Ребра для обеспечения устойчивости стенок рам
|
В соответствии с нормами, поперечные ребра для обеспечения устойчивости стенки двутавров устанавливаются на расстоянии 2-2,5 его высоты. Так как при потере устойчивости сжатой пластины волны, выпучивания имеют размер приблизительно равный ее ширине, эти ребра не оказывают практического влияния на повышение критических нормальных напряжений. Поэтому, основной функций поперечных ребер является повышение устойчивости стенки при действии касательных напряжений. Впервые задача устойчивости пластинок при наличии продольных или поперечных ребер была решена Тимошенко С.П. для случаев подкрепления пластинки одним или двумя ребрами. Впоследствии этой задачей занимались и другие исследователи.  В зависимости от сечений ребер, они могут изгибаться вместе со стенкой или оставаться прямыми. В первом случае, устойчивость пластины повышается за счет энергии изгиба ребра. Во втором случае, ребро делит пластинку на меньшие отсеки, потеря устойчивости которых происходит независимо друг от друга. В обоих случаях считается, что ребро опирается на пояса балки (рис. 3 а,б). Согласно нормам, основанных, главным образом, на работах С.П. Тимошенко и Б.М. Броуде, размеры поперечных ребер назначаются как для недеформируемых конструкций, разделяющих стенку на независимо работающие отсеки:  Применение ребер, устанавливаемых на всю высоту двутавра, не всегда удобно для рамных конструкций у которых высота сечения меняется по длине элемента, а следовательно должна меняться и длина ребер в зависимости от места их установки. Из-за погрешностей изготовления двутавров (отклонения по высоте стенки, грибовидность или перекос полок и т.д. (рис. 4 а , б, в)), а также самих ребер (отклонения по длине), часто возникают проблемы с размещением ребер при сборке элементов рамы. Так например, для двутавра с углом наклона поясов 5° при ширине полки 300 мм, из-за сварочных деформаций расстояние между кромками противоположных полок может изменяться на ±6 мм (рис. 4 г). Это, в свою очередь, приводит к тому, что при плотной установке даже точно изготовленного ребра, отклонение его местоположения установки по длине элемента составит ±70 мм (рис. 4 д). При ограниченном объеме производства или номенклатуре рамных конструкций переменного сечения, в таких ситуациях прибегают к индивидуальному изготовлению или подгонке ребер, что совершенно неприемлемо при производстве большого количества разнообразных зданий.  Одним из универсальных решений может быть применение укороченных ребер жесткости, привариваемых к стенке и к одной полке сечения (см. рис. 2 в, г). Аналогичные ребра применяются в подкрановых балках, для предотвращения концентрации напряжений и повреждений растянутого пояса сваркой. Укороченные ребра применяются только в элементах, стенки которых работают в докритической стадии. В тонкостенных элементах с закритической работой стенки, поперечные ребра выполняют функции несущих конструкций, передающих усилия с растянутой диагонали стенки (рис. 1 б) и поэтому, до получения теоретических и экспериментальных данных, здесь должны применяться ребра, установленные по всей высоте сечения. Так как укороченные ребра прикрепляются только к одной полке, при потере устойчивости стенки они будут поворачиваться в сторону выпучивания стенки, что приводит к снижению критических касательных напряжений (рис. 5 а). Аналогично работают и ребра, приваренные только к стенке (рис. 5 б). В обоих случаях ребро как бы «плавает» на стенке и, пересекая волны выпучивания, повышает ее устойчивость.  По мере уменьшения длины ребра, его поддерживающее влияние также уменьшается и, при какой-то определенной длине, стенка теряет устойчивость как неподкрепленная пластинка. Для оценки устойчивости стенки с укороченными ребрами, рассмотрим прямоугольную шарнирно-опертую пластинку, с соотношением сторон 2:1, загруженную касательными усилиями и подкрепленную в середине поперечным ребром (рис. 5 в). Величину критических касательных напряжений, соответствующих случаю неподкрепленной пластины и случаю полного подкрепления пластины ребром, найдем в соответствии с нормами:   Как видно, для рассматриваемой пластины с ребром, критические напряжения в 1,479 раз выше, чем для неподкрепленной. При подкреплении пластины укороченным ребром, критические напряжения будут иметь какое-то промежуточное значение  Исследование устойчивости пластины, подкрепленной укороченным ребром, проводилось методом конечных элементов (рис. 5 д). Защемление ребра полкой двутавра не учитывалось вследствие ее малой крутильной жесткости. На рис. 5 е представлен график изменения коэффициента ks, в зависимости от соотношения длины ребра hs и высоты стенки hw. Как видно из графика, при hs/hw = 0,9-0,95, устойчивость стенки практически не снижается. При hs/hw = 0,6-0,8 снижение критических касательных напряжений составило около 5—7 %, что, при необходимости, можно учесть специальными поправочными коэффициентами. Резкое снижение критических касательных напряжений наблюдается при hs /hw= 0,5-0,6, а при длине ребра, меньше половины высоты стенки, оно уже не влияет на устойчивость стенки и в расчет следует вводить полную длину отсека. Таким образом, можно сделать вывод, что укороченные ребра с длиной 0,9-0,95 от высоты стенки, полностью адекватны по работе обычным ребрам, прикрепляемым к обеим полкам двутавра. Очевидно, эти рекомендации можно распространить и на отсеки стенки с другими соотношениями сторон. В тех случаях, когда сжатый пояс рамы раскрепляется диагональными подкосами, укороченные ребра крепятся к раскрепляемому поясу (рис. 2 е). Стенка, на которую опираются прогоны, должна быть проверена на прочность от совместного действия нормальных и локальных напряжений. Так как локальная нагрузка от прогонов передается на растянутую зону стенки, то в большинстве случаев проверка ее местной устойчивости не требуется. Другим универсальным решением может быть применение парных укороченных ребер, размещаемых с обеих сторон стенки со взаимным смещением (рис. 2 ж). При перехлесте ребер более чем на половину высоты сечения двутавра, их поперечные размеры назначаются как для стандартных двусторонних ребер, при меньшем — как для односторонних. Перехлест ребер назначается не менее их ширины bh. |
