ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Миронов Андрій Миколайович

УДК 624.014.2:621.771

Концентрація напружень в вузлах ферм із застосуванням двотаврів і гнутозварних замкнених профілів, що викликана конструктивною формою

05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі і споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури (ДонНАБА) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Колесніченко Сергій Володимирович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, доцент кафедри металевих конструкцій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кулябко Володимир Васильович, Придніпровська державна академія будівництва і архітектури, професор кафедри металевих, дерев’яних і пластмасових конструкцій (м. Дніпропетровськ);

кандидат технічних наук, професор Нілов Олексій Олександрович, Київський національний університет будівництва та архітектури, професор кафедри металевих і дерев’яних конструкцій.

Провідна установа: Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, кафедра конструкцій із металу, дерева і пластмас. Міністерство освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться “ 13 ” травня 2005 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 в Донбаській національній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I навчальний корпус, Зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий “ 5 ” квітня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Югов А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження напружено-деформованого стану (НДС) вузлів конструкцій завжди було актуальною задачею. Для статично навантажених конструкцій, що сприймають великі за значенням навантаження, можлива рання поява пластичних деформацій, що може призвести до втрати несучої здатності. Особливо важливо знати місця концентрації напружень для конструкцій, які піддаються динамічним діям і, отже, є небезпечними з позиції зародження втомної тріщини.

До таких конструкцій належать: важкі ферми прогонових будов мостів, підкраново–підкроквяні ферми, опори і прогонові будови естакад технологічного устаткування, ферми транспортерних галерей і т. ін. Тут доцільно застосовувати двотаври з паралельними гранями полиць (широкополі двотаври - ШПД) як поясні елементи, і гнутозварні замкнені профілі (ГСП) як елементи решітки. Найпоширенішими з'єднаннями даних видів прокату є зварні Т-, V-, К- і ТК – подібні вузли.

Разом з перевагами використання даних профілів в таких з'єднаннях наявний істотний недолік – складний НДС і висока концентрація напружень у зоні з'єднання елементів решітки з поясами, які до цього часу не досліджені, а це, в свою чергу, стримує застосування таких конструкцій. Таким чином, вивчення НДС у зонах з максимальною концентрацією напружень у вузлах з поясом з ШПД і решіткою з ГСП є актуальними, а одержані результати становлять теоретичний і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в межах держбюджетної науково–дослідної теми № К-2-10-01 “Удосконалення формоутворення металоконструкцій на основі діагностики і моніторингу залишкового ресурсу, економіко–математичне моделювання режиму експлуатації будівель і споруд” (держ. реєстр. №0102U002843) і низки госпдоговірних робіт ДонДАБА - ДонНАБА.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методики визначення коефіцієнтів концентрації пружних напружень для вузлів плоских решітчастих конструкцій з поясами із ШПД і решіткою з ГСП.

При цьому вирішені наступні задачі:

- виконані чисельні дослідження НДС і концентрації напружень різних типів вузлів з ГСП і ШПД;

- визначені теоретичні залежності коефіцієнтів концентрації напружень від: геометричних параметрів профілів, що становлять вузли, кутів нахилу елементів решітки до поясу, вузлових ексцентриситетів з площини вузлів;

- встановлено вплив підкріплюючих вузлових деталей у вигляді похилих планок на НДС і концентрацію напружень у вузлах;

- експериментально досліджені НДС і концентрація напружень К-, Т – подібних вузлів кроквяної ферми при різних схемах навантаження;

- на підставі проведених експериментальних досліджень уточнені теоретичні коефіцієнти концентрації напружень;

- розроблена методика визначення коефіцієнтів концентрації напружень і геометричних напружень вузлів з поясами із ШПД і решіткою з ГСП.

Об'єкт досліджень - К-, Т-, V-, ТК– подібні зварні вузли плоских ферм з поясом із ШПД і решіткою з ГСП.

Предметом досліджень є нормований розрахунок коефіцієнтів концентрації напружень і НДС зварних вузлів плоских решітчастих ферм із застосуванням ШПД і ГСП.

Методи досліджень. В основу розробленої методики покладено теоретичний метод кінцевих елементів (МКЕ) й експериментальний – тензометричний метод визначення НДС. Достовірність одержаних результатів підтверджена даними теоретичних й експериментальних досліджень із застосуванням методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше одержані параметричні формули залежності теоретичного коефіцієнта концентрації напружень від геометричних параметрів вузлів з підкріплюючими похилими планками і без них;

- отримані нові поправочні коефіцієнти концентрації напружень залежно від кутів нахилу елементів решітки до поясу і вузлових ексцентриситетів з площини вузлів внаслідок зміщення елементів решітки при недосконалостях виготовлення конструкцій;

- отримано експериментальні дані НДС і концентрації напружень в К- і Т – подібних натурних вузлах, на підставі чого вперше одержані експериментальні коефіцієнти концентрації напружень;

- на підставі експериментальних досліджень запропоновані значення поправочних коефіцієнтів гб для уточнення теоретичних коефіцієнтів концентрації напружень.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено нову інженерну методику розрахунку коефіцієнтів концентрації напружень для визначення НДС К-, Т-, V-, ТК – подібних вузлів ферм із застосуванням ШПД і ГСП.

Результати досліджень рекомендується використовувати для:

- розрахунку НДС і визначення зон з максимальною концентрацією напружень зварних вузлів із застосуванням ШПД і ГСП;

- розробки заходів щодо зниження концентрації напружень у вузлах із застосуванням ШПД і ГСП.

Особистий внесок здобувача полягає:

- у розробці методики розрахунку коефіцієнтів концентрації пружних напружень для зварних вузлів плоских ферм з поясом із ШПД і решіткою з ГСП;

- у розробці і розрахунку моделей К-, Т-, V-, ТК подібних зварних вузлів за МКЕ;

- у постановці задач, розробці методики й аналізі результатів експериментальних досліджень НДС і концентрації напружень натурних зварних вузлів з поясом із ШПД і решіткою з ГСП;

- в обробці, систематизації і науковому аналізі результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися на: VII українській науково–технічній конференції з металевих конструкцій (Дніпропетровськ, 2000); науково–технічному семінарі “Діагностика в будівництві” (Дніпропетровськ, 2002); IV засіданні семінару “Сучасні проблеми проектування, будівництва й експлуатації споруд на шляхах сполучення” (Київ, 2002); Міжнародній науково–технічній конференції “Сучасні проблеми вдосконалення і розвитку металевих, дерев'яних, пластмасових конструкцій в будівництві і на транспорті” (Самара, 2002); науково – практичній конференції “Вдосконалення металевих конструкцій. Теорія, практика, підготовка кадрів” (Дніпропетровськ, 2003); Міжнародній 8-й конференції “Сучасні будівельні матеріали, конструкції і технології” (Вільнюс, Литва, 2004); науково–технічних конференціях Донбаської державної академії будівництва і архітектури (Макіївка, 2000 – 2004). У повному обсязі робота доповідалася на засіданні наукового семінару кафедри “Металеві конструкції” 27 січня 2005 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 наукових праць, що відображають її основний зміст, у тому числі: 8 статей в спеціалізованих наукових збірниках, 2 доповіді на Міжнародних науково–технічних конференціях, одна стаття без співавторів.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 101 найменування і 9 додатків.

Загальний обсяг роботи 188 сторінок, у тому числі: 144 сторінки основного тексту, 10 сторінок списку використаних джерел, 7 таблиць, 119 рисунків і малюнків, додаток на 29 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обгрунтована актуальність проблеми, викладена мета і задачі досліджень, наукова новизна і практична цінність роботи, наведена інформація про публікації автора.

У першому розділі проаналізовано галузі використання плоских решітчастих конструкцій з використанням ШПД і ГСП, визначені чинники, що впливають на концентрацію напружень у зварних вузлах, узагальнені результати раніше проведених теоретичних і експериментальних досліджень в області НДС, концентрації напружень зварних безфасонкових вузлів.

Дослідженню НДС і концентрації напружень у зварних вузлах з використанням ШПД і ГСП присвячені роботи Б.С. Цетліна, І.В. Левітанського, Ф.Ф. Кукліна, І.В. Зінкевича, А.В. Мухіна, Ю.В. Соболєва, Е.Ф. Гарфа, Є.В. Горохова, С.В. Колесніченка.

Дослідженнями втомної міцності зварних вузлів решітчастих конструкцій займалися Е.Ф. Гарф, В.М. Горпінченко, А.Є. Литвиненко, Е.Я. Філатов.

Серед зарубіжних дослідників цими питаннями займалися: Я. Варденієр (J. Wardenier), Д. Дутта (D. Dutta), А. Хоббахер (А. Hobbacher), А.М. Вінгерде (A.M. Wingerde), Ю. Куробане (Y. Kurobane), Б. Ванг (B. Wang).

Аналіз конструктивних форм, чинників, що впливають на НДС і концентрацію напружень у зварних безфасонкових вузлах, показує, що результатами раніше проведених експериментальних і теоретичних досліджень є:

1. Встановлення дійсного НДС вузлів, їх несучої здатності і характеру руйнування при статичному навантаженні без урахування зон концентрації напружень у вузлі.

2. Запропоновані емпіричні залежності, графіки і номограми для визначення несучої здатності однотипних вузлів, встановлені основні параметри, від яких залежить міцність з'єднань.

У той же час, при визначенні НДС і концентрації напружень у зварних вузлах не враховувалися величини і знаки поздовжніх зусиль в поясах вузлів; недостатньо досліджені вузли, де до поясу примикають два і більше стержнів (К-, ТК – подібні вузли) з вузловими ексцентриситетами, додатковими деталями, які посилюють вузли; недостатньо вивчена концентрація напружень по зоні примикання елементів решітки до поясів (визначалася тільки для Т – подібних вузлів), при цьому не було встановлено зв'язку коефіцієнта концентрації напружень з формою і геометричними параметрами елементів з'єднань.

На основі аналізу виконаних раніше досліджень були сформульовані остаточні мета і задачі досліджень.

У другому розділі на основі МКЕ виконано чисельне дослідження НДС і концентрації напружень у К-, Т-, V-, ТК – подібних зварних вузлах з поясом із ШПД і решіткою з ГСП, з деталями посилення та без них. Вузли, що розглядались, виконані за типовим альбомом 1.460.3-15 у складі ферми прольотом 24 м.

Моделювання і розрахунок вузлів проводилися з використанням програми SCAD, реалізованою в середовищі Windows, при пружній роботі матеріалу. Дослідження проводилися для об'ємного НДС у зоні термічного впливу, уздовж примикання решітки до поясів. Основні елементи вузлів (пояс і решітка) були змодельовані з об'ємних кінцевих елементів (прямокутний паралелепіпед, трикутна призма). До складу всіх типів вузлів входили ідеалізовані зварні шви, з катетами 5 і 6 мм, які моделювалися трикутною призмою з основами, рівними катетам швів. Елементи посилення вузлів (вертикальні ребра жорсткості, похилі планки) моделювалися з набору 3-х і 4-х вузлових оболонок - трикутної і прямокутної конфігурації. Полиці поясних двотаврів і стінки решітки ГСП всіх типів вузлів розбивалися на два шари рівної товщини, з метою прослідкувати зміну напружень за товщиною елементів.

При дослідженні НДС і концентрації напружень у вузлах розглядалися чотири розрахункові зони (рис. 1 – а, б): область “носків” (тупий кут примикання розкосів до пояса), область “щок” (стінки ГСП, паралельні стінці поясного ШПД), область “п'ят” (гострий кут примикання розкосів до пояса), область округлень ГСП. Дослідження проводились за наступними розрахунковими контурами: А, В, С, Д (рис. 1 - в), що характеризуються точками переходу від зварних швів до основного металу, серединними і внутрішніми шарами стінок решітки.

Сітка кінцевих елементів була накладена так, щоб помилка отриманих результатів не перевищувала 5%, а згущування відбувалося в місцях з'єднання решітки з поясами у зоні термічного впливу. З метою дослідження впливу геометричних розмірів пояса й елементів решітки на НДС і концентрацію напружень у вузлах, до кожного типу вузлів входило 7 розрахункових моделей з профілями, що змінюються в поясах: I20К1, I20К2, I23К1, I23К2, I26К1, I26К2, I26К3.

а)

б)

в)

Рис.1. Схеми розрахункових зон вузлів (на прикладі К – подібного вузла)

Величина зовнішнього навантаження визначалася, виходячи з реально діючих навантажень на решітчасті конструкції і складала Р = 98,2 кН у вузол. Розрахунок навантажень, які прикладалися до торців вузлів, проводився за елементарними формулами опору матеріалів як для стиснутих або розтягнуто–згинальних елементів.

Подовжні зусилля N і згинаючі моменти М визначалися на основі статичного розрахунку ферми з точковими жорсткими вузлами з урахуванням значної згинальної жорсткості елементів ферми.

Аналіз результатів розрахунку проводився в місцях найбільшої концентрації напружень - по розрахункових контурах А, В, С, Д, з розглядом головних напружень ?1, у2, у3 й еквівалентних напружень за 4 -ою енергетичною теорією міцності (Губера – Хенки – Мізеса) - .

Коефіцієнти концентрації напружень у небезпечних зонах визначалися за формулою:

, (1)

де IVекв і ном – відповідно еквівалентні і номінальні напруження у небезпечній зоні.

За результатами чисельних досліджень встановлено:

- для всіх типів вузлів властивий вкрай нерівномірний розподіл напружень за периметром примикання елементів решітки до поясу. Наприклад, для К – подібного вузла без підкріплення напруження дорівнюють: в поясі у = 0,33 – 1,83Ry; розкосах у = 0,31 – 1,69Rwf (де Ry = 240 МПа, Rwf = 215 МПа – розрахункові опори відповідно до основного металу й металу зварного шва);

- найбільші напруження у всіх досліджених вузлах виникають у верхньому шарі полиці поясного двотавра в областях “носків” і “п'ят” решітки – в зоні примикання стінки до полиці поясу. Наприклад, для К – подібного вузла без підкріплення, напруження в області “п’яти” дорівнюють у = 1,83Ry і у = 1,69Ry відповідно для поясу і стиснутого розкосу;

- коефіцієнт концентрації напружень бу в поясних елементах залежить від відносної ширини розкосів S = d/D (де d – ширина розкосу, D – ширина полиці пояса) за експоненціальним законом (рис. 2);

- для всіх типів вузлів коефіцієнт концентрації напружень бу в решітці залежить від відносної товщини полиці поясного двотавра S = Т/t (де T – товщина полиці, t – товщина стінки ГСП решітки) за степеним законом (рис. 3);

- серед всіх досліджених вузлів ферми найбільш напруженими виявилися елементи вузлів без похилих планок;

- похилі планки значно (в 1,16 – 2,32 рази) знижують рівень напружень в поясі й елементах решітки вузлів;

- значний вплив на концентрацію напружень в К – подібних вузлах надають кути нахилу розкосів до поясу - ?. Із збільшенням кутів нахилу в межах 45 - 75? відбувається зростання бу в 1,0 – 1,55 рази в поясі та в 1,0 – 1,20 рази в розкосах.

Рис. 2. Залежності коефіцієнтів концентрації напружень бу в полицях поясних двотаврів вузлів від відносної ширини решітки S. Вузли не підкріплено похилими планками

За підсумками досліджень виведені параметричні залежності теоретичного коефіцієнта концентрації напружень від геометричних параметрів профілів, що становлять вузли (рис. 2, 3; табл. 1). Для К- і Т – подібних вузлів виведені параметричні залежності поправочних коефіцієнтів концентрації напружень від впливу: кутів нахилу решітки до поясу (табл. 3), вузлових ексцентриситетів з площини вузлів (табл. 4).

Рис. 3. Залежності коефіцієнтів концентрації напружень бу в решітці вузлів від відносної товщини полиці поясу S. Вузли не підкріплені похилими планками

У третьому розділі наводяться результати експериментальних досліджень НДС і концентрації напружень К- і Т – подібних вузлів. В якості об'єкта експериментальних досліджень прийняті натурні зразки вузлів типової металевої кроквяної ферми з паралельними поясами із ШПД і решіткою з ГСП прольотом 24 м, виконаної за типовим альбомом 1.460.3-15 (рис. 4). Натурні зразки вузлів ферми були ідентичні розрахунковим моделям вузлів з масштабом 1:1.

Для завантаження ферми використано метод спеціального навантаження. Навантаження на ферму прикладалося ступенями в середньому по 10,31 кН у вузол до максимального вузлового навантаження Р = 133,1 кН. У процесі випробувань проводилося декілька завантажень.

Для вимірювання деформацій при випробуваннях використовувалися дротяні петлеві тензодатчики опору з базою 5 мм.

Рис. 4. Схема кроквяної ферми з описом досліджуваних типів вузлів

Зняття показань з тензодатчиків проводилося із застосуванням системи СІІТ – 2 на 1000 каналів вимірювання. При цьому для кожного типу вузла визначені й порівняні з теоретичними дослідженнями:

- дійсне НДС в зоні з'єднання решітки з поясом;

- зони з максимальними пружними напруженнями і концентрацією напружень в місцях примикання елементів решітки до поясу;

- коефіцієнти концентрації напружень.

Експериментальні напруження порівнювалися з теоретичними, які визначалися за формулою для плоского НДС:

, (2)

де ?x, уy, – нормальні напруження в двох взаємно перпендикулярних напрямах; ?xy -дотичні напруження; б – ?ут між напрямом наклейки тензодатчика і напрямами нормальних напружень ?x, уy.

Нормальні (ух, уy) і дотичні (фxy) напруження визначалися в розділі 2 за підсумками розрахунку вузлів в програмі SCAD.

Визначення експериментальних коефіцієнтів концентрації напружень проводилося на підставі показань тензодатчиків, які були встановлені в найбільш напружених зонах вузлів, за формулою:

, (3)

де ?x – місцеві осьові напруження, визначені за показаннями датчиків; ?ном – номінальні напруження (визначені як для стиснутих, так і для розтягнуто – згинальних елементів) в місцях наклейки датчиків.

На основі проведеного порівняння теоретичних й експериментальних коефіцієнтів концентрації напружень були одержані поправочні коефіцієнти гб (табл. 2), що уточнюють теоретичний коефіцієнт концентрації напружень.

Для всіх експериментально досліджених вузлів встановлено принциповий збіг НДС з теоретичними дослідженнями. Розходження, які виникли при порівнянні експериментальних і теоретичних досліджень, коливаються в межах 1,1 – 33,0 %.

Встановлено, що найбільші напруження в поясних елементах всіх досліджених вузлів виникають в областях “п'ят” і “носків” решітки – в зоні примикання стінки до полиці поясного двотавра у зварних швів, а також біля початку округлень цих областей.

Найбільші напруження в решітці виникають біля зварних швів, в областях “п'ят” і “носків” – в місцях примикання стінки до полиці поясного двотавра.

На підставі експериментальних досліджень уточнені теоретичні коефіцієнти концентрації напружень в К- і Т – подібних вузлах. Визначені поправки на розрахунок коефіцієнтів концентрації напружень у вигляді поправочного коефіцієнта гб.

У четвертому розділі розроблено методику розрахунку коефіцієнтів концентрації пружних напружень і дійсних геометричних напружень в зоні з'єднання елементів решітки з поясом.

Порядок визначення коефіцієнтів концентрації напружень наступний:

1. Визначаються геометричні розміри профілів вузла;

2. Окремо для поясу і розкосів за параметричними формулами визначаються коефіцієнти концентрації напружень бугеом. Залежності коефіцієнтів бугеом від геометричних параметрів для К- і Т – подібних вузлів наведені в табл. 1.

3. Остаточно коефіцієнти концентрації напружень визначаються:

- для К – подібних вузлів за формулою:

; (4)

- для Т – подібних вузлів за формулою:

, (5)

де бугеом - коефіцієнт концентрації напружень, визначений за геометрією вузла, К(?) – поправочний коефіцієнт, який враховує вплив кута нахилу розкоса на концентрацію напружень, визначений за табл. 3; гб – поправочний коефіцієнт концентрації напружень, який визначається за табл. 2; К(е) - поправочний коефіцієнт, який враховує вплив зміщення решітки (в мм) на концентрацію напружень, визначений за табл. 4.

Таблиця 1

Визначення коефіцієнтів концентрації напружень бугеом

Тип вузла | Елемент | Залежність

Вузли без похилих планок | Вузли з похилими планками

К – подібний

стиснутого пояса | Пояс – стиснуто з двох боків“ | -” розкос“ | +” розкос | Т – подібний стиснутого

пояса | Пояс – стиснуто з двох боків | -

Стійка | - | Примітка: Т – товщина полиці поясного двотавру; t – товщина решітки; d – ширина решітки; D – ширина полиці поясного двотавру. |

4. Для кожного елемента вузла окремо проводиться розрахунок локальних геометричних напружень за формулою:

, (6)

де уном – номінальні напруження в елементі вузла, визначені при розрахунку решітчастих конструкцій за жорсткою схемою, з використанням елементарних формул опору матеріалів; бу –коефіцієнт концентрації напружень.

5. При визначенні НДС і геометричних напружень за допомогою МКЕ розміри кінцевих елементів в зонах з’єднання решітки з поясом необхідно назначати в межах 1,0 – 2,0·kf (де kf – катети зварних швів, що прикріплюють елементи решітки до поясу).

Таблиця 2

Значення поправочних коефіцієнтів концентрації напружень гб для різних типів вузлів

Тип вузла | Елемент | Коефіцієнт гб

Вузли без похилих планок | Вузли з похилими планками | К – подібний стиснутого пояса | Пояс | 1,21 | 1,25 | Розкоси | 1,0 | 1,0 | Т – подібний стиснутого пояса | Пояс | 1,20 | - | Стійка | 1,12 | - |

Таблиця 3

Залежності поправочних коефіцієнтів концентрації напружень К(?) в елементах К – подібного вузла від кутів нахилу ?

Елемент | Місцезнаходження | Залежність

Стиснутий пояс | Під “п’ятою”“

-” розкоса | Під “носком”“

-” розкоса“ | -” розкос“ | П’ята”“ | Носок”“ | +” розкос“ | Носок”“ | П’ята” | Примітка: кут ? – в градусах; при ? = 45° - К(?) = 1,0. |

Таблиця 4

Залежності поправочних коефіцієнтів концентрації напружень К(е) від величини ексцентриситету (зміщення) решітки з площини вузла - е

Тип вузла | Елемент вузла | Місцезнаходження | Залежність

К | Пояс | Під “п’ятою” “

-” розкоса | Під “носком” “

-” розкоса“ | -”

розкос“ | П’ята”“ | Носок”“ | +”

розкос“ | Носок”“ | П’ята” | Т | Пояс | - | Стійка | - | Примітка: величина е – в мм; при е = 0 мм - К(е) = 1,0. |

ВИСНОВКИ

1. На підставі чисельних теоретичних й експериментальних досліджень для розглянутих типів вузлів вперше розроблено інженерну методику розрахунку коефіцієнтів концентрації пружних напружень в залежності від: геометричних розмірів елементів вузлів, кутів нахилу решітки до поясів та величин ексцентриситетів решітки з площини вузлів.

2. У результаті чисельних досліджень К-, Т-, V-, ТК – подібних моделей зварних вузлів ферми з поясом із ШПД і решіткою з ГСП встановлено їх НДС. Встановлено, що підкріплюючі елементи в 1,2 – 2,3 рази знижують рівень напружень. Визначені зони з максимальною концентрацією напружень у вузлах. Найбільша концентрація напружень виникає в непідкріплених К- і ТК – подібних вузлах по зонах “пят” і “носків”.

3. Встановлено, що коефіцієнти концентрації пружних напружень залежать:

- в поясних елементах - від відносної ширини розкосів S = d/D (де d – ширина розкосу, D – ширина полиці пояса) за експоненціальним законом;

- в елементах решітки - від відносної товщини полиці поясного двотавра S = Т/t (де T – товщина полиці, t – товщина стінки ГСП решітки) за степеним законом.

Із зростанням параметрів S відбувається зниження коефіцієнта концентрації напружень.

Із зростанням кутів нахилу решітки до поясів і величини ексцентриситету решітки із площини вузлів відбувається зростання коефіцієнта концентрації напружень.

4. У результаті експериментальних досліджень натурних вузлів кроквяної ферми виявлено їх дійсний НДС. Виконано порівняння експериментальних напружень з теоретичними. Визначені нові поправки (0,88 – 1,25) до теоретичних коефіцієнтів концентрації напружень для К- і Т – подібних вузлів.

5. З метою зниження концентрації напружень у зварних вузлах з поясами із ШПД і решіткою з ГСП необхідно:

- при проектуванні ферм призначати кути нахилу решітки до поясів у межах 30 - 60є;

- при виготовленні ферм необхідно запобігати появи вузлових ексцентриситетів з площини вузлів;

- виконувати якісні зварювальні роботи автоматом або напівавтоматом у захисних середовищах (під флюсами, в середовищі захисних газів) з контролем зварних швів;

- застосовувати посилення вузлів шляхом встановлення підкріплюючих пояс деталей – вертикальних ребер жорсткості та похилих планок;

- здійснювати зачищення метала зварних швів для забезпечення плавного переходу від зварних швів до основного металу елементів вузлів.

6. Розроблена методика розрахунку коефіцієнтів концентрації пружних напружень дозволяє проводити розрахунок дійсного НДС вузлів, визначати ділянки з максимальними напруженнями і застосовувати отримані результати: при проектуванні ферм з поясами із ШПД і решіткою з ГСП, для оцінки технічного стану конструкцій та розрахунку їх втомної довговічності.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Розрахунок вузлiв пласких решiтчастих конструкцiй з використанням круглих труб i гнутозварених замкнутих профілiв на мiцнiсть i витривалiсть за сучасними нормами / Є.В. Горохов, С.В. Колеснiченко, А.М. Миронов, С.С. Аноприєнко. // Металевi конструкцii. – Том 3. - №1. - 2000. – С. 67-77.

2. Динамические испытания и диагностика бункерной этажерки / А.М. Югов, С.В. Колесниченко, Д.В. Левченко, А.С. Васильев, Ю.П. Некрасов, А.Н. Миронов, Е.В. Денисов, С.С. Аноприенко. // Вiсник ДонДАБА. – вип. 2001 – 4(29). Том 2. - С. 47-53.

3. Колесниченко С.В., Миронов А.Н. Влияние геометрических параметров на напряженно–деформированное состояние и концентрацию напряжений Т–образных узлов с поясом из широкополочного двутавра и решеткой из гнутосварных замкнутых профилей // Металевi конструкцii. – Том 4. - №1. - 2001. – С. 55-59.

4. Колесниченко С.В., Миронов А.Н. Напряженно–деформированное состояние сварных бесфасоночных узлов с использованием широкополочных двутавров и гнутосварных замкнутых профилей // Вiсник ДонДАБА. – Вип. 2003 – 2(39) - Том 1. - С. 107-115.

5. Колесниченко С.В., Миронов А.Н. Исследование напряженно–деформированного состояния и концентрации напряжений в К–образных узлах плоских решетчатых конструкций // Сучаснi проблеми проектування, будiвництва та експлуатацii споруд на шляхах сполучення. “Автомобiльнi дороги i транспортне будiвництво”. – Вип. 64. - Київ. – 2002. – С. 127-130.

6. Миронов А.Н. Методологические основы для проведения экспериментальных испытаний на выносливость узлов решетчатых конструкций с применением ГСП и ШПД // Вiсник ДонДАБА. – Вип. 2002 – 2(33). “Будiвельнi конструкцii, будiвлi та споруди”. – С. 92-96.

7. Колесниченко С.В., Миронов А.Н. Влияние геометрических параметров на напряженно–деформированное состояние и концентрацию напряжений V–образных узлов с поясом из широкополочного двутавра и решеткой из гнутосварных замкнутых профилей // Сборник научных трудов “Строительство. Материаловедение. Машиностроение”. Приднепровская ГАСА. – Вып. 18. - Днепропетровск. – 2002. – С. 90-99.

8. Колесниченко С.В., Миронов А.Н. Влияние подкрепляющих узловых деталей на напряженно–деформированное состояние и концентрацию напряжений ТК–образных узлов с поясом из широкополочного двутавра и решеткой из гнутосварных замкнутых профилей // “Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте”. Материалы Международной научно–технической конференции 23-26 сентября 2002 г. - Самара. - С. 25.

9. Колесниченко С.В., Миронов А.Н. Определение теоретического коэффициента концентрации напряжений в сварных бесфасоночных узлах плоских стержневых конструкций с использованием широкополочных двутавров и гнутосварных замкнутых профилей // Вiсник Приднiпровської державної академiї будiвництва та архiтектури. – № 10-11, 2003 (70-71) - С. 62-69.

10. Theoretical stress concentration factors for joints with H-beams and RHS-members. Modern Building Materials, Structures and Techniques. International 8th conference, Vilnius, Lithuania, May 19-21, 2004.

(У роботах зі співавторами автору належать: порівняння методів розрахунку зварних вузлів ферм на міцність і витривалість за вітчизняними та європейськими нормами проектування [1]; визначення НДС вузлів бункерної етажерки з використанням ШПД при динамічних навантаженнях [2]; розробка і розрахунок моделей Т-, V – подібних вузлів з метою визначення їх НДС і концентрації напружень, а також вплив геометричних розмірів елементів вузлів на концентрацію напружень [3, 7]; дослідження НДС і концентрації напружень у К-, Т-, V-, ТК – подібних вузлах з використанням ШПД та ГСП [4, 5]; дослідження впливу на НДС і концентрацію напружень у ТК – подібних вузлах підкріплюючих вузлових деталей у вигляді похилих планок [8]; розробка параметричних формул для розрахунку коефіцієнтів концентрації напружень у К-, Т-, V-, ТК – подібних вузлах з підкріплюючими деталями та без них [9, 10]; розробка методики проведення випробувань вузлів на витривалість [6]).

АНОТАЦІЯ

Миронов А.М. Концентрація напружень в вузлах ферм із застосуванням двотаврів і гнутозварних замкнених профілів, що викликана конструктивною формою. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Донбаська національна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 2005.

У дисертації розглядаються теоретичні й експериментальні дослідження НДС і концентрації напружень у зварних вузлах плоских решітчастих конструкціях з використанням у поясах широкополих двотаврів, а в елементах решітки - гнутозварних замкнених профілів.

На основі МКЕ проведено дослідження НДС і концентрації напружень у К-, Т-, V-, ТК – подібних зварних вузлах з поясом із ШПД і решіткою з ГСП з деталями посилення і без них. Виведені параметричні залежності теоретичного коефіцієнта концентрації напружень від геометричних параметрів профілів, що становлять вузли. Виведені параметричні залежності поправочних коефіцієнтів концентрації напружень від впливу: кутів нахилу решітки до поясу, вузлових ексцентриситетів з площини вузлів. Проведено експериментальні дослідження НДС і концентрації напружень К-, Т – подібних натурних вузлів. Визначені експериментальні й поправочні коефіцієнти концентрації напружень. Розроблена методика визначення коефіцієнтів концентрації напружень і НДС для К-, Т-, V-, ТК – подібних зварних вузлів з поясом із ШПД і решіткою з ГСП.

Ключові слова: зварні вузли, метод кінцевих елементів, напружено–деформований стан, концентрація напружень.

АННОТАЦИЯ

Миронов А.Н. Концентрация напряжений в узлах ферм с применением двутавров и гнутосварных замкнутых профилей, вызванная конструктивной формой. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. – Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 2005.

В диссертации рассматриваются теоретические и экспериментальные исследования напряженно–деформированного состояния и концентрации напряжений в сварных узлах плоских решетчатых конструкций с применением в поясах двутавров с параллельными гранями полок, а в решетке - гнутосварных замкнутых профилей.

Во введении обоснована актуальность проблемы, изложены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность работы, представлена ее общая характеристика.

В первом разделе проанализированы области применения плоских решетчатых конструкций с использованием ШПД и ГСП, определены факторы, влияющие на НДС и концентрацию напряжений в сварных узлах, обобщены результаты ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований НДС и концентрации напряжений в сварных узлах, окончательно сформулированы цели и задачи исследования.

Во втором разделе на основе МКЭ проведено исследование НДС и концентрации напряжений в К-, Т-, V-, ТК – образных сварных узлах с поясом из ШПД и решеткой из ГСП с деталями усиления и без них . Определены наиболее напряженные зоны узлов с максимальной концентрацией напряжений. Выведены параметрические зависимости теоретического коэффициента концентрации напряжений от геометрических параметров профилей, составляющих узлы. Для К- и Т – образных узлов выведены параметрические зависимости поправочных коэффициентов концентрации напряжений от влияния: углов наклона решетки к поясу, узловых эксцентриситетов из плоскости узлов.

В третьем разделе приводятся результаты экспериментальных исследований НДС и концентрации напряжений К- и Т – образных узлов. Исследования проведены на натурных сварных узлах, входящих в состав статически определимой фермы пролетом 24 м при шести различных схемах загружения, имитирующих подвижную нагрузку. При этом для каждого типа узла определены и сравнены с теоретическими исследованиями:

- действительное НДС в зоне соединения решетки с поясом;

- зоны с максимальными упругими напряжениями и концентрацией напряжений в местах примыкания элементов решетки к поясу;

- теоретические коэффициенты концентрации напряжений.

Определены поправочные коэффициенты концентрации напряжений ?б.

В четвертом разделе на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика определения коэффициентов концентрации напряжений и действительных геометрических напряжений в зоне соединения решетки с поясом К-, Т-, V-, ТК – образных сварных узлов с поясом из ШПД и решеткой из ГСП.

В выводах приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований сварных узлов с поясом из ШПД и решеткой из ГСП.

Ключевые слова: сварные узлы, метод конечных элементов, напряженно – деформированное состояние, концентрация напряжений.

ABSTRACT

Mironov A.M. Stress concentration in the joints with H-beams and rectangular hollow sections depending from structural shape. – Manuscript.

The Thesis for taking the scientific degree of Candidate of Technical Science on a specialty 05.23.01- Building Structures, Buildings and Constructions. – The Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture. Makiyivka, 2005.

Theoretical and experimental investigations of stress-strain condition for welded joints of planar trusses with H-beams chords and rectangular hollow sections as trellis have been considered in the thesis.

On the basis of FEM analysis the stress-strain conditions also as stress concentration for К-, Т-, V-, ТК – shaped welded joints with H-beams and rectangular hollow sections with and without reinforcements were investigated. Parametrical formulae for correction factors depend of trellis incline members angles and joint eccentricity in plane and out-of-plane were found. Experimental investigations of stress-strain conditions for К- and Т– shaped real joints also have been determined. Experimental and correction factors for stress concentration were defined. System for determination of stress concentration factors and stress-strain distribution for К-, Т-, V-, ТК – shaped welded joints with H-beams chord and rectangular hollow sections has prepared.

Key words: welded joints, finite element method, stress-strain condition, stress concentration.