Тонкостенные балки из гнутых оцинкованных профилей: составных поясов коробчатого сечения и гофрированных стенок (стр. 2 )

В балках с гибкой стенкой (гибкостью свыше 400) допускается потеря местной устойчивости стенки с образованием так называемых «хлопунов». Как показывают исследования , , и , масса таких балок за счет использования закритической стадии работы стенки на 25-40% меньше обычных. Ограничением распространения таких конструкций, в основном, явились психологические аспекты их эксплуатации.

Теория расчета балок с гофрированной стенкой разрабатывалась в Казахском отделении ЦНИИПСК , , где они получили достаточно широкое применение. Проводимые, наряду с теоретическими, экспериментальные исследования показали, что гофрированные стенки хорошо сопротивляются действию поперечных сил, не теряя местной устойчивости. Установлено, при изгибе балки нормальные напряжения в стенке у поясов быстро падают и их практически можно не учитывать в расчетах, считая, что изгибающие моменты воспринимаются только поясами. Балки с гофрированной стенкой эффективны, однако требуют применения специального листогибочного и сварочного оборудования.

Раскосные балки-фермы, состоящие из поясов и наклонных ребер из спаренных уголков, а также гибкой стенки (, – Дальневосточный ун-т) представляют определенный интерес и дают возможность получить эффективные по расходу металла конструкции. Однако, с учетом значительной протяженности сварных швов, такие системы не дают значительного снижения стоимости конструкций «в деле».

Балки с перфорированной стенкой, получаемые, как правило, путем фигурного раскроя существующих прокатных профилей и дальнейшей стыковкой с целью увеличения их габаритной высоты, получили достаточно широкое распространение. Недостатки таких балок, связанные со сложностью восприятия локальных нагрузок, наличия концентраторов напряжений, значительными затратами на изготовление, компенсируются доступностью исходных материалов и снижением стоимости «в деле» до 20% по сравнению с прокатными балками.

Преимущества балок коробчатого сечения заключаются в высокой крутильной жесткости, низком расходе металла, что позволяет применять их при наличии крутящих моментов, изгибе в двух плоскостях, при отсутствии системы связей. В обычных условиях такие балки применяют редко ввиду сложности их изготовления.

Составными элементами разрабатываемых балок являются холодногнутые профили, изготавливаемые из листа толщиной 0,7…2 мм, сечения которых показаны на рис. 1.

Рис. 1. Холодногнутые профили – составные элементы балок

Процесс профилирования заключается в последовательном изменении формы поперечного сечения исходной заготовки при прохождении её через ряд вращающихся горизонтальных и вертикальных валков (роликов) профилегибочного стана.

Изучению действительной работы холодногнутых профилей посвящены работы многих российских и зарубежных исследователей. В частности, , (Ленин­градский политехн. ин-т), (Киевский строит. ин-т), (Красноярский ПромстройНИИПроект), , (УкрНИИмет), G. Winter (США) и др. рассматривалось влияние наклепа, который образуется при изготовлении профилей, на их напряженно-деформированное состояние. Проблемами несущей способности различных холодногнутых профилей занимались: , , D. Yang, N. Baldassino, B. W. Schafer, Y. B. Kwon, G. J. Hancock и др.

Весь комплекс проблем, связанных с развитием данного направления, выходит за рамки одной кандидатской диссертации. Первоочередные задачи диссертационной работы следующие:

1. Выполнить поиск наиболее эффективного конструктивного решения балок, состоящих из холодногнутых оцинкованных С-образных профилей в составе поясов и гофрированных стенок в виде оцинкованного профилированного листа, выявить особенности напряженно-деформированного состояния таких балок;

2. Исследовать возможные конструктивные решения и типы соединений гнутых оцинкованных элементов толщиной до 2 мм, выполнить их сравнительный анализ с целью применения в разрабатываемых балках;

3. Выполнить экспериментальное исследование балки покрытия, состоящей из гнутых оцинкованных элементов: С-образных профилей в составе поясов коробчатого сечения и гофрированной стенки из профилированного листа, выявить особенности её работы и критерии перехода в предельное состояние. Произвести сопоставление теоретических данных с результатами эксперимента;

4. Выполнить оптимизацию разрабатываемых балок, предоставить рекомендации по их проектированию, изготовлению и монтажу.

Во второй главе представлены результаты поисковых экспериментальных исследований конструктивных решений тонкостенных балок с поясами из гнутых С-образных профилей и стенки из профилированного листа.

Выделены две принципиальные конструктивные формы таких балок – одностенчатая (рис. 2, а) и двустенчатая (рис. 2, б). Идея объединения в одну конструкцию С-образных профилей и профилированного листа защищена патентами РФ №№ 000, 55394.

Рис. 2. Конструктивные решения балок

Для определения наиболее эффективного конструктивного решения была выполнена серия испытаний крупномасштабных моделей балок. Испытано четыре балки пролетом 3,2 м, который был ограничен габаритами стенда. Высота всех балок принята равной 400 мм (h/L=1/8), в качестве поясов использовались С-образные профили высотой 90 мм и толщиной 2 мм по ТУ1120.100.4751.5705-00, в качестве стенки использовался профилированный лист НС35-1000-0,6 по ГОСТ 24045-94, ориентированный перпендикулярно поясам. Соединение поясов со стенкой осуществлялось с помощью самонарезающих винтов d=4,8 мм и болтов М6.

Оценивались качественные показатели, такие как работоспособность, картина распределения напряжений в элементах, относительные общие и локальные деформации, а также закономерности перехода в предельное состояние и "слабые" места конструкции. В процессе сборки определялись и технологические качества конструкций.

Испытательная установка состояла из силовой рамы, в которой благодаря системе траверс нагрузка от гидравлического домкрата распределялась на четыре сосредоточенные силы. Раскрепление балок для предотвращения общей потери устойчивости обеспечивалось направляющими, расположенными через 1/3 пролета.

При испытании одностенчатой (рис. 2, а) балки Б1, выполненной с использованием только самонарезающих винтов, на первых же этапах загружения потеряли несущую способность соединения на самонарезающих винтах в приопорной зоне, в которых винты устанавливались со стороны более толстого элемента (участок 2а…2б на графике работы балки – рис. 4), что привело к потере местной устойчивости стенки балки (рис. 3, а). Дальнейшее нагружение балки происходило в условиях увеличения зоны смятия металла в соединениях и закритической работы стенки.

а) б)

Рис. 3. Потеря местной устойчивости стенки балок Б1 (а) и Б3 (б)

В опорных зонах балки Б2, в отличие от балки Б1, установлено по два профилированных листа стенки, вложенных друг в друга, для их крепления к поясам вместо самонарезающих винтов применялись болты М6. Внесенные изменения позволили значительно увеличить несущую способность балки. Исчерпание несущей способности произошло после потери местной устойчивости сжатого пояса под одной из распределительных пластин. Недостаток подобного конструктивного решения – высокая трудоемкость изготовления.

Балка Б3 отличалась от балок Б1 и Б2 более технологичной двустенчатой компоновкой с поясами коробчатого сечения. Стенки крепились к поясам при помощи самонарезающих винтов. В результате испытания балки Б3 было выявлено, что стенки балки в такой компоновке практически не включаются в работу на восприятие поперечной силы (рис. 3, б), что можно объяснить недостаточной жесткостью стоек-гофров такой системы, принцип работы которой аналогичен балке Веренделя.

Поиск решения проблемы чрезмерной деформативности стенки привел к идее установки в балке нисходящих раскосов из тонкого листа. Такое конструктивное решение было запатентовано.

Рис. 4. Графики работы балок Б1…Б4

В опорных частях балки Б4, в отличие от балки Б3, были установлены раскосы из листа -2х150 мм. В результате испытания была отмечена значительно меньшая деформативность, чем у балки Б3 (рис. 4). Полное исчерпание несущей способности балки произошло в результате потери местной устойчивости верхнего пояса при уровне напряжений, соответствующих пределу текучести стали поясов.

Сравнительная характеристика этапов работы балок Б1…Б4 приведена рис. 4. Оптимальные технологические качества и приемлемая несущая способность были выявлены у балок с двустенчатой компоновкой. Для повышения эффективности таких балок необходимо провести выбор оптимального типа соединений оцинкованных тонколистовых элементов и конструктивными мерами улучшить работу стенки на восприятие поперечной силы.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований соединений тонколистовых оцинкованных элементов на самонарезающих винтах, болтах нормальной точности и на высокопрочных болтах с предварительным натяжением.

Основной целью исследований было выявление наиболее эффективного типа соединений по критериям несущей способности и стоимости.

Сварные соединения являются наиболее широко применяемым в строительстве типом соединений. Однако использование сварки при изготовлении металлических конструкций из оцинкованных профилей толщиной менее 3 мм неприемлемо по разным причинам, в том числе из-за разрушающего действия сварочной дуги на цинковое покрытие.

Соединения на самонарезающих винтах обладают многими достоинствами, такими как легкость и быстрота установки, низкая стоимость, доступность. Однако им свойственна деформативность, относительно малая несущая способность, чувствительность к переменным нагрузкам, вибрациям, локальное разрушение цинкового покрытия, что негативно сказывается на долговечности и надежности конструкции.