VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Одним из важных моментов, определяющих работу решетчатых каркасных конструкций, является учет работы сопряжений элементов. Податливость соединений стержневых систем оказывает существенное влияние на напряженно-деформированное состояние конструкции.

Практическая значимость учета податливости в стержневой конечно-элементной модели конструкции состоит в более адекватной оценке ее поведения в соответствие с действительной работой. Это сделает возможным проектирование безопасных конструкций, удовлетворяющих требованиям современных строительных норм, сохраняя при этом все достоинства применения существующих прокатных профилей.

Необходимость учета деформативности сопряжений связана с тем, что законструированные жесткие узлы в статически неопределимых стержневых системах в действительности деформативны, а шарнирные, даже при минимальном конструктивном креплении, способны воспринимать значительные моменты. Под действием нагрузки, пока силы трения не преодолены, работа системы практически мало отличается от работы системы со сварными узлами. Податливость соединений металлических стержневых систем с креплением на болтах возникает в виде сдвигов в болтовых соединениях на разность диаметров болта и отверстия и величины смятия по контакту болта и стенки отверстия. Сдвиги начинаются после преодоления сил трения в соединениях.

Болтовые и заклепочные соединения конструктивно представляют собой нахлесточные соединения, в которых усилия с одного рабочего элемента на другой передаются при помощи вспомогательных деталей - накладок. Соединения работают преимущественно на сдвиг. При восприятии внешних усилий соединениями наблюдается три стадий работы. Первая стадия - упругая работа, происходящая за счет сил трения, возникающих в соединении. Вторая стадия - упругопластическая работа после преодоления внешним усилием сил трения. После сдвига стержень метиза упирается в стенки отверстий соединяемых деталей и вовлекается непосредственно в работу. На этой стадии усилие воспринимается не только за счет сил трения между соединяемыми элементами, но и стержнями метизов, которые под влиянием сдвига начинают изгибаться, срезаться и растягиваться. Третья стадия - пластическая работа, связанная со значительными деформациями соединения и потерей его несущей способности.

Исследование влияния податливости в стальных оцинкованных профилях актуально ввиду широко применения профилей повышенной жесткости в несущих бескрановых конструкциях и сооружениях с небольшими нагрузками на покрытие. В настоящее время в решениях узлов таких конструкций используются в основном самонарезающие винты диаметром 4,2-6,5 мм. Данный фактор обеспечивает высокую скорость сборки и технологичность изготовления таких конструкций. Несущая способность узлов относительно невелика, ввиду их повышенной податливости, а также в случаях, когда невозможно разместить требуемое количество самонарезающих винтов для восприятия действующих усилий из условия сопротивления смятию. Значительно повысить точность расчетов узлов возможно за счет учета линейной и угловой податливости винтовых соединений.

Однако проблемы проектирования решетчатых конструкций из тонкостенных холодногнутых профилей повышенной жесткости не ограничиваются указанными выше факторами. В качестве другого немаловажного фактора выступает малоизученное в таких конструкциях явление податливости узловых соединений с самонарезающими винтами. Нередко сечения стержневых элементов в пролетных конструкциях, изготавливаемых из холодногнутых профилей повышенной жесткости, подбираются по второму предельному состоянию, т.е. исходя из предельно допустимых вертикальных перемещений, определяемых по СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». В ходе подбора сечений инженером чаще всего анализируется обычная классическая стержневая модель конструкции в каком либо конечно-элементном расчетном комплексе, например в пакетах прикладных программ SCAD, «Лира». Однако при этом за рамками анализа остаются дополнительные перемещения узлов конструкции, возникающие за счет их податливости, а также перераспределение внутренних усилий в элементах. В результате этого конструкция уже не удовлетворяет требованиям второго предельного состояния. На основании выше сказанного можно говорить о том, что задача учета дополнительных перемещений конструкции ввиду податливости ее узлов является актуальной.

Недостаток винтовых соединений состоит в том. что довольно часто в некоторых узлах не удается разместить требуемое количество винтов для восприятия действующих усилий, а это ограничивает несущую способность конструкции. Повысить несущую способность узлов можно использованием болтов нормальной точности вместо самонарезающих винтов.

Анализ моделей, выполненных в ППП SCAD, показывает, что учет податливости узлов при помощи упругих связей весьма сильно увеличивает значения перемещений узлов: в среднем на 30-35 % средних узлов верхнего и нижнего поясов фермы При этом происходит перераспределение усилий в элементах фермы. Значения нормальных сил уменьшаются до 35% в средних раскосах, при этом момент в середине верхнего меняет знак и значительно возрастает.

Уменьшение податливости в винтовых соединениях холодногнутых профилей фермы может быть достигнуто за счет:

- использования большего числа самонарезающих винтов меньшего диаметра;

- повышения жесткости узлов посредством введения дополнительных элементов в узлы с включением деревянных вставок, ограничивающих податливость самонарезающих винтов;

- при возможности использовать менее податливые крепежные элементы, такие как болты, в том числе высокопрочные

Библиографический список

1. Ефимов, О.И. Влияние податливости узловых соединений на работу структурных конструкций / О.И. Ефимов, B.C. Агафонкин // Исследование, расчет и испытание металлических конструкций: межвузовский сборник. Казань, 1980.- 134 с.

2. Должиков В.Н., Должиков А.В. К вопросу проектирования металлических статически неопределимых стержневых покрытий с болтовыми соединениями элементов. - Успехи современного естествознания, № 12, 2007

3. Трофимов, В.И. Учет влияния податливости болтового соединения на работу структурной конструкции / Трофимов В.И., Третьякова Э.В., Зуева И.И. // Строительная механика и расчет сооружений. М., 1976. - №7. - С. 7-12.