Проектирование | Обследование | Геотехника | BIM

Напряженное состояние поперечной рамы стального каркаса при вариантном моделировании узлов фермы

Проектирование | Обследование | Геотехника | BIM·3 Oct at 5:51 pm
Т.В. Потапова. Напряженное состояние поперечной рамы стального каркаса при вариантном моделировании узлов фермы // Инженерный вестник Дона, №5 (2024)

Выбор правильной расчетной схемы при моделировании стальных каркасов зданий с помощью систем автоматизированного проектирования позволяет наиболее точно воспроизвести действительную работу конструкции [1, 2]. Тип соединения элементов оказывает большое влияние на их напряженно-деформированное состояние. Узлы стальных конструкций могут проектироваться жесткими, полужесткими или шарнирными [3]. Актуальным вопросом является моделирование стыков равнополочных уголков, часто применяемых в стропильных фермах благодаря простоте производства и монтажа, а также высокой прочности и небольшой массе [4]. При выполнении численных расчетов соединения стержней ферм принимаются шарнирными, однако в реальных конструкциях данные узлы обладают значительной жесткостью, что необходимо учитывать для рационального проектирования каркаса [5-7].

Целью статьи является изучение влияния способов моделирования узлов фермы на прочность поперечной рамы стального каркаса двухэтажного здания, являющейся объектом исследования. Предметом выступает напряженное состояние конструкции.

В ходе исследования были решены следующие задачи. В программном комплексе ЛИРА-САПР были созданы два варианта расчетной модели поперечной рамы стального каркаса двухэтажного здания. В качестве признака схемы был выбран вариант 2 – Три степени свободы в узле. В первом варианте все стыки стержней фермы приняты шарнирными (рис. 1), во втором – жесткими (рис. 2) [8].

Рис. 1. – Расчетная модель рамы №1 с шарнирными узлами фермы
Рис. 1. – Расчетная модель рамы №1 с шарнирными узлами фермы

Был выполнен сбор нагрузок на поперечную раму, в который входили нагрузки от веса конструкций покрытия, снеговая, ветровая, а также нагрузка от собственного веса, которая учитывается в программном комплексе автоматически в соответствии с назначенными сечениями [9]. Шаг поперечных рам принят равным 6 м. Расчет был выполнен для города Москва, относящегося к III снеговому и I ветровому районам.

Рис. 2. – Расчетная модель рамы №2 с жесткими узлами фермы
Рис. 2. – Расчетная модель рамы №2 с жесткими узлами фермы

На рис. 3 представлены сечения, назначенные элементам схемы.

Рис. 3. – Список жесткостей, назначенных элементам модели
Рис. 3. – Список жесткостей, назначенных элементам модели

Схема поперечной рамы с прикладываемыми нагрузками представлена на рис. 4. Использованы следующие обозначения: p1, F1, F2, F1’, F2’ – нагрузки от веса конструкций покрытия; S, S1, S2 – снеговые нагрузки; Mф – момент, передающийся от фермы на внецентренно сжатую колонну; p2, q2 – нагрузки на главную балку; Mгб – момент, передающийся от главной балки на внецентренно сжатую колонну; p3, F3, F3’ – нагрузки от веса стенового ограждения; q4, q4’, F4, F4’ – ветровые нагрузки; L – пролет рамы; H1, H2 – высоты первого и второго этажей; h – высота стропильной фермы.

Рис. 4. – Расчетная схема поперечной рамы
Рис. 4. – Расчетная схема поперечной рамы

Было сформировано пять расчетных сочетаний нагрузок (РСН), которые представлены на рис. 5.

Рис. 5. – Расчетные комбинации нагрузок на поперечную раму
Рис. 5. – Расчетные комбинации нагрузок на поперечную раму

В таблице №1 приведены значения усилий, абсолютная величина которых по результатам расчета наиболее изменилась вследствие исключения шарниров из модели.

Таблица №1 Сравнение изгибающих моментов в расчетных моделях
Таблица №1 Сравнение изгибающих моментов в расчетных моделях

Максимальная разница между двумя схемами в значениях изгибающих моментов наблюдалась при РСН 5 (совместное действие постоянных, длительных, кратковременных снеговой и доминирующей ветровой нагрузки). Сравнение эпюр представлено на рис. 6.

В процентном соотношении максимальное изменение изгибающего момента при симметричных РСН 1 и 2 было зафиксировано в колоннах в уровне второго этажа: от +17,22 до -12,18 и от +42,48 до -11,00% соответственно.

Рис. 6. – Сравнение эпюр изгибающих моментов (РСН 5) в моделях №1 и №2
Рис. 6. – Сравнение эпюр изгибающих моментов (РСН 5) в моделях №1 и №2

Значения продольных сил приведены в таблице №2.

Таблица №2 Сравнение продольных сил в расчетных моделях
Таблица №2 Сравнение продольных сил в расчетных моделях

Максимальное увеличение момента происходит в верхней половине, уменьшение – в середине верхней части колонны. При РСН 3, 4 и 5, включающих ветровую нагрузку, максимальное изменение наблюдалось в уровне второго этажа в правой колонне (с подветренной стороны) в тех же сечениях: от +50,92 до -19,81, от +113,12 до -16,16% и от +113,64 до -16,79%.

Максимальный процент увеличения продольной силы был зафиксирован в главной балке: на 3,54, 4,21, 3,68, 4,33 и 4,29% при РСН 1-5 соответственно.

В результате сравнения расчетных схем были сделаны следующие выводы. Способ моделирования узлов фермы (жесткое или шарнирное) влияет на распределение усилий в элементах поперечной рамы. Наибольший рост изгибающих моментов наблюдается в опорных раскосах фермы вблизи узла сопряжения со стойками и в верхних частях колонн. При этом в середине верхних частей колонн изгибающий момент уменьшается.

Продольные силы максимально уменьшаются в крайних панелях нижнего пояса стропильной фермы и увеличиваются в пролетах главной балки.

Наибольшее влияние изменение способа моделирования узлов фермы имеет при сочетании снеговой и ветровой нагрузок, минимальное – при учете только постоянных и длительных нагрузок.

При расчете поперечного каркаса здания необходимо уделять внимание выбору правильного сопряжения элементов стропильной фермы. Особое влияние это оказывает на узел соединения фермы с колонной, рациональное проектирование которого позволяет снизить расходы на производство и монтаж конструкций [10].

Литература

  1. Линьков Н.В. Напряженное состояние стальной пролетной конструкции при различных решениях расчетной схемы // Инженерный вестник Дона, 2024, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2024/9080.
  1. Рогожина А.В. Вариантное моделирование стальных колонн промышленного здания с последующей верификацией полученных результатов // Инженерный вестник Дона, 2023, №6 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2023/8445.
  1. Jaroszewski T., Miari M., Falborski T., Jankowski R. Shaking table experimental study on models of steel buildings with different types of joints // Measurement, 2023, vol. 206. URL: doi.org/10.1016/j.measurement.2022.112260.
  1. Gomes Jr J.O., Carvalho H., Simões da Silva L., Ferreira Filho J.O., Lavall A. Assessment of design procedures for the buckling resistance of hot-rolled steel equal leg angles under concentric and eccentric compression // Structures, 2023, vol. 57 URL: doi.org/10.1016/j.istruc.2023.105308.
  1. Себешев В.Г., Люфт Н.А., Никольский А.В. Комплексный анализ устойчивости ферм с использованием корректных расчетных моделей // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2022. №9 (765). С. 78- 90 URL: doi.org/10.32683/0536-1052-2022-765-9-78-90.
  1. Туснина В.М., Платонова В.Д. Численный анализ жесткости фланцевых узлов «балка-колонна» // Промышленное и гражданское строительство. 2020. №9. С. 28-33 URL: elibrary.ru/item.asp? id=44031405.
  1. Малышкин А.П., Есипов А.В. Экспериментально-теоретические исследования стальных ферм покрытия легкоатлетического манежа в г. Тюмени // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2015. №2. С. 105-115 URL: doi.org/10.15593/2224-9826/2015.2.08.
  1. Гринёва Ю.И. Анализ статических схем стальной стропильной фермы // Шаг в науку. 2020. №1. С. 15-19 URL: elibrary.ru/item.asp? id=42840842.
  1. Линьков Н.В. Расчет деформативности конструкции стальной фермы с учетом выделенной доли длительности нагрузки // Инженерный вестник Дона, 2023, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2023/8143.
  1. Rangel J.V.S., Falcon G.A.S., Medeiros C.A. Optimum design of steel frames considering semi-rigid joints // Proc. XXXVIII Iberian Latin-American Congress on Computational Methods in Engineering. Florianópolis, Brazil, 2017 URL: researchgate.net/publication/321510257.
49 views
49 views