Известия высших учебных заведений. Строительство 10-2011

УДК 624.072.2:624.014

А. В. Коротких, А.А. Гербер, И. И. Крылов

Особенности работы фермы с перекрестной решеткой из тонкостенных оцинкованных профилей

Приводятся результаты экспериментального исследования особенностей работы фермы с перекрестной решеткой из тонкостенных оцинкованных профилей на сдвигоустойчивых болтовых соединениях.

Ключевые слова: ферма с перекрестной решеткой, тонкостенные оцинкованные профили, болтовые сдвигоустойчивые соединения.

В настоящей статье приводятся результаты экспериментального исследования особенностей работы фермы с поясами составного таврового сечения и перекрестной решеткой из одиночных С-образных тонкостенных оцинкованных профилей (ТОП) на сдвигоустойчивых соединениях. Статья является продолжением публикации результатов исследований представленных в [1]. Полученные результаты свидетельствуют о более высокой несущей способности сдвигоустойчивых болтовых соединений ТОП по сравнению с соединениями, работающими на смятие (срез). Одним из перспективных направлений их использования являются стропильные фермы на основе ТОП.

Для экспериментального исследования была принята ферма с параллельными поясами составного таврового сечения и перекрестной решеткой из одиночных ТОП. Достоинствами принятой конфигурации фермы являются возможность доставки в компактном виде и простота сборки на строительной площадке. Это достигается за счет предварительного выполнения перекрестной решетки в виде "механизма", собранного на болтах (рис.1а). На строительной площадке он легко растягивается до нужной длины и фиксируется в заранее подготовленные вспомогательные отверстия О.1 и О.2 поясов фермы (рис.1б). После этого устанавливается проектное количество болтов в каждый узел решетки фермы.

а) решетка фермы пролетом 9м в собранном виде; б) схема сборка фермы.

Рис.1.Схема фермы с перекрестной решеткой

На сегодняшний день известны результаты исследований конструкций ферм с поясами из прокатных тавров и перекрестной решеткой из одиночных уголков (толщина проката t≥4мм). Исследованиями особенностей работы таких ферм занимались В.А Балдин, В.И. Трофимов, В.В. Бирюлев, В.В. Волков, В.В. Берцин, В.Н. Васылаев, И.Ф. Баранцев и др. К особенностям работы таких ферм можно отнести возникновение в элементах решетки, помимо продольных усилий, изгибающих моментов из плоскости фермы, вызванных эксцентриситетом их крепления к поясам¹. При этом, за счет пересечения раскосов решетки расчетная длина сжатых может быть уменьшена в 2 раза в плоскости и из плоскости фермы [2,5]. При использовании в решетке фермы С-образных ТОП, соединенных с поясами через стенку, особенно актуально уменьшение расчетной длины сжатых раскосов из плоскости фермы, за счет применения перекрестной решетки.

Существующие методики расчета ферм с поясами из тавров и перекрестной решеткой из одиночных профилей, представленные в нормах [2,3], а так же в [4], разработаны для горячекатаных профилей. Настоящее исследование ставит целью изучение особенностей работы фермы из ТОП с перекрестной решеткой на предварительно напряженных болтовых соединениях.

Задачи исследования:

1. Экспериментально изучить особенности НДС элементов и узловых соединений фермы и переход фермы в предельное состояние.
2. Изучить особенности работы сдвигоустойчивых соединений ТОП в составе фермы.
3. Уточнить расчетную схему фермы и ее элементов из ТОП на сдвигоустойчивых соединениях.
4. Разработать пути совершенствования конструкции фермы.

Для решения поставленных задач была запроектирована и изготовлена крупномасштабная модель фермы с перекрестной решеткой из одиночных С-образных профилей пролетом L=3700мм, высотой по осям h=735мм (1/5∙L) (рис.2). Генеральные размеры (пролет и высота) модели диктовались расстоянием между гранями верхнего и нижнего пояса в свету и размерами силовой рамы для испытания (рис.2). Все сечения несущих элементов модели выполнялись из ТОП по ТУ 1120-001-51725800-2005. Узловые фасонки из стали t=4мм по ГОСТ 19904-90 подвергались цинкованию. Проектная марка стали элементов фермы соответствовала – С285 (принята на основании фактических характеристик стали приведенных ниже).

Составные сечения верхнего и нижнего поясов фермы собирались на самонарезающих шурупах. Количество шурупов для крепления полки сечения (С100х1,5) в каждой панели определялось на расчетное усилие сдвига.

1-экспериментальная ферма; 2-рспределительная траверса, 3-гидравлический домкрат, 4-силовая рама; 5- прогибомеры; 6-индикаторы часового типа; 7-динамометр; 8- рама для раскрепления. Рф1...Рф4 - места раскрепления фермы; Рт1, Рт2-места раскрепления траверсы.

Рис.2. Общий вид экспериментальной фермы в силовой раме

Узловые соединения элементов экспериментальной фермы выполнены сдвигоустойчивыми на болтах М10 по ГОСТ 7805-70 кл. прочности 5.6, шайбы по ГОСТ 9649-78 и гайки по ГОСТ 5915-7.

Класс прочности болтов принят по σ_в=453,7 МПа, полученного по результатам испытаний 5-и образцов на растягивающее усилие. В узлах пересечения раскосов между собой натяжение болтов проектом не предусматривалось. Расстановка болтов в соединениях осуществлялась с соблюдением требований норм [2]. В каждом болтопакете принято по одной шайбе под головкой болта и гайкой. Нагрузка на экспериментальную ферму принята сосредоточенной, приложенной симметрично в двух узлах верхнего пояса через траверсу. Опирание фермы шарнирное. Верхний пояс фермы раскреплялся от потери устойчивости из плоскости в четырех точках (рис.2), с обеспечением свободы вертикальных перемещений.

Статический расчет экспериментальной фермы производился с использованием программного комплекса SCAD Office и методик расчета действующих норм [2,3]. Для уточнения расчетной схемы фермы было рассмотрено три варианта. Первая расчетная схема принята плоской с жестким креплением элементов решетки к поясам фермы, при количестве болтов 2 и более, согласно [3]. Вторая расчетная схема принята плоской с шарнирным сопряжением элементов решетки с поясами фермы. Третья (уточненная) расчетная схема принята пространственной с введением специальных узловых элементов - "жесткие вставки", позволяющих имитировать эксцентриситет передачи нагрузки на раскосы решетки из плоскости фермы. Крепление элементов решетки к поясам фермы - жесткое. Результаты расчета фермы по принятым расчетным схема по характерным критериям представлены в таблице 1. Расчетная длина сжатых и растянутых раскосов в плоскости и из плоскости фермы на основании [2] принята 0,5 от их геометрической длинны. Расчет сдвигоустойчивых соединений и определение количества болтов в узлах фермы производилось по [2] с учетом рекомендуемого коэффициента γ_c=0,85, установленного в [1]. Расчет сжатого опорного раскоса производился как элемента, подверженного сжатию с изгибом по нормам [2]. Расчет опорного растянутого раскоса производился по рекомендациям [3,4]. В расчете раскосов учтено, что усилия, передающиеся на раскосы, приложены с эксцентриситетом в точке с нулевой секториальной координатой сечения. Таким образом, в элементах решетки не возникает дополнительной внутренней пары моментов (бимоментов). В них возникают усилия только от сопротивления сжатию с изгибом в плоскости наименьшей жесткости Количество болтов в опорных узлах сжатых опорных раскосов определялось расчетом по [2] на усилие N_СЖАТ=44,1кН (табл.1). В опорных узлах остальных раскосов решетки количество болтов определялось на усилия при нагрузке на ферму P_ФТ1=86,1 кН. В расчете использовалось значение ранее установленного коэффициента трения μ=0,55 [1] и усилие продольного натяжения болтоконтактов N_нат=19,6 кН определенное по [2], на основании фактических механических характеристик стали болтов. В соответствии с таблицей 1 за минимальное значение расчетной несущей способности фермы принят критерий потери местной устойчивости опорного сжатого раскоса (P_ПУ,ФТ1 =61,5 кН).

Минимальные значения предела текучести и временного сопротивления элементов ТОП соответственно равны σ_т=286,9 МПа, σ_в=354,1 МПа.

Таблица 1

Усилия в элементах фермы

Примечания -.В знаменателе табличных данных приведен испытательный коэффициент равный K^эксп=N^расч/N^эксп..

При сборке экспериментальной фермы оцинкованные болтопакеты (болты, шайбы, гайки) и соприкасающиеся поверхности в узловых соединениях подвергались очистке и обезжириванию. Натяжение установленных в проектное положение болтопакетов сдвигоустойчивых соединений производилось протарированным ключом (Force 6474470). Для регистрации общих вертикальных перемещений (прогибов), на ферму устанавливались два прогибомера (точность 0,1мм) в пролете и по одному индикатору часового типа на опорах (рис.2). Для регистрации НДС элементов решетки и узловых соединений они снабжались тензорезисторами фольгового типа (база 2мм) и проволочного типа (база 6мм) (рис.2). Тензорезисторы были подключены к тензометрической системе СибНИА ММТС-64.01. Перед испытанием фермы выполнялось предварительное нагружение до P=9,8 кН (0,16 P_ПУ,ФТ1 ) с последующим разгружением.

P_упр- нагрузка соответствующая пределу упругой работы фермы; P_ПУ1 ,P_ПУ2- нагрузка соответствующая потери устойчивости стенки первого и второго опорных раскосов соответственно; P_КР- нагрузка достижения предельного состояния по критерию недопустимых крутильных деформаций; 1-теоретический график зависимости вертикальных прогибов от нагрузки по первой расчетной схеме; 2- теоретический график зависимости вертикальных прогибов от нагрузки по второй расчетной схеме.

Рис.3. Диаграмма работы модели фермы на I и II этапах эксперимента

Испытание экспериментальной фермы проводилось при пошаговым приложении нагрузки: шаг 4,9 кН до нагрузки P=58,8 кН (0,96 P_ПУ,ФТ1) с последующим уменьшением до 2,3 кН. На каждом шаге производилась выдержка до стабилизации деформаций, регистрация показаний приборов и тензорезисторов. При суммарной нагрузке на ферму P_Э,ПУ1=62,2 кН (1,01P_ПУ,ФТ1) была зарегистрирована потеря местной устойчивости стенки сжатого опорного раскоса ОР1 (ПУ1, рис.2). При дальнейшей выдержке под нагрузкой была зарегистрирована потеря общей устойчивости опорного сжатого раскоса ОР1. Как следствие, произошло перераспределение усилий между опорным сжатым ОР1 и опорным растянутым ОР3 раскосами. С увеличением нагрузки до P=70,2 кН (1,14P_ПУ,ФТ1) была зарегистрирована потеря местной устойчивости стенки второго сжатого опорного раскоса фермы ОР2 (ПУ2, рис.2). При визуальном осмотре был установлен сдвиг (срыв) в узле крепления растянутого опорного раскоса к верхнему поясу фермы над опорой ОП1, что соответствует 0,82P_СД,ФТ1. Явление раннего (до расчетного) сдвига вызвано перераспределением усилий между опорным раскосами ОР1 и ОР3.

Для выявления возможных резервов несущей способности фермы, была произведена разгрузка фермы, в опорные узлы растянутых опорных раскосов установлены и натянуты по 2 болтоконтакта и произведен второй этап эксперимента. На втором этапе эксперимента производилось повторение шагов 1 этапа. При достижении нагрузки на ферму P=74,9 кН (1,21P_ПУ,ФТ1) установлены значительные деформации кручения верхнего пояса фермы над опорой ОП1, не позволявшие дальнейшего увеличения нагрузки на ферму (рис.2, Д1). Значительные деформации кручения вызваны эксцентричной передачей усилия к верхнему поясу фермы от опорного растянутого раскоса ОР3 после потери общей устойчивости раскоса ОР1.

По результатам испытаний этапов 1 и 2 построены график вертикальных перемещений (рис.3) и эпюры напряжений по сечениям элементов фермы (табл.1).По графикам работы фермы на 1 и 2 этапах были выделены следующие характерные стадии работы:

I Этап:

1. Стадия - упругая (линейная) работа модели фермы. Характеризуется малыми вертикальными перемещениями, примерно (9/10000)·L или (0...3,2 мм), при допускаемых нормами для конструкции () или (14,8 мм), где L-пролет модели фермы. За окончание упругой работы принято значение нагрузки P_упр=57,6 кН (рис.3), соответствующее точке касания графика с линией, имеющей угол наклона α=arctan(P/2f) ¹.
2. Стадия - неупругая (нелинейная) работа модели фермы. характеризуется:
   • увеличением скорости роста деформаций при малых приращениях нагрузки;
   • потерей местной и общей устойчивости первого сжатого опорного раскоса при нагрузке P_ПУ1=62,19 кН (усилие в раскосе N=33,75 кН).
   • появлением деформаций кручения верхнего пояса фермы над опорой ОП1 (рис.2);
   • потерей устойчивости стенки второго сжатого опорного раскоса фермы при нагрузке P_ПУ2=70,19 кН (рис.2,ПУ2);
   • регистрацией сдвига в узле крепления опорного растянутого раскоса к верхнему поясу фермы при нагрузке P=70,19 кН.

Вертикальные перемещения при окончании второй стадии работы составили примерно (21/10000)·L, или (7,9мм).

Экспериментальные значения потери местной и общей устойчивости опорного сжатого раскоса практически соответствуют расчетным. Погрешность расчетов для усилия в раскосе N_ПУ до 7% и для нагрузки на ферму по второй схеме P_ФТ2 до 9%. При расчете фермы на экспериментальное усилие N_ПУ1,Э=33,75 кН, нагрузка на ферму P_ФТ2=61,11 кН, по второй расчетной схеме (табл.1,п.3), соответствует экспериментальной с погрешностью до 2%. Это подтверждает, что вторая расчетная схема является наиболее корректной из рассмотренных. На данной стадии завершался первый этап эксперимента.

Переходя ко второму этапу эксперимента следует отметить, что опорные раскосы фермы ОР1 и ОР2 уже претерпели локальные пластические деформации, в результате потери общей и местной устойчивости соответственно. Второй этап проводился только для выявления резервов несущей способности конструкции фермы, т.е. возможных запасов при второй схеме работы, когда основным опорным раскосом становится растянутый. Потеря общей устойчивости сжатого раскоса ОР1 предполагает, что он практически не участвует в работе фермы, а нагрузка на опору ОП1 передается за счет растянутого ОР3. Для исключения дальнейших сдвигов в опорных узлах растянутых раскосов, они были усилены установкой дополнительных болтов.

II Этап:

1. Стадия - упругая (линейная) работа экспериментальной фермы. Характеризуется малыми вертикальными перемещениями примерно (8/10000)·L или (2,8 мм), при допускаемых нормами для конструкции () или (14,8 мм). Окончание упругой работы конструкции при нагрузке P=70,19 кН.
2. Стадия - неупругая (нелинейная) работа экспериментальной фермы. Характеризуется:
   • увеличением скорости роста деформаций при малых приращениях нагрузки;
   • при нагрузке P=73,37 кН наблюдается начало деформаций кручения верхнего пояса фермы над второй опорой ОП2;
   • при нагрузке P_КР=74,97 кН установлены значительные деформаций кручения верхнего пояса фермы (до 45⁰) над опорой ОП1, не позволяющие дальнейшего увеличения нагрузки на ферму (рис.2, Д1);
   • увеличение сдвигов (деформаций) в узле крепления опорного растянутого раскоса к верхнему поясу фермы не наблюдалось;

Вертикальные перемещения при окончании второй стадии работы составляли примерно  , или (8,6мм). Сравнивая работу фермы на первом этапе испытания со вторым следует отметить, что:

-продолжение стадии упругой работы конструкции увеличилось примерно на 20%, за счет перераспределения усилий между опорным сжатым и опорным растянутым раскосами;

-увеличение деформаций кручения верхнего пояса фермы, за счет передачи значительной части опорного усилия через растянутый раскос ОР3, за пределами упругой работы конструкции, после потери общей устойчивости опорного сжатого раскоса ОР1;

-постановка дополнительных болтов (больше расчетного количества) в узлы сопряжения опорных растянутых раскосов с поясами фермы позволило увеличить несущую способность фермы примерно на 10%;

Фактические вертикальные перемещения фермы в упругой стадии работы конструкции примерно в 1,66....1,75 раза больше расчетных, определенных по первой и второй плоским схемам (табл.1). Расчетные прогибы по пространственной схеме (схема 3), примерно в 1,3 раза меньше экспериментальных. Это связано с уменьшением жесткости узлов сопряжения раскосов решетки с поясами фермы при введении “жестких вставок” (эксцентриситетов).

Анализируя НДС элементов решетки можно отметить следующее:

1. Уровень максимальных напряжений в опорном растянутом раскосе в упругой стадии работы конструкции, до потери общей устойчивости сжатого опорного раскоса, примерно в 2-2,3 раза ниже максимальных напряжений опорного сжатого раскоса (табл.2), что соответствует результатам статического расчета в SCAD Office. В таком случае на основании [2] коэффициент приведения расчетной длины сжатого опорного раскоса из плоскости фермы допускается принимать равным 0,5.
2. Распределение напряжений по сечениям сжатого опорного раскоса (табл.2, С7,С6,С4,С3) характеризует его работу, как сжато изогнутого в плоскости наименьшей жесткости с максимальными сжимающими напряжениями в стенке профиля и растягивающими по внешним граням полок у отгибов.
3. Расчетные эпюры напряжений по сечениям сжатого и растянутого опорных раскосов, полученные без учета моментов в плоскости фермы (табл.2, расчетные), в сравнении с экспериментальной (табл.2,С6, С9) имеют погрешность не более 10%. Это свидетельствует о том, что изгибающие моменты в плоскости фермы, возникающие в стержнях решетки, не существенны и могут не учитываться в расчете.
4. Напряжения у опорных узлов сжатого раскоса (табл.3, С3, С7) практически совпадают, что говорит о равенстве продольных усилий выше и ниже узла пересечения раскосов.
5. Растянутый опорный раскос раскрепляет сжатый из плоскости, о чем свидетельствуют максимальные напряжения сжатого опорного раскоса в первой четверти по С6 (табл.2), а также напряжения одного знака в полках сжатого раскоса по сечению С5.
6. Сравнение экспериментальных напряжений опорного растянутого раскоса по сечению С9 с расчетными (табл.2) дает погрешность не более 2%, что подтверждает их хорошую сходимость и достоверность расчетных данных.
7. Напряжения в отдельных элементах составных сечений распределены достаточно равномерно. Напряжения в полке С195х1,5 и в стенке С100х1,5, практически совпадают (σ=16,4-19,8 МПа), что говорит об их совместной работе.

Таблица 2

Напряжения по сечениям элементов модели фермы

Примечание: 1.Ррасположение сечений С1....С11 приведено на рис.2

Анализируя НДС узловых соединений экспериментальной фермы можно отметить следующее:

1. На границе шайб первого ряда болтоконтактов со стороны усилия наблюдается концентрация напряжений, как это уже отмечалось ранее [1]. Коэффициент концентрации отличается от установленного ранее для листового проката k=1.15...1.2 [1]. Так для сжатого опорного раскоса ОР3, максимальная концентрация оставляет k=σ_МАКС/σ_НОМ=2,85. Это объясняется сгущением силового потока со всего сечения на участках под головкой первого ряда болтоконтактов.
2. В стыке по нижнему поясу фермы (рис.2) в упругой стадии работы (P=33,49 кН) отмечена максимальная концентрация напряжений на границе шайб первого ряда болтоконтактов k=5.
3. При достижении напряжений на границе шайб первого ряда болтоконтактов со стороны усилия величины σ_ном*k=σ_t , где k-коэффициент концентрации, наблюдается эффект ослабления натяжения болтокомплектов, как уже отмечалось ранее [1]. При этом происходит перераспределение усилий между рядами - увеличение в 3раза локальных напряжений напротив шайб второго ряда.

Выводы:

1. На основании экспериментальных данных рекомендуется расчет фермы по первому предельному состоянию производить по плоской расчетной схеме с шарнирным креплением элементов решетки к поясам фермы. При расчете фермы по второму предельному состоянию применять пространственную расчетную схему.
2. Экспериментально подтверждено, что растянутые раскосы решетки уменьшают расчетную длину сжатых в плоскости и из плоскости фермы в два раза.
3. Экспериментально подтверждена совместная работа составных сечений верхнего и нижнего поясов фермы, собранных на самонарезающих шурупах и винтах.
4. Экспериментально получены коэффициенты концентрации напряжений в сдвигоустойчивых узловых соединениях фермы на основе С-образных ТОП.
5. За расчетное предельное состояние фермы 1 группы следует принимать достижение нагрузки по критерию потери местной (общей) устойчивости опорных сжатых раскосов. Наступление расчетного предельного состояния по 2 группе определяется по максимальным вертикальным перемещениям фермы.
6. После потери местной (общей) устойчивости опорного сжатого раскоса происходит перераспределение усилий и основным опорным раскосом становится растянутый до наступления фактического предельного состояния по критерию достижения текучести одного из элементов, либо исчерпанию несущей способности соединений.
7. На основании экспериментальных данных установлено, что для обеспечения резервов несущей способности фермы, рекомендуется проектное количество болтов в опорных узлах растянутых опорных раскосов и опорных стоек определять на усилие опорного сжатого раскоса.
8. Необходимо разработать пути совершенствования конструкции фермы. Так для увеличения местной устойчивости стенки сжатых раскосов может быть применение профилей с продольными элементами жесткости и Σ-профилей.
9. Необходимо разработать и исследовать возможные пути снижения концентрации напряжений в узлах решетки. Одним из вариантов может служить увеличение количества болтов по высоте соединяемых профилей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Коротких А.В., Крылов И.И., Черкасов В.Г. Особенности работы двух и трехболтовых фрикционных сдвигоустойчивых соединений тонкостенных оцинкованных профилей// Изв.вузов. Строительство.-2011.-№2.-С.3-14.
2. СП 16.13330. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* Стальные конструкции: Утв. приказом Мин. рег. разв. РФ от 27 декабря №791 и введен с 20мая 2011г./ОАО "ЦПП".-М.,-2011., с.172
3. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП II-23-81*): Утв.приказом ЦНИИСК им.Кучеренко Госстроя СССР от 15.08.1985г. №243/л./Центральный институт типового проектирования.-М.,-1989., с150
4. Кузин Н.Я. Проектирование и расчет стальных ферм покрытия промышленных зданий [текст]:Учебное пособие/ Изд-во АСВ.-М.,1998.

КОРОТКИХ А. coated В., асп.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

ГЕРБЕР.А.А., асп.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

КРЫЛОВ И. И., канд. техн. наук, проф.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

Korotkikh A.V., post-graduate student, Novosibirsk State of Architecture and Civil Engineering University (Sibstrin),Russia

Gerber A.A., post-graduate student, Novosibirsk State of Architecture and Civil Engineering University (Sibstrin),Russia

Krylov I.I., candidate of technical sciences, professor, Novosibirsk State of Architecture and Civil Engineering University (Sibstrin),Russia

FEATURES OF THE WORK FARM WITH A CROSS

BARS OF THIN-WALLED ZINC COATEDPROFILES

The results of experimental researches of the working farm with cross bars of the thin-walled zinc coated profiles on slip critical connections

Keywords: farm with cross bars, the thin-walled zinc coated profiles, slip critical connections

REFERENCES

1. Korotkikh A.V., Krylov I.I., Cherkasov V.G. Features of work two and a three of bolts slip critical connections of the thin-walled zinced profiles//News of Higher Education Institutions. Construction.- 2011.-№2.-P.3-14.
2. SP 16.13330. The updated edition of SNIP II-23-81 Steel Construction/OAO "LAC".-M., -2011., p.172
3. Manual for the design of steel structures (to SNIP II-23-81)/ Central Institute of model design.-M., -1989., p150
4. Kuzin, NY Engineering and design of steel trusses covered by industrial buildings: Tutorial / Univ ASV.-M., 1998.