Цель исследования: Анализ зависимости несущей способности и M-φ кривой жёсткого узла от изменения наклона фланцевой пластины.
Задачи исследования:
– Определить максимальную несущую способность узла
– Определить наиболее благоприятную M-φ кривую жёсткого узла
– Классифицировать узел
Объект исследования: Жёсткий узел стальной рамы
Предмет исследования: Несущая способность и M-φ кривые
Введение
Соединение, устойчивое к изгибающему моменту (moment resistant joint), или моментное соединение — это общее название для соединения, которое передаёт изгибающий момент, поперечную силу (и осевую силу) между соединяемыми элементами. Моментные соединения в углах рамных несущих конструкций традиционно проектируются в предположении идеализированной жёсткости, которая обеспечивает непрерывность элементов рамного несущего элемента, то есть изгибающего момента и внутренних усилий в элементах рамы. Основной характеристикой идеально жёстких (ideally rigid) моментных соединений является «бесконечно большая» жёсткость компонентов соединения и, как следствие, предотвращение изменения угла между элементами соединения (например, колонны и ригельа) под действием нагрузки, то есть предотвращение разности абсолютных поворотов концов элементов в рассматриваемом соединении. Однако моментные соединения в реальных конструкциях обладают определённой степенью гибкости, которая является следствием деформируемости отдельных компонентов соединения. Гибкость моментного соединения должна учитываться при глобальном анализе, то есть при моделировании конструкции рамы.
Поворотная жёсткость S j — это параметр связи между несущим моментом M j и относительным поворотом φ, который представляет собой разность абсолютных поворотов концевых поперечных сечений соединяемых элементов. Стандарт EN 1993–1–8 в главе 6 определяет расчётные модели, с помощью которых устанавливается прогнозное значение несущей способности и поворотной способности моментного соединения. Эти модели основаны на применении компонентного подхода, который включает идентификацию активных компонентов соединения (болты, пояс колонны, стенка колонны, фланцевая пластина), оценку механических характеристик компонентов и установление качественных и количественных взаимосвязей этих характеристик на интегральном уровне для оценки конструктивных характеристик соединения и его глобальной реакции в предельном состоянии по несущей способности. Таким образом, с точки зрения поворотной жёсткости моментные соединения классифицируются как жёсткие или полужёсткие.
В монтажных соединениях элементов стальных конструкций широко применяются различные болтовые соединения, в том числе фланцевые на высокопрочных болтах. К преимуществам болтовых соединений по сравнению со сварными относятся:
– замена монтажной сварки, требующей высокой квалификации, элементарными операциями по постановке и затяжке болтов;
– возможность монтажа конструкций при любых климатических условиях, в том числе и при низких температурах;
– высокая надежность соединений при действии динамических нагрузок;
– простота контроля соединений;
– возможность демонтажа конструкций без повреждения конструкции.
Общие сведения о проведении испытания
Испытание проведено на трёх жёстких узлах стальной конструкции промышленного объекта. Каждый узел сформирован таким образом, что соединяются главная колонна рамной конструкции и ригель, поперечные сечения которых выполнены в форме сварного профиля размерами 600×300×6×9 мм. Соединение в каждом случае осуществляется через фланцевую пластину толщиной 19 мм и предварительно напряжённые высокопрочные болты M8.8. Качество стального материала всех элементов для испытания каждого узла соответствует качеству С255. Жёсткий узел на рисунке 1 соответствует случаю, когда фланцевая пластина образует с горизонталью угол 90 градусов. Жёсткий узел на рисунке 2 соответствует случаю, когда фланцевая пластина образует с горизонталью угол 35 градусов. Жёсткий узел на рисунке 3 соответствует случаю, когда фланцевая пластина образует с горизонталью угол 0 градусов, то есть когда фланцевая пластина совпадает с горизонталью.
Рис. 1. Узел № 1, фланцевая пластина образует угол 90 градусов
Рис. 2. Узел № 2, фланцевая пластина образует угол 35 градусов
Рис. 3. Узел № 3, фланцевая пластина образует угол 0 градусов
Методика проведения испытания и полученные результаты
Испытание проводилось в предположении, что каждый жёсткий угол стальной рамной конструкции будет сконструирован таким образом, чтобы его можно было максимально достоверно сравнивать с другими узлами. В соответствии с этим, каждое соединение выполнено с фланцевой пластиной одинаковой толщины и с болтами одного качества и диаметра для всех трёх случаев. Для случая, когда фланцевая пластина образует с горизонталью углы 90 и 35 градусов (узлы, показанные на рисунке 1 и на рисунке 2), усиление в виде вут намеренно не предусматривалось, так как дополнительное усиление в виде вуты радикально увеличило бы несущую способность жёсткого узла и снизило бы его гибкость, и как таковое сразу же изначально сделало бы узлы 1 и 2 значительно более предпочтительным решением по сравнению со случаем 3.
Результаты узла № 1
На узел была задана нагрузка в виде изгибающего момента M y величиной 100 кН·м, как показано на графике, представленном на рисунке 4. Нагрузка задана произвольно, поскольку само программное обеспечение IdeaStatica требует от пользователя указать значение нагрузки, чтобы в ответе можно было получить информацию о максимальной несущей способности показанного узла. Из графика чётко видно введённое значение расчётной нагрузки 100 кН·м и расчётная несущая способность узла — 236,2 кН·м.
На рисунке 5 представлена M-φ кривая узла № 1, на основе которой можно определить значение поворотной жёсткости S j как главного параметра для классификации узла как полужёсткого.
Рис. 4. График несущей способности узла № 1
Рис. 5. M-φ кривая узла № 1
Результаты узла № 2
На узел была задана нагрузка в виде изгибающего момента M y величиной 100 кН·м, как показано на графике, представленном на рисунке 6. Нагрузка задана произвольно, поскольку само программное обеспечение IdeaStatica требует от пользователя указать значение нагрузки, чтобы в ответе можно было получить информацию о максимальной несущей способности показанного узла. Из графика чётко видно введённое значение расчётной нагрузки 100 кН·м и расчётная несущая способность узла — 291,1 кН·м.
На рисунке 7 представлена M-φ кривая узла № 2, на основе которой можно определить значение поворотной жёсткости S j как главного параметра для классификации узла как полужёсткого.
Рис. 6. График несущей способности узла № 2
Рис. 7. M-φ кривая узла № 2
Результаты узла № 3
На узел была задана нагрузка в виде изгибающего момента M y величиной 100 кН·м, как показано на графике, представленном на рисунке 8. Нагрузка задана произвольно, поскольку само программное обеспечение IdeaStatica требует от пользователя указать значение нагрузки, чтобы в ответе можно было получить информацию о максимальной несущей способности показанного узла. Из графика чётко видно введённое значение расчётной нагрузки 100 кН·м и расчётная несущая способность узла — 146,6 кН·м.
На рисунке 9 представлена M-φ кривая узла № 3, на основе которой можно определить значение поворотной жёсткости S j как главного параметра для классификации узла как жёсткого.
Рис. 8. График несущей способности узла № 3
Рис. 9. M-φ кривая узла № 3
Выводы и обработка результатов
Проведённые испытания трёх типов фланцевых узлов показали существенное различие в их несущей способности и поворотной жёсткости. Узел № 2 оказался наиболее эффективным (расчётная несущая способность 291,1 кН·м), узел № 1 — средним (236,2 кН·м), а узел № 3 — наименее прочным (146,6 кН·м). При этом узел № 3 классифицируется как жёсткий а узлы № 1 и № 2 — как полужёсткие (по параметрам M-φ кривых).
На основе M-φ диаграмм и расчётной несущей способности установлено:
– Узел № 2 является оптимальным сочетанием высокой прочности (291,1 кН·м) и полужёсткости.
– Узел № 1 — резервный вариант при средних нагрузках (236,2 кН·м).
– Узел № 3 не рекомендуется к применению в несущих конструкциях из-за низкой несущей способности (146,6 кН·м) при жёстком поведении.
Для повышения достоверности сравнения следует ввести втулки и повторить испытания.
Литература:
- Катюшин В. В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, строительство). — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Издательство АСВ, 2018. — 1072 с.
- Копытов М. М. Металлические конструкции каркасов одноэтажных зданий: учебное пособие. — Томск: Издательство Томского государственного архитектурно-строительного университета, 2012. — 316 с.
- Москалев Н. С., Прокозин Я. А. Металлические конструкции: учебник. — Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007. — 344 с.
- Dobrić J., Gluhović N., Buđevac D. Čelične konstrukcije u zgradarstvu. Opšta pravila za projektovanje prema SRPS EN standardima i nacionalnim prilozima. — Beograd: Univerzitet u Beogradu, Građevinski fakultet; Akademska misao, 2023.
- Marković Z. Granična stanja čeličnih konstrukcija prema Evrokodu. — Beograd: Akademska misao; Građevinski fakultet, 2014. — 477 s.
- EN 1993–1–8:2005+AC:2009 Eurocode 3: Design of steel structures — Part 1–8: Design of joints. — Brussels: CEN, 2009. — 138 p.
- СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23–81* (с Изменениями N 1, 2)». [Электронный ресурс] URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293745/4293745484.pdf (дата обращения: 10.04.2021)
