V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

В работе выполняется исследование несущей способности стоек рам с элементами непрерывного переменного сечения в зависимости от прочности применяемой стали. Использование сталей повышенной и высокой прочности в металлических конструкциях обеспечивает экономию материала и снижение стоимости [1].

Геометрическая схема рассматриваемой рамы (рис.1) принята по типовой серии [2].

Рисунок 1 – Геометрическая схема рамы переменного сечения пролетом 24 м

В работе будет получено решение для стойки рамы как элемента, определяющее предельное состояние которого относится к I группе ПС. При таком подходе применение низколегированных сталей будет максимально эффективным, так как с увеличением расчетных сопротивлений стали возрастает несущая способность конструкции.

Предполагается рассмотреть некоторый ряд стержней (стоек) с варьированием одного (двух) определяющих параметров (гибкости, относительных эксцентриситетов и т.п.) и прочности применяемой стали.

В исследовании используются численные методы расчета конструкций с учетом рекомендаций [3], [4]. Расчеты выполняются в комплексе MSC.Nastran с рассмотрением пластинчатых КЭ-моделей рам с учетом геометрической и физической нелинейности. Все необходимые характеристики определяются в предельном состоянии рамы, которое должно соответствовать потере прочности или общей устойчивости конструкции. Развитие предельного состояния допускается только в исследуемом элементе.

Расчеты выполнены в следующей последовательности: в исходной модели рамы по типовой серии происходит увеличение прочности стали поясов стойки с наименования С245 до С440. Наименования стали, используемые в расчетах, выбраны после оценки ассортимента проката на современном рынке.

При заданных условиях совместно с плоской формой потери устойчивости происходит потеря устойчивости колонны по пространственной форме. При критической нагрузке в стойке развиваются пластические деформации, превышающие по величине предельные значения. Опасным является сечение в верхней части колонны в зоне опирания ригеля, где пластические деформации достигают максимальных значений.

а)	б)
Рисунок 2 – Изополя пластических деформаций. а) моностальная колонна, сталь С245; б) бистальная колонна: стенка – С245, пояса – С440

а)	б)
Рисунок 3 – Изополя эквивалентных напряжений по теории Мизеса. а) моностальная колонна, сталь С245; б) бистальная колонна: стенка – С245, пояса – С440

На рис.2 показаны изополя пластических деформаций в опасном сечении колонны и изменение их величины для двух рам в начале и конце расчетной выборки, на рис. 3 - изополя эквивалентных напряжений по теории Мизеса в карнизном узле рамы. Цветовая шкала для пластических деформаций представлена в долях единиц, для напряжений - в Н/м².

При возрастании прочности стали поясов рамы опасное сечение для колонны не изменяет своего положения. Наибольшие эквивалентные напряжения действуют во внутреннем поясе стойки. При изменении прочности стали происходит увеличение напряжений, величина которых близка к расчетному сопротивлению по пределу текучести, соответствующему данной марке стали.

На каждом шаге в предельном состоянии определяются напряжения, действующие в опасном сечении колонны у опоры ригеля. Результаты расчетов для внутреннего пояса стойки представлены в виде графика на рис.4.

Рисунок 4 – Изменение величины напряжений во внутреннем поясе стойки

Для оценки эффективности применения сталей определяется величина ∆, характеризующая изменение напряжений по отношению к изменению расчетного сопротивления стали.

∆=tgα=σred2-σred1Ry2-Ry1

где σ_red1,2– эквивалентные напряжения по теории Мизеса на последовательных шагах расчета;

R_y1,2– расчетное сопротивление стали поясов.

Рисунок 5 – Оценка эффективности применения разных марок стали относительно предшествующей марки

Основные выводы:

1. При изменении прочности стали происходит пропорциональное увеличение несущей способности;

2. По результатам расчетов ∆=tgα≈1, что свидетельствует о максимальной эффективности использования низколегированных сталей. С повышением прочности сталей происходит концентрация напряжений в поясах, так как tgα≥1;

3. Рассмотренный критерий эффективности следует дополнить расчетами с учетом тонкостенности элементов, форм поперечных сечений (с учетом коэффициентов φ_e, сφ_y ).

Следует подчеркнуть, что в работе рассматриваются результаты расчётов конструкции в состоянии, близком к исчерпанию несущей способности. В инженерной практике не допускается наступление таких состояний путем введения коэффициентов запаса. При применении критериев ограничения развития пластических деформаций картина эффективности применения высокопрочных сталей может выглядеть иначе.

Список использованной литературы

1. Яндукова, Н. Г. Исследование области рационального применения низколегированных сталей в металлических конструкциях / Сборник трудов аспирантов, магистрантов и соискателей. Технические науки. – Н.Новгород : ННГАСУ, 2012. – 130-134 с.

2. Серия 1.420.3-37.06. Каркасы стальные «Унимак-Р1» : справ. изд-е. – КЗЛМК «Маяк», 2007. - 194 с.

3. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* : свод правил : утв. Минрегионом России 27.12.10 : дата введ. 20.05.11. - М. : Минрегион России, 2011. - 177 с.

4. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* : свод правил : утв. Минрегионом России 27.12.10 : дата введ. 20.05.11. - М. : Минрегион России, 2011. - 81 с.

Код для цитирования: Скопировать