Материал: Строительная механика и сопротивление материалов. Сафронов В.С., Ефрюш

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

УДК 624.014.02 : 624.046.3

УСТОЙЧИВОСТЬ СОСТОЯНИЯ РАВНОВЕСИЯ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ В СОСТАВЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ СИСТЕМ

Д. Н. Кузнецов1

Воронежский государственный технический университет1 Россия, г. Воронеж

1Ст. преподаватель кафедры металлических и деревянных конструкций Тел.: +7(910)3468912, e-mail: kuznecov82@bk.ru

Приводится обоснование необходимости ввода дополнительных значений коэффициентов надежности по устойчивости для механических систем, рассчитываемых в современных вычислительных комплексах. Предлагается дифференцировать и взаимно подчинять значения коэффициентов надежности по устойчивости в зависимости от типа формы потери устойчивости равновесия и назначения элемента строительной конструкции. Вводится понятие ряда коэффициентов надежности по устойчивости равновесия. В вычислительном комплексе SCAD Office выполнены расчеты по устойчивости состояния равновесия на действие симметричной нагрузки трех тестовых моделей рамных систем. Рассчитаны три рамные системы одинаковой геометрии из стальных двутавров: две системы стержневые (плоская и пространственная) и одна система пластинчатая (плоская). Приводится анализ учета влияния на устойчивость равновесия стальной рамы, геометрии поперечных сечений, смоделированных в виде конечных элементов оболочки с нулевой гауссовой кривизной. По результатам численных расчетов сформулированы выводы.

Ключевые слова: стальной двутавр, местная устойчивость, общая устойчивость, стальная рама, стальной каркас, компьютерная модель рамы, плоская рама, стержневая расчетная схема, пластинчатая модель, коэффициент запаса по устойчивости, коэффициент надежности по устойчивости.

Введение

Последнее десятилетие активно ведутся работы по развитию конструкционных материалов. Для нужд строительной отрасли нормированы новые низколегированные стали с повышенным (С355) и высоким уровнем прочности (С550, С690). Прочностные характеристики указанных сталей для изготовления современных строительных металлических конструкций [1] приводятся в СП 16.13330.2017 «СНиП II-23-81* Стальные конструкции». Увеличение прочностных характеристик в бетонах происходит не менее быстрыми темпами [2], в СП 311.1325800.2017 «Бетонные и железобетонные конструкции из высокопрочных бетонов. Правила проектирования» нормированы классы прочности бетона на сжатие B60 и выше. Значительное увеличение прочности двух основных конструкционных материалов потребует решения ряда вопросов, связанных с особенностями силовой работы элементов строительных конструкций, изготовленных из стали и бетона высокой прочности. Использование стали высокой прочности потребует увеличения прочностных характеристик узлов крепления, что можно обеспечить применением болтов с высоким классом прочности, увеличением прочности сварных швов, новыми конструктивными решениями узлов. Для железобетонных конструкций применение высокопрочных бетонов потребует новых конструктивных решений узлов и анкеровки арматуры. Но самым важным следствием увеличения прочностных характеристик строительных материалов является уменьшение толщин элементов строительных конструкций. Неизбежное увеличение «тонкостенности» элементов строительных конструкций делает актуальными исследования в области устойчивости [3] состояния равновесия (УСР)

. ___________________

© Кузнецов Д.Н., 2019

75

Вопросам изучения УСР посветили работы многие выдающиеся ученые, такие как: Л. Эйлер, Ф. С. Ясинский, Ф. Энгессер, Т. Карман, С. П. Тимошенко, Б. Г. Галеркин, Ф. Блейх [4], Г. Блейх, И. Г. Бубнов, А. Н. Динник, А. А. Ильюшин, П. Ф. Папкович, А. Ф. Смирнов, И. И. Гольденблат, И. М. Рабинович, Н. С. Стрелецкий, С. А. Бернштейн, В. З. Власов [5], Ю. Н. Работнов, Н. В. Корноухов, Б. М. Броуде [6], В. В. Болотин, А. Р. Ржаницын, А. С. Вольмир, А. А. Уманский, А. Н. Гениев, Н. А. Алфутов [7], Г. И. Белый [8] и другие. Развитие численных методов расчета и увеличение компьютерных мощностей предоставляет не только новые возможности для решения сложных задач [8] по УСР, но и ставит новые вопросы. Результатом расчета УСР конечно-элементной (КЭ) модели являются качественные и количественные критерии. К качественным можно отнести геометрическую форму потери УСР и картину распределения потенциальной энергии, аккумулируемой системой в процессе деформирования. Вид геометрической формы позволяет оценить характер последствий потери УСР. Форма может быть выражена в виде общей потери УСР отдельного несущего элемента рамы или всей системы рам [9]. Возможен характер деформирования в виде местного выпучивания [10], например, участка стенки, оконтуренного ребрами жесткости внутри отсека стальной балки. Если форма потери устойчивости местная, тогда стенка еще способна воспринимать нагрузку после выпучивания [11], так как контур отсека стенки не может свободно деформироваться в своей плоскости, и контурная нагрузка может возрастать. Количественными критериями являются коэффициенты свободной длины, определяемые в зависимости от формы потери устойчивости. Другим важным количественным критерием является коэффициент запаса устойчивости (КЗУ), величина которого характеризует, во сколько раз необходимо увеличить расчетную нагрузку по отношению к критической, чтобы произошла потеря устойчивости. Заметим, что необходимо увеличить интенсивность, не меняя вида нагружения. Величины перемещений отдельных узлов системы при потери УСР, также можно отнести к количественной характеристике, например величину амплитуды полуволны синусоиды потери устойчивости. Полученные результаты расчетов должны отвечать условиям устойчивости КЭ-моделей, прописанным в нормативных источниках. В работе приводится анализ существующих нормативных требований по обеспечению УСР строительных конструкций, рассчитанных как КЭ-моделей в современных вычислительных комплексах. Приводятся предложения по развитию и синхронизации нормативной базы [12] для проверки УСР численными методами.

1. Постановка задачи и предложения

Для расчета несущих элементов конструкций на устойчивость величина КЗУ заданного в нормах и полученного по результатам расчета КЭ-модели не должна превышать предельного значения отношения критической нагрузки к расчетной. Значение коэффициента указано в нормах в виде коэффициента надежности по устойчивости (КНУ). Перечислим нормированные значения КНУ. В СП 16.133330.2017 для расчета стержневых металлических конструкций как идеализированных пространственных систем ɣS = 1,3. В СП 266.1325800.2016 «Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования» указано два значения для расчета упругих пространственных стержневых конструкций: ɣstab = 2 при расчете по недеформированной схеме, ɣstab = 1,2 при расчете по деформированной схеме с проверкой условия упругой работы стали и учете длительных деформаций бетона. В СП 267.1325800.2016 «Здания и комплексы высотные. Правила проектирования» заданы две величины, которые не должны превышать КНУ формы, а именно: 2 – для зданий из монолитного железобетона и 1,3 для высотных зданий со стальным каркасом. Можно сделать вывод, что для сталежелезобетонных конструкций КНУ назначен как для монолитных железобетонных конструкций. Если перекрытие будет сталежелезобетонным, а каркас стальным, железо-

76

бетонная плита раскрепит элементы стального каркаса из плоскости. За счет совместности работы значительно уменьшатся деформации. Указанные особенности работы сталежелезобетонного каркаса такого типа должны сделать каркас более устойчивым по отношению к каркасу без учета совместной работы разномодульных материалов, хотя нормами предусмотрены значения КНУ большие, чем для стального каркаса. Заметим, что индексация коэффициентов также не одинакова, даже если «S» - это сокращение от «stab». КНУ в нормах указаны только для пространственных стержневых систем, при этом случаи потери устойчивости одного элемента или вовлечения всей системы по нормам тождественны. Необходимо различать такие случаи, выполняя расчет на прогрессирующее обрушение [13] как доказательство того, что аварийное состояние одного элемента не приводит к дальнейшим разрушениям и, как следствие, возможно применять меньшее значение КЗУ. Для КЭ-моделей, состоящих из пластинчатых или объемных КЭ, коэффициенты надежности по устойчивости в действующих нормах не указаны. Для случая местной формы потери устойчивости КЭмодели КНУ в нормах также не предусмотрены. Местную форму потери устойчивости одним коэффициентом нормировать сложно, так, например, выпучивание стенки несущей балки не приведет к аварийной ситуации [14], но в подкрановой балке такого выпучивания допускать нельзя. Необходимо учитывать назначение элемента конструкции. Случай потери местной устойчивости полки элемента двутаврового поперечного сечения является более опасным по отношению к местному выпучиванию стенки. Величины значений КНУ возможно отобразить в последовательности взаимного подчинения на числовой прямой в виде заданного ряда значений (рис. 1). Причем данный ряд не должен принадлежать конкретной организации - разработчику норм, тогда значения из этого ряда будут иметь согласованный и общепринятый характер для любых нормативных документов и любых конструкционных материалов. Так, например, электрохимический ряд активности металлов не отражен в ГОСТах, учебниках или в нормативных документах организаций.

Рис. 1. Ряд коэффициентов надежности по устойчивости: * - с проверкой на прогрессирующее обрушение

77

Впредлагаемом ряду коэффициенты приводятся в порядке возрастания последствий,

взависимости от формы потери устойчивости, соответствующие точные значения автор не указывает. Назначение величин КНУ в зависимости от форм связано с теорией надежности, экономическими оценками и верификацией результатов расчетов численных КЭ-моделей. Ниже приводится исследование по верификации результатов расчетов на устойчивость, на примере стального рамного каркаса.

2.Исследование устойчивости рамных систем

Для тестовых расчетов приняты КЭ-модели ранее запроектированных рамных конструкций здания склада. Стальные рамы перекрывают три пролета по 10 м (рис. 2) и имеют шаг в продольном направлении здания 4,5 м. В крайних осях ригели рамных систем шарнирно оперты на столбчатый фундамент, так как рамы перекрывают цокольный этаж здания и имеют фактические пролеты по 9,68 м. В средних осях ригели имеют жесткий узел примыкания к колоннам. Сечения несущих элементов рамных систем изготовлены из стали С245, двутаврового типа по СТО АСЧМ 20 - 93: главные балки - 40Ш2, вспомогательные балки - 25Б1, колонны – 30К1. Отметка от уровня чистого пола до низа главных балок 3 м, уровень низа плиты базы колонны на 0,2 м ниже отметки уровня чистого пола. Нагрузка для всех тестовых моделей одинакова: собственный вес несущих элементов рамы (с коэффициентом 1,05) и произвольно заданная распределенная нагрузка 1 тс/м2 или для рам с шагом 4,5 м распределенная равномерно вдоль ригеля с интенсивностью 4,5 тс/м. Для каждой из трех тестовых моделей выполнен расчет на устойчивость в вычислительном комплексе SCAD Office: определены первые три формы потери устойчивости, получены значения КЗУ для каждой формы.

В первой тестовой модели рассмотрена плоская рама, состоящая из стержневых КЭ тип – 5, с шестью степенями свободы в узлах (три линейных, три угловых). Плоская стержневая рамная конструкция имеет следующие граничные условия: ограничения вертикальных линейных перемещений в крайних опорных узлах, ограничение линейных перемещений (в трех направлениях) и угла поворота в плоскости для нижних опорных узлов колонн, ограничения линейных перемещений из плоскости в верхних крайних узлах и узлах примыкания ригелей к колоннам (тип каркаса рамно-связевой).

Рис. 2. Поперечный разрез каркаса тестовых КЭ-моделей

По результатам расчета УСР плоской рамы показана первая форма потери устойчивости (рис. 3) плоской стержневой КЭ-схемы по одной полуволне. КЗУ для данной рамной конструкции получены довольно высокими - уже для первой формы значение составило

22,09.

78

Рис. 3. Первая форма потери УСР плоской стержневой схемы

Во второй тестовой модели рассмотрены три плоские рамы с шагом 4,5 м, объединенные в пространственный каркас вспомогательными балками. Расчетная схема состоит из стержневых КЭ тип – 5, с шестью степенями свободы в узлах (три линейных, три угловых). Пространственная стержневая конструкция имеет следующие граничные условия: ограничение вертикальных линейных перемещений в крайних опорных узлах, ограничение линейных перемещений (в трех направлениях) и угла поворота в плоскости для нижних опорных узлов колонн. Ограничения линейных перемещений из плоскости в верхних крайних узлах и узлах примыкания ригелей к колоннам - только для одной крайней рамы. Ниже показана первая форма потери УСР объединенного блока из трех рам (рис. 4). По результатам расчета можно отметить, что первая форма потери устойчивости для плоской рамы и для системы рам имеют близкую, почти совпадающую геометрию и проявляются в виде выпучивания колонн из плоскости рамы. Деформация происходит из плоскости наибольшей жесткости сечения колонн, что вполне объяснимо. КЗУ для пространственной системы из трех рам получены высокими и совпадают по значениям с расчетом плоской рамы: для первой формы - 22,09.

Рис. 4. Первая форма потери УСР пространственной стержневой схемы

Далее был выполнен расчет КЭ-модели одиночной плоской рамы, состоящей из КЭ оболочки нулевой гауссовой кривизны. КЭ-модель имеет следующую вычислительную размерность: 15 062 узлов, 15 131 элементов, 90 284 степеней свободы. Для моделирования стального каркаса применялись прямоугольные и треугольные КЭ: тип 44 - четырехугольный КЭ оболочки (средний размер КЭ - 0, 05 м), тип 42 – треугольный КЭ оболочки. Нагрузка совпадает с расчетным значением комбинации, указанной для ранее рассмотренных стержневых расчетных схем. Равномерно распределенная нагрузка прикладывалась по оси рамы без смещения из плоскости. В опорных узлах КЭ-модели рамы выполнен учет конструктивной нелинейности. Данный тип нелинейности достаточно полно описал П. А. Лукаш [15]. Для учета конструктивной нелинейности в каждой из опорных пластин установлены односторонние связи [16, 17], которые работают в вертикальном направлении только на сжатие, моделируя бетонную подливку. При растяжении односторонние связи опорных пластин

79