автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и пространственная устойчивость стержней из одиночных уголков, имеющих общие и местные дефекты и повреждения

^ ^с1?НКТ-ПЕТЕ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

•5 9 \ Г: ^ -ТГ/Л

{ I ан! ГУ«^

На правах рукописи

ЛАКУССА Казимир Сиыилис Эдо

' УДК 624.071.3+624.071.1.004.5

ПРОЧНОСТЬ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ СТЕР2ШЕЙ ИЗ ОДИНОЧНЫХ УГОЛКОВ, ИМЕЮЩИХ ОБЩИЕ И МЕСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ И ПОВРЕЖДЕНИЯ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Санкт-Петербургском инженерно-строительном институте.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Г.И.Белый

Официальные оппоненты.- доктор технических наук,

профессор Ю.В.Гайдаров;

кандидат технических наук, гл.инженер Ю.С.Плишкин

Ведущая организация - СПбЗНШИ

Защита состоится "1993г. в " ^ " час. мин. на заседании специализированного совета К 063.31.01 в Санкт-Петербургском Иняенерно-отроитальном институте по адресу: Х98005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., дом й 4, ауд. 505а.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотека института.;

. Автореферат разослан " « г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук,

доцент В.И.Морозов

- Б -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время во многих странах, в том числе и африканских, значительная часть средств от общего объема капитальных влоаений направляется на техническое перевооружение и реконструкцию действующих предприятий. Реконструкция всегда связана с обследованием и оценкой технического состояния строительных конструкций, зданий и сооружений. Накапливаемые в процессе изготовлений,,транспортирования, монтажа и эксплуатации всевозможные дефекты и повреждения конструкций могут оказывать существенное влияние на их несущую способность. Наиболее характерными дефектами стержневых металлических конструкций.являются расцент-ровка узлов, внецентренное прилояение нагрузки, пространственное искривление оси элементов, местные погнутости стенок и полок и др.

Накопленный многолетний опыт эксплуатации строительных конструкций зданий и сооружений свидетельствует о том, что действующие' нормативные документы в большей части не содеркат соответствующих методик расчета. Имеющиеся рекомендации в значительной степени не охватывают весь комплекс факторов, который моевт оказывать существенное влияние на несущую способность. Следствием это- -го являются случаи отказов- в работе отдельных элементов, приводящие к авариям конструкций;

Выявление резервов несущей способности стержневых элементов эксплуатируемых металлоконструкций и предотвращение возможных отказов могут быть достигнуты только на оснозе максимального приведения расчетных моделей к действительным условиям работы.

Имеющиеся в этой области немногочисленные исследования затрагивают лишь частные случаи учета дефектов и повреждений, позволяющие провести проверку прочности и устойчивости либо только с мест-

ными, либо только с общими геометрическими несовершенствами.

В эксплуатируемых конструкциях, как показал опыт их исследования, в одно« и том хе стержневом элементе могут присутствовать одновременно дефекты и повреждения как общего, так и мастного характера. •

Только в работах Г.И.Белого в Н.Г.Сотникова учитывалось одновременное действие указанных факторов. Однако в этих работах исследовались, преимущественно стертая из спаренных уголков, полученные ими результат не могут быть распространены на другие стержневые элементы. -

Данная работа посвящена разработке алгоритмов и программе расчета с последующей экспериментальной проверкой полученных результатов, а также созданию инженерной методики расчета на прочность и пространственную устойчивость стержневых элементов из одиночных равнололочных и неравнополош)ых уголков (стержни решетки колонн, ферм, опор ЛЭП,других конструкций),имеющих общие и местные дефекты и повреждения. '.."■'

Работа выполнялась в соответствии с планами:

- научно-исследовательских работ ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко и

, Укр-'НИИПСК в развитие предложений СНиП по методике расчета элементов стальных конструкций;

- программы "Строительство", по разделу совершенствования методов и средств реконструкции зданий и сооружений;

- НИР кафедры металлических конструкций и испытаний сооружений СПбИСИ "Совершенствование конструктивных форм, методов расчета и

оценки надежности.конструкций". .' '

Целью работы является разработка алгоритмов расчета на прочность и пространственную устойчивость стержней из одиночных уголков, имеищх общие и местные дефекты и повреждения, а также по-

строенив инженерной методики расчета с введением новых данных, ха- ■ растеризующих влияние этих дефектов на несущую способность.

Научную новизну работы составляют:

- алгоритм расчета на прочность стераней из одиночных уголков, имеющих местные ослабления в виде краевого выреза части одной полки;

- результаты численных исследований, представленные в безразмерных параметра^ в виде таблиц коэффициентов, характеризующих влияние повреждений на прочность;

- алгоритм расчета на пространственную устойчивость стержней из одиночных уголков, имеющих общие и местные дефекты и .повреждения;

- результаты численных исследований, представленные в безразмерных параметрах в виде таблиц коэффициентов двух типов, учитывающих соответственно влияние пространственных деформаций оси в сочетании с наличием дзухосного эксцентриситета продольной оси и постных повреждений; ■

- экспериментальные данные пространственных деформаций и устойчивость внецентренно-сжатых стержней из одиночных уголков, имеющих искривление оси и местное ослабление в виде вырезов и погибей полки. ' • ■ •

Достоверность результатов исследования определяется использованием хорошо апробированных методов расчета и хорошим согласованием теоретических результатов с данными эксперимента.

Практическая ценность работы заключается в разработке инженерной методики расчета на прочность и пространственную устойчивость в форме, используемой в нормах проектирования многих государств, с' введением новых данных,;' характеризующих влияние общих и

т 6 -

местных дефектов и повреждений. Новые результаты инженерной методики получены на базе разработанных алгоритмов и программ расчета, построенных в безразмерных параметрах, которые также самостоятельно могут быть испол'-зованы в механизированных расчетах.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы, представленные инженерной методикой расчета с введением новых .данных по прочности и пространственной устойчивости в виде коэффициентов, хара-теризующих влияние общих и местных дефектов и повреждения стержней из одиночных уголков, приняты к внедрению "ЦНИИПро-ектстальконструкция", ГОИ "Денпроектстальконструкция", "Реыстрой-проект" и другими организациями

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на 47, 48» 49- й научных конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского инженерно-строительного института (С.-Петербург, 1990, 1991 гг.).

Публикации. По теме диссертащш опубликованы две работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы. Общий объем работы.составляет 171 страниц, из них 100 страниц машинописного текста, 49 рисунков и 22 таблиц. Список литературы состоит из 128 наименований, из них-114 на русской языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, ее научная новизна, практическая ценность и дана краткая характеристика работы.

В первой главе приводится краткий анализ опубликованных в литературе работ по вопросам прочности и устойчивости стеряневых элементов металлических конструкций, характеризуется современный уровень исследований несущей способности стержней, имеющих общие и местные дефекти и повреждения.

В основу исследования прочности стержней полонены работы С.П.Тимошенко, Н.С.Стрелецкого, Е.И.Беленя, В.А.Балдина, А.Р.Ряа-ницины, Г.Е.Вельского, А.А.Потапкина, Н.Л.Чернова, H.H.Стрелецкого, Б.Н.Любарова и др.

Используя критерий ограниченных пластических деформаций, который впервые бил предложен Н.С.Стрелецким, многие ученые (H.A. Стрелецкий, А.А.Потапкин, Г.Е.Вельский, В.А.Балдин, Н.Л.Чернов и др.) изучали прочность стеряней при одновременном действии различных силовых факторов: продольных сил и изгибающих в двух плоскостях моментов, а также поперечных сил. При этом обосновывалась величина остаточной деформации. В результате этих исследований были построены кривые взаимодействия предельных усилий, заложивших основу для разработки иняенерной методики расчета.

Прочность стержней из одиночных растянутых уголков, имеющих местное ослабление в виде'отверстия под болты,исследовалась В.И. Трофимовым, Е.Р.Мацелинсхии, В.И.Сердюковьш, В.Д.Насонкиным. Прочность уголка с локальной погибьп изучалась А.А.Опланчуком, который местное искривление полки заменял эквивалентным участком с прямолинейной полкой, но меньшей толщины. Н.Г.Сотников, используя алгоритм "Сечение", рассмотрел прочность стержней из спаренных уголков с местными вырезами, нарушающими симметрию сечения. •

Устойчивость внецентренно-сжатых тонкостенных сгеркней открытого профиля изучалась П.Я.Ларичевым, Ю.Д.Копейкиным, А.А.Пиковс-ким, Б.М.Броуде, Г.М.Чувикиным, В.В.Пинадяаяои, А.З.Зарифьяном,

A.Н.Дудченко, Р.А.Скрипниковой, Л.Б.Шкураковым. Все исследования базируются на технической теории расчета тонкостенных стершей

B.З.Власова и на уравнениях равновесия для пространственно-деформированной схемы, составленных В.З.Власовым, Б.У.Броуде, Л.Н.Воробьевым и' обобщенных Е.А.Бейлиныи.

пространственная устойчивость стержней из одиночных уголков изучалась Е.Н.Колбаневым и В.Н.Сердюковым. Влияние пространственного искривления оси на устойчивость стержней из спаренных уголков исследовалось Г.Н.Белым, П.Б.Стегачевыи и Н.Г.Сотниковым.

Имеющиеся в литературе исследования устойчивости стершей с местными ослаблениями в зависимости от способа их учета можно разделить на два основных направления.

К первому относятся работы А.Нейта, С.Свенсена, Р.Гильберта, Х.Ли и П.Хариса, М.Д.Корчака, В.Н.Диденко, А.Малюка и Т.Алюсева, А.В.Ильишенко и др.,-в которых ослабленные участки стерння представляются как совокупность совместно работающих начально искривленных пластинок. Использование нелинейной теории расчета устойчивости пластин как совместно работающих элементов (полок и стенок) стержней вызывает.большие трудности решения таких задач, поэтому возможности этого направления становятся весьш ограниченными. Во втором направлении (й.П.Синицьш, Э.П.Хорошоненова, Н.!/..Любимов, Н.Т.Чернышев, Д.А.Опланчук и др.) влияние локальных погибай на общую устойчивость учитывается с помощью экспериментальных данных или специально разработанных упрощенных алгоритмов, описывающих основные принципы деформирования ослабленных (поврежденных) участ ков.

Однако число полученных экспериментальных данных оказалось д леко не достаточным для построения методов расчета на устойчивость, и упомянутые упрощенные алгоритмы использовались.только в

решении задач общей устойчивости при упругих деформациях в Эйлеровой постановке (А.А.Опланчук).

Только в работах Г.И.Белого и Н.Г.Сотникова при рассмотрении устойчивости стержней из спаренных уголков выбранная ими модель пространственных деформаций и методы расчета хорошо описывают взаимное влияние честных и .общих искривлений. Учитывается влияния места расположения и параметров местных повреждений на несущую способность. Задача об общей устойчивости решается с использованием пространстве!-.'« деформированной схемы, что позволяло авторам свести две проверки устойчивости к одной проверке, включающей влияние как местных, так и общих повреждений.

Однако полученные в этих работах результаты не могут быть распространены на другие стержневые элементы, в том числе и на стеряни из отдельных уголков. - ,

На основании приведенного краткого обзора работ по прочности . и устойчивости стержней в конце главы обоснована необходимость теоретических и экспериментальных исследований несущей способности одиночных уголков, имеющих общие и местные дефекты и повреждения; формулируются цель и задачи исследования.

Во второй главе исследуется прочность поврежденных стержней из одиночных уголков. В качестве обобщенного повреждения рассматривается краевой вырез полки. Ослабленное сечение представляется дискретно и состоят из та элементарных площадок. Положение осей в ослабленном сечении сохраняется таким не,, как .и в неослабленном. За основу расчета ззят алгоритм В»П.Коломийца, позволяющий при известной зависимости.бполучить с заданной точностью значения параметров плоскости удлинения (относительные удлинения оси стержня и кривизны) при любых'соотношениях внеиних силовых факторов

Определение напряиенно-деформированных и предельных состояний осуществляется с использованием гипотезы плоских сечений, в соответствии с которой относительная деформация к- й элементарной площадки представляется следующим образом:

„ . а)

I" II - А

где а , °15 - кривизны продольной оси в ослабленном сечении; О0 -относительная деформация оси стержня; Х^, - координаты центра тяжести к- й площадки.

Физические соотношения представляются в приращениях

где Е«-- касательный модуль для к-го волокна.

Приращения внутренних усилий в соответствии с алгоритмом В.П.Коломийца представляются в виде

АЫ =АбоКи-АЛ-Ди!/К*. ,

Ят

где

АМа

Кн= 7 ЕиДАк ; Кя1 ;

К=Г т- К=1 га ^

. ; К*я=Х;Е«УкДАк. ;

к.= 1 11=1

При упругой работе материала система уравнений (2) является линейной. С появлением и развитием пластических деформаций эта' система "становится нелинейной, поскольку жесткостные характеристики Ки . Ки I •••» К», связанные с касательным модулем, нахо-

лтся в нелинейной зависимости от ¿к • Однако в процессе репения адачи итерационным методом уравнения (2) принимаются линейными, ¡ри этом аесткостные характеристики берутся с предыдущего этапа >асчета.

В ослабленном сечении принятие оси являются неглавными, поэтому даже при упругой работе материала ни один из главных членов зистемы (г) не равен нулю. Рост любого из силовых факторов в этом

злучае вызывает приращение всех трех компонентов деформаций ,

А и". АЧУ'-

Для решения системы (2) вычисляются: внутренние усилия

^^бкДАк ; Мх1 = |гбкУкАк ;

- приращения внешних усилий

ачМ-М ! Мх-Мм, . <4) '

Последние подставляются в систему (2), из решения которой определяются соответствующие им деформации А^з^, А114. , А*\31 • Затем уточняются относительные деформации ¿5ь и на втором этапе итерационного процесса определяются уточненные значения внутренних усилий На , Мхг . Ий2 » после чого расчет полностью повторяется.

Итерационный -процесс повторяется до тех пор, пока невязка (4) не будет находиться в пределах заданной точности расчета. Далее задается следующий шаг нагрузки (внешним усилиям), и вся процедура расчета полностью повторяется.

Предельные значения нагрузок (внешних усилий) определяются либо по расходимости (иарнир пластичности), либо по критерию ограниченных максимальных пластических деформаций, величина которых

в соответствии с исследованиями Г.Е.Вельского, В.И.Сердюкова, A.A. Потапкина, H.H.Стрелецкого и других принималась ¿v, пуи= 4,5

(6-6E/R,).

Разработанная на основе данного алгоритма программа расчета на ЭВМ позволяет определить предельные состояния стержня в сечении {-t том 4ticjie в ослабленном) при любом сочетании внешних силовых факторов М , , Му'• С помощью этой программы построены кривые взаимодействия предельных усилий и выявлено влияние краевого выреза полки на несущую способность стержней из одиночных уголков. Повреждение оказывает далеки не однозначное Елияние на прочность стертая. Если загружение стержня вызывает максимальные деформации.в области его ослабления, то влияние последнего на несущую способность оказывается наибольшим,далеко не пропорциональным площади ослабления. Если же ослабленная зона окажется менее напряженной, то при малых значениях Мх и И У ослабление может не повлиять'на прочность, а в некоторых случаях даже повысить ее до 6J&. ...

В заключение главы предложен практический метод проверки прочности поврежденных стержней из одиночных уголков, который пред ставлен в удобной для инженерной практики форме:

N У1. Их М. < V , (5) 4Aß»S>J CxWxiMc ШШ ^

где Ке,ос» коэффициент,' учитывающий влияние местного ослабления сечения на несущую способность стержня и зависящий от параметров ослабления и от величины и направления двухосного эксцентриситета продольной силы; N -¡Мх11 N^y ' Му = NSx~ абсолйтные значения силовых факторов-, •определенных относительно главных осе" неослабленного сечения.

- 13 -

В третьей главе исследуется пространственная устойчивость внецентренно-сдатых стеркней из одиночных уголков, имеющих начальное искривление оси л местные повреждения в воде вырезов и погибей полок.

Рассматривается общий случай загружен!:« стержня продольной силой, когда концевые двухосные эксцентриситеты имеют различные значения ( рис.1). Опорные закрепления в двух главных плоскостях принимаются шарнирными (('Ць= 1^= I). Закручивание концевых сечений отсутствуй. ✓

В решении задачи используются техническая теория расчета тонкостенных упругих стержней В.3.Власова и система деформационных уравнении равновесия В.З.Власова, Б.М.Броуде, Л.А.Воробьева, в последующем обобщенная Е.А.Бейдиным. Пренебрегая малым влиянием поперечных сил на продольные перемещения сечений, из упомянутой системы уравнении можно Еыделить три уравнения, которые с применением общего аналитически-численного метода Г.И.Белого примут следующий вид: _ ' *

Ьи = Е39и"9 + Ии += о

Ц^ЬЗх^+^-М^-Мше = о ; (6) и +м^а-Мааи_

где

х,Е.Зу - соответственно изгибные и-Сен-Венановы

жесткости;

Их! ' " "деформационные" моменты, учитывающие дополнительное влияние продольной силы на перемещениях Я) и Ч ;

. IX.~ Угол поворота и функции прогибов сечений стержня

Рис. I. Схема загружения внвцвнтренно-сжатого стержня, шевдэго пространственное искривление оси и местное повраядание: а-мастный выраз полки уголка;

б-мастная погибь ролки уголка

- 15 -

соответственно вдоль осей X,У ; А/д, геометрические характеристики сечения;

С^, а9- координаты центра изгиба.

Общее решение задачи в соответствии с аналитически-численным методом Г.И.Белого ищется в виде

а = а9 + и* + ии + а, + и«,«. •» ^ = ^ + V, + + и + (?)

6 - ^ + бо.

где Цу.^у I -0-у - функции потери устойчивости, которые аппроксимируются в решении в виде алгебраических полиномов четвертой степени

. . (8)

.135," перемещения, полученные недеформационным расчетом;

я -и

6Е33

лЯ <9>

бЕЗа

(Хп, , ^ - перемещения, учитывающие появление и развитие пластических деформаций;

И-о • 13о ' "0" ~ начальнои пространственное искривление оси и начальный угол закручивания;

' Ъ = |.^р) (II)

Цосл., - перемещения, учитывающие влияние местных дефектов и' повреждений на пространственную устойчивость стержня. При рассмотрении упругой работы материала неповрежденных стержней ( Ц^, = 1?.а = = ^о«. = 0) в общем решении (7) неизвестными являются только константы функции потери устойчивости иц , Уу » • Начальные пространственные искривления- Ц« , 1)0 находятся по замерам деформации оси незагруженного стержня-. Начальный угол закручивания принимается по форме потери устойчивости с определением ■О'о I щах в середине стержня.

Появление и развитие пластических деформаций, а такие наличие местных повреждений учитываются.с помощью перемещений 1Лп, "Оп • О^.. ЧХ>сл. » котоРые вычисляются в процессе установления равновесного состояния при каждом приращении нагрузки с помощью алгоритма "Сечение". •

Применив к системе уравнений (6) метод Бубнова-Галеркина

= о. ; [и^ = о ; ~о, (12)

•ч) »'О "О . .

получим систему трех нелинейных алгебраических уравнений относительно неизвестных констант • Уу » '

Алгоритм определения напряжений и деформационных усилий, учитывающий составляющие пространственных перемещений и углов закручивания сечений, назван алгоритмом "Стержень".

Для стержней с местными повреждениями в виде выреза определение Нос. , 'О«»- осуществляется по разности кривизн , полученных с помощью алгоритма "Сечение" для ослабленного ( , <\}оы. ) и неослабленного (Ц.", 13"" ) сечений. При этом деформирование стерж-

нн принимается по схеме излома, который возникает в месте повреждения.

Второй тип локального ослабления - погиби полок уголка - по аналогии с решением А.А.Опланчука выполняется с помощью эквивалентного перехода от изогнутой полки на прямолинейную с меньшей переменной толщиной. В этом случае ослабленный участок имеет переменную по длине аесткость. Этот участок разбивается на шесть рав-

й II

ных частей, в сечениях которых определяются кривизны , <0ОЫ| ( ^ =1, ..., 7), позволяющие с помощью аппроксимирующих функций (10) и метода коллокаций найти и .

Таким образом, решение поставленной задачи осуществляется с помощью двух алгоритмов - "Стержень" и "Сечение". Последний позволяет проследить за' распределением пластических деформаций (как в глубь сечения, так и по длине стержня) и учесть влияние местных повреждений.

Расчет начинается при нагрузках, вызывающих упругие деформации стержня. Определив И«*, 1?о«. и приняв их в алгоритме "Стержень" за начальные дополнительные несовершенства, можно получить приращения пространственных деформаций стержня и приращения 'усилий. Затем при помощи алгоритма "Сочение" при тех же заданных нагрузках определяются приращения АЧ«,Д., М)»«.. Процесс взаимосбращения между указанными алгоритмами повторяется до тех пор, пока приращения пространственных деформаций стержня не будут находиться в пределах заданной точности. Затем даются новые приращения нагрузки, и вся процедура расчета повторяется;

Появление и развитие пластических деформаций учитывается аналогичным образом, только в дополнение к и/„„. , появляются еще и Чп. > •

С ростом нагрузок сходимость итерационного процесса как при

обращении мееду алгоритмами "Стержень" и "Сечение", гак и в алгоритме "Сечение" ухудшается, и на определенном этапе процесс становится расходящимся. Это соответствует нарушению устойчивости . процесса деформирования. С требуемой точностью определяются величины нагрузок, при которых процесс еще сходился. Эти нагрузки считаются предельными. При этом достаточно малое приращение нагрузки приводит к расходимости процесса.

Для удобства представления результатов численных исследований и использования их в решении практических задач местные повреждения в виде краевого выреза и погиби полок уголков отнесены к одному классу дефектов. Получены эквивалентные соотношения параметров между погибью и краевым вырезом. В основу их определения положено условие равенства углов поворота концевых сечений двух типов ослабленных участков.

По представленному алгоритму расчета на устойчивость стержней из уголков с учетом общих и местных дефектов и повреждений составлена программа ЭВМ' на языке ФОРТРАН-1У .

В результате проведенных численных исследований построены зависимости пространственной устойчивости стержня, характеризующейся коэффициентом устойчивости 41 , от направления двухосного

16ха

эксцентриситета '(двухосного искривления оси) и местного повреждения. На рис.2 представлены такие зависимости для поврежденного в середине длины ( ' сплошные линии) и неповрежденного (пунктирные линии) стержня из неравнопрлочного уголка.

Сопоставление результатов для поврежденных и неповрежденных стержней дает возможность оценить влияние локальных вырезов.

При направлении двухосного эксцентриситета, вызывающего наибольшие напряжения в области ослабленной полки, наблюдается наибольший спад Ф - . Уменьшение площади сечения на 31,'¿Ър вызывает 1бха

ЛсЧО

= 0.5 В е- 0.25 ¿х

ежа

е = оа^д^

Рис.2. Графики несущей способности внецэнтракно-сжатых стержней из одиночного неравнополочного уголка, . шапцих мастноа ослабление большой полки

ехч

снижение коэффициента Ф до 62 ... 67$.

16эгу

Если направление двухосного эксцентриситета изменено на диаметрально противоположное , то влияние повреждения сильно снижается, в некоторых случаях может не повлиять на пространственную устойчивость.

Так как местные ослабления сечения в зависимости от величины и направленности двухосного эксцентриситета могут оказывать существенное влияние на несущую способность стеркней, то проверку пространственной устойчивости необходимо выполнять с учетом наличия повреждений и их взаимодействия с общими несовершенствами в виде случайных эксцентриситетов и погибей.

В заключение главы предлагается инженерная методика расчета на устойчивость стеращей из уголков эксплуатируемых металлических конструкций, имеющих общие и местные дефекты и повреждения. Методика разработана по форме СНиП П-23-81, где с помощью специально введенных коэффициентов учитывается влияние дефектов и повреждений:

Л

^еха К-осл К

(13)'

где у - коэффициент, зависящий от величины и направления рав-

16x9 , Г~2-гГ* - ' •

ных концевых эксцентриситетов © = у'б» + ©а (© = а

также от уоловной гибкости ^Лх;К.оо» - Понижающий коэффициент,

учитывающий влияние местного выреза полки уголка на устойчивость

сгержня;А - площадь неослабленного сечения.

В четвертой главе изложено экспериментальное исследование пространственных деформаций и устойчивости внецентренно-сжатых стержней из одиночных,уголков, имеющих начальное пространственное искривление оси и местное ослабление сечения в виде вырезов и погибей полок.

• - 21 -

Эксперимент проводился в механической лаборатории им.H.H. Аистова СПбИСИ в две серии. Б первой исследовалось влияние вырезов полок, во второй - местных погибей. Общее количество испытанных образцов - 66 стержней, кыовщих реальные размеры элементов решетчатых конструкций. Они являются одиночными уголками сечением !—100 х 100 х 7 из стали ВСтЗ сп5 ГОСТ 38, к торцам которых были приварены жесткие опорные плиты толщиной 20 мм, обеспечивающие крепление опорных приспособлений и плавную передачу нагрузки.

Выполнение местного ослабления сечения в первой серии экспериментальных стержней (в виде краевого несимметричного выреза полки уголка) осуществлялось на фрезерном станке в экспериментально-производственных мастерских СПбИСИ. Параметры выреза изменялись в пределах IL. « (0.2...0,,L. = (0.05.,.0,I)L Местное ослабление сечения в виде погиби полки уголка (вторая серия экспериментальных стержней) выполнялось в лаборатории с помощью специальной установки. Параметры погиби изменялись в пределах ^ = (0,19.;-.0,25)5> и = (0,10..-.0,35) Е •

С целью экспериментального определения влияния местных повреждений на несущую способность было., испытано 16 стержней, не имеющих местного ослабления сечения.

Получение механических характеристик стали осуществлялось с помощью испытаний на разрыв плоских образцов, вырезанных из каждого опытного стержня после проведения эксперимента. Места вырезки выбирались в частях стержня, не испытывающих упругопласти-ческие деформации при проведении эксперимента. Из каждого стержня изготавливалось не менее трах образцов. Механические характеристики стали служили исходной информацией для расчета экспериментальных стержней.

- г-1 -

Установка для проведения эксперимента била сконструирована на базе 500-тонного гидравлического пресса. Нагрузка на стержень задавалась по 30-тонному рабочему динамометру, установленному между нижней плитой пресса и опорным приспособлением. В качестве верхнего и нижнего опорных приспособлений использовались ножевые шарниры, позволяющие концевым сечениям свободно поворачиваться в двух плоскостях, но препятствующие их закручиванию. Замеры линейных деформаций осуществлялись с помощью .тензорезисторов сопротивления (по шесть в каждом сечении), которые наклеивались в трех промежуточных сечениях, включая ослабленное, на предварительно подготовленную поверхность стержней. Прогибы в двух главных плоскостях измерялись прогибомерани системы Аистова ПАО-6 в пяти сечениях, включая два опорных. ? . '

Анализ полученных в процеосе эксперимента данных позволил установить следующие качественные особенности пространственного деформирования внецентренно-сжатых стержней из одиночных уголков, имеющих местное ослабление сечения:

I. Местные повреждения по мере роста нагрузки коренным образом изменяют характер пространственного деформирования стержней. Они корректируют форму деформирования. С увеличением параметров ослабления прогибы происходят по явно выраженной форме излома в месте ослабления.

%. Места расположения ослабления по длине стержня также оказывают существенное влияние на.пространственные деформации и несущую Ьпособность. Перенос ослабления с четверти на середину длины стержня приводит к значительному понижению предельной нагрузки. "

3. Местные повреждения, оказавшиеся в наиболее напряженной зоне, максимально снижают несущую способность стержней. Увеличе- . ние ослабления приводит к непропорциональному снижению несущей

способности.

• 4. Вид повреждения практически не привносит качественных изменений в пространственные деформации и характер разрушения, поэтому в инженерной методике расчета два рассмотренных вида повреждения могут быть сведены к одному путем установления эквивалентных соотношений параметров выреза и погиби. ■

Основные результаты испытаний представлены в виде графиков и таблиц. Сопоставление экспериментальных данных поврежденных и неповрежденных образцов позволило установить расхождение по предельным нагрузкам в пределах 2,17 ... 54,05$. Результаты сравнения значений экспериментальных я теоретических предельных нагрузок свидетельствуют об их удовлетворительном совпадении. Разница по предельным нагрузкам колеблется в пределах -5,21 +7,73$. В заключение главы на основании сопоставления данных гксперимента и теории сделан вывод о достоверности разработанного алгоритма расчета стержней, имеющих местное ослабление сечения, и возможности использования результатов выполненных исследований в практике обследования эксплуатируемых металлических конструкций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан алгоритм расчета на прочность поврежденных . стержней из одиночных равнополочных и неравнополочных уголков. Изучено влияние местных ослаблений сечения на несущую способность в зависимости от параметров повреждения полок, величины и направления действующих силовых факторов: продольной силы и изгибающих моментов.

2. Анализ полученных результатов свидетельствует об неадекватности параметров повреждения понижению прочности стержней.

- 24. - .

Чсы зависли от оочетания действующих усилий в ослабленном сечении. . Лли загружание стержней, находящихся в составе эксплуатируемых конструкций (элементы решетки колонн, опор ЛЭП, ферл и т.п.), вызывает максимальные напряжения в области ослабления, то оказывается, что малым параметрам местных повреждений соответствует резкое понижение несущей способности. Если же загружение вызывает 'минимальные напряжения в области ослабления, то последнее может приводить не только к понижению, но и к. некоторому повышению несущей способности по сравнению с несущей способностью неослабленного стержня.

3. Разработан алгоритм расчата на пространственную устойчивость стержней из одиночных равнополочных и неравнополочных уголков, имеющих общие и местные дефекты и повреждения в виде пространственного искривления оси, начального угла закручивания, местных вырезов и погибай полок, загруженных продольной силой с разными концевыми двухооными эксцентриситетами.

4. Анализ полученных результатов показал, что для внецентрен-но-сжатых стержней, имеющих к тому же пространственное искривление оси, меотные повреждения могут приводить как к понижению, так и к повышению несущей способности. Определяющим является направление двухосного эксцентриситета и погиби по отношению к месту расположения локального ослабления. > .

5. Изучение и анализ полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований позволили свести два вида местных повреждений к одному; выполнен эквивалентный переход от ослабленного участка стержня о локальной погибью полки к участку с краевым вырезом. Параметры местных погибай и соответствующие им параметры выре®5Э представлены в табличной форла.

6. Предложена инженерная методика расчета на_ прочность и пространственную устойчивость стержней из одиночных уголков в форме,

используемой в нормах проектирования различных стран, но с введением новых данных, характеризующих влияния общих и местных дефектов и повревдений. Эта методика построена на результатах расчета по разработанным алгоритмам в безразмерных параметрах.

7* Экспериментально изучена устойчивость внецентренно-ска-тых стержней из одиночных уголков, имеющих пространственное искривление оси и местные дефекты в виде погиби и краевого вырева полки. Указанные геометрические факторы способствовали проявлению пространственных деформаций с самого начала загружения. При этом характер деформирования двух типов экспериментальных образцов с вырезами и погибями полок оказывался идентичным. Результаты теоретических исследований удовлетворительно согласуются с данными эксперимента.

8. Экспериментально исследована роль местных повреждений, которые с ростом нагрузки меняют характер пространственного деформирования. В предпредельном состоянии деформации оси стержня приобретают форму с наличием излома в месте повреждения. Сопоставле-\ ■ ние экспериментальных данных поврежденных и неповрежденных образцов позволило установить влияние местных- повреждений на пространственную устойчивость. ' ■

Основное положения диссертации изложены . .' в следующих публикациях:

1. Родаков H.H., Лакусса К.С.Э. К вопросу о прочности стержней

. из одиночных утолков, ослабленных местным вырезом/ Санкт-Петербургский инж.-строит. ин-т - С-П.,1992.-12с.: ил,- Деп.БО ВНШ по строительству архитектуре, 03.12.92 , № 7866.

2. Родиков H.H., Лакусса К.С.Э.' Учет влияния местных повреяде- -ний на устойчивость'стержней из одиночных утолков/ Санкт-Петербургский инж.-строит, -ин-т - С-П., 1992.-18с.: ил.- Деп. во ВНИИ по строительству и архитектуре, 03.12.92 , .'Г7867. /