Влияние податливости узлов на напряженно-деформированное состояние каркаса | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 18 июля, печатный экземпляр отправим 22 июля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №23 (313) июнь 2020 г.

Дата публикации: 08.06.2020

Статья просмотрена: 19 раз

Библиографическое описание:

Никитина, К. Е. Влияние податливости узлов на напряженно-деформированное состояние каркаса / К. Е. Никитина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 23 (313). — С. 123-129. — URL: https://moluch.ru/archive/313/71363/ (дата обращения: 07.07.2020).



Приведены исследования влияния податливости узлов баз колонн на напряженно-деформированное состояние каркаса. Цель исследования — определить влияние фактической работы опорных узлов колонн на напряженно-деформированное состояние каркаса. Цель достигалась путем моделирования работы узлов сопряжения колонн с фундаментами в программе IdeaStatica и статическим расчётом пространственного каркаса здания в программе SCAD Office. За контролируемые параметры приняты сопротивление узла изгибу, начальная вращательная жесткость узла и вращательная деформация узла. В результате расчёта определено, что фактическая работа каркаса здания существенно отличается от заложенной в проекте идеализированной расчетной схемы.

Ключевые слова: расчетная схема, пластический шарнир, перераспределение усилий, деформации, закручивание каркаса, расчетные длины.

Необходимость учета податливости узлов при статическом расчете каркаса обусловлена тем, что в ряде случаев конструкции узлов сопряжения элементов не в полной мере или сосем не реализует идеализированную модель узла, принятую в проекте, в связи с чем и каркас работает по-другому.

В данной работе представлены результаты исследования влияния податливости узлов баз колонн на напряженно-деформированное состояние каркаса промышленного здания. В качестве модели исследования принято реально существующее здание, проектная документация которого получила положительное заключение экспертизы. Здание одноэтажное каркасного типа, прямоугольной формы в плане с габаритными размерами по наружным осям 36,35х119,5 м. Каркас стальной, двухпролетный: 24 и 12 метров, рамно-связевого типа. Шаг колонн в продольном направлении составляет 6,0 м. Колонны каркаса выполнены сплошного сечения из двутавров 30Ш1 и 40 Ш1 по СТО АСЧМ-93. Несущими конструкциями покрытия являются стропильные фермы с поясами из швеллеров и стропильные балки сечением из двутавров 50Ш1. Узлы сопряжения ригелей с колоннами приняты шарнирными и соответствуют по конструктивному решению шарнирным. Геометрическая неизменяемость и жесткость каркаса в поперечном направлении обеспечивается жесткими узлами сопряжения стоек рам с фундаментами. В продольном направлении геометрическая неизменяемость и жесткость каркаса обеспечивается совместной работой жесткого диска покрытия и системой связей по колоннам. Расчетная схема каркаса представлена на рис. 1.

Здание обслуживается тремя подвесными электрическими кранами грузоподъемностью 6,3 т: двумя кранами в осях А-Б/10–21 и одним краном в осях Б-В/10–21.

Рис. 1. Расчетная схема исследуемого каркаса

Целью данного исследования является определение влияния податливости опорных узлов баз колонн на напряженно-деформированное состояние каркаса.

Задачами исследования являются:

− создать расчетную модель здания;

− вычислить жесткости узлов баз колонн;

− классифицировать полученные жесткости узлов по категориям: жесткий, полужесткий или шарнирный;

− выполнить расчет каркаса с учетом фактического состояния узлов баз колонн;

− определить расчетные длины колонн и напряжения в них.

Исследования выполнялись на моделях узлов в программном комплексе IdeaStatica, а также на расчётной схеме каркаса в программном комплексе SAP2000. Конструкция опорного узла по осям А и Б колонн принята по рисунку 2.

Для моделирования были приняты следующие параметры:

  1. геометрические характеристики элементов узла приняты по рис. 2.
  2. опорная плита из стали С345–5;
  3. колонна каркаса и ребра жесткости из стали С245;
  4. анкерные болты из стали Ст3пс2 Ø36 мм, заделка анкерных болтов — химические анкеры на глубину 400 мм;
  5. геометрические характеристики элементов каркаса и их прочностные параметры приняты согласно проектной документации.
  6. в исследовании рассмотрено расчетное сочетание нагрузок, которое приводит к максимальным поперечным деформациям каркаса: два подвесных крана в осях А-Б/10–21 расположены на оси 11, один подвесной кран в осях Б-В/10–21 расположен в на оси 20.

Рис. 2. Конструкция базы колонны

Для расчета каркаса при опорных узлах с конечной жесткостью определим жесткость баз колонн для принятого в п. 6 расчетного сочетания усилий. Жесткости узлов определены моделированием узлов в программе IDEA StatiCa и представлены в таблице 1.

Таблица 1

Жесткости узлов баз колонн

п/п

Поперечная ось

Mj, Rd

Sj,ini

Φc

Sj,R

Sj,P

Sjs

Φ

Класс

[kNm]

[]

[mrad]

[]

[]

[]

mrad

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Стойки по оси А

1

10

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

1730,8

Полужесткие

2

11

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

2255,7

Полужесткие

3

12

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

2257,7

Полужесткие

4

13

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

2249,4

Полужесткие

5

14

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

2241,1

Полужесткие

6

15

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

2240,5

Полужесткие

7

16

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

2222,6

Полужесткие

8

17

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

2216,0

Полужесткие

9

18

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

2207,7

Полужесткие

10

19

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

2199,4

Полужесткие

11

20

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

2214,2

Полужесткие

12

21

164,1

0,1

2787,7

0,1

0,0

0,1

1653,0

Полужесткие

Стойки по оси Б

13

10

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

1440,5

Полужесткие

14

11

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

934,5

Полужесткие

15

12

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

1428,1

Полужесткие

16

13

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

1417,2

Полужесткие

17

14

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

1406,3

Полужесткие

18

15

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

1390,3

Полужесткие

19

16

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

1376,9

Полужесткие

20

17

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

1373,5

Полужесткие

21

18

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

1362,5

Полужесткие

22

19

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

1351,7

Полужесткие

23

20

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

1313,9

Полужесткие

24

21

164,1

0,1

2787,7

0,3

0,0

0,1

1315,9

Полужесткие

Стойки по оси В

25

10

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

2237,8

Полужесткие

26

11

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

1604,2

Полужесткие

27

12

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

2655,9

Полужесткие

28

13

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

2646,4

Полужесткие

29

14

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

2637,0

Полужесткие

30

15

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

2627,7

Полужесткие

31

16

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

2599,7

Полужесткие

32

17

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

2608,6

Полужесткие

33

18

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

2599,2

Полужесткие

34

19

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

2589,7

Полужесткие

35

20

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

2594,6

Полужесткие

36

21

93,7

0,0

3155,8

0,0

0,0

0

2144,5

Полужесткие

Таким образом по результатам расчета жесткостей узлы сопряжения колонн с фундаментами заданы в плоскости поперечной рамы по результатам расчета полужесткими, из плоскости — полужесткими.

На рис. 3–9 и в таблицах 1–2 приведены результаты исследования. На рисунках осями 10.1–21.1 замаркированы перемещения колонн для случая жесткого узла сопряжения баз с фундаментами (согласно проектной документации), осями 10.2–21.2 замаркированы перемещения для случая конечной жесткости баз колонн при действии расчетного сочетания усилий.

Рис. 3. Поперечные перемещения колонн, расположенных вдоль оси А

Рис. 4. Поперечные перемещения колонн, расположенных вдоль оси Б

Рис. 5. Поперечные перемещения колонн, расположенных вдоль оси В

Рис. 6. Эпюра продольных сил в колоннах при проектной жесткости узлов на примере стойки по оси 11

Рис. 7. Эпюра продольных сил в колоннах при узлах с конечной жесткостью на примере стойки по оси 11

Рис. 8. Эпюра изгибающих моментов в колоннах при проектной жесткости узлов на примере стойки по оси 11

Рис. 9. Эпюра изгибающих моментов в колоннах при узлах с конечной жесткостью на примере стойки по оси 11

По результатам моделирования работы каркаса можно сделать следующие выводы:

  1. По результатам расчета жесткости баз колонн при действии РСУ определено, что сопряжение баз колонн с фундаментами в поперечном направлении является полужестким (см. таблицу 1). Полужесткий узел в поперечном направлении объясняется тем, что жесткости опорной плиты недостаточно для восприятия и передачи на фундамент опорного момента. В продольном направлении дополнительная жесткость узла объясняется тем, что анкерные болты разнесены на достаточное расстояние для восприятия и передачи на фундамент изгибающего момента.
  2. Образование в поперечной раме полужестких узлов в базах колонн приводит к перераспределению усилий в каркасе как показано на рисунках 6–9. Как видно из рисунков фактическая работа каркаса существенно отличается от заложенной в проекте расчетной схемы. При базах колонн с фактической жесткостью существенно меняется распределение изгибающего момента в поперечных рамах. Меняется не только величина изгибающего момента в сечениях, но и положение растянутых волокон в поперечном сечении колонн. В целом можно сказать, что по статической работе полужесткие узлы близки к шарнирным, хотя и имеют жесткость, которая препятствует образованию геометрически-изменяемой расчетной схемы.
  3. Как видно из рисунков 3–5 перераспределение усилий в каркасе приводит к увеличению перемещений стоек рам при действии РСУ в поперечном направлении в 5,7–6,1 раз.
  4. Расчетное сочетание усилий, принятое в исследовании, приводит к возникновению закручивания каркаса на величину 0,031°. С заданием полужестких узлов в базах колонн закручивание каркаса увеличивается до 0,044° (в 1,4 раза).

Литература:

  1. Алатырева К. Е. Влияние конструктивного решения базы колонны на напряженно-деформированное состояние опорного узла// Сборник статей магистрантов и аспирантов. Вып. 2. Том 2. СПбГАСУ. 2019. С. 3–9.
  2. Алпатов В. Ю., Лукин А. О., Сахаров А. А. Исследование жесткости узла базы стальной колонны, состоящей из одной опорной плиты// Журнал Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 9. С. 9–14.
  3. Катюшин В. В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, строительство). М.: ОАО «Издательство «Стройиздат», 2005. 656 с: ил.
  4. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85* Министерство регионального развития России. М.: ОАО «ЦПП», 2016. 80 с.
  5. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная версия СНиП II-23–81* / Министерство регионального развития России. М.: ОАО «ЦПП», 2011. 172 с.
  6. Гордеев В. Н, Лантух-Лященко А. И., Пашинсткий В. А., Перельмутер А. В., Пичугин С. Ф.; под общей ред. Перельмутера А. В. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения. А. В. Перельмутера. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007. 482 стр.
  7. TKP EN 1993–1-8–2009 — Проектирование стальных конструкций. Часть 1–8. Расчет соединений. Минстройархитектуры Республики Беларусь. 2010г. стр. 133.
  8. ТКП EN 1993–1-7–2009 — Проектирование стальных конструкций. Часть 1–7. Прочность плоских листовых конструкций при действии поперечной нагрузки. Минстройархитектуры Республики Беларусь. 2010г. стр. 133.
Основные термины (генерируются автоматически): поперечное направление, напряженно-деформированное состояние каркаса, ось, ось А, изгибающий момент, перераспределение усилий, баз колонн, расчетное сочетание усилий, поперечное перемещение колонн, расчетная схема, проектная документация, продольное направление, конечная жесткость, колонна.


Ключевые слова

деформации, расчетная схема, пластический шарнир, перераспределение усилий, закручивание каркаса, расчетные длины

Похожие статьи

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом

В соответствии с расчётной схемой металлического каркаса многопролётного здания

В рабочей же документации показывается узел соединения колонны с фундаментом через

Рис. 2. Соединение колонн с железобетонным фундаментом. Вместе с тем базы колонн...

Особенности проектирования С-образных профилей на изгиб...

Как известно, напряженно-деформированное состояние стержня (тонкого металлического профиля) характеризуется шестью видами деформаций, соответствующих шести степеням свободы поперечного сечения: растяжение/сжатие (перемещение по оси х), сдвиг по оси у...

Численные исследования работы ростверков под колонну при...

Ключевые слова:напряжённо-деформированное состояние, ростверки под колонны

Расчётные схемы ростверков определялись путём представления объёма ростверка в виде

Напряженно-деформированное состояние пологих и подъемистых конических оболочек с...

Расчет напряженно-деформированного состояния...

Усилия T и моменты M определяются по следующим формулам.

Рассчитывалось напряженно-деформированное состояние полусферической оболочки, изготовленной из

Напряженно-деформированное состояние режущей части спирального сверла при...

Анализ теоретических и экспериментальных исследований...

где Q — поперечная сила в рассматриваемом поперечном сечении балки, b — ширина

В то же время недостаточность исследований и отсутствие нормативной базы в области усиления

напряженно-деформированное состояние, вершина трещины, поперечная трещина...

Сравнение теоретических данных... | Молодой ученый

Сравнение теоретических данных напряженно-деформированного состояния крестового свода с данными численного эксперимента. Авторы: Туккия Антон Леонидович, Кононова Арина Андреевна, Мельников Антон Владимирович. Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство.

Теоретические исследования напряжено-деформируемого...

SCAD, программный комплекс, расчетная схема, напряжение, ANSYS, Выравнивание осей, ось

Определяем напряжения в расчётных точках балки и проводим проверку на прочность по

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом. Соединения несущих балок с колонной...

Исследование напряженно-деформированного состояния...

Выбор типа расчетной схемы. Расчетная схема определена как система с признаком 5. Это означает, что рассматривается система общего

Перераспределение изгибающего момента с карнизного узла на определенную часть стоек рамы, с другой стороны, может привести к...

Исследование напряженно-деформированного состояния...

Исследование напряженно-деформированного состояния гнутых карнизных узлов рам.

Значит, выбор наиболее оптимальных и экономически выгодных конструктивных схем

Для реализации расчетной схемы в М. К. Э. необходимо было правильно задать условия, что...

Похожие статьи

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом

В соответствии с расчётной схемой металлического каркаса многопролётного здания

В рабочей же документации показывается узел соединения колонны с фундаментом через

Рис. 2. Соединение колонн с железобетонным фундаментом. Вместе с тем базы колонн...

Особенности проектирования С-образных профилей на изгиб...

Как известно, напряженно-деформированное состояние стержня (тонкого металлического профиля) характеризуется шестью видами деформаций, соответствующих шести степеням свободы поперечного сечения: растяжение/сжатие (перемещение по оси х), сдвиг по оси у...

Численные исследования работы ростверков под колонну при...

Ключевые слова:напряжённо-деформированное состояние, ростверки под колонны

Расчётные схемы ростверков определялись путём представления объёма ростверка в виде

Напряженно-деформированное состояние пологих и подъемистых конических оболочек с...

Расчет напряженно-деформированного состояния...

Усилия T и моменты M определяются по следующим формулам.

Рассчитывалось напряженно-деформированное состояние полусферической оболочки, изготовленной из

Напряженно-деформированное состояние режущей части спирального сверла при...

Анализ теоретических и экспериментальных исследований...

где Q — поперечная сила в рассматриваемом поперечном сечении балки, b — ширина

В то же время недостаточность исследований и отсутствие нормативной базы в области усиления

напряженно-деформированное состояние, вершина трещины, поперечная трещина...

Сравнение теоретических данных... | Молодой ученый

Сравнение теоретических данных напряженно-деформированного состояния крестового свода с данными численного эксперимента. Авторы: Туккия Антон Леонидович, Кононова Арина Андреевна, Мельников Антон Владимирович. Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство.

Теоретические исследования напряжено-деформируемого...

SCAD, программный комплекс, расчетная схема, напряжение, ANSYS, Выравнивание осей, ось

Определяем напряжения в расчётных точках балки и проводим проверку на прочность по

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом. Соединения несущих балок с колонной...

Исследование напряженно-деформированного состояния...

Выбор типа расчетной схемы. Расчетная схема определена как система с признаком 5. Это означает, что рассматривается система общего

Перераспределение изгибающего момента с карнизного узла на определенную часть стоек рамы, с другой стороны, может привести к...

Исследование напряженно-деформированного состояния...

Исследование напряженно-деформированного состояния гнутых карнизных узлов рам.

Значит, выбор наиболее оптимальных и экономически выгодных конструктивных схем

Для реализации расчетной схемы в М. К. Э. необходимо было правильно задать условия, что...

Задать вопрос