Міністерство освіти і науки України

Харківський державний технічний університет

будівництва та архітектури

Кравченко Сергій Олександрович

УДК 624.014.078.4

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН

СТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ З ПРУЖНИМИ СУЦІЛЬНИМИ ТА

ПЕРЕРВНИМИ ФЛАНГОВИМИ ЗВАРНИМИ ШВАМИ

05.23.01- будівельні конструкції, будівлі та споруди

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Перетятько Юрій Григорович,

Харківський державний технічний

університет будівництва та архітектури,

завідувач кафедри металевих та дерев’яних конструкцій

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

заслужений діяч науки і техніки України,

Шимановський Олександр Віталійович,

ВАТ Український науково-дослідний та проектний

інститут сталевих конструкцій імені

В.М. Шимановського, м. Київ,

голова правління

кандидат технічних наук, професор

Воблих Віталій Олександрович,

Харківський державний технічний

університет будівництва та архітектури,

професор кафедри основ та фундаментів

Захист відбудеться _12 .___червня___2008р., о _12_ годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул.Сумська,40.

Автореферат розісланий _08_.___травня___2008р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Т.О. Костюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зварні з’єднання є досить жорсткими, завдяки чому сталеві зварні конструкції згідно з діючими нормами розраховуються як такі, що мають цільні поперечні перерізи. Завдяки цьому розрахунки прокатних та зварних сталевих конструкцій за першим і другим граничними станами співпадають, за винятком того, що стиснуті елементи складених перерізів зварних конструкцій додатково перевіряють на місцеву стійкість, а також додатково розраховують зварні шви. Зрозуміло, що існуюча методика розрахунків сталевих зварних конструкцій є спрощеною і тому привабливою з точки зору її реалізації у інженерних обчисленнях. У той же час ця методика має і певні недоліки. Вважаючи зварні шви абсолютно жорсткими, вона не дозволяє теоретично визначати місця концентрації, максимальні значення та характер розподілу зсуваючих та поперечних погонних зусиль та відповідних напружень у флангових швах по їх довжині, вплив на ці зусилля значень катетів швів та жорсткостей зварюваних між собою елементів зварних конструкцій та їх з’єднань ; не дозволяє розраховувати ефективні зварні конструкції з перервними швами і т. ін.

Актуальність теми полягає у тому, що приймаючи зварні шви податливими, стає можливим відмовитися від умови цільності складених поперечних перерізів, і розглядати зварні конструкції у їх розрахункових схемах як контактні задачі для окремих шарів складених стержнів, якими є елементи зварних конструкцій. Такий підхід до розрахунку зварних конструкцій суттєво уточнює та доповнює існуючу методику, звільняючи її від вище зазначених недоліків. Він дозволяє більш точно та більш надійно розрахувати зварні конструкції та їх з’єднання.

Особливо актуальним у темі досліджень є використання даного підходу для обґрунтованого впровадження у практику проектування зварних конструкцій з перервними зварними швами. Такі конструкції у порівнянні із традиційними є більш ефективними, бо мають понижені показники працемісткості та енергоємності, що необхідні на їх виготовлення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є закінченою працею, яка пов`язана з науковим напрямком роботи кафедри металевих та дерев`яних конструкцій Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури за планом Міністерства освіти й науки України ««Урахування жорсткості зварних з’єднань в роботі сталевих конструкцій» (держ. регістр. № 0108U001997).

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає у створенні розрахункового апарату, що ураховував би пружну податливість флангових зварних швів у роботі сталевих конструкцій.

Для досягнення поставленої мети сформульовані для вирішення наступні задачі:

- побудувати теоретичні розв’язки задач про НДС 2-х та 3-х шарових складених стержнів з урахуванням пружно податливої роботи їх зв’язків не тільки у поздовжньому, як це мало місце у попередніх дослідженнях, а і у поперечному напрямках; це дозволить значно розширити клас задач по визначенню НДС сталевих конструкцій з урахуванням пружної податливості зварних швів, де граничні умови необхідно формулювати для кожного шару складеного стержня окремо;

- теоретично за допомогою методу кінцевих елементів визначити жорсткості зварних кутових швів при їх розтязі - стиску у поперечному напрямку у залежності від величин їх катетів та розмірів щілин між з’єднуваними елементами;

- провести експериментальні дослідження по визначенню НДС зварних двотаврових балок з перервними поясними швами та співставити отримані результати з відповідними результатами теоретичних розрахунків;

- скласти методику по урахуванню пружної податливості флангових зварних швів у роботі сталевих конструкцій та впровадити її у розрахунки НДС конкретних зварних конструкцій та їх з’єднань, розрахункові схеми яких можна представити 2-х та 3-х шаровими складеними стержнями.

Об'єктом дослідження є сталеві зварні конструкції, розрахункові схеми яких можуть бути представленні 2-х та 3-х шаровими складеними стержнями з пружно податливими як у поздовжньому, так і у поперечному напрямках, зв’язками.

Предметом дослідження є визначення напружено-деформованого стану сталевих зварних конструкцій та їх з’єднань з фланговими швами з урахуванням пружної податливості їх швів.

Методи досліджень:

- теорія складених стержнів;

- метод кінцевих елементів (МКЕ);

- методи опору матеріалів;

- чисельний метод початкових параметрів з поєднанням процедур

Рунге-Кутта та ортогоналізації по С. К. Годунову;

- експериментальні методи визначення НДС у сталевих конструкціях.

Достовірність теоретичних розв’язків підтверджена шляхом порівняння їх результатів з результатами експериментальних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

- отримано теоретичні розв’язки задач про НДС 2-х та 3-х шарових складених стержнів з урахуванням пружно податливої роботи їх зв’язків не тільки у поздовжньому, а і у поперечному напрямках;

- теоретично за допомогою методу кінцевих елементів визначено значення коефіцієнтів жорсткості зварних кутових швів при їх розтязі - стиску у поперечному напрямку у залежності від величин їх катетів та розмірів щілин між з’єднуваними елементами для швів катетами 4, 6 та 8мм;

- теоретично, шляхом створення розрахункової схеми у вигляді 3-х шарового складеного стержня, спроектовано експериментальний зразок двотаврової балки з перервними поясними швами, який також шляхом побудови кінцево-елементної моделі за допомогою програмного комплексу SCAD було перевірено на загальну стійкість балки та на місцеві стійкості її стінки та стиснутої полиці;

- експериментальним шляхом підтверджено достовірність теоретичних розробок по визначенню НДС зварних двотаврових балок з перервними поясними швами; доведено, що є можливим перехід від балок із неперервними поясними швами до аналогічних балок з перервними поясними швами;

- складено методику по урахуванню пружної податливості флангових зварних швів у роботі сталевих конструкцій, відповідно до якої уперше розв’язано задачі про НДС конкретної зварної балки прольотом 12м з неперервними та перервними поясними швами, завантаженої локальними рівномірно розподіленими навантаженнями;

- уперше розв’язано задачу про НДС стика двотаврової балки, виконаного за допомогою парних поясних накладок, з урахуванням пружної податливості флангових зварних швів.

Практичне значення отриманих результатів. Створено розрахунковий ний апарат, на базі якого складено методику із розрахунку НДС зварних конструкцій, що можуть бути представленими у розрахункових схемах 2-х та 3-х шаровими складеними стержнями, з урахуванням пружної податливості флангових зварних швів як у поздовжньому, так і у поперечному напрямках. Користуючись даною методикою, можна більш точно і надійно розраховувати НДС зварних конструкцій.

Розрахунки компонентів НДС конкретних зварних двотаврових балок з перервними поясними швами засвідчили, що міцність і жорсткість цих балок у порівнянні із аналогічними балками з неперервними швами, є практично однаковими.

Перехід від суцільних поясних швів до перервних лише суттєво змінює значення та характер розподілу поздовжніх та поперечних зусиль у самих швах. Так, по кінцям перервних швів виникають концентрації цих зусиль, а їх значення зростають у 2-3 рази. У той же час ці значення залишаються у межах пружної роботи зварних швів. І саме ця обставина дозволяє упевнено рекомендувати перехід зварних двотаврових балок на аналогічні конструкції, але з перервними поясними швами.

Користуючись складеною у роботі методикою із розрахунку НДС зварних конструкцій, можна розробити серії ефективних типових зварних балок з перервними поясними швами, які у порівнянні із існуючими аналогами, будуть мати понижені показники працемісткості та енергоємності, що необхідні на їх виготовлення.

Особистий внесок здобувача полягає в отриманні теоретичних розв’язків задач по визначенню напружено-деформованого стану 2-х та 3-х шарових складених стержнів; в теоретичних розрахунках значень коефіцієнтів жорсткості кутових зварних швів, у плануванні та проведенні експериментальних досліджень, у запровадженні розробленої методики до розрахунків сталевих зварних конструкцій та їх з’єднань з фланговими швами з урахуванням пружної податливості швів, а також у проведенні аналізу отриманих результатів і складанні висновків по роботі.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали з дисертації пройшли апробацію на VIII-ій Українській науково-технічній конференції «Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее», Київ, 2004р.; V-ій міжнародній науково-технічній конференції «Будівельні металеві конструкції: сьогодення та перспективи розвитку», Київ, 2006р., а також доповідались щорічно на науково-технічних конференціях та семінарах ХДТУБА.

У повному обсязі дисертація доповідалася на розширеному спеціалізованому семінарі в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури в 2008 році.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано дев’ять робіт у фахових збірниках наукових праць.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків. Зміст викладено на 196 аркушах. Окрім основного тексту, дисертація містить 114 рисунків, 9 таблиць та список літературних джерел із 155 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичну цінність роботи, наведена інформація про публікації автора.

У першому розділі дана оцінка існуючій методиці розрахунку сталевих зварних конструкцій та відмічено її недоліки. проведено аналіз існуючих підходів до вирішення проблеми по урахуванню податливості флангових зварних швів у роботі сталевих конструкцій. Зазначено, що на сьогоднішній день вирішення даної проблеми рухається у двох головних напрямках:

- із створенням кінцево-елементних моделей сталевих конструкцій, що включають в себе фактичні області зварних швів, і розв’язком просторових задач теорії пружності за допомогою метода кінцевих елементів (МКЕ);

- із застосуванням теорії складених стержнів, що дозволяє ставити і розв’язувати одномірні задачі ефективними чисельними кроковими методами.

Відмічено переваги та недоліки кожного із напрямків.

Завдяки розробкам МКЕ таких відомих вчених, як Зенкевич О., Сегерлінд Л., Стренг К., Фікс Дж., Норрі Д., де Фріз Ж., Хечумов Р.А. та ін., та впровадженню МКЕ у інженерні розрахунки, стало можливим зробити значний якісний стрибок уперед по розв’язанню надзвичайно складних задач про НДС, стійкість та коливання будівельних конструкцій. У цьому напрямку успішно працюють сучасні дослідники, такі, як Каплун А.Б., Морозов Є.М., Олфер’єва М.А., Чигарєв А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф., Басов К. А., Єлізаров С. В., Бенін А. В., Тананайко О. Д., Шимкович Д. Г., Карпіловський В. С., Криксунов Е. 3., Перельмутер А. В., Перельмутер М. А., Трофимчук А. Н., Баженов В. А., Шишов О. В., Шимановський О.В., Лісіцин Б.М., Лантух-Лященко А. І., Городецький А.С., Лобанов В.І., Пічугін С.Ф., Фурсов В.В., Федоряка Ю.В., Оглобля О.І., Семко В.О., Нілов О.О., Лазнюк М.В., Давиденко О.І. та багато ін.

Спроби по урахуванню за допомогою МКЕ включення у роботу сталевих конструкцій складеного перерізу флангових зварних швів реалізовано незначною кількістю дослідників, а саме, Баришевим В.М., Рогозіним Д.В. Перетятько Ю.Г. та ін.

Теорією пружних складених стержнів в різні роки займалися Журавський Д.І., Енгессер Ф., Мізес Р., Тимошенко С.П., Данілов С.А., Ржаніцин А.Р., Ніколаєв Г.А., Навроцький Д.І., Махненко В.І. та ін. В роботах Данілова С.А., Ніколаєва Г.А., Навроцького Д.І., Махненко В.І., Перетятько Ю.Г. та ін. Розрахункові моделі складених стержнів лягли в основу задач про визначення зсуваючих зусиль у флангових зварних швах.

Головні положення запропонованої Даніловим С.А. та Ржаніциним О.Р. теорії складених стержнів, які прийняті автором також у своїх дослідженнях, сформульовано наступним чином:

1. Окремі шари виконані із ізотропних матеріалів і мають в площині складеного стержня постійну висоту поперечних перерізів. При цьому, самі перерізи можуть мати довільну форму.

2. З позицій опору матеріалів кожен шар є стержнем, або брусом, тобто являє собою суцільне та однорідне тіло, у якого один його розмір (довжина) значно перевищує (у 4-5 разів) два інших (поперечних) розміри.

3. Кожен шар задовольняє гіпотезі плоских перерізів та гіпотезі одноосного закону Гука.

4. Задача про НДС розглядається в геометрично та фізично лінійній постановці.

5. Власною вагою шарів у порівнянні із зовнішнім навантаженням нехтують.

6. Зв’язки, що об’єднують окремі шари складеного стержня по висоті його поперечного перерізу, є неперервними. Вони перешкоджають взаємному зсуву та зближенню-віддаленню у поперечному напрямку сусідніх шарів, працюючи при цьому лінійно-пружно.

7. Самі зв’язки (шви) умовно не мають геометричних розмірів, а їх наявність у роботі складеного стержня ураховується поздовжніми зсуваючи ми та поперечними погонними зусиллями, що розглядаються як реакції даних зв’язків і відповідно за принципом взаємодії прикладаються до спільних граней сусідніх шарів.

8. За умови пружної роботи зв’язків (швів) погонні зусилля, що в них виникають, є прямо пропорційними взаємним зсувам сусідніх шарів та деформаціям їх зближення-віддалення (розтягу-стиску) у поперечному напрямку. Коефіцієнти пропорційності між зусиллями у зв’язках і відповідними їх деформаціями названі коефіцієнтами жорсткості даних зв’язків (швів) відповідно на зсув у поздовжньому та на розтяг-стиск у поперечному напрямках.

Вивчивши стан проблеми, автором сформульовано мету та задачі дисертаційних досліджень.

Другий розділ присвячений побудові теоретичних розв’язків задач про НДС 2-х та 3-х шарових складених стержнів з пружно податливими поздовжніми та поперечними зв’язками. Ці розв’язки включають у себе: складання диференційних та алгебраїчних рівнянь, що описують НДС та умови взаємодії окремих шарів складених стержнів; отримання вирішуючих систем диференційних рівнянь задачі у звичайних похідних у нормальному вигляді; масштабування цих систем з метою підвищення стійкості отримуваного результату; алгоритми чисельного інтегрування вирішуючих систем чисельним методом початкових параметрів у поєднанні із процедурою ортогоналізації по С.К. Годунову.

Фрагмент 3-х шарового складеного стержня зображено на рис. 1.

Вирішуюча система диференційних рівнянь, що описує НДС 3-х шарових складених стержнів з пружно податливими поздовжніми та поперечними зв’язками має вид (1).

Рис. 1. Фрагмент 3-х шарового складеного стержня

1) N1 = K12 d1,H 1 +K12 d2,в 2+ К12 U1 - К12 U2 – q1(x) ;

2) М1=Q1+K12 d1,H2 1 +K12 d1,H d2,в 2 + K12d1,H U1-K12 d1,H U2;

3) Q1 = g1(x) – E12 W1+E12 W2; W1 = 1; 4) W1 = 1;

5) 1 = M1 / EJ1(x); 6) U1 = N1 / EA1(x);

7) N2 = - K12 d 1,H 1 -K12 d 2,в 2 - К12 U1 + К12 U2 +

+ K23 d 2,H 2 + K23 d 3,В 3 + К23 U2 - К23 U3 – q2(x);

8) М2 = Q2 +K12 d1,H d2,в 1 +K12 d2,B2 2 + К12 d2,в U1 - K12 d2,B U2+

+ K23 d2,H2 2 +K23 d 2,H d3,в 3 + К23 d2,H U2 - К23 d2,H U3;

9) Q2 = E12 W1 - E12 W2 – E23 W2+ E23 W3; 10) W2 = 2;

11) 2 =M2 / EJ2(x); 12) U2 = N2 / EA2(x);

13) N3 = - K23 d 2,H 2 - К23 d3,в 3 - K23 U2 + K23 U3 – q3(x);

14) M3=Q3 + K23 d 2,H d3,в 2 + К23 d3,B2 3 + K23 d3,в U2 - K23 d3,в U3;

15 Q3 = -g3(x) + E23 W2 - E23 W3; 16 W3 = 3;

17 3 = M3 / EJ3(x); 18 U3 = N3 / EA3(x). (1)

Система (1) містить 18 невідомих компонентів напружено-деформованого стану: Ni, Mi, Qi, Wi, i, Ui, і=1,..,3, де і позначає номер шару складеного стержня. Тут Ni, Ui –осьова сила та осьове переміщення в і-му шарі, що виникає від її діі;

Mi, Qi – згинаючий момент та поперечна сила; Wi, і - прогин та кут повороту

нормалі і-го шару.

Система (1) є лінійною і має стандартний векторно-матричний запис

= F(x) + (x), де (2)

т(х) ={N1,M1,Q1,W1,1,U1,N2,M2,Q2,W2,2,U2,N3,M3,Q3,W3,3,U3}- (3)

- вектор шуканих функцій, що описують НДС 3-х шарових складених стержнів;

F(x) – матриця 18 х 18 коефіцієнтів при невідомих системи (1);

т(х) ={-q1(x); 0; g1(x); 0; 0; 0; -q2(x); 0; 0; 0; 0; 0; – q3(x); 0; - g3(x); 0; 0; 0}- (4)

- вектор правих частин (вектор навантажень).

Для чисельного інтегрування системи (1), або рівносильній їй, промасштабованій, на кожен шар складеного стержня необхідно накласти по 3 граничні умови з кожного його кінця. Чисельний метод початкових параметрів потребує на початку відрізку інтегрування задання початкових векторів лінійно-незалежних розв’язків задачі. Їх необхідно будувати так, щоб автоматично задовольняти початковим т=9 граничним умовам задачі. Тоді загальний розв’язок рівняння (2) для кожної ділянки ортогоналізації отримує наступний запис:

(х) = і(х) + 0 (х) (5)

де Сі – довільні константи інтегрування. Перший доданок у (5) відповідає однорідному розв’язку (2), а другий є частинним розв’язком (2).

Таким чином, знайшовши внутрішні зусилля та відповідні їм деформації, що входять до (3), за відомими залежностями опору матеріалів визначаємо відповідні напруження у кожному шарі складеного стержня. Зусилля у швах знаходимо із рівнянь

() – ();

() – () (6)

та

, (7)

що описують умови взаємодії окремих шарів складених стержнів з урахуванням п.8 головних положень теорії складених стержнів (див. вище).

У залежностях (6) та (7) маємо наступні позначення: Т12, Т23 - поздовжні зсуваючі погонні зусилля у швах відповідно між 1-им і 2-им та між 2-им і 3-им шарами; S12, S23 - погонні поперечні зусилля у швах; , К23 - коефіцієнти жорсткості швів на зсув в подовжньому напрямку; , Е23 - коефіцієнти жорсткості швів на розтяг-стиск в поперечному напрямку.

У третьому розділі теоретично за допомогою методу кінцевих елементів

шляхом розв’язання задач про напружено-деформований стан таврових з'єднань (рис. 2, 3) теоретично отримано значення коефіцієнтів жорсткості кутових швів Е12 з катетами 4, 6 та 8мм за умови, що стінка та полиця є абсолютно жорсткими (див. табл. 1). Ураховуючи дійсну деформативність полиці та стінки, вивчено вплив на значення коефіцієнтів Е12 таких конструктивних факторів, як розміри з’єднуваних елементів; розмір щілини; значення катетів швів. Установлено, що наведені фактори впливають на характер напружено-деформованого стану з'єднання, який відзначається значною неоднорідністю та концентрацією напружень в кутах щілини (рис. 4) і в нижніх кінцях вертикальних катетів швів. Неоднорідність розподілу та концентрація напружень в областях зварних швів утворюють в стінці локальні зони підвищеної її деформативності (рис. 5), що в свою чергу зменшує різницю між переміщеннями точок 2 і 4 (рис. 2) і відповідно збільшує значення коефіцієнта жорсткості кутових швів Е12. Значення коефіцієнта Е12 суттєво залежить від ширини полиці, завантаженої рівномірно розподіленим навантаженням. Це пояснюється тим, що рівнодіючі навантаження, що діють на ділянках половини ширини полиці, із зростанням ширини полиці все більше зміщуються від стінки до звісів полиці, довантажуючи шви в т. 1 та, як наслідок, в т. 6 (рис. 2), та розвантажуючи їх в т. 2.

Рис. 2. Розрахункова схема та нумерація Рис. 3. Розбивання на кінцеві

характерних вузлів таврового з’єднання елементи

Завдяки цьому переміщення в т. 4 та т. 6 зростають, а в т. 2 зменшуються і відповідно збільшується значення коефіцієнта Е12. У той же час, вплив товщини полиці на значення коефіцієнта Е12 за умови, що полиця завантажена безпосередньо на ділянці стінки, є несуттєвим. При збільшенні ширини полиці, завантаженої рівномірно розподіленим навантаженням, збільшення товщини полиці де що зменшує зростаюче значення коефіцієнта Е12 завдяки підвищенню згинальної жорсткості полиці. Збільшення товщини стінки зменшує значення коефіцієнта Е12, наближаючи його до величини, що відповідає випадку

Рис. 4. Поля еквівалентних нормальних з'єднання з абсолютно жорсткими

напружень стінкою та полицею.

Зменшення щілини між полицею та стінкою з'єднання суттєво збільшує значення коефіцієнта Е12. Збільшення величини катетів швів також веде до зростання значення коефіцієнта Е12.

Таблиця 1. Значення коефіцієнтів Е12, кН/м2, в залежності від розмірів

щілини s між полицею та стінкою з'єднання

s, мм

кf, мм |

1.0 |

0.5 |

0.1

4 | 3.21 108 | 4.42 108 | 7.63 108

6 | 3.88 108 | 5.09 108 | 8.29 108

8 | 4.37 108 | 5.58 108 | 8.76 108

Рис. 5. Вертикальні переміщення стінки, х104 мм: 1 - по нижній грані щілини;

2 – на рівні вершин швів; 3 – на відстані 3мм від рівня вершин швів

Рис. 6. Залежність коефіцієнта жорсткості зв’язку (2-х швів катетами kf=4мм)

у поперечному напрямку Е12 від ширини полиці bf при її товщині

tf=18мм та при різних значеннях розміру щілини з’єднання s

На рис. 6 у вигляді графіка представлені залежності коефіцієнта Е12 від ширини полиці bf та від розміру щілини s при товщині полиці tf=18мм для з’єднання зі швами катетом kf=4мм.

Дослідження автора показали, що для балок навантаження на їх верхні полиці на практиці локалізуються в області стінки, тому в розрахунках напружено-деформованого стану зварних балок із застосуванням розрахункових моделей складених стержнів значення коефіцієнтів жорсткості двобічних поясних кутових швів Е12 слід приймати за табл.1. В інших випадках необхідно ураховувати вплив конструктивних факторів відповідно до результатів досліджень, наведених в даному розділі.

У четвертому розділі теоретично визначено НДС експериментального зразка балки (рис. 9). При цьому, задачу вирішено двома шляхами: за допомогою теоретичних залежностей, отриманих у розділі 2 з урахуванням даних по коефіцієнтам жорсткості швів, отриманих у розділі 3 (розрахункову схему див. на рис. 11) ; шляхом побудови кінцево-елементної моделі експериментальної балки та її розрахунку за допомогою програмного комплексу SCAD. Головною метою побудови кінцево-елементної моделі експериментальної балки була: по-перше, необхідність теоретично перевірити експериментальну балку на її загальну стійкість та місцеві стійкості її стінки та стиснутої полиці; по-друге, провести порівняльний аналіз результатів теоретичних розрахунків НДС експериментальної балки, отриманих з використанням теорії складених стержнів та з використанням МКЕ. Теоретичні розрахунки загальної та місцевих стійкостей експериментальної балки показали, що у межах пружної роботи матеріалу конструкції стійкість балки буде забезпеченою.

Загальний вид експериментальної балки та її фрагмент представлені на рис. 7, 8.

Рис. 7. Загальний вид експериментальної Рис. 8. Фрагмент експериментальної

балки балки

Експериментальні значення компонентів НДС зварної двотаврової балки з перервними поясними швами виявилися досить близькими до відповідних теоретичних значень, що дозволило автору зробити висновок про достовірність теоретичних результатів, отриманих у розділах 2 і 3.

Рис. 9. Експериментальний зразок

Рис. 10. Розрахункова схема цільної балки Рис. 11. Розрахункова схема складеної балки

П'ятий розділ присвячено впровадженню теоретичних рішень в розрахунки сталевих зварних конструкцій по визначенню їх напружено-деформованого стану та їх з’єднань з урахуванням пружної податливості флангових зварних швів.

З використанням теоретичних залежностей, отриманих у розділі 2, розв’язано задачі про НДС зварної балки прольотом 12м з неперервними та перервними поясними швами (рис. 12). Виконано порівняльний аналіз відповідних компонентів НДС. Відмічено, що, окрім погонних поздовжніх та поперечних зусиль у поясних швах, інші компоненти НДС практично не відрізняються між собою за значеннями і характерами розподілу по довжині балки. Перехід від суцільних поясних швів до перервних суттєво змінює значення та характер розподілу поздовжніх та поперечних зусиль у швах. По кінцям перервних швів виникають концентрації цих зусиль, а їх значення зростають у 2-3 рази. У той же час ці значення залишаються у межах пружної роботи зварних швів.

Додаткове урахування пружної податливості флангових зварних швів у поперечному напрямку та отримання відповідних теоретичних залежностей у попередніх розділах дисертації дозволили теоретично розрахувати НДС стика двотаврової балки, виконаного за допомогою парних поясних накладок. При цьому, отримано розподіли по довжині стика внутрішніх зусиль у накладках, у флангових швах, у балці. Особливу цінність даної задачі складає можливість визначити місця концентрації зусиль і відповідних напружень, і тим самим більш точно, ніж за існуючою методикою розрахунку, оцінити несучу здатність цього, досить відповідального з’єднання.

Як підсумок, складено методику із розрахунку НДС зварних конструкцій, що можуть бути представленими у розрахункових схемах 2-х та 3-х шаровими складеними стержнями, з урахуванням пружної податливості флангових зварних швів як у поздовжньому, так і у поперечному напрямках.

Рис. 12. Конструкція та схема навантаження зварної балки з перервними поясними швами

Рис. 13. Правий кінець балки. Шви Kf=6мм: епюри T12 та S12, кН/м

ВИСНОВКИ

В результаті проведених у дисертації теоретичних та експериментальних досліджень отримано наступні основні наукові та практичні результати:

1. Побудовано теоретичні розв’язки задач про НДС 2-х та 3-х шарових складених стержнів з урахуванням пружно податливої роботи їх зв’язків не тільки у поздовжньому, а і у поперечному напрямках; тим самим створено теоретичну базу для розв’язання значного класу задач по визначенню НДС сталевих конструкцій, що можуть бути змодельовані 2-х та 3-х шаровими складеними стержнями з пружно податливими зв’язками, де граничні умови необхідно формулювати для кожного шару складеного стержня окремо.

2. Теоретично, за допомогою методу кінцевих елементів, визначено коефіцієнти жорсткості зварних кутових швів з катетами 4, 6 та 8мм при їх розтязі - стиску у поперечному напрямку у залежності від величин їх катетів та розмірів щілин між з’єднуваними елементами.

3. Проведено експериментальні дослідження по визначенню НДС зварної двотаврової балки з перервними поясними швами. При цьому, експериментальний зразок балки був попередньо розрахований та спроектований, що дозволило автору визначити характерні місця для експериментальних вимірювань компонентів її НДС. Теоретично задачу про НДС експериментальної балки вирішено двома шляхами: за допомогою залежностей, отриманих у розділах 2 і 3; шляхом побудови кінцево-елементної моделі експериментальної балки та її розрахунку на міцність і стійкість за допомогою програмного комплексу SCAD. Експериментальні результати компонентів НДС практично співпали з відповідними результатами теоретичних розрахунків, що тим самим підтвердило достовірність останніх.

4. Складено методику по урахуванню пружної податливості флангових зварних швів у роботі сталевих конструкцій, за допомогою якої практично можливо виконувати розрахунки НДС конкретних зварних конструкцій та їх з’єднань, розрахункові схеми яких можна представити 2-х та 3-х шаровими складеними стержнями, з урахуванням пружної податливості зварних швів.

5. Уперше за розробленою методикою теоретично розв’язано задачі про НДС реальної зварної балки прольотом 12м з неперервними та перервними поясними швами. Виконано порівняльний аналіз відповідних компонентів НДС. Відмічено, що, окрім погонних поздовжніх та поперечних зусиль у поясних швах, інші компоненти НДС практично не відрізняються між собою за значеннями і характерами розподілу по довжині балки. Перехід від суцільних поясних швів до перервних суттєво змінює значення та характер розподілу поздовжніх та поперечних зусиль у швах. По кінцям перервних швів виникають концентрації цих зусиль, а їх значення зростають у 2-3 рази. У той же час ці значення залишаються у межах пружної роботи зварних швів. І саме ця обставина дозволяє упевнено рекомендувати перехід зварних двотаврових балок на аналогічні конструкції, але з перервними поясними швами.

6. Уперше за розробленою методикою теоретично розв’язано задачу по розрахунку стика двотаврової балки, виконаного за допомогою парних поясних накладок. При цьому, отримано розподіли по довжині стика внутрішніх зусиль та відповідних деформацій у накладках, у флангових швах, у балці. Цінність даної задачі полягає у можливості визначати місця концентрації зусиль і відповідних напружень (особливо це важливим є по відношенню до зварних швів) і тим самим більш точно, ніж за існуючою методикою розрахунку, оцінити несучу здатність цього, досить відповідального з’єднання.

7. Установлено, що податливість зварних швів сама по собі є незначною, але суттєво впливає на напружено-деформований стан зварних конструкцій і тому при проектуванні останніх її обов’язково необхідно ураховувати.

8. Впровадження результатів дисертаційних досліджень в проектну практику дозволить більш надійно розраховувати сталеві зварні конструкції, а також проектувати зварні конструкції з перервними фланговими швами.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Перетятько Ю.Г., Кравченко С.А. Напряженно-деформированное состояние двухслойного составного стержня с упругими продольными и поперечными связями// Науковий вісник будівництва. Харків: ХДТУБА, 2003.- Вып. 23. –С. 87-91.

2. Перетятько Ю.Г., Кравченко С.А. Розрахунок зварних конструкцій з застосуванням математичних моделей складених стержнів//Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее: VIII Украинская научно-техническая конференция.-К.: Изд-во «Сталь», 2004. –Ч. 1.-С. 599-607.

3. Перетятько Ю.Г., Кравченко С.А. Напряженно-деформированное состояние трехслойных составных стержней с упругими продольными и поперечными связями// Науковий вісник будівництва. Харків: ХДТУБА, 2004.- Вип. 25. -С. 158-164.

4. Перетятько Ю.Г., Кравченко С.А., Агеенко С.Б., Рюмин В.В. Определение поперечной жесткости сварных швов в тавровых соединениях// Науковий вісник будівництва. Харків: ХДТУБА, 2005г.- Вип. 30., т.1.- С. 136-140.

5. Перетятько Ю.Г., Кравченко С.А., Рюмин В.В., Агеенко С.Б. Факторы, влияющие на напряженное состояние лобовых швов в соединениях стальных конструкций// Науковий вісник будівництва. Харків: ХДТУБА, 2005.-Вип. 30. т.2.- С. 105-119.

6. Перетятько Ю.Г., Кравченко С.А., Агеенко С.Б. Напряженно-деформированное состояние полки главной балки в зоне контакта с балками настила// Науковий вісник будівництва. Харків: ХДТУБА, 2005.- Вип. 31.- С. 299-304.

7. Перетятько Ю.Г., Кравченко С.А., Кравченко А.М.Напряженно-деформированное состояние сварных балок с прерывистыми поясными швами//Будівельні металеві конструкції: сьогодення та перспективи розвитку: V міжнародна науково-технічна конференція.-К.: Видавництво «Сталь», 2006.-С. 137-143.

8. Перетятько Ю.Г., Кравченко С.А. Проектирование экспериментального образца балки с прерывистыми швами // Науковий вісник будівництва. Харків: ХДТУБА, 2006.- Вип. 35.- С. 121-129.

9. Кравченко С.А. Экспериментальные исследования сварной балки с прерывистыми швами// Науковий вісник будівництва. Харків: ХДТУБА, 2006.- Вип. 35.- С. 129-134.

АНОТАЦІЯ

Кравченко С.О. Напружено-деформований стан сталевих конструкцій з пружними суцільними та перервними фланговими зварними швами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2008.

Дисертація присвячена визначенню напружено-деформованого стану сталевих зварних конструкцій та їх з’єднань з фланговими швами з урахуванням пружної податливості останніх. У ній отримано теоретичні розв’язки задач про НДС 2-х та 3-х шарових складених стержнів з урахуванням пружно податливої роботи їх зв’язків не тільки у поздовжньому, а і у поперечному напрямках. За допомогою методу кінцевих елементів, визначено значення жорсткостей зварних кутових швів при їх розтязі - стиску у поперечному напрямку у залежності від величин їх катетів, розмірів щілин між з’єднуваними елементами та розмірів самих елементів. Проведено експериментальні дослідження по визначенню НДС зварних двотаврових балок з перервними поясними швами, результати яких співставлені з відповідними результатами теоретичних розрахунків. Відмічено їх практичну близькість. Складено методику по урахуванню пружної податливості флангових зварних швів у роботі сталевих конструкцій, за допомогою якої практично можливо виконувати розрахунки НДС конкретних зварних конструкцій та їх з’єднань, розрахункові схеми яких можна представити 2-х та 3-х шаровими складеними стержнями. Розв’язано задачі про НДС реальної зварної балки прольотом 12м з неперервними та перервними поясними швами. Виконано порівняльний аналіз відповідних компонентів НДС. Розв’язано задачу по розрахунку стика двотаврової балки, виконаного за допомогою парних поясних накладок.

Ключові слова: сталеві зварні конструкції; флангові шви; складені стержні; податливість зварних швів; коефіцієнти жорсткості зварних швів, напружено-деформований стан.

АННОТАЦИЯ

Кравченко С.О. Напряженно-деформированное состояние стальных конструкций с упругими сплошными и прерывистыми фланговыми сварными швами. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2008.

Диссертация посвящена определению напряженно-деформированного состояния стальных сварных конструкций с учетом упругой податливости фланговых швов как в продольном, так и в поперечном направлениях.

В первом разделе выполнен анализ состояния проблемы и определены задачи данной диссертационной работы.

Второй раздел посвящен построению теоретических решений задач о НДС 2-х и 3-х слойных составных стержней с упруго податливыми продольными и поперечными связями. Эти решения включают в себя: составление дифференциальных и алгебраических уравнений, которые описывают НДС и условия взаимодействия отдельных слоев составных стержней; формирование разрешающих систем дифференциальных уравнений задач в обычных производных, приведенных к нормальному виду; масштабирование этих систем с целью повышения устойчивости искомого результата; построение алгоритмов численного интегрирования разрешающих систем численным методом начальных параметров в сочетании с процедурой ортогонализации по С.К. Годунову.

В третьем разделе с помощью метода конечных элементов путем решения задач о напряженно-деформированном состоянии тавровых соединений теоретически получены значения коэффициентов жесткости угловых швов с катетами 4, 6 и 8мм. Изучено влияние на значения этих коэффициентов таких конструктивных факторов, как размеры соединяемых элементов; размер щели между соединяемыми элементами; значения катетов швов.

В четвертом разделе теоретически рассчитан и спроектирован экспериментальный образец сварной двутавровой балки с прерывистыми поясными швами. Экспериментальные значения компонентов НДС оказались довольно близкими к соответствующим теоретическим значениям, что позволило автору сделать вывод о достоверности теоретических результатов, полученных в разделах 2 и 3.

Пятый раздел посвящен внедрению теоретических решений в расчеты стальных сварных конструкций по определению их НДС и их соединений с учетом упругой податливости фланговых сварных швов. Решена задача о НДС реальной сварной балки пролетом 12м с непрерывными и прерывистыми поясными швами. Выполнен сравнительный анализ соответствующих компонентов НДС.

Рассчитан стык двутавровой балки, который выполнен с помощью парных поясных накладок. Получены по длине стыка распределения внутренних усилий в накладках, в фланговых швах, в балке. Составлена методика расчета НДС сварных конструкций, которые могут быть представлены в расчетных схемах 2-х и 3-х слойными составными стержнями, с учетом упругой податливости их фланговых сварных швов как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Ключевые слова: стальные сварные конструкции; фланговые швы; составные стержни; податливость сварных швов; коэффициенты жесткости сварных швов, напряженно-деформированное состояние.

SUMMARY

Kravchenko S.O. Deflected mode of steel constructions with solid and discrete elastic fillet welds.

Thesis for the degree of Candidate of Technical Science on specialty 05.23.01 - Structural Units Buildings and Constructions. – The Kharkiv State Technical University of Civil Engineering and Architecture, Kharkiv, 2008.

This thesis devoted to determination of deflected mode of welded steel constructions and their joints with fillet welds while their elastic ductility was taking into account.

Problems of deflected mode of 2-shell and 3-shell compound rods considering their elastic ductility not only in longitudinal but also in transversal direction has been solved.

With help of finish element method stiffness value of fillet welds during tension – compression in transversal direction has been determined while considering leg of fillet welds, gap between welded parts, finish elements size.

In order to determine deflected mode of I-shape welded girders with discrete flange welds experimental investigations has been carried out. Results of those investigations coincide with theoretical researches.

A principle for considering elastic ductility of fillet welds in welded steel constructions has been adopted. With help of this principle calculation of deflected mode of specific welded steel constructions and their joints could be done when their design model described by 2-shell or 3-shell compound rod.

Problem about deflected mode of 12 m span welded girder with solid and discrete flange welds has been solved. Comparative analysis of deflected mode components has been done. Calculating a junction of I-shape girder with double flange plates has been done.

Key words: welded steel constructions, fillet welds, compound rods, welds ductility, welds stiffness factor, deflected mode.

Підписано до друку _______2008 р. Формат 6090/16.

Папір для лазерних принтерів.

Замовлення № _____. Тираж 100 прим.

Видруковано з авторського оригіналу

у поліграфічному відділі

Харківського державного технічного університету

будівництва і архітектури

61002, Україна, м. Харків, вул. Сумська, 40