Експериментально-теоретичне дослідження безфасонних вузлів із швелерів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Експериментально-теоретичне дослідження безфасонних вузлів із швелерів

Семко О.В.

Розглянуто конструкцію, характер руйнування, місця зосередження максимальних напружень та несучу здатність при різних схемах завантаження безфасонних вузлів поєднання сталевих та сталебетонних колон із сталевими балками з швелерів.

Розвиток будівельних конструкцій пов'язаний із пошуком нових видів раціонального та ефективного поєднання сталі й бетону. Традиційні залізобетонні конструкції мають ряд недоліків: працемісткість виготовлення і необхідність встановлення опалубки, тріщиностійкість, малий опір механічним впливам. У збірних конструкціях крім цього достатньо гостро стоїть проблема стиків, що потребують великої кількості закладних деталей. Недоліком сталевих конструкцій є втрата місцевої стійкості під дією зосередженого навантаження, низька вогнестійкість і корозостійкість.

Сталебетонні конструкції із зовнішнім армуванням порівняно із залізобетонними мають ряд переваг: проста технологія виготовлення, ремонту та підсилення; зменшення витрат на опалубку та закладні деталі; поєднання функцій робочої арматури із захисним огородженням бетону. Бетонне ядро підвищує місцеву стійкість і несучу здатність металевої обойми та відпадає необхідність захищати її від корозії з внутрішньої сторони.

Розрахунок і конструювання вузлів сталебетонних конструкцій на сьогодні розроблені недостатньо, що сповільнює впровадження їх у практику будівництва. Проектування цих конструкцій ведеться в основному згідно з діючими СНиП та посібників до них [1]. Також існує ряд досліджень роботи трубобетонних конструкцій [2, 3], досліджень напружено-деформованого стану вузлів конструкцій та місць концентрації напружень в них [4]. По периметру приєднання елементів конструкції виникає нерівномірна передача навантаження, а отже і напружень, що залежить від конфігурації з'єднання та геометричних параметрів складових елементів. При цьому сучасне проектування вимагає підвищення надійності, економічності та технологічності будівельних конструкцій. Зокрема при розробці вузлів виникає необхідність зменшення товщини перекриття у приопорній зоні.

Мета даної роботи - визначити несучу здатність та характер руйнування і місця зосередження максимумів напружень при різних схемах завантаження вузлів поєднання сталевих та сталебетонних колон із сталевими балками із швелерів без застосування опорних столиків та ребер жорсткості.

Для проведення досліджень було запроектовано та виготовлено дві серії зразків (по 10 зразків-близнюків кожна) у вигляді жорсткого вузла з'єднання сталевої короткої колони довжиною 400 мм з двох швелерів 10 зварених у “коробочку” та сталевої балки перекриття з двох швелерів 14 довжиною 1100 мм. Кожен швелер 14 балки приварювався до середини колони двома вертикальними зварними швами з катетом шва 5 мм по всій висоті перерізу балки (рис. 1). Друга серія СБВ відрізнялася від першої СВ тим, що утворений зварюванням двох швелерів внутрішній простір колони був заповнений бетоном проектного класу В25.

Рис. 1. Конструкція, геометричні розміри та схема прикладення навантаження до дослідних зразків серій СВ та СБВ

Випробування зразків проводилося на гідравлічному пресу 4ПГ-500. Зусилля передавались через шарнірну верхню плиту безпосередньо на колону, а на нижню опорну плиту ставились шарніри, що встановлювались на відстані е = 5-40 см від стінки колони до середини шарніру та передавали навантаження на балку (див. рис. 1). Поздовжні та поперечні деформації у найбільш напружених місцях (привузловій зоні) на швелерах балки та колони вимірювались за допомогою електротензорезисторів з базою 20 мм. Прогини на кінцях балки та деформації зсуву кожного з чотирьох зварних швів вимірювався за допомогою індикаторів годинникового типу ИЧ-10.

Детальний опис конструкції випробуваних зразків, схем встановлення вимірювальних приладів на них під час випробувань викладено в [5].

Під час проведення випробувань безфасонних вузлів фіксувалися два навантаження: межа текучості металу балки та максимальне зусилля, котре здатна сприйняти досліджувана конструкція . Різниця між ними була визначена величиною . Також по значенням цих зусиль і величині плеча прикладення навантаження е були підраховані згинаючі моменти у місці приєднання балки з двох швелерів до колони на межі текучості металу балки та на межі міцності . Поперечна сила у приопорній зоні балки дорівнювала половині прикладеного навантаження: відповідно та . Для однакового типу завантаження зразків (по 4 зразка) були підраховані середні значення прикладеного навантаження та згинаючих моментів у приопорній зоні балки для двох характерних прикладених зусиль, що занесено до таблиці 1.

Таблиця 1

Результати досліджень безфасонних вузлів із швелерів

При прикладенні навантаження до балки на найбільшій відстані е = 30-40 см руйнування відбувалося внаслідок втрати місцевої стійкості верхньої стиснутої полички швелеру балки, що приводило до руйнування (відриву) зварного шва (рис. 2, а). У нижній поличці відмічались поздовжні деформації до 1200-1500Ч10-5 одиниць, що значно перевищує допустимі деформації при експлуатації конструкцій. Залежність зміни поздовжніх деформацій у крайніх волокнах балки від навантаження зображена на рис. 3.

Руйнування зразків при е = 10 см відбувалося внаслідок втрати місцевої стійкості стінки швелера балок від дотичних напружень (рис. 2, б). У момент руйнування деформації стінки швелера балки експериментальних зразків складали 700-850Ч10-5 одиниць. Залежність зміни кутових деформацій у стінці швелера балки від величини навантаження зображена на рис. 4.

Руйнування зразків при прикладенні сили на відстані е = 5 см проходило внаслідок зрізу двох зварних швів, що прикріплюють один швелер балки до колони. Відрив одного швелера балки від колони відбувся саме по двом зварним швам, руйнуюче навантаження по яким виявилося менше за руйнуюче навантаження на інші два зварні шви (за рахунок меншого катета шва, непровару тощо). швелер безфасонний сталева балка

а) б)

Рис. 2. Руйнування зразків при відстані прикладення навантаження:

а) е = 40 см - зразок СБВ 2-0; б) е = 10 см - зразок СВ 2-3

По отриманим під час випробувань даним зміни відносних деформацій від величини прикладеного навантаження були побудовані залежності поздовжніх деформацій у крайніх волокнах балки (рис. 3) та кутових деформацій на стінці швелера балки (рис. 4) від величини навантаження для зразків із різною відстанню прикладання сил до балки. Поздовжні деформації були визначені по вимірам електротензорезисторів, наклеєних вздовж осі балки. Кутові деформації - по вимірам прямокутних розеток із тензорезисторів наклеєних на стінці швелера балки [6].

Рис. 3. Залежність поздовжніх деформацій у крайніх волокнах балки від величини навантаження

Рис. 4. Залежність кутових деформацій на стінці швелера балки від величини навантаження

Графіки зображені на рис. 3 і 4 підтверджують дані, наведені вище про характер руйнування типових зразків: поздовжні деформації у поличках швелеру балки розвивалися найбільше у зразках з максимальною відстанню прикладення сили до балки; а кутові деформації - у зразках з найменшою, де поздовжні деформації у поличках при однакових значеннях навантаження менші і руйнування відбувалося через втрату місцевої стійкості стінки швелера балки.

Залежності прогинів кінців балок від навантаження для зразків з різною величиною відстані прикладання навантаження зображено на рис. 5. Також були підраховані значення цих прогинів теоретично методом початкових параметрів, що нанесені на графік пунктирною лінією. При розрахунках приймалося, що балка жорстко зв'язана з колоною і прогини знаходилися як для консольної балки жорстко закріпленої одним кінцем та завантаженої зосередженою силою [7].

Із графіка показаного на рис. 5 видно, що зі збільшенням плеча прикладення сили, прогини розвиваються більш стрімко, ніж із меншим плечем. Це пояснюється тим, що руйнування зразків із великим ексцентриситетом відбувається внаслідок розвитку надмірних деформацій у поличках швелерів балки (див. рис. 3), що в свою чергу викликали великі прогини вільних кінців балки. У пружній стадії роботи конструкції експериментально виміряні прогини збігаються з теоретичними майже для всіх типів прикладення навантаження.

Слід також відмітити, що руйнування експериментальних зразків відбувалося внаслідок втрати місцевої стійкості поличок чи стінки швелерів балки або зрізу зварного шва з'єднання. Наявність бетонування колони не впливало на значення несучої здатності зразка в цілому. Хоча звичайно ж бетон підвищує місцеву стійкість металевої оболонки колони у місці примикання до неї балки.

Рис. 5. Залежність величини прогину кінців балок зразків серій СВ та СБВ від величини та ексцентриситету прикладення навантаження

Паралельно з експериментальними дослідженнями проводилось комп'ютерне моделювання випробувань віртуальних зразків методом скінченних елементів у комплексі MSC.NASTRAN for Windows 2004. Сітка скінченних елементів була створена із тетраедрів. Розмір сітки - 0,001 м. Умови закріплення наступні: верхня поверхня зразка (верх колони) закріплена жорстко; вузли, розміщені на балці до яких прикладалось навантаження, закріплені у напрямках осей Х і У (у поздовжній площині балки). Навантаження прикладали до балки вздовж осі Z. Площина прикладання навантаження була рівна площині обпирання шарнірів при проведенні реального експерименту.

Результати комп'ютерного моделювання методом скінченних елементів приведені на рис. 6. Світлим кольором на моделях виділені зони максимальних напружень. Як бачимо, у зразках з великим плечем прикладення навантаження максимальні напруження виникають у поличках (рис. 6, а), що аналогічно з даними, отриманими в результаті натурних випробувань (рис. 2, а); у зразках з малим плечем (рис. 6, б) - у стінці, що подібно з натурними випробуваннями (рис. 2, б).

а)

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Зображення максимальних напружень на поверхні зразків при різній відстані прикладення навантаження: а) е = 40 см; б) е = 10 см

З отриманих результатів дослідження можна зробити висновок, що безфасонний вузол з'єднання сталебетонної колони з балками із швелерів забезпечує приблизну рівноміцність всіх елементів вузла (колони, балки, зварних швів) та є досить простим при монтажі. На характер руйнування вузла та його несучу здатність значно впливає величина відстані від колони до точки прикладення навантаження на балку.

Література

1. Руководство по проектированию железобетонных конструкций с жесткой арматурой // НИИЖБ, ЦНИИПромзданий. М.: Стройиздат, 1978. - 54 с.

2. Стороженко Л.И., Пахотный П.И., Чорный А.Я. Расчёт трубобетонных конструкций. - К.: Будівельник, 1991. - 120 с.

3. Назаров О.В. Напружено-деформований стан трубобетонних елементів при місцевих силових впливах. Автореферат дис. канд. техн. наук. - Київ, 2004. - 20 с.

4. Колесниченко С.В., Миронов А.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния и концентрации напряжений в К-образных узлах плоских решетчатых конструкций // “Автомобільні дороги і транспортне будівництво”. - Вип. 64. - Київ, 2002. - С. 127-130.

5. Семко О.В., Гасенко А.В. Результати експериментальних досліджень безфасоночних вузлів із швелерів // Збірник наукових праць “Будівельні конструкції”. Випуск 67. Київ: НДІБК, 2007. - С. 318-326.

6. Почтовик Г.Я., Злочевскиц А.В., Яковлєв А.Н. Методы и средства испытания строительных конструкций. М.: “Высшая школа”, - 1974.

7. Опір матеріалів: Підручник / Писаренко Г.С., Квітка О.Л., Уманський Е.С.; за ред. Писаренка Г.С. - 2-ге вид., допов. і переробл. - К.: Вища школа, 2004. - 655 с.

Размещено на Allbest.ru