Войти  |  Регистрация
Авторизация
» » Основные задачи расчета элементов рамных конструкций переменного сечения

Основные задачи расчета элементов рамных конструкций переменного сечения


Несмотря на конструктивную простоту рамных конструкций переменного сечения, их расчет достаточно сложен.
Во-первых, это связано со статической неопределимостью рам и влиянием характеристик сечений элементов на величину внутренних усилий (изгибающих моментов, продольных и поперечных сил), что создает определенные трудности при статических расчетах и подборе сечений.
Во-вторых, в действующих нормах отсутствуют рекомендации по проектированию элементов переменного сечения, учитывающие специфические особенности их конструктивных решений и работы под нагрузкой. Например, в нормах содержатся только относительно простые схемы, например, прямоугольные равномерно нагруженные отсеки стенки при расчете их устойчивости; сжатые или сжато-изогнутые стержни постоянного сечения и т. д. Использование «напрямую» действующих нормативных рекомендаций, ориентированных на такие простые конструкции, в большинстве случаев приводит к излишним затратам металла и снижает эффективность рамных конструкций переменного сечения.
В-третьих, наличие тонкостенных высоконапряженных элементов самих рамных конструкций и других элементов каркаса (прогонов, стоек фахверка и т.д.), выводит на первое место по значимости такие факторы, как устойчивость по плоской и изгибно-крутильной формам; работу элементов рам в закритической стадии; повышенную деформатив-ность рамных конструкций в целом и др.
В-четвертых, учитывая, что многие элементы каркаса работают на пределе несущей способности (в соответствии с работой, запасы не должны превышать 5 %) и не имеют больших резервов, например, за счет пластической стадии работы, особое значение имеет правильный выбор расчетных схем и методик, позволяющих надежно рассчитывать конструкции минимальной массы.
Ниже будут представлены основные задачи расчета двутавровых элементов, которые возникают (из практики автора) при проектировании каркасов с рамными конструкциями переменного сечения.
Двутавровые элементы, образующие рамные конструкции, испытывают сложное нагружение. Если выделить из рамы один элемент, то усилия, действующие в нем, можно разделить на следующие группы:
Группа 1. Глобальные усилия, возникающие в элементе при воздействии внешних нагрузок и определяемые статическим или динамическим расчетом рамы или всего каркаса как единого целого (рис. 1 а):
1. Изгибающие моменты Mx и My, действующие в плоскости и из плоскости стенки двутавра и крутящий момент Мz;
2. Продольная растягивающая или сжимающая сила N, действующая вдоль оси элемента;
3. Поперечные силы Qx и Qy, действующие в плоскости и из плоскости элемента;
4. Бимоменты Bω, возникающие при стесненном кручении элементов рам.
Основные задачи расчета элементов рамных конструкций переменного сечения

Группа 2. Локальные усилия и нагрузки, действующие на участках большой протяженности, сопоставимой с длиной элемента (рис. 1 б):
1. Продольные силы Nf1 и Nf2, передающиеся на отдельные пояса элемента от примыкающих связей (включая усилия предварительного натяжения связей) и других элементов каркаса;
2. Изгибающие моменты Mf1 и Mf2, действующие в плоскости стенки элемента и вызываемые действием локальных продольных сил Nf1 и Nf2;
3. Изгибающие моменты Mfy1 и Mfv2, действующие в плоскости полок элемента.
Группа 3. Локальные усилия и нагрузки, действующие на участках ограниченной протяженности (рис. 1 в):
1. Локальные нагрузки Floc1 и Floc2, действующие на стенку элемента в ее плоскости (от подвесных кранов, прогонов, связей и др.);
2. Локальные поперечные силы Qloc1, Qloc2 и изгибающие моменты Mlocl и Mloc2, действующие в плоскости поясов и возникающие вследствие расцентровки примыкающий связей, распорок и т. д.;
3. Локальные крутящие моменты Mzloc1 и Mzloc2 Действующие вокруг продольной оси поясов и возникающие от продольных сил в прогонах, распорках, подвесок кранов и т.д., прикрепленных к этим поясам;
4. Локальные нагрузки Fwlocx, Fwlocy и Fwlocz, действующие на стенку из ее плоскости, например, при прикреплении к ней гибких связей или передаче нагрузок через короткие ребра.
Основные задачи расчета элементов рамных конструкций переменного сечения

Группа 4. Специфические усилия, обусловленные особенностями рамных конструкций переменного сечения:
1. Локальные изгибающие моменты Mwx в плоскости стенки, возникающие при сопряжении моносимметричных двутавров с различной толщиной полок (рис. 2 а);
2. Локальные изгибающие моменты, действующие в местах сопряжения полок различной толщины (рис. 2 б);
3. Локальные изгибающие моменты и перерезывающие силы, действующие в местах перелома оси элемента (рис. 2 в);
4. Локальные усилия, действующие вблизи узлов сопряжения элементов рам (рис. 2 г, д) и др.
Остаточные сварочные напряжения и деформации, характерные для всех сварных конструкций, здесь рассматриваться не будут.
В зависимости от стадии работы стенки элемента — докритической или закритической, в расчете учитывается полное сечение стенки или редуцированное, за вычетом некоторой части стенки, потерявшей устойчивость (рис. 3 б, в).
Основные задачи расчета элементов рамных конструкций переменного сечения

При проверке прочности, следует учитывать, что характер распределения и величина нормальных и касательных напряжений в двутаврах переменной высоты отличается от распределения напряжений в двутаврах с параллельными полками. Это обусловлено, во-первых, тем, что часть поперечной силы воспринимается наклонными поясами, в результате чего стенка несколько разгружается, а пояса догружаются. Во-вторых, из-за наклона поясов в них увеличиваются усилия от изгибающего момента. При больших углах это необходимо учитывать, используя известные формулы, например, формулы X. Бая. Для элементов с суммарным наклоном поясов до 10°, переменность сечения незначительно влияет на величину нормальных и касательных напряжений и может не учитываться.
Общая устойчивость элементов рамы по изгибной и изгибно-крутильной формам проверяется с учетом нагрузок и усилий, входящих в группы 1 и 2. В настоящее время пока не существует достаточно точных и, в то же время, простых инженерных методик проверки на устойчивость таких рам как единой системы. Поэтому в расчетах обычно используются предпосылки об относительно независимой работе отдельных элементов рам, расчетные модели которых составляются с учетом условий нагружения и закрепления рассматриваемого элемента, а также влияния примыкающих к нему других элементов рамы (рис. 4 а). В ряде случаев, приближенно учитывается изменение усилий по длине элемента путем назначения соответствующего коэффициента расчетной длины сжатого пояса. Вышесказанное относиться к элементам рам, имеющим прямую ось. Для элементов с ломанной осью (рис. 4 б), как показывают численные расчеты, критические нагрузки могут иметь значительно меньшие значения. Для предотвращения потери устойчивости таких элементов, их следует раскреплять в месте перелома сечения.
Основные задачи расчета элементов рамных конструкций переменного сечения

Следует отметить, что потеря устойчивости рамных конструкций переменного сечения по изгибно-крутильной форме является одним из наиболее опасных, если не самым опасным фактором, определяющим несущую способность тонкостенных рам.
Помимо проверки устойчивости рам и их элементов по изгибно-крутильной форме, следует выполнять проверки устойчивости рам как единых систем в своей плоскости. Наиболее опасной обычно является кососимметричная форма потери устойчивости.
Проверка местной устойчивости стенки и полок элемента рамы производится с учетом нагрузок 1+4 групп.
Устойчивость поясов рам проверяется в соответствии с нормами как для изгибаемых или сжато-изгибаемых элементов, или согласно разделу 2.9 настоящей работы.
Проверку устойчивости стенки, в общем случае, следует проводить с учетом переменности высоты стенки и асимметрии двутаврового сечения (рис. 5). При этом расчетную высоту стенки допускается определять как расстояние от сжатой полки двутавра до нейтральной оси элемента, что позволяет косвенно учесть наличие продольной силы в элементе и асимметрию его сечения.
Известно, что одним из путей снижения расхода стали для двутавровых элементов является уменьшение толщины их стенок. Поэтому, особый интерес представляют вопросы расчета тонкостенных элементов рамных конструкций с учетом закритической работы стенки. Эти вопросы можно разделить на две основные группы:
1. Расчеты отдельных тонкостенных элементов рамных конструкций, в общем случае моносимметричного сечения, с учетом совместного действия изгибающих моментов, поперечных и продольных сил, а также локальных нагрузок (нагрузки и усилия 1+4 групп);
2. Расчеты рамных конструкций на прочность, устойчивость и деформативность как единых статически неопределимых систем, состоящих из элементов, работающих в докритической или закритической стадиях.
Основные задачи расчета элементов рамных конструкций переменного сечения

В действующих нормах по проектированию стальных конструкций содержатся рекомендации по проектированию только статически определимых тонкостенных балок симметричного сечения, нагруженных изгибающим моментом и поперечной силой. Для внецентренно-сжатых элементов в нормах также приводятся рекомендации, учитывающие выключение части стенки, потерявшей устойчивость. Сам элемент при этом рассчитывается как внецентренно-сжатый с редуцированной стенкой.
Тонкостенные элементы рам занимают некоторое промежуточное положение между изгибаемыми и внецентренно-сжатыми элементами, и поэтому перечисленные выше рекомендации норм не могут быть однозначно применены к их расчету. Очевидно, для расчета тонкостенных элементов рамных конструкций следует применять какие-то специальные методики, учитывающие характерные конструктивные особенности самих элементов и их напряженное состояние.
В действующих нормах по проектированию стальных строительных конструкций не содержится рекомендаций по проверке прочности, общей и местной устойчивости элементов переменного сечения, а также их расчета на действие некоторых локальных (группа 3) и специфических усилий (группа 4). Сюда можно отнести расчет двутавровых элементов при действии нагрузок, перпендикулярных плоскости стенки; при наличии локальных изгибающих моментов в зоне сопряжения моносимметричных двутавров или двутавров с ломаной осью, а также расчеты сечений вблизи узлов сопряжения отдельных отправочных элементов. В основном это связано со следующими причинами:
— широкое применение рамных конструкций переменного сечения является относительно новым в отечественной практике, а нормы ориентированы на более традиционные конструкции;
— в нормах проводится жесткое разделение всех конструкций на изгибаемые, центрально сжатые и сжато-изогнутые, особенно в части проверки общей и местной устойчивости. Это не всегда позволяет напрямую применять рекомендации норм к расчету элементов рамных конструкций, занимающих промежуточное положение между изгибаемыми и сжато-изогнутыми элементами. Более общий подход к расчету таких элементов содержится в нормах расчета мостовых конструкций.
Учитывая вышесказанное, ниже будут приведены некоторые приближенные методы, позволяющие рассчитывать элементы рамных конструкций на прочность, местную и общую устойчивость. Очевидно, учитывая высокую эффективность и перспективность рамных конструкций переменного сечения, в будущем следует разработать специальные рекомендации по их расчету и проектированию.
Добавлено Serxio 6-02-2016, 04:59 Просмотров: 1 540
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent