Результати експериментальних досліджень сталевої крокв’яної арки з перфорованим верхнім поясом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ СТАЛЕВОЇ КРОКВ'ЯНОЇ АРКИ З ПЕРФОРОВАНИМ ВЕРХНІМ ПОЯСОМ

Романюк В.В., к.т.н., доцент,

Супрунюк В.В., асистент

м. Рівне

Анотація

Наведені результати експериментальних досліджень напружено-деформованого стану елементів сталевої крокв'яної арки за симетричного навантаження. Встановлено, що дослідна конструкція арки придатна до експлуатації.

Визначним фактором, який впливає на ефективність сучасного будівництва, є витрати матеріалу на несучі та огороджуючі конструкції. Тому розробка нових конструктивних форм або ж удосконалення існуючих є актуальною на даний час. Одним із найбільш масових видів металевих конструкцій є плоскі несучі конструкції покриття, які потребують експериментальної перевірки їх несучої здатності.

На теперішній час проведена велика кількість експериментальних досліджень перфорованих елементів, а також конструкцій на їх основі, але, на жаль, результати цих досліджень досить мало відображені в літературі, а іноді навіть протирічать одне одному і теоретичним передумовам самих авторів. До того ж експериментальні дослідження в основному проводились на моделях у вигляді згинальних однопрольотних балок з метою встановлення ступеня точності різних методик розрахунку. Дослідження натурних зразків конструкцій в сучасній практиці є рідкістю, а експерименти з комбінованими системами, до складу яких входять перфоровані елементи, за виключенням деяких окремих випадків в літературі не представлені.

Враховуючи, що напружено-деформований стан реальних конструкцій має значне розходження з теоретичними розрахунками, а також цінність результатів дійсної роботи реальних конструкцій, були проведені самостійні експериментальні дослідження натурного зразка конструкції розробленої сталевої арки. сталевий навантаження арка деформований

Відповідно до поставленої мети була запроектована, виготовлена та випробувана в науково-дослідній лабораторії кафедри інженерних конструкцій Національного університету водного господарства та природокористування (НУВГП) конструкція сталевої попередньо-напруженої перфорованої крокв'яної арки (рис.1).

Конструкція арки запроектована відповідно до [1]. Вона складалась з двох напіварок 1, які виготовлені із перфорованих (розвинених) двотаврів і які з'єднувались між собою жорстко у гребеневому вузлі А; затяжки 2, яка приєднувалась до напіварок на рівні опорних шарнірів: шарнірно нерухомого Б і рухомого В; розпірки 3, яка під'єднувалась до напіварок у шарнірних вузлах Г, один з яких включав в себе конструкцію механізму натягу розпірки 4; підвіски 5, що підтримує затяжку під час транспортування та монтажу арки в проектне положення.

Рис.1. Сталева попередньо-напружена перфорована арка з характерними перерізами в лівій напіварці

Прольот дослідної конструкції складав 9 м, стріла підйому - 2,25 м, ухил верхнього поясу - 1:2, висота розташування розпірки - 1,525 м відповідно до методики розрахунку [2]. Номер вихідного двотавра верхнього поясу №12 за ГОСТ 8239 - 72^*, коефіцієнт розвитку висоти його перерізу складає 1,22.

Для випробування такої конструкції була запроектована та виготовлена спеціальна установка, яка дозволила закріпити її в проектне положення та провести випробування [3].

Випробування конструкцій проводилось за трьома схемами завантаження, а саме: симетрічній, несиметрічній і монтажній. Симетрична схема завантаження моделювала реальне постійне навантаження на покривлю, несиметрична - наявність снігового покриву тільки на половині прольоту, монтажна - у випадку влаштування покрівлі лише з одного боку під час будівництва. Крім того, щоб довести доцільність застосування розробленої конструкції та методики її розрахунку, випробування арки проводилось за кожною із схем завантаження за відсутністю розпірки, з розпіркою за різних значень ексцентриситету зміщення затяжки та з попереднім натягом розпірки.

В загальному було проведено 27 завантажень дослідної конструкції за різних схем завантаження та за різних її конструктивних особливостей. При цьому на останньому симетричному завантаженні з попереднім натягом розпірки арку було доведено до руйнування з метою визначення руйнівного навантаження.

Розрахункове симетричне рівномірно розподілене навантаження на арку складало 11,93 кН/м. Зосереджене вузлова сила при цьому була рівною 12 кН. Несиметричне навантаження розглядалось для випадку відсутності снігового навантаження на половині прольоту, тобто враховувалось навантаження лише від власної ваги огороджуючих покрівельних конструкцій. Розрахункове рівномірно розподілене навантаження на правій половині арки складало 7,95 кН/м. Зосереджена вузлова сила була рівною 8 кН. На лівій половині арки навантаження залишалось як для симетричного навантаження. Гребеневий вузол навантажувався силою, яка була рівною середній по величині між лівою та правою напіварками, а саме 10 кН.

В процесі монтажу будівлі з використанням таких арок можливий варіант влаштування покриття лише на половині прольоту. Тому обов'язковим етапом було завантаження арки одностороннім рівномірно розподіленим навантаженням рівним 7,95 кН/м на лівій напіварці. Зосереджена вузлова сила складала 8 кН.

Попередній натяг розпірки арки виконувався механічним способом за допомогою гайкового ключа. Величина попереднього натягу становила 16 кН і контролювалась за допомогою тензодатчиків і тензометричної апаратури.

Експериментальні дослідження в цілому підтвердили розроблену методику розрахунку і доцільність застосування ексцентриситету зміщення затяжки (або ж попереднього натягу розпірки). Також було встановлено, що за досягнення рівня розрахункового навантаження видимих руйнувань в елементах арки не відбулось, а отримані напруження не перевищили розрахункового опору сталі.

Аналіз напруженого стану перфорованого стиснуто-згинального поясу арки здійснювався шляхом порівняння теоретичних і експериментальних напружень у 28-ми його перерізах (14 на кожну напіварку) на всьому прольоті (рис. 1). Теоретичні напруження обчислені за уточненою методикою [4], яка використовує теорію згину і передбачає, що напруження визначаються як у звичайній балці, послабленій отвором, з урахуванням додаткового згину поясу поперечною силою, яку сприймає цей пояс, а експериментальні - виміряні за допомогою тензорезисторів.

На рис. 2 представлені теоретичні та експериментальні значення напружень за симетричного навантаження у верхній та нижній полицях перфорованого двотавра навпівпоясів арки.

Оскільки пряме порівняння теоретичних та експериментальних результатів провести складно, тому виконувалось порівняння по площам епюр напружень. Середнє відхилення склало: для верхнього полиці - 14-20%; для нижньої полиці - 11-19%.

Найбільша розбіжність між теоретичними та експериментальними напруженнями спостерігається на ділянці напіварки поблизу прикріплення до неї розпірки (див. рис. 2, характерний переріз 9-9). Це пояснюється більшою згинальною жорсткістю поясів в цих перерізах за рахунок приварених до них фасонок, і тим, що в теоретичних розрахунках зусилля, яке передається на напіварки від розпірки, приймається у вигляді зосередженої сили, хоча в дійсності воно передається через фасонки, які приварюються до поясів на ділянці довжиною 30 см, тобто у вигляді розподіленого навантаження.

Рис. 2. Напруження у верхній і нижній полицях поясу напіварки в характерних перерізах за симетричної схеми завантаження арки з розпіркою: а) теоретичні; б) експериментальні

Результати теоретичних напружень в затяжці та розпірці і порівняння їх з експериментальними результатами представлені для арки з розпіркою за симетричної схеми завантаження на рис.3.

Рис.3. Напруження в затяжці (а) і розпірці (б)

Значний інтерес в експериментальних дослідженнях представляли прогини верхнього поясу арки як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямку в площині арки, а також переміщення в горизонтальному напрямку шарнірно рухомої опори, гребеневого вузла і розпірки. Експериментальні прогини вимірювались за допомогою прогиномірів у п'яти перерізах, які знаходились на відстані 1,76 м, 3,05 м, 4,4 м, 5,75 м і 7,04 м від лівої опори, тобто в гребеневому вузлі, вузлах прикріплення розпірки до поясу, а також в перерізах поясу, які знаходяться посередині поясу між опорним вузлом та вузлом прикріплення розпірки до поясу.

На рис. 4 представлені теоретична та експериментальна криві прогинів верхнього поясу арки, які, відповідно, обчислені та виміряні для арки з розпіркою за симетричною та несиметричною схемами завантаження при е ₀= 0 мм.

Рис. 4. Криві прогину верхнього поясу арки: а) симетрична схема завантаження; б) несиметрична схема завантаження

Результати переміщення в горизонтальному напрямку шарнірно рухомої опори для арки з розпіркою за симетричною схемою завантаження представлене на рис. 5.

Рис. 5. Горизонтальне переміщення шарнірно рухомої опори

Втрата стійкості поясу арки відбулась за вузлового навантаження рівного 13,8 кН із площини конструкції між точками прикладання навантаження посередині відстані між характерними перерізами ІІІ-ІІІ і ІV-ІV (див. рис.1). Запас несучої здатності конструкції склав 1,15.

Отримані нові експериментальні дані про напружено-деформований стан елементів сталевої попередньо-напруженої перфорованої арки. Встановлено, що відхилення експериментальних значень нормальних напружень від теоретичних, обчислених за деформаційною схемою, в характерних перерізах напівпоясу арки з розпіркою склало до 20% в запас міцності. Експериментальні значення прогинів не перевищили гранично допустимих, які становлять 1/200 прольоту, тобто 4,5 см.

Результати проведених експериментальних досліджень арки з перфорованим верхнім поясом підтвердили основні теоретичні передумови її розрахунку, які викладені в [2].

Література

1. Стальна двосхила попередньо напружена перфорована арка: Деклр. пат. UА (11) 4373 Україна. МПК 7 Е 04В 1/32 / Романюк В.В., Супрунюк В.В. - № 2004042521; Заявл. 05.04.2004; Опубл. 17.01.2005, Бюл. №1. - 4 с.:іл.

2. Супрунюк В.В. Алгоритм розрахунку сталевої арки // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. праць. - Рівне, 2005. - Вип. 12. - С. 325-329.

3. Романюк В.В, Супрунюк В.В. Експериментальна установка для дослідження стальної арки та методика проведення досліду // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація: Зб. наук. ст. - Кривий Ріг: КТУ, 2004. - Вип. 6. - С. 225-229.

4. Романюк В.В, Супрунюк В.В. Перевірка міцності перфорованих згинальних та стиснуто-згинальних стальних елементів за деформованою та недеформованою схемами // Вісник НУВГП - Рівне. 2004. - Вип. 3 (27) - С. 186-191.

Размещено на Allbest.ru