Влияние учета реальной работы узлов на напряженно-деформированное состояние элементов башенной конструкции

На примере расчета металлической башни из трубчатых профилей оценена степень влияния конфигурации узлов на напряженно-деформированное состояние элементов. Рассмотрены расчетные модели башен с тремя видами узлов: жесткие, узлы с угловыми шарнирами, а также узлы с учетом осевой жесткости. Расчет выполнен с учетом основных нагрузок: собственный вес конструкций и ветровое воздействие. Полученные в ходе расчета величины внутренних усилий, значения частот собственных колебаний и перемещений элементов башни приведены в виде графиков и таблиц.

Ключевые слова: башенные конструкции, вращательная жесткость, осевая жесткость, болтовые соединения.

Учет «реальной работы» узлов башенных конструкций предполагает создание расчетных схем, которые будут включать в себя модели узловых соединений, позволяющие определять величину внутренних усилий и деформаций элементов наиболее приближенные к действительным значениям. Как правило, при этом также важно учитывать и другие факторы, оказывающее значительное влияние на НДС конструкции: нелинейную диаграммы деформирования материала, геометрическую нелинейность, осадку опор, пространственную работу конструкции, уточненные значения действующих нагрузок. Как правило, в практике проектирования, данными факторами пренебрегают и в расчетных схемах конструкций используют упрощенные модели.

Поведение узлов под действием нагрузок и воздействий в составе конструкций зависит от множества параметров. В частности, рассматривая узловые соединения металлических башен из трубчатых профилей, к основным факторам, определяющим их реальную работу, можно отнести осевую жесткость элементов решетки. Вопрос о степени влияния жесткости узлов на напряженно-деформированное состояние данных конструкций освещается в работах многих отечественных и зарубежных авторов (В. И. Трофимов, Е. В. Горохов, В. Н. Васылев, Е. В. Шевченко, А. В. Танасогло,Davoud Nezamolmolki, Ahmad Shooshtari и др.) [1–4].

Методы

Общая последовательность исследования:

1) определение величины продольной жесткости узла с использованием программного комплекса IdeaStatica;

2) создание трёхмерных моделей башенных конструкции в комплексе ЛИРАСАПР 2015 R4, с различными конфигурациями узловых соединений;

3) выполнение модального анализа для каждой модели башни;

4) анализ результатов и выводы.

Таблица 1

Материалы и сечения элементов башни

Моделирование башни осуществлялось с помощью универсального пространственного стержневого КЭ, тип 10. Жесткость узлов задавалась с помощью встроенного функционала расчетной программы ЛИРА-САПР. Расчетная схема приведена ниже на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная схема башни

При расчете башенной конструкции определяющими являются постоянные нагрузки от собственного веса конструкций, а также ветровые нагрузки.

Для определения осевой жесткости узлов соединения рассчитываемой башенной конструкции были применен встроенный функционал программного комплекса IdeaStatica, с помощью которого получены значения продольной жесткости узла (см. рис. 2).

Величина осевой жесткости в случае одноболтового соединения распорок и раскосов башни между собой и с поясными элементами составила 42 МН/м.

Результаты

По итогам расчета были получены значения продольной силы N (кН) в элементах башенной конструкции (см. рис. 3–5).

Рис. 3. Значения продольной силы N (кН) в элементах пояса башни при различных конфигурациях узлов

Рис. 4. Значения продольной силы N (кН) в элементах распорок башни при различных конфигурациях узлов

Рис. 5. Значения продольной силы N (кН) в элементах раскосов башни при различных конфигурациях узлов

Из представленных графиков можно сделать вывод о том, что для поясных элементов башни значения продольной силы в случае схемы с жесткими и угловыми шарнирами отличаются незначительно (-0,81 %); при использовании узлов с учетом осевой жесткости разница составляет (+17,41 %) относительно схемы с жесткими узлами.

Часть элементов решетки башенной конструкции (раскосы, распорки) вследствие перераспределения внутренних усилий меняет свое НДС с «сжатия» на «растяжение» и наоборот. Максимальная разница продольного усилия между схемами с угловыми шарнирами и жесткими узлами:

– для раскосов (+192,28 %);

– для распорок (+1,24 %).

В случае жестких узлов и узлов с учетом осевой жесткости, разница составила:

– для распорок (-81,22 %).

Результаты перемещений конструкций вдоль глобальных осей X, Y, Z при различных конфигурациях узлов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Перемещения башенной конструкции при различных конфигурациях узлов, мм

Значения перемещений для схемы с жесткими и угловыми шарнирами расходятся незначительно. Стоит отметить заметное снижение величины деформаций в случае схемы с узлами, учитывающими осевую жесткость при загружении пульсационной составляющей ветровой нагрузки, что может быть связано с уменьшением общей жесткости и собственных частот колебаний для данной схемы.

Полученные в результате модального анализа расчетных схем значения собственных частот колебаний, которые представлены на рис. 6 и табл.3.

Из графика (рис. 6) видна тенденция, указывающая на снижение значений собственных частот колебаний в случае применения узлов с угловыми шарнирами до 5,92 %; узлов с осевой жесткостью до 37,14 %.

Рис. 6. Значения собственных частот колебаний

Таблица 3

Значения собственных частот колебаний, Гц

Выводы

Осевая жесткость болтовых соединений узлов башенных конструкций из трубчатых профилей оказывает значительное влияние на распределение внутренних усилий в элементах, в большей степени на распорки и раскосы, меняя при этом в некоторый из них НДС с «сжатия» на «растяжение». Также учет жесткости узлов приводит к заметному снижению собственных частот колебаний конструкции, что как уже отмечалось ранее. важно при динамическом анализе конструкции. Полученные в данной статье результаты могут служить основанием для дальнейших исследований влияния жесткости узлов сопряжения на НДС элементов башенных конструкций.

Литература:

1. Трофимов В. И. Исследование и расчет новых типов металлических опор линий электропередачи. М., «Энергия», 1968. 424 с. с илл.
2. Е. В. Горохов, В. Н. Васылев, Е. В. Шевченко, А. В. Танасогло. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния фрагментов стальных башенных опор ВЛ // Современное промышленное и гражданское строительство. 2013. Том 9. № 1, С. 59–69.
3. Davoud Nezamolmolki1, Ahmad Shooshtari. Dynamic behavior of lattice transmission towers // International Journal of Steel Structures 21(3).
4. W. Jiang, Z. Q. Wang, G. McClure, G. Wang, J. Geng. Accurate modeling of joint effects in lattice transmission towers, Journal of Engineering Structures 33 (2011) 1817–1827.
5. ГОСТ 8732–78 «Трубы стальные бесшовные горячедеформированные».
6. ГОСТ 27772–2015 «Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия (с Поправками, с Изменением N 1)».