Учет совместной деформации стальных конструкций | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 28 декабря, печатный экземпляр отправим 1 января.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Архитектура, дизайн и строительство

Опубликовано в Молодой учёный №17 (516) апрель 2024 г.

Дата публикации: 22.04.2024

Статья просмотрена: 5 раз

Библиографическое описание:

Юрченкова, А. В. Учет совместной деформации стальных конструкций / А. В. Юрченкова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2024. — № 17 (516). — С. 58-69. — URL: https://moluch.ru/archive/516/113280/ (дата обращения: 16.12.2024).



Приведены исследования совместной работы базы, стальной колонны и фундамента. Цель исследования — определить влияние метода расчета на результат. Цель достигалась за счет моделирования узла базы колонн c разными закреплениями в программном комплексе Lira-Sapr. Контролируемым параметром выступал изгибающий момент, возникающий в месте стыковки базы и колонны. В результате моделирования определено, что метод совместной деформации узлов дает результаты значительно выше.

Ключевые слова: расчетная схема, база колонн, изгибающий момент, Lira-sapr.

Введение

На сегодняшний день в гражданском и промышленном строительстве отдают предпочтение стальным рамным и рамно-связевым каркасам. При их проектировании одной из главных задач является расчет узловых соединений, через которые происходит передача нагрузки от одного элемента к другому. Именно поэтому, узлы являются крайне ответственной частью конструктивной системы. При выборе конструктивного решения соединений элементов необходимо учесть различные факторы, например, действие сил в соединяемых сечениях, концентрацию напряжений, деформируемость частей стыка и др.

В данной работе предлагается рассмотреть узел закрепления металлической колонны в фундаменте.

Для распределяя нагрузки от стержня колонны по площади фундамента и обеспечения способа сопряжения ее с основанием применяются базы различных типов.

По способу сопряжения базы делятся на:

— с жестким сопряжение, не допускающие поворота

— с шарнирным, допускающие поворот относительно фундамента при действии моментов

Шарнирная база:

Чаще всего реализуется с помощью приварки к прокатному сечению стальной пластины и креплением минимальным (чаще всего двумя) количеством болтов к фундаменту. (См. рисунок 1)

Особенность такой базы в том, что она передает на фундамент только вертикальные и горизонтальные усилия.

Шарнирная база колонны

Рис. 1. Шарнирная база колонны

Жесткая база:

Данный опорный узел в полной мере передает на фундамент все усилия, возникающие в нижней части колонны.

По аналогии с шарнирным узлом она может состоять из стальной пластины, приваренной к колонне, но крепление уже будет осуществляться с помощью четырех болтов, которые воспринимают отрывающую нагрузку при передаче момента от колонны на фундамент (см. рисунок 2). При усилиях превышающих несущую способность опорной пластины и нецелесообразности или невозможности увеличения ее толщины применяют дополнительные ребра (траверсы), передающие усилия с колонны на пластину более равномерно (см. рисунок 3). Также при в зависимости от комбинаций нагрузок могут быть использованы дополнительные ребра (см. рисунок 4).

Кроме того, в зданиях с существенными крановыми нагрузками используются базы с конструкцией отличной от предыдущих (см. рисунок 5). При такой конструкции передача усилий на болты осуществляется через ребра.

Жесткая база колонны

Рис. 2. Жесткая база колонны

Жесткая база колонны с траверсами

Рис. 3. Жесткая база колонны с траверсами

Жесткая база колонны с траверсами и дополнительными ребрами

Рис. 4. Жесткая база колонны с траверсами и дополнительными ребрами

Жесткая база колонны

Рис. 5. Жесткая база колонны

В ходе проектирования стального каркаса в расчетном комплексе формируют расчетную схему. Закрепление колонн в фундаменте реализуют с помощью инструмента «связи в узлах», после чего прикладывают все нагрузки и выполняют статический расчет. Результаты статического расчета оформляют в виде сводной таблицы усилий, найденных в характерных сечениях.

После чего определяют расчетные сочетания (комбинации) усилий, по которым и ведется подбор сечений элементов стального каркаса.

В данной работе предлагается рассмотреть какие усилия возникают и используются для расчета при методе, изложенном выше. И какие возникают при совместной работе конструкций т. е. при формировании базы колонн с помощью инструментов программного комплекса.

Описание исследования.

В качестве исходных данных предлагается взять следующие:

Характеристики здания:

а) пролет L=20 м;

б) длина B=36 м;

в) высота H=10м;

г) шаг колонн l=6 м.

Назначение здания — стальной каркас с поперечной рамой одноэтажного производственного здания; место постройки — г. Санкт-Петербург.

Схема рамы:

  1. Однопролетная рама с жестким соединением колонн с ригелем и жестким закреплением колонн в фундаменте (см. рисунок 6а).
  2. Однопролетная рама с жестким соединением колонн с ригелем и шарнирным закреплением колонн в фундаменте (см. рисунок 6б).

Схемы однопролетной рамы

Рис. 6. Схемы однопролетной рамы

Сбор нагрузок:

В данной работе нам важно само наличие нагрузок, а не их значения, поэтому для упрощения соберем собственный вес, снег и ветер.

Снеговая нагрузка

В соответствии с п. 10.1 [1] нормативная снеговая нагрузка определяется по формуле:

S 0 =c e ∙c t ∙μ∙S g ,

(1)

где c e = 1 — коэффициент, учитывающий снос снега с покрытий зданий под действием ветра или иных факторов;

c t = 1 — термический коэффициент, принимаемый в соответствии

с 10.10 [1];

μ — коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемый в соответствии с 10.4 [1];

S g = 1,30 кН/м^2 — нормативное значение веса снегового покрова на 1 м 2 горизонтальной поверхности земли для г. Санкт-Петербург (прил. К [1]).

Коэффициента зависит от угла наклона кровли, в данном работе угол наклона в диапазоне 2 3, тогда

При угле наклона кровли ≤30˚

S 0 =1∙1∙1∙1,3=1,3 кН/м^2

Расчетное значение снеговой нагрузки определяется по формуле 2:

S=S 0 ∙γf,

(2)

где γf — коэффициент надежности по нагрузке

S=1,3∙1,4=1,82 кН/м^2

Распределенная нагрузка на ригель:

q сн =S∙l=1,82·6= 10,92 кН/м = 1,09 т/м

Ветровая нагрузка

1) Ветровой район по давлению ветра в г. Санкт-Петербург, II район, тип местности В.

2) Нормативное значение ветрового давления — w0=0,30 кПа

(табл. 11.1 [1])

3) Так как h = 10 м < d = 78 м, то эквивалентную высоту здания ze принимаем — ze = h = 10 м.

4) Коэффициент распределения давления по высоте k (ze=10) = 0,65

(табл. 11.2 [1])

5) Аэродинамический коэффициент с (табл. В.2 [1])

— для наветренной стороны c1= 0,8

— для подветренной стороны c2= -0,5

6) По формуле вычисляем нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки:

w m =w 0 ∙k(ze)∙c,

(3)

— для наветренной стороны:

w m1 = 0,3∙0,65∙0,8 = 0,156 кПа

— для подветренной стороны:

wm2 = 0,3∙0,65∙(-0,5) = -0,098 кПа

7) Определение пульсационной составляющей ветровой нагрузки

7.1) Коэффициент пульсации давления ветра ζ(ze=10) = 1,06 (табл. 11.4 [1])

7.2) Основной координатной плоскостью, параллельно которой расположена расчетная поверхность (продольная стена здания), является плоскость ZOY в соответствии с этим по табл. 11.7 [1] находим коэффициенты:

— ρ = b = 36 м;

— χ = h = 10 м

По табл. 11.6 определяем коэффициент пространственной корреляции — v = 0,732

7.3) Вычисляем пульсационную составляющую ветровой нагрузки по формуле:

w p =w m ∙ζ(ze)∙ν,

(4)

— для наветренной стороны:

w p1 = 0,156·1,06·0,732 = 0,121 кПа

— для подветренной стороны:

w p2 = (-0,098)·1,06·0,732= -0,076 кПа

8) Определение нормативного значения ветровой нагрузки wн:

По формуле 11.1 [1] вычисляем нормативное значение ветровой нагрузки:

— для наветренной стороны:

w н1 = 0,156+0,121 = 0,277 кПа

— для подветренной стороны:

w н1 = -0,098+(-0,076) = -0,174 кПа

9) Определение расчетного значения ветровой нагрузки w по формуле:

w= w н1 ·γf,

(5)

— для наветренной стороны:

w 1 = 0,277·1,4 = 0,388 кПа

— для подветренной стороны:

w 2 = -0,174·1,4 = -0,244 кПа

10) Определение расчетного значения распределенной ветровой нагрузки по формуле:

q в = w ∙l,

(6)

— для наветренной стороны:

q в1 = 0,388·6 = 2,328 кН/м = 0,233 т/м

— для подветренной стороны:

q в2 = 0,244·6 = 1,464 кН/м = 0,115 т/м

Исходные данные для конструкций рамы:

Колонна — двутавр 20Ш1;

Ригель 40Б2.

Исходные данные для базы колонны:

  1. Материал фундамента — бетон класса В20, коэффициент условий работы . Размеры в плане 700х650 мм, толщина 300 мм.
  2. Материал опорной плиты — сталь С245, размеры в плане 400х450 мм, толщиной 30 мм.
  3. Материал траверсы — сталь С245, толщиной 10 мм.

Для реализации шарнирного и жесткого закрепления были разработаны следующие базы:

Шарнирная база колонны

Рис. 7. Шарнирная база колонны

Жесткая база колонны с траверсами

Рис. 8. Жесткая база колонны с траверсами

Также были созданы схемы с шарнирным и жестким закреплением с помощью элемента «связи в узлах»:

Рис. 9

а — жесткое закрепление; б — гарнирное закрепление

В итоге были получены следующие результаты:

— Для жесткого закрепления, реализованного элементом «связи в узлах»

Эпюра моментов My

Рис. 10. Эпюра моментов My

Эпюра моментов My

Рис. 11. Эпюра моментов My

— Для жесткого закрепления, реализованного МКЭ

Эпюра моментов My

Рис. 12. Эпюра моментов My

Эпюра моментов My

Рис. 13. Эпюра моментов My

— Для шарнирного закрепления, реализованного элементом «связи в узлах»

Эпюра моментов My

Рис. 14. Эпюра моментов My

Эпюра моментов My

Рис. 15. Эпюра моментов My

— Для шарнирного закрепления, реализованного МКЭ

Эпюра моментов My

Рис. 16. Эпюра моментов My

Эпюра моментов My

Рис. 17. Эпюра моментов My

При анализе эпюр моментов можно сделать следующие выводы:

  1. Метод, в котором вырезаются узлы и прикладывается нагрузку со схемы, дает отличный от действительности результат. Правильнее будет создать вручную расчетную схему и к ней приложить имеющиеся нагрузки.
  2. Сложность второго метода в кропотливом создании модели, поскольку даже небольшое изменение размеров, оказывает существенное влияние на результаты расчета, поэтому необходимо точно задавать все сварные и болтовые соединения.

Заключение

Каждый из методов расчета имеет свой ряд преимуществ и недостатков. В нынешней ситуации, когда, экономия ресурсов выходит на первое место, метод совместного расчета конструкций показывает более реальную картину. Благодаря чему, нет необходимости закладывать избыточный запас прочности.

Литература:

  1. СП 20.13330.2016 Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85* «Нагрузки и воздействия» https://docs.cntd.ru/document/456044318 (дата обращения 01.05.2022.)
  2. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. http://sniprf.ru/sp16–13330–2017 (дата обращения 01.05.2022.)
  3. Еврокод 3 «Проектирование стальных конструкций. Часть 1–8. Расчет соединений».
  4. 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.
  5. Катюшин В. В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, cтроительство). М.: ОАО «Издательство «Стройиздат», 2005. 656 с: ил.
  6. Тихонов С. М., Алехин В. Н., Беляева З. В. Проектирование металлических конструкций. Часть 1: «Металлические конструкции. Материалы и основы проектирования». Учебник для ВУЗов. Под общей ред. А. Р. Туснина — М.: Издательство «Перо», 2020–468 с., ил.
  7. Туснина В. М. Несущая способность и деформативность податливых узлов стальных каркасов многоэтажных зданий. Дисс. канд. техн. наук 05.23.01 / Туснина Валентина Матвеевна. М., 1989. 166 с.
  8. Atak A. Experimental determination and numerical modeling of the stiffness of a fastener // Materials testing. 2020, vol. 62, no.12, pp. 1215–1220. DOI: 10.3139/120.111607.
Основные термины (генерируются автоматически): эпюр моментов, наветренная сторона, подветренная сторона, ветровая нагрузка, жесткая база колонны, жесткое закрепление, нормативное значение, однопролетная рама, расчетная схема, расчетное значение.


Ключевые слова

расчетная схема, изгибающий момент, база колонн, Lira-sapr

Похожие статьи

Сравнение теоретических данных напряженно-деформированного состояния крестового свода с данными численного эксперимента

В расчетах конструкций сводчатых перекрытий целесообразно использовать метод конечно-элементного моделирования, который позволяет учесть не только пространственную работу конструкций, но и особенности материала. Для того, чтобы использовать такой мет...

Системный подход к выбору моделей для предсказания разрушения деталей на основе статистических данных

В статье описана методика работы с результатами испытаний деталей. С помощью методов машинного обучения удалось научиться предсказывать максимальное значение силы на растяжение, которую выдерживает деталь перед полным разрушением. Лучшую модель из ис...

Определение динамического эффекта в связевом каркасе при прогрессирующем обрушении

В статье рассматривается процесс определения значения динамического коэффициента для квазистатического метода при расчете зданий и сооружений при прогрессирующем обрушении. Вышеупомянутый процесс рассматривается на примере связевого каркаса пролетом ...

Оценка эффективности дисперсного армирования бетона с позиции механики разрушения

В данной работе описываются силовой и энергетический критерии развития трещин, а также физический смысл J-интеграла и коэффициента интенсивности напряжений. Приводится описание установки, разработанной специально для определения характеристик трещино...

Оценка общей устойчивости склона с учетом нагельного крепления

Нагельное крепление является одной из эффективных технологий, которая применяется для повышения устойчивости склонов, и предполагает устройство грунтовых нагелей типа Titan совместно с гибкой покровной системой (высокопрочная стальная сетка). В рамка...

Исследование численной модели трубобетонной колонны круглого сечения в ПК Ansys Workbench

Для анализа напряженно-деформированного состояния трубобетонной колонны круглого сечения была выполнена конечно-элементная модель в программном комплексе Ansys Workbench с учетом физической, геометрической и контактной нелинейности. Полученная расчет...

Решение задач классификации методами машинного обучения

В данной работе проанализирована актуальность методов машинного обучения для решения задач классификации, определены понятия машинного обучения, нейронной сети. Выявлена необходимая информация для анализа машинного обучения. Определены понятия класси...

Работа сетчатого купола при монтаже навесным способом

При применении навесного способа в расчетах необходимо учитывать порядок монтажа конструкции. В статье описывается метод моделирования поведения конструкции при монтаже с использованием операция «монтаж» в ПК ЛИРА-САПР. На первом этапе работы определ...

Исследование работы узлов покрытия при прогрессирующем обрушении

В статье приводится порядок определения напряжённо-деформированного состояния узлов покрытия при расчёте на прогрессирующее обрушение. Выполнен анализ работы наиболее важного узла сопряжения конструкций покрытия, а также приведена альтернативная конс...

Исследование конечной жесткости соединений металлических конструкций

В статье показано различие в подходе к расчету соединений элементов поперечных рам стальных каркасов в российской и европейской нормативной документации. Рассмотрено влияние учета конечной жесткости соединений на распределение внутренних силовых факт...

Похожие статьи

Сравнение теоретических данных напряженно-деформированного состояния крестового свода с данными численного эксперимента

В расчетах конструкций сводчатых перекрытий целесообразно использовать метод конечно-элементного моделирования, который позволяет учесть не только пространственную работу конструкций, но и особенности материала. Для того, чтобы использовать такой мет...

Системный подход к выбору моделей для предсказания разрушения деталей на основе статистических данных

В статье описана методика работы с результатами испытаний деталей. С помощью методов машинного обучения удалось научиться предсказывать максимальное значение силы на растяжение, которую выдерживает деталь перед полным разрушением. Лучшую модель из ис...

Определение динамического эффекта в связевом каркасе при прогрессирующем обрушении

В статье рассматривается процесс определения значения динамического коэффициента для квазистатического метода при расчете зданий и сооружений при прогрессирующем обрушении. Вышеупомянутый процесс рассматривается на примере связевого каркаса пролетом ...

Оценка эффективности дисперсного армирования бетона с позиции механики разрушения

В данной работе описываются силовой и энергетический критерии развития трещин, а также физический смысл J-интеграла и коэффициента интенсивности напряжений. Приводится описание установки, разработанной специально для определения характеристик трещино...

Оценка общей устойчивости склона с учетом нагельного крепления

Нагельное крепление является одной из эффективных технологий, которая применяется для повышения устойчивости склонов, и предполагает устройство грунтовых нагелей типа Titan совместно с гибкой покровной системой (высокопрочная стальная сетка). В рамка...

Исследование численной модели трубобетонной колонны круглого сечения в ПК Ansys Workbench

Для анализа напряженно-деформированного состояния трубобетонной колонны круглого сечения была выполнена конечно-элементная модель в программном комплексе Ansys Workbench с учетом физической, геометрической и контактной нелинейности. Полученная расчет...

Решение задач классификации методами машинного обучения

В данной работе проанализирована актуальность методов машинного обучения для решения задач классификации, определены понятия машинного обучения, нейронной сети. Выявлена необходимая информация для анализа машинного обучения. Определены понятия класси...

Работа сетчатого купола при монтаже навесным способом

При применении навесного способа в расчетах необходимо учитывать порядок монтажа конструкции. В статье описывается метод моделирования поведения конструкции при монтаже с использованием операция «монтаж» в ПК ЛИРА-САПР. На первом этапе работы определ...

Исследование работы узлов покрытия при прогрессирующем обрушении

В статье приводится порядок определения напряжённо-деформированного состояния узлов покрытия при расчёте на прогрессирующее обрушение. Выполнен анализ работы наиболее важного узла сопряжения конструкций покрытия, а также приведена альтернативная конс...

Исследование конечной жесткости соединений металлических конструкций

В статье показано различие в подходе к расчету соединений элементов поперечных рам стальных каркасов в российской и европейской нормативной документации. Рассмотрено влияние учета конечной жесткости соединений на распределение внутренних силовых факт...

Задать вопрос