asyan.org
добавить свой файл
1
УДК 624.014
Бєлов І.Д., к.т.н., доцент, Білик С.І., к.т.н., доцент, Усенко М.В., асистент, Джаубаєв М.М., асистент (Київський національний університет будівництва і архітектури, м. Київ)
Експериментальні випробування центрально-стиснутих тонкостінних сталевих гнутих профілів з перерізами відкритого типу
Проведені теоретичні розрахунки за різними методиками, виконані експериментальні випробування центрально-стиснутих тонкостінних сталевих гнутих профілів з перерізами відкритого типу. Виконаний порівняльний аналіз отриманих теоретичних і експериметальних результатів та зроблені висновки щодо несучої здатності досліджуваних профілів. Поставлені задачі для подальших досліджень тонкостінних сталевих гнутих профілів з перерізами відкритого типу.
Актуальність роботи. Одним з шляхів підвищення ефективності будівництва є застосування Актуальність роботи. Одним з шляхів підвищення ефективності будівництва є застосування сталевих конструкцій з гнутих профілів, що дозволяє суттєво знизити металоємкість об’єкта зі збереженням його несучої здатності на рівні конструкцій з гарячекатаних елементів [1,3,4]. Закордонний досвід демонструє таку можливість не тільки для одноповерхових, але й для багатоповерхових каркасів. Актуальність дослідження каркасів з гнутих профілів підкреслюється розвитком їх виробництва в Україні.

Аналіз основних досліджень і публікацій. Профіль вважається тонкостінним, якщо або [1]. Існує ряд методик розрахунку центрально-стиснутих тонкостінних сталевих гнутих профілів з перерізами відкритого типу [4,6,8,9,11]. Але кожна з них дає дещо різні результати несучої здатності стержня, що обумовлюється різними значеннями коефіцієнтів, які входять до розрахункових формул. Наразі узгодження і удосконалення цих методик залишається однією із проблем проектування.

Постановка задачі. Виконати порівняльний аналіз експериментальної несучої здатності центрально-стиснутих тонкостінних сталевих гнутих профілів з перерізами відкритого типу з результатами теоретичних розрахунків за різними методиками.

Виклад основного матеріалу. Розрахунок на стійкість центрально-стиснутих елементів виконується за згинальною та згинально-крутильною формами втрати стійкості за формулами відповідних методик, що наведені у таблиці1.
Таблиця 1

Теоретична несуча здатність

Нормативний документ

Несуча здатність при

формі втрати стійкості [N]

Відповід-ний пункт за нормами

Згинальній

Згинально-крутильній

СНиП ІІ-23-81* [6]





5.3. і 5.5.

СП 53-102-2004 [8]





8.1.

та дод. И

ЦНИИПСК

им.Мельникова

[9]





4.1.2.

EN 1993-1-3 2004 [11]





6.3.

Примітка: Усі позначення прийняті відповідно до [6], [8], [9], [11]; причому

− відповідає розрахунковому опору сталі за межею текучості

− редукована площа перерізу ( за [6])


Коефіцієнт поздовжного згину при центральному стиску у [6] та [9] пропонується обчислювати залежно від умовної гнучкості елемента , яка визначається розрахунковим опором сталі та розмірами елемента. У [8] коефіцієнт визначається залежно від та типу кривої стійкості, яка залежить від типу перерізу, відповідно до п. 8.1.3. Різниця в розрахунку несучої здатності за [6] та [9] полягає у відмінності значень коефіцієнту умов роботи, який у [6] та [8] дорівнює , а у [9] – . Інша відмінність полягає у розрахунку редукованих (ефективних) площин перерізу, які в [9] близькі до методики, що викладена у [11].

В європейских нормах проектування розрахунок елементів на стійкість виконується залежно від класу перерізу, який залежить від значення фізико-механічних характеристик сталі, типу поперечного перерізу та характерних співвідношень його розмірів. Досліджувані профілі відносяться до 4-го класу перерізів [11], у яких місцева втрата стійкості елементів переріза відбувається до досягнення межі текучості. Слід зазначити, що в [11] також використовуються криві стійкості при визначенні коефіцієнтів та ; за змістом ці криві подібні до кривих стійкості у [8]. Коефіцієнт закордонних норм відповідає коефіцієнту поздовжнього згину у [6].

Згідно п. 5.5. [6] при відсутності планок або решітки окрім розрахунку за згинальною формою втрати стійкості додатково виконується перевірка за згинально-крутильною формою, що враховується введенням в розрахункову формулу понижаючого коефіцієнта . У [8] та [11] згинально-крутильна форма втрати стійкості враховується заміною коефіцієнта на та на відповідно.

На несучу здатність елемента впливає величина редукованої площі перерізу , яка обчислюється залежно від умовної гнучкості стержня згідно п. 7.20* в [6] та додатку Т в [8]. В рекомедаціях [9] площа перерізу при стиску визначається згідно з п. 4.3, алгоритм знаходження якої близький до методики визначення за [12].

Існуючі розбіжності в результатах розрахунку на стійкість за європейськими та вітчизняними нормами пояснюється різними підходами до розв’язання задач стійкості. Розбіжності значень несучої здатності стержня обумовлюются різними значеннями понижуючих коефіцієнтів та методикою знаходження редукованих площин. На рисунках 1 і 2 показані значення несучої здатності стержня залежно від гнучкості, розрахованих за вищезазначеними методиками.

Рис. 1. Залежність несучої здатності від гнучкості

стержня при згинальній формі втрати стійкості.


Рис. 2. Залежність несучої здатності від гнучкості стержня

при згинально-крутильній формі втрати стійкості.
Різні показники несучої здатності тонокстінних центрально-стиснутих стержнів при теоретичних розрахунках обумовили проведення експериментального дослідження.

Задачі проведення експериментального дослідження:

1. Визначення величини критичного навантаження, при якій відбувається вичерпання несучої здатності стержнів при центральному стиску.

2. Виявлення форми втрати стійкості при впливі осьового навантаження.

3. Визначення впливу умов закріплення зразків, що випробовуються, на їх несучу здатність.

Експеримент проводився на базі випробувальної лабораторії кафедри металевих та дерев’яних кострукцій Київського національного університету будівництва і архітектури.

Зразки являли собою стержні із гнутого профілю відкритого С-образного типу перерізу, що з'єднуються по кінцях з базами, через які передавалося навантаження на стержень. З метою визначення механічних характеристик матеріалу зразків відповідно до ГОСТ 1497-84 [13] та ГОСТ 11701 [14] з заготівельного матеріалу були випробувані зразки на розтяг. За результатами випробувань були встановлені фізико-механічні характеристики досліджуваних зразків: сталь С245 пс ().

Випробування зразків на осьовий стиск проводилися на чотирьох С-образних зразках, геометричні характеристики яких наведені у табл. 2.

Таблиця 2

Геометричні характеристики стержнів.

Зразок №















1

13,56

6,12

1,87

0,2

5,53

3,68

168,70

2

13,51

6,11

1,85

0,2

5,56

4,04

168,98

3

13,33

7,51

1,88

0,2

5,94

4,01

183,29

4

13,34

6,15

1,86

0,2

5,58

4,08

165,06


Продовження таблиці 2

Зразок №















1

31,79

1312,48

0,065

5,10

200,6

83,58

2,85

2

31,84

1297,23

0,066

5,08

201,0

84,10

2,87

3

50,17

1999,19

0,068

6,40

200,6

68,94

2,35

4

32,36

1298,55

0,067

5,14

200,6

83,24

2,84


Навантаження на зразки прикладалося ступенями по 5 % від розрахункового навантаження, яке попередньо визначалося теоретично за [6] виходячи з наявних геометричних характеристик профілю та фізико-механічних характеристик матеріалу зразка.

Експериментально несуча здатність натурних зразків визначалась за величиною граничного навантаження, при якому фіксувалась поява пластичних деформацій.

Горизонтальні переміщення натурного зразка вимірювались за допомогою прогиномірів, які встановлювалися у розрахункових перерізах профілів і приєднувалися до контрольованих точок перерізів за допомогою гнучких з’єднань (рис. 3). Прогиноміри розміщувалися у перерізі зразка, розташованому по середині його довжини.



Рис. 3. Загальна схема розміщення прогиномірів по середньому перерізу зразка.
Рис. 4. Форми втрати стійкості випробувальних зразків.
На рис.5 побудовані гістограми мінімальних теоретичних та експериментального значення критичної сили для відповідних натурних зразків. Мінімальне теоретичне значення сили приймається з двох розрахункових значень: за згинальною та згинально-крутильною формами втрати стійкості.


Рис. 5. Мінімальна несуча здатність.
Висновки. Існуючі розбіжності в результатах розрахунку на стійкість тонкостінних центрально-стиснутих стержнів гнутого профілю пояснюється різними підходами до розв’язання задач стійкості.

Аналіз отриманих результатів показує, що розбіжність між теоретичною та експериментальною силами в середньому становить: за [6] 22,6 %, за [8] − 16,7 %, за [9] − 17,2 %, за [11] − 4,4 %.

Таким чином, подальші дослідження тонкостінних сталевих профілів з перерізами відкритого типу є актуальними, в яких одним із напрямків є уточнення і доповнення методики розрахунку гнутих профілів відкритого типу перерізу за нормами, що діють на території України.
1. Г. Хертель. Тонкостенные конструкции. – М.: Машиностроение, 1965 – 528 с. 2. Брудка Я., Гарцарек Р., Милачевски К.. Стальные складчатые конструкции в строительстве.– К.: Будівельник, 1989. – 150 с. 3. Тришевский И.С., Клепанда В.В., Скоков Ф.И. Гнутые профили проката. – Киев: Гос. изд-во тех. литературы, 1962. – 410 с. 4. Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни. – М.: Госиздат, Физматгиз – математической литературы, 1959. – 568 с. 5. Д.В. Бычков Строительная механика стержневых тонкостенных конструкций – М.: Госстройиздат, 1962. – 476 с. 6. СНиП II-23-81*. Стальные констукции/Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. – 96 с. 7. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП II-23-81*) – М.:ЦНИИСК им. Кучеренко, 1989 – 247 с. 8. СП 53-102-2004. Общие правила проектирования стальных конструкций. – М.: ФГУП ЦПП, 2005. – 132 с. 9. ЦНИИПСК им. Мельникова. Рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу ограждающих и несущих конструкций из стальных гнутых профилей повышенной жесткости. – М., 2004. – 37 с. 10. prEN 1993-1-1 Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings, 2003 CEN – 90 p. 11. EN 1993-1-3: General rules Supplementary rules for cold-formed members and sheeting, 2004, 144 p. 12. prEN 1993-1-5 Eurocode 3: Design of steel structures Part 1.5 : Plated structural elements, 2001 – 49 p. 13. ГОСТ 1497–84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение». 14. ГОСТ 11701 «Испытание стальных плоских образцов на растяжение».