аспирант с 01.01.2013 по 01.01.2019
Россия
с 01.01.2005 по настоящее время
Россия
УДК 624 Строительство инженерных сооружений
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ОКСО 08.02.01 Строительство и эксплуатация зданий и сооружений
ББК 38 Строительство
ТБК 5414 Строительные конструкции
BISAC ARC011000 Buildings / Public, Commercial & Industrial
В статье рассмотрено новое узловое соединение тонкостенных холодногнутых профилей с трапециевидной частью стенки с применением сквозной втулки с упором. Применение данного конструктивного решения позволяет выполнить постановку дополнительных болтов в зоне вогнутой части стенки тонкостенного профиля, тем самым включить данную область в работу. Отмечается, что изобретение по сравнению с аналогами позволяет упростить процесс сборки узла, за счет фиксации положения втулки при применении уширенной части с одной стороны фасонки. При этом для эффективного противодействия потери местной устойчивости стенки тонкостенного холодногнутого профиля предлагается расположить соседние втулки со сторонами в противоположном направлении. Изучены вопросы деформативности стенки тонкостенного холодногнутого профиля при постановке дополнительных рядов болтов в трапециевидной части стенки за счет разработанных конструктивных решений: с применением сквозной втулки, сквозной втулки с упором и при отсутствии болтов в зоне трапециевидной части. В работе приведены результаты смещений из плоскости стенки под воздействием сжимающей нагрузки при различных вариациях болтовых узловых соединений. Выполнена сравнительная оценка эффективности узловых соединений с точки зрения сопротивлению потери местной устойчивости. По результатам исследований выявлено, что болтовое узловое соединение с постановкой дополнительных болтов в части трапециевидной стенки, за счет применения сквозной втулки позволяет уменьшить деформативность на 15 % и на 33 % при использовании сквозной втулки с упором по отношению с соединением с двухрядной постановкой болтов.
болтовое узловое соединение, тонкостенный холодногнутый профиль, сквозная втулка с упором, местная устойчивость, трапециевидная часть стенки, опытный образец, верхний пояс
Введение. Научно-технический прогресс ускоряет смену оборудования и технологий, поэтому часто стальной каркас, удовлетворяющий первоначальному технологическому процессу, оказывается через 20–30 лет совершенно непригодным для новых технологий. Из-за этого требуется реконструкция, а иногда и полный снос каркаса. В связи с этим на рынке строительства возникает потребность в легких конструкциях, которые можно быстро смонтировать, разобрать и перепрофилировать под другие технологические процессы. Одним из способов для решения отмеченной проблемы служит использование в конструкциях тонкостенных холодногнутых профилей. Технология легких стальных тонкостенных оцинкованных профилей (ЛСТК) начинает прогрессивно развиваться с начала 21 века. Область применения ЛСТК несущие и ограждающие конструкции объектов промышленного и гражданского назначения [1–2].
Наиболее часто тонкостенные холодногнутые профили в несущих конструкциях применяются в рамах [3–8] и фермах [9–11]. Поперечная рама каркаса состоит из стоек и скатных сплошных или решетчатых ригелей. В основном несущие конструкции из ЛСТК имеют пролет до 18 м, устанавливаются с шагом 3–6 м, элементы выполняются из одиночных или из спаренных профилей, сечения которых С-образные, с трапециевидной частью стенки, соединенные с помощью листовой фасонки на болтах.
Однако авторы в статьях [9, 10] отмечают, что для дальнейшего развития ЛСТК в строительной отрасли, а именно для увеличения пролета, несущей способности необходимо разрабатывать новые эффективные узловые соединения, отвечающие экономическим требованиям, надежности конструкции и удобства монтажа.
В связи с этим авторы в работе [12] провели исследования болтового узлового соединения верхнего пояса фермы пролетом 24 м из тонкостенных холодногнутых профилей. В работе выявлено, что постановка дополнительных рядов болтов в зоне трапециевидной части стенки позволяет получить равномерное распределение напряжений по сечению тонкостенного профиля, тем самым повысить несущую способность соединения. Для постановки дополнительных рядов болтов в зоне трапециевидной части стенки разработаны новые узловые соединения:
1. заполнения свободного пространства между фасонкой и трапециевидной частью стенки профиля листовой пластиной [12];
2. конструктивное решение с применением сварной втулки [13, 14];
3. конструктивное решение с применением сквозной втулки [15, 16];
В данной статье предлагается новое узловое соединение тонкостенных холодногнутых профилей с трапециевидной частью стенки с применением сквозной втулки с упором [17]. При этом рассматриваются вопросы деформативности стенки профиля в узле при двухрядной постановке болтов, при постановке дополнительных болтов в зоне трапециевидной части стенки за счет применения сквозной втулки и сквозной втулки с упором.
Цель работы: Сравнительная оценка деформативности трапециевидной части стенки тонкостенного профиля при различных конструктивных решениях узлового соединения.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка нового узлового соединения тонкостенных холодногнутых профилей, которая позволит выполнить постановку болтов в зоне трапециевидной части стенки, и при этом повысить местную устойчивость стенки;
2. Построение конечно-элементную модели болтовых узловых соединений в ПК «Solidworks с применением сквозной втулки, сквозной втулки с упором и при двухрядной постановке болтов в зоне контакта с листовой фасонкой;
3. Численное исследование напряженно-деформированного состояния болтовых узловых соединений тонкостенных холодногнутых профилей с трапециевидной частью стенки;
4. Анализ деформативности стенки различных вариантов конструктивных решений болтовых узлов при действии расчетной нагрузке;
Болтовое узловое соединение тонкостенных холодногнутых профилей с трапециевидной частью стенки с применением сквозных втулок с упором. Одной из главных задач создания нового болтового узла состоит в фиксации положения сквозной втулки при установке стяжного болта, и при этом повысить устойчивость стенки тонкостенного холодногнутого профиля в процессе эксплуатации конструкции. Новый узел представляет собой тонкостенные холодногнутые профили с трапециевидной частью стенки 1, соединенные листовой фасонкой 2 на болтах 3. В зоне трапециевидной части стенки профиля установлены усиливающие элементы 4, которые выполнены в виде сквозной втулки, пропущенные через отверстие в листовой фасонке 3. Сквозная втулка с одной стороны изготавливается большего диаметра D1, чем отверстие в листовой фасонке, а остальная часть втулки выполняется по диаметру этого отверстия d. При этом соседние втулки располагаются со сторонами в противоположном направлении (рис. 1).
Предлагаемое узловое соединение позволяет выполнить постановку болтов в зоне трапециевидной части стенки профиля, при этом зафиксировать положение втулки при постановке стяжного болта и предполагает уменьшение деформации стенки профиля за счет уширенной части втулки при эксплуатации конструкции.
Рис. 1. Болтовое узловое соединение тонкостенных холодногнутых профилей с трапециевидной частью стенки с применением сквозных втулок с упором:
1 – тонкостенные холодногнутые профили с трапециевидной частью стенки;
2 – листовая фасонка; 3 – болт; 4 – сквозная втулка с упором
Новое узловое соединения может найти применение в области строительства, в частности, в рамах, в решетчатых конструкциях, например, фермы, изготавливаемые из парных стальных тонкостенных холодногнутых профилей с трапециевидной частью стенки, соединенные в узлах при помощи листовых фасонок на болтах [3–5, 7, 9, 10–11].
Материалы и методы. Одним из опасных факторов разрушения болтовых узловых соединений из тонкостенных холодногнутых профилей и приводящие к полной непригодности конструкции является потеря местной устойчивости. При этом для повышения местной устойчивости тонкостенных профилей в сжатых и в сжато-изгибаемых элементах выполняются различные элементы жесткости (канавки, углубления). В частности, в рассматриваемом узле тонкостенные холодногнутые профили выполнены с трапециевидной частью стенки.
Влияние на фактическое напряженное состояние тонкостенного профиля при установке дополнительных рядов в зоне трапециевидной части стенки рассмотрены в работах [12, 13, 15]. При этом вопросы деформативности стенки (смещения из плоскости) при подкреплении их различными вариантами втулок и их сравнение с традиционным узловым соединением с двухрядной постановкой болтов ранее не проводились. Для проведения данного исследования выбраны три варианта болтовых узловых соединения с трапециевидной частью стенки (табл. 1):
1. Узловое соединение составных тонкостенных холодногнутых профилей с трапециевидной частью стенки при двухрядной постановке болтов в зоне контакта с листовой фасонкой;
2. Узловое соединение составных тонкостенных холодногнутых профилей с трапециевидной частью стенки при многорядной постановке болтов за счет применения сквозной втулки. Для постановки болтов используется сквозная втулка, которая вставляется в отверстие листовой фасонки. Сквозная втулка ликвидирует зазор между трапециевидной частью стенки профиля и фасонкой. При этом длина сквозной втулки:
,
где 
– толщина фасонки; 
– свободная толщина плоской вогнутой стенки профиля;
3. Узловое соединение составных тонкостенных холодногнутых профилей с трапециевидной частью стенки при многорядной постановке болтов за счет применения сквозной втулки с упором.
Для оценки смещения стенки из плоскости тонкостенного холодногнутого профиля в болтовом узле при различных вариантах конструктивных решений построены конечно-элементные модели опытных образцов в ПК «Solidworks» (табл. 1). Узлы состоят из двух профилей АСГ-400-100-30-4.0 по ТУ 1122-023-129063390-2009 высотой 400 мм из стали класса С350. Между профилями установлена листовая фасонка толщиной 16 мм из стали класса С245. Крепление профилей с листовой фасонкой выполнено болтами М16 класса прочности 5.8 двумя рядами. В каждом ряду расположено семь болтов с шагом 50 мм. Фасонка соединена по низу опорной пластиной 400×100×16 мм [12].
Разбиение геометрической модели на конечные элементы выполнялась с учетом геометрии элементов сборки, наличия отверстий и расстояний между ними. Сетка конечно-элементной модели объемная второго порядка, с размерами 20×20 мм. Расчет модели узла выполнялось в программном модуле «Solidworks Simulation» с учетом геометрической и физической нелинейности. Граничные условия болтовых узлов «fixed support», как неподвижная геометрия опорной пластины. Контакты между соединяемыми элементами задавались, как «frictional» с коэффициентом трения µ=0,15.
Обсуждение результатов исследований. Нагрузка на образцы приложена расчетная N=63,2 т, найденная по результатам исследований [12]. При этом приложение ее производилось ступенчато по 10 т, в конце каждого этапа производилось измерение перемещения стенки тонкостенного профиля из плоскости. Напряженно-деформированное состояние образцов представлено на (рис. 2). Фиксация перемещения стенки тонкостенного холодногнутого профиля выполнялось в одной точке в зоне расположения средних болтов в трапециевидной части (рис. 3).
Анализируя графики зависимости перемещения стенки от расчетной нагрузки, можно сказать, что наиболее подвержен к потери местной устойчивости узловое соединение при двухрядной постановке болтов в зоне контакта с листовой фасонкой, где отклонение из плоскости составили – δ=13,32 мм при нагрузке N=63,2 т. Выявлено, что при подкреплении стенки тонкостенного профиля сквозной втулкой и установке дополнительных болтов в трапециевидной части стенки деформации снижаются (δ=10,53 мм при N=63,2 т) на 21%. Эффективным решением, с точки зрения потери местной устойчивости стенки является решение с применением сквозной втулки с упором, где перемещения меньше из всех (δ=8,91 мм при N=63,2 т). На 33 % меньше, чем при двухрядной постановке болтов и на 15 % при постановке болтов с применением сквозной втулки.
Таблица 1
Болтовые узловые соединения составных тонкостенных холодногнутых профилей
с трапециевидной частью стенки
|
1. Болтовой узел соединения с двухрядной |
|
|
2. Болтовой узел соединения с многорядной |
|
|
3. Болтовой узел соединения с многорядной |
|
Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние опытных образцов: а) при двухрядной постановке болтов; б) при многорядной постановке болтов с применением сквозной втулки; в) при многорядной постановке болтов с применением сквозной втулки с упором
Рис. 3. Зависимость перемещения δ стенки тонкостенного холодногнутого профиля от нагрузки
N при разных вариантах узловых соединений
Выводы
- Представлено новое узловое соединение тонкостенных холодногнутых профилей с применением сквозных втулок с упором, позволяющее выполнить постановку болтов в трапециевидной части стенки профиля, при этом упростить процесс сборки соединения за счет фиксации положения втулки.
- Установлено, что постановка дополнительных рядов болтов в трапециевидной части стенки тонкостенного холодногнутого профиля позволяет уменьшить деформативность стенки на 21 % при использовании сквозной втулки и на 33 % – сквозной втулки с упором по сравнению с решением с двухрядной постановкой болтов в зоне контакта листовой фасонки и профиля.
1. Енджиевский Л.В., Крылов И.И., Кретинин А.Н., Терешкова А.В. Ограждающие и несущие строительные конструкции из стальных тонкостенных профилей // Издательство Инфра – М, 2017. 282 с.
2. Жидков К.Е., Семенов А.С. Совершенствование конструктивных решений ферм из тонкостенных холодногнутых профилей // XIII Международная научная конференция «Прикладные и Фундаментальные исследования» (9–10 декабря, 2017, Сент-Луис, Миссури, США). С. 79–83.
3. Зверев В.В., Жидков К.Е., Семенов А.С., Сотникова И.В. Экспериментальные исследования рамных конструкций из холодногнутых профилей повышенной жесткости // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительства и архитектура. 2011. № 4. С. 20–24.
4. Енджиевский Л.В., Тарасов А.В. Исследования рамы каркаса здания несущими элементами бикоробчатого сечения из тонколистовой оцинкованной стали // Промышленное и гражданское строительство. 2012. №. 10. С. 52–54.
5. Тарасов А.В. Экспериментально-теоретические исследования рамных конструкций из стальных тонкостенных холодногнутых профилей. автореф. дис.канд. техн. наук. Томск, 2013. 23 с.
6. Вержбовский Г.Б., Горохова Д.С. Рамные конструкции из легких стальных тонкостенных профилей // Актуальные процессы формирования науки в новых условиях: сборник статей Международной научно-практической конференции г. Москва. 10 марта 2016. С. 23–25.
7. Любавская И.В. Напряженно-деформированное состояние рамной конструкции из стальных гнутых профилей. автореф. дис.канд. техн. наук. Липецк, 2018. 23 с.
8. Устименко Е.Е. Рамно-стержневые конструкции с элементами из тонкостенных стальных профилей. автореф. дис.канд. техн. наук. Ростов-на-Дону. 2021. 24 с.
9. Зверев В.В., Семенов А.С. Влияние податливости болтовых соединений на деформативность фермы из тонкостенных гнутых профилей // Строительство и архитектура. Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университе¬та. 2008. № 2 (10). С. 9–7.
10. Кузнецов И.Л., Салахутдинов М.А., Гайнетдинов Р.Г. Стенд и результаты испытания фермы пролетом 24 м со стержнями из оцинкованных холодногнутых профилей // Известия КГАСУ. 2018. № 4. С. 193–199.
11. Семенов А.С. Ферма из холодногнутых профилей повышенной жесткости с болтовыми соединениями. автореф. дис. канд. техн. наук. Воронеж. 2009. 22 с.
12. Кузнецов И.Л., Салахутдинов М.А., Гайнетдинов Р.Г. Исследование напряженно-деформированного состояния болтового узла соединения из холодногнутых тонкостенных профилей // Вестник МГСУ. 2019. №. 7. С. 831–843. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.7.831-843.
13. Kuznetsov I., Gainetdinov R. New nodal connection of thin-walled cold formed profiles with a trapezoidal wall using separate welded bushings // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 890(1). Pp. 1–7. doi:10.1088/1757-899X/890/1/012041
14. Пат. 2728076, Российская Федерация, МПК Е04С 3/08. Решетчатая конструкция / И.Л. Кузнецов, Р.Г. Гайнетдинов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ КазГАСУ. № 2019131942; заявл. 09.10.2019; опубл. 28.07.2020, Бюл № 22. 4 с.
15. Кузнецов И. Л., Гайнетдинов Р. Г. Новое узловое соединение холодногнутых профилей с трапециевидной стенкой // Приволжский научный журнал. Строительные конструкции, здания и сооружения. г. Нижний Новгород. 2021. № 1. С. 24–33.
16. Пат. 2730153, Российская Федерация, МПК Е04С 3/08. Узел соединения стержней в решетчатой конструкции / И.Л. Кузнецов, Р.Г. Гайнетдинов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ КазГАСУ. № 2020109265; заявл. 02.03.2020; опубл. 19.08.2020, Бюл № 23. 4 с.
17. Пат. 2748018, Российская Федерация, МПК Е04С 3/08; Е04В 1/58; Узел соединения стержней в решетчатой конструкции / Р.Г. Гайнетдинов, И.Л. Кузнецов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ КазГАСУ. № 202013554; заявл. 28.10.2020; опубл. 18.05.2021, Бюл № 14. 4 с.
