Влияние податливости узлов на напряженно-деформированное состояние каркаса

Приведены исследования влияния податливости узлов баз колонн на напряженно-деформированное состояние каркаса. Цель исследования — определить влияние фактической работы опорных узлов колонн на напряженно-деформированное состояние каркаса. Цель достигалась путем моделирования работы узлов сопряжения колонн с фундаментами в программе IdeaStatica и статическим расчётом пространственного каркаса здания в программе SCAD Office. За контролируемые параметры приняты сопротивление узла изгибу, начальная вращательная жесткость узла и вращательная деформация узла. В результате расчёта определено, что фактическая работа каркаса здания существенно отличается от заложенной в проекте идеализированной расчетной схемы.

Ключевые слова: расчетная схема, пластический шарнир, перераспределение усилий, деформации, закручивание каркаса, расчетные длины.

Необходимость учета податливости узлов при статическом расчете каркаса обусловлена тем, что в ряде случаев конструкции узлов сопряжения элементов не в полной мере или сосем не реализует идеализированную модель узла, принятую в проекте, в связи с чем и каркас работает по-другому.

В данной работе представлены результаты исследования влияния податливости узлов баз колонн на напряженно-деформированное состояние каркаса промышленного здания. В качестве модели исследования принято реально существующее здание, проектная документация которого получила положительное заключение экспертизы. Здание одноэтажное каркасного типа, прямоугольной формы в плане с габаритными размерами по наружным осям 36,35х119,5 м. Каркас стальной, двухпролетный: 24 и 12 метров, рамно-связевого типа. Шаг колонн в продольном направлении составляет 6,0 м. Колонны каркаса выполнены сплошного сечения из двутавров 30Ш1 и 40 Ш1 по СТО АСЧМ-93. Несущими конструкциями покрытия являются стропильные фермы с поясами из швеллеров и стропильные балки сечением из двутавров 50Ш1. Узлы сопряжения ригелей с колоннами приняты шарнирными и соответствуют по конструктивному решению шарнирным. Геометрическая неизменяемость и жесткость каркаса в поперечном направлении обеспечивается жесткими узлами сопряжения стоек рам с фундаментами. В продольном направлении геометрическая неизменяемость и жесткость каркаса обеспечивается совместной работой жесткого диска покрытия и системой связей по колоннам. Расчетная схема каркаса представлена на рис. 1.

Здание обслуживается тремя подвесными электрическими кранами грузоподъемностью 6,3 т: двумя кранами в осях А-Б/10–21 и одним краном в осях Б-В/10–21.

Рис. 1. Расчетная схема исследуемого каркаса

Целью данного исследования является определение влияния податливости опорных узлов баз колонн на напряженно-деформированное состояние каркаса.

− создать расчетную модель здания;

− вычислить жесткости узлов баз колонн;

− классифицировать полученные жесткости узлов по категориям: жесткий, полужесткий или шарнирный;

− выполнить расчет каркаса с учетом фактического состояния узлов баз колонн;

− определить расчетные длины колонн и напряжения в них.

Исследования выполнялись на моделях узлов в программном комплексе IdeaStatica, а также на расчётной схеме каркаса в программном комплексе SAP2000. Конструкция опорного узла по осям А и Б колонн принята по рисунку 2.

Для моделирования были приняты следующие параметры:

1. геометрические характеристики элементов узла приняты по рис. 2.
2. опорная плита из стали С345–5;
3. колонна каркаса и ребра жесткости из стали С245;
4. анкерные болты из стали Ст3пс2 Ø36 мм, заделка анкерных болтов — химические анкеры на глубину 400 мм;
5. геометрические характеристики элементов каркаса и их прочностные параметры приняты согласно проектной документации.
6. в исследовании рассмотрено расчетное сочетание нагрузок, которое приводит к максимальным поперечным деформациям каркаса: два подвесных крана в осях А-Б/10–21 расположены на оси 11, один подвесной кран в осях Б-В/10–21 расположен в на оси 20.

Для расчета каркаса при опорных узлах с конечной жесткостью определим жесткость баз колонн для принятого в п. 6 расчетного сочетания усилий. Жесткости узлов определены моделированием узлов в программе IDEA StatiCa и представлены в таблице 1.

Таблица 1

Жесткости узлов баз колонн

На рис. 3–9 и в таблицах 1–2 приведены результаты исследования. На рисунках осями 10.1–21.1 замаркированы перемещения колонн для случая жесткого узла сопряжения баз с фундаментами (согласно проектной документации), осями 10.2–21.2 замаркированы перемещения для случая конечной жесткости баз колонн при действии расчетного сочетания усилий.

Рис. 3. Поперечные перемещения колонн, расположенных вдоль оси А

Рис. 4. Поперечные перемещения колонн, расположенных вдоль оси Б

Рис. 5. Поперечные перемещения колонн, расположенных вдоль оси В

Рис. 6. Эпюра продольных сил в колоннах при проектной жесткости узлов на примере стойки по оси 11

Рис. 8. Эпюра изгибающих моментов в колоннах при проектной жесткости узлов на примере стойки по оси 11

Рис. 9. Эпюра изгибающих моментов в колоннах при узлах с конечной жесткостью на примере стойки по оси 11

По результатам моделирования работы каркаса можно сделать следующие выводы:

1. По результатам расчета жесткости баз колонн при действии РСУ определено, что сопряжение баз колонн с фундаментами в поперечном направлении является полужестким (см. таблицу 1). Полужесткий узел в поперечном направлении объясняется тем, что жесткости опорной плиты недостаточно для восприятия и передачи на фундамент опорного момента. В продольном направлении дополнительная жесткость узла объясняется тем, что анкерные болты разнесены на достаточное расстояние для восприятия и передачи на фундамент изгибающего момента.
2. Образование в поперечной раме полужестких узлов в базах колонн приводит к перераспределению усилий в каркасе как показано на рисунках 6–9. Как видно из рисунков фактическая работа каркаса существенно отличается от заложенной в проекте расчетной схемы. При базах колонн с фактической жесткостью существенно меняется распределение изгибающего момента в поперечных рамах. Меняется не только величина изгибающего момента в сечениях, но и положение растянутых волокон в поперечном сечении колонн. В целом можно сказать, что по статической работе полужесткие узлы близки к шарнирным, хотя и имеют жесткость, которая препятствует образованию геометрически-изменяемой расчетной схемы.
3. Как видно из рисунков 3–5 перераспределение усилий в каркасе приводит к увеличению перемещений стоек рам при действии РСУ в поперечном направлении в 5,7–6,1 раз.
4. Расчетное сочетание усилий, принятое в исследовании, приводит к возникновению закручивания каркаса на величину 0,031°. С заданием полужестких узлов в базах колонн закручивание каркаса увеличивается до 0,044° (в 1,4 раза).

Литература:

1. Алатырева К. Е. Влияние конструктивного решения базы колонны на напряженно-деформированное состояние опорного узла// Сборник статей магистрантов и аспирантов. Вып. 2. Том 2. СПбГАСУ. 2019. С. 3–9.
2. Алпатов В. Ю., Лукин А. О., Сахаров А. А. Исследование жесткости узла базы стальной колонны, состоящей из одной опорной плиты// Журнал Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 9. С. 9–14.
3. Катюшин В. В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, строительство). М.: ОАО «Издательство «Стройиздат», 2005. 656 с: ил.
4. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85* Министерство регионального развития России. М.: ОАО «ЦПП», 2016. 80 с.
5. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная версия СНиП II-23–81* / Министерство регионального развития России. М.: ОАО «ЦПП», 2011. 172 с.
6. Гордеев В. Н, Лантух-Лященко А. И., Пашинсткий В. А., Перельмутер А. В., Пичугин С. Ф.; под общей ред. Перельмутера А. В. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения. А. В. Перельмутера. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007. 482 стр.
7. TKP EN 1993–1-8–2009 — Проектирование стальных конструкций. Часть 1–8. Расчет соединений. Минстройархитектуры Республики Беларусь. 2010г. стр. 133.
8. ТКП EN 1993–1-7–2009 — Проектирование стальных конструкций. Часть 1–7. Прочность плоских листовых конструкций при действии поперечной нагрузки. Минстройархитектуры Республики Беларусь. 2010г. стр. 133.