расчет сооружений с учетом пластических свойств материала Текст. / А. Р. Ржаницып М.: Госстройиздат, 1954. - 288 с.

70. Руководство по теизометрировапию строительных конструкций и материалов Текст. / НИИЖБ М.: 1971.

71. Сахновский М. М. Справочник конструктора строительных сварных конструкций Текст. / М. М. Сахновский Днепропетровск: ПРОМ1НБ, 1975.-237 с.

72. Святошснко А. Е. Анализ конструктивного решения рамного узла стального каркаса Текст. / А. Е. Святошенко // Тез. докл.: 10-я Нижегородская сессия молодых учёных. Технические науки Н. Новгород. - 2005. - С. 40-42.

73. Святошенко, А. Е. Исследование напряжённого состояния элементов узловых соединений Текст. / А. Е. Святошенко // Проблемы прочностии пластичности : сб. Нижегор. ун-та им. II.И. Лобачевского. Н. Новгород, 2006. - Вып. 68. - С. 169-176.

74. Стрелецкий, Н. С. Анализ процесса разрушения упруго-пластических систем Текст. / Н. С. Стрелецкий // Труду МИСИ. 1947. - № 5. - С. 2630.

75. Стрелецкий, Н. С. Стальные конструкции Текст. : учебник / Н. С. Стрелёцкий, А. Н. Гениев, В. А. Балдии. М. : Госстройиздат, 1952. -852 с.

76. Тимошенко, С. П. Курс сопротивления материалов Текст. / С. П. Тимошенко Государственное науч.-техн. изд., М., 1931. - 230 с.

77. Тимошенко, С. П. Сопротивление материалов Текст. / С. П. Тимошенко. В 3-х томах. Т.2. - М.: ОГИЗ, 1946. - 456 с.

78. Тимошенко, С. П., Гудьер, Дж. Теория упругости Текст. : учебник / С. П. Тимошенко, Дж. Гудьер; под общ. ред. Г. С. Шапиро ; Изд. 2-е. М. : Наука, 1979.-560 с.

79. Троицкий, П. Н., Лсвитанский, И. В. Исследование действительной работы сварного рамного узла крепления и рекомендации по его расчёту Текст. / П. И. Троицкий, И. В. Левитанский // Материалы по металлическим конструкциям 1977. -№ 19.

80. Троицкий, П. Н., Лсвитанский, И. В. Опорные соединения разрезных балок на вертикальных накладках, приваренных к стенке балки (узлы УНС) Текст. / П. И. Троицкий, И. В. Левитанский // ЦНИИПСК. М., Стройиздат - 1970. - № 4.

81. Файлон, М. Оптический метод исследования напряжений Текст. / М. Файлон, А. Кокер. М.: ОНТИ, 1939.

82. Фридман, Я. Б. Механические свойства металлов Текст. / Я. Б. Фридман Оборонгиз, 1978. - 115 с.

83. Шаниро, Г. С. Пластинки и оболочки Текст. / Г. С. Шапиро, С. П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер. Гос. Издат. физико-математической лит., 1963. - 635 с.

84. Шимкович, Д. Г. Расчёт конструкций в MSC/Nastran for Windows Текст. / Д. Г. Шимкович М.: ДМК Пресс, 2001. - 448 с.

85. Шуллер, В. Конструкции высотных зданий Текст. : пер. с англ. / В. Шуллер М.: Стройиздат, 1976. - 248 с.

86. Degertckin, S. O., Hayaliogli, M. S. Design of non-linear semi-rigid steel frame with semi-rigid column bases Электронный ресурс. / S. О. Degertekin, M.S. Hayaliogli // Electronic Journal of Structural Engineering. -2004. № 4.

87. Design of Fully Restrained Moment Connections AISC LRFD 3rd Edition 2001 Электронный ресурс. Режим доступа : www.PDHonline.org.

88. FEMA-350. Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings Электронный ресурс. Federal Emergency Management Agency, SAC Joint Venture. june 2000.

89. FEMA-352. Recommended Postearthquake Evaluation and Repair Criteria for Welded Steel Moment-Frame Buildings Электронный ресурс. Federal Emergency Management Agency, SAC Joint Venture, june 2000.

90. FEMA. (Federal Emergency Management Agency). Interim Guidelines advisory No. 1, Report No. SAC-96-03, Supplement to FEMA-267 Электронный ресурс. 1997.

91. FEMA. (Federal Emergency Management Agency). NEHRP Recommended Provisions for seismic Regulations for New Buildings and Other Structures Электронный ресурс. Federal Emergency Management Agency. Report No. 302. Washington. 1999.

92. Gocl, R. K., Chopra, A. K. Period Formulas for Moment-Resisting Frame Buildings Электронный ресурс. / R. К. Goel, A. K. Chopra // Journal of Structural Engineering.-1997.-Vol. 123, No. 11.-pp. 1454-1461.

93. Goel, S. C., Lec, К. H., Stojadinovic, B. Design of Welded Steel Moment Connections Using Truss Analogy Электронный ресурс. / S. С. Goel, К. H. Lee, В. Stojadinovic // AISC Engineering Journal. 2000/ 1st Qtr. pp. 31 -40.

94. Gocl, S. C., Stojadinovic, В., Choi, J., Lee, К. H. Shear force and welded steel moment connections Электронный ресурс. / S. С. Goel // Dep. of Civil and Environmental Eng., The University of Michigan. 1997.

95. MSC/NaStrAn for Windows. Quickstart guide Электронный ресурс. -Режим доступа : www.mscsoftware.com.

96. SAC Joint Venture. A partnership of Structural Engineers Association of California (SEAOC). Applied Technology Council (АТС). California

97. Universities for Research in Earthquake Engineering (CUREe) Электронный ресурс. Режим доступа : www.sacsteel.org.

98. SAP2000 Linear and Nonlinear Static and Dynamic Analysis and Design of Three-Dimensional Structures. GETTING STARTED Электронный ресурс. Computers and Structures. California. Режим доступа : www.csiberkeley.com.

99. Slotted web beam-to-column steel moment frame connection. Es Report May 1, 2002 Электронный ресурс. Режим доступа : www.icboes.org.

100. Specification for Structural Steel Buildings Электронный ресурс. American Institute of Steel Construction. Chicago. March 9. 2005.

101. Vasqucz, J., E. P. Popov, V. V. Bertero Earthquake Analysis of Steel Frames with Non-Rigid Joints Proceedings, 5th World Conference on Earthquake Engineering, Vol. 1. Rome, Italy. June 1973.

102. Zicnkicvvicz, О. C. The Finite Element Method Электронный ресурс. / О. С. Zienkiewicz and R. L. Taylor; 4th Edition, Vol. 2. London. : McGraw-Hill, 1991.