Обзор исследований гофрированных конструкции, производимых в зарубежных странах

Размещено на http://allbest.ru

ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ГОФРИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИИ, ПРОИЗВОДИМЫХ В ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАНАХ

ТОГУ, г. Хабаровск, Россия

Абстракт. В настоящей работе рассматриваются основные направления исследований зарубежных авторов по изучению работы пролетных конструкций с применением тонкой стальной поперечно-гофрированной (волнистой) стенки. Приведен обзор наиболее интересных исследований, а также основные выводы, полученные авторами.

Ключевые слова', гофрированные конструкции, гофрированные листы, волнистая стенка, поперечно-гофрированная стенка.

OVERVIEW OF RESEARCHES OF CORRUGATED STRUCTURES IN FOREIGN COUNTRIES

PNU, Khabarovsk, Russia

Abstract. In this paper the main directions of foreign author research on the study of span structures with a thin steel transverse corrugated (wave-shaped) web behavior are overviewed. The article includes a review of the most interesting studies, and also main conclusions made by authors' studies.

Key words', corrugated structures, corrugated plates, corrugated sheets, wave-shaped web, transverse corrugated web.

пролетная конструкция стальная поперечная гофрированная

Введение. Гофрирование отдельных элементов тонких листовых конструкций давно используется в авиационных конструкциях (гофрированные стенки лонжеронов крыла), судовых конструкциях (гофрированные переборки, гофрированные люки, гофрированные панели корпусов), строительных конструкциях (колонны, балки, арки) и мостовых конструкциях (гофрированные стенки пролетных строений).

Гофрированные конструкции впервые использовались в качестве несущих элементов зданий в Швеции с середины 1960-х годов. В нашей же стране применение конструкций данного типа активно началось с 1980-х годов. Первая работа в этой области была проведена Казахским отделением ЦНИИПСК, специалистами которого были разработаны конструкции покрытий для промышленных зданий (балки пролетом 24 м и прогоны 6 м), элементы которых запроектированы сварными двутаврового сечения с тонкими поперечно-гофрированными стенками. В 1987 г. Липецкий отдел ЦНИИПСК начал применять двутавровые сварные арки с тонкой поперечно-гофрированной стенкой в качестве несущих конструкций легких покрытий зданий сельскохозяйственного назначения.

Применение гофрированных конструкций также широко распространено в зарубежных странах (Китай, Япония, Индия, США, Франция, Германия, Швеция), в силу их легкости при хороших показателях несущей способности и высокой крутильной жёсткости.

Целью данной работы является обзор исследований в области пролетных гофрированных конструкций, проводимых в зарубежных странах.

На основании анализа ряда зарубежных публикаций установлено основное направление исследований - модификация пролетных гофрированных конструкций (профиль гофра, перфорация в гофрированной стенке, переменный профиль гофрирования), с целью повышения несущей способности элемента, а также анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций при различных условиях эксплуатации с помощью моделирования в различных программных комплексах и сравнение по возможности с натурными испытания данного вида конструкций.

Обзор. В работе индийских ученых из Веллурского Технологического Университета (VIT Chennai) [1], рассматриваются стальные балки с гофрированной трапециевидной стенкой и влияние на их несущую способность различных конфигураций стенок балки (профиль гофрирования трапецеидальный, рис. 1).

Рис. 1 - Рассматриваемые виды гофров в [1]

Модели балок создавались и рассчитывались с использованием ПО САЛА V5 и ANSYS 16.0. В результате расчета, который был произведен с учетом геометрической и физической нелинейностей, авторы выяснили, что использование балок с трапецеидальным профилем гофров под углом наклона 45° к основанию является наиболее эффективным.

Сравнение разных типов профилей гофров с целью повышения несущей способности элемента является обширной темой для исследований. Группа ученых [2] оценивала работу консоли составного двутаврового сечения с различными профилями гофрирования стенки (рис. 2), чтобы проанализировать какой из вариантов металлической консоли работает эффективней. Модели балок рассчитывались, используя метод конечных элементов с помощью ПО ANSYS.

Рис. 2 - Различные виды консолей, использованные в анализе [2]

На основании данного расчета было установлено, что увеличение количества полуволн гофра, увеличение высоты волны гофра, а также утолщение стенки консоли увеличивает предельный угол поворота сечения по сравнению с предельным углом поворота железобетонной консоли и металлической консоли с ребром жёсткости. Подбор геометрических характеристик стенки консоли позволяет добиться желаемого предельного угла поворота сечения, а также прочности на сдвиг.

Группа исследователей из Стамбула [3] провела численный эксперимент поведения под нагрузкой стальных балок с синусоидально-гофрированными стенками с круглыми отверстиями. Данная модификация конструкции балок призвана уменьшить расход материалов, а также дать возможность проведения через них различных инженерных коммуникаций.

В ходе исследования создана модель несущей балки из гофрированного полотна с круглыми отверстиями с помощью ПО ABAQUS (рис. 3).

Рис. 3-Модель балки с отверстием [3]

Отверстия располагались на четверти длины от края балки (такое расположение отверстий обычно считают оптимальным для стальных балок с плоскими стенками). Используя метод конечных элементов, авторами были получены деформации от приложенной нагрузки различных по характеристикам балок с отверстиями разных диаметров, а также без них.

Еще один тип модификации предложен группой ученых из Польши [4], который предусматривает использование в качесвте стенки пластин с открытым типом выштампованных гофров (рис. 4).

Рис. 4-Модель пластины с открытым типом выштампованных гофров [4]

Модель пластины описывалась дифференциальными уравнениями с сильно колеблющимися коэффициентами, что весьма проблематично для расчета даже при использовании метода конечных элементов. В статье представлено усреднение с помощью замены пластин на ортотропные, приводящее к уравнениям с постоянными коэффициентами. В заключении авторы приходят к выводу, что использование данного метода усреднения возможно только для пластин, у которых наблюдается общая потеря устойчивости.

Стоит отметить, что в любой исследовательской деятельности важна экспериментальная часть, чтобы доказать правильность выводов и предположений, полученных в ходе теоретических исследований.

В работе [5] проводят исследования в области упруго-пластичекой работы арочных гофрированных конструкций двутаврвого сечния с тонкой синусоидальной стенкой для получения НДС элемента. Авторы проводят полномасштабные испытания двухшарнирой арки пролетом 9 м, стрелой подъема 1,8 м, а также моделирование ее в ANSYS (рис. 5). Авторы делают выводы о хорошей сходимости результатов моделирования и предлагают аналитический метод расчета.

Рис. 5 - Испытание и моделирование по [5]

В работе «Исследование развития усталостной трещины балки с волнистой стенкой» [6], представленной специалистами ведущей лаборатории металлургического оборудования и технологий управления Университета Науки и Техники в г. Ухань (Китай), было исследовано развитие усталостных трещин в месте сварных швов (рис. 6).

Рис. 6- Чертеж балки с гофрированной стенкой, подвергшейся испытанию [6]

В работе была смоделирована небольшая область, которая содержит склонный к образованию усталостных трещин участок, чтобы проанализировать фронт развития трещин. Проведены натурные испытания двутавровой балки с волнистой стенкой с целью определения начальной точки образования трещины, которая и задавалась при моделировании.

Результатом исследования стало составление схемы развития фронта усталостной трещины со временем (рис. 7).

Рис. 7 - схема развития фронта усталостной трещины по стадиям [6]

Основываясь на полученных данных, исследователи пришли к выводу, что наиболее продолжительными стадиями развития трещин являются 2, 3 и 4 этапы, при которых трещины развиваются практически на всю толщину нижнего пояса, эти этапы составляют большую часть срока службы балки. Данный вывод позволил авторам предположить, что период увеличения трещин от 0,1 мм до размеров толщины пояса может быть определен, как прогнозируемый срок службы конструкций данного типа.

Вклад в экспериментальное исследование гофрированных конструкций внес Витольд Басински в работе «Конструкция поперечных ребер жесткости в сварных двутавровых балках с гофрированной стенкой» [7], в которой представлены результаты исследования влияния относительной изгибной жесткости промежуточных ребер жесткости на расположение зоны разрушения в гофрированной стенке. Для получения данных результатов были проведены натурные испытания трех образцов SIN-балок с разной высотой (1000, 1250 и 1500 мм) и толщиной стенок (2, 2.5 и 3 мм), чтобы определить коэффициент изгибной жесткости, зависящий от геометрических характеристик балки (соотношения длины и высоты стенки). В ходе работы получены минимальные значения абсолютной жесткости промежуточных ребер жесткости. Автор сделал вывод, что использование ребра жесткости, значение жесткости которого больше ее минимального значения, приводит к изменению положения узла перегиба стенки.

Также большое количество исследований [8-11] посвящено изучению работы пролетных строений мостовых конструкций с применением в них гофрированных элементов. При этом преимущественно применяется трапецеидальный профиль гофрирования.

Заключение. Несмотря на богатую историю применения гофрированных конструкций в зарубежных странах в настоящее время исследования и испытания данного вида конструкций продолжают оставаться актуальными. Инженеры и ученые постоянно ищут способы усовершенствовать гофрированные конструкции -- будь то уточнение в работе, или же уменьшение веса конструкции для повышения ее эффективности.

Библиографические ссылки на источники:

1. U.Manoj Kumar, D.Pradeep Reddy, Rohan Rajesh Patel, M.Senthil Pandian, К Karthikeyan. A study on flexural capacity of steel beams with corrugated web; International Journal of Civil Engineering and Technology, April 2018. -pp. 679-689.

2. Tadeh Zirakian, Mohammad Hajsadeghi, James В. P. Lim, Milad Bahrebar. Structural performance of corrugated web steel coupling beams; Proceedings Structures and Buildings, ICE Publishing, September 2016.

3. Guven Kiymaz, Cumhur Cosgun, Erdal Coskun, Edip Seckin. Transverse load carrying capacity of sinusoidally corrugated steel web beams with web openings; Steel and Composite Structures Vol. 10, January 2010. - pp. 69-85.

4. Michal Gajdzicki, Wojciech Perlinski, Bohdan Michalak. Stability analysis of bi-directionally corrugated steel plates with orthotropic plate model; Elsevier, Engineering Structures 160,2018. -pp. 519-534.

5. Yan-Lin Guo, Hang Chen, Yong-Lin Pi, Mark Andrew Bradford. In-plane strength of steel arches witb a sinusoidal corrugated web under a full-span uniform vertical load: Experimental and numerical investigations; Engineering Structures 110,2016. - pp. 105-115.

6. Guoqian Wei, Fan Ye, Shanshan Li, Siwen Chen. Analysis of tbe Fatigue Crack Evolution of Corrugated Web Girders; Metals - Open Access Metallurgy Journal, August 2019.

7. Witold Basinski. Design of Transverse Stiffeners in Plate Girders with Corrugated Web; Periodica Polytechnica Civil Engineering, 63,2019. - pp. 577-592.

8. Tong Guo, Richard Sause. Analysis of local elastic shear buckling of trapezoidal corrugated steel webs; Journal of Constructional Steel Research, 2014. -pp. 59-71.

9. Wenqin Deng, Duo Liu, Yingqian Xiong, Jiandong Zhang. Experimental study on asynchronous construction for composite bridges with corrugated steel webs; Journal of Constructional Steel Research 157,2019. -pp. 93-102.

10. Janaina Pena Soares de Oliveira, Adenilcia Fernanda Groberio Calenzani, Ricardo Hallal Fakury, Walnorio Gra?a Ferreira. Elastic critical moment of continuous composite beams with a sinusoidal-web steel profile for lateral-torsional buckling; Engineering Structures 113,2016.-pp. 121-132.

11. Man Zhou, Zhao Liu, Jiandong Zhang, Lin An, Zhiqi He. Equivalent computational models and deflection calculation methods of box girders with corrugated steel webs; Engineering Structures 127,2016. - pp. 615-634.

Размещено на Allbest.ru