Книги, научные публикации
На правах рукописи
Александр Михайлович ПРОЧНОСТЬ СТАЛЬНЫХ ДВУТАВРОВЫХ БАЛОК ПРИ ИЗГИБЕ И МЕСТНОМ КРУЧЕНИИ 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание
ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.С.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор В.И. Моисеев, кандидат технических наук, доцент Б.Б. Лампси Ведущая Государственное Унитарное Предприятие Центральный строительных конструкций им. В.А. Кучеренко им. г. Москва) 2001г. в часов
Защита состоится на заседании диссертационного совета Д 212.162.03 в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу:
603600 Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.
2001г.
Автореферат разослан
Ученый секретарь диссертационного Н.М. Плотников кандидат технических наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Акт уальност ь Металлические тонкостенные конструкции в виде двутавровых балок со ставного и прокатного профилей в настоящее время находят широкое примене ние в строительстве. Практически повсеместно балки работают в условиях воз действия сосредоточенных (локальных) нагрузок. В сечениях под сосредото ченным грузом возникают сминающие напряжения, которые в совокупности с элементарными напряжениями решающим образом влияют на возможность потери устойчивости и прочности отдельными элементами балоч ной конструкции. Как правило, необходимость обеспечения устойчивости и прочности стенок балок приводит либо к созданию новой конструктивной либо к утолщению стенок, что ведёт к снижению эффективности вания металла.
Одним из возможных способов, повышающих эффективность использова ния материала в сплошных балках, является его пластической работы, так как известно, что предельное состояние по прочности достигается при возник новении и развитии пластических деформаций. Последние могут иметь место как в обычных, так и в подкрановых балках, применяемых под краны лёгкого и частично среднего режима работы, предназначенные для монтажа стационар ного оборудования, ремонтных и перегрузочных работ ограниченной интен сивности. Режим работы этих кранов характеризуется малым числом включе ний и незначительными скоростями передвижения механизмов. Балки под та кие краны по условиям работы практически не отличаются от обычных балок, воспринимающих статическую нагрузку, и проверки на выносливость не тре буют. В подобных балках от вертикальных, приложенных со значительным и боковых (горизонтальных) крановых нагрузок в сжатом поясе и на верхней кромке стенки возможно пластических деформа ций. Тогда несущая способность подобных балок будет определяться по пре дельной нагрузке, полученной при рассмотрении состояния сжа той зоны балки.
Цель работы и задачи исследования Рассмотренные выше вопросы определили цель диссертационной работы:
выполнить теоретические и экспериментальные исследования работы стальных двутавровых балок при воздействии локальной нагрузки за пределами сти и разработать практические методы их расчета.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
- провести анализ напряженно-деформированного состояния элементов сталь ных балок и при этом предельных состояний от воздействия локаль ной нагрузки;
разработать механизмы разрушения сжатых зон двутавровых балок при воз локальной нагрузки, приложенной как в плоскости стенки балки, эксцентриситетом та стальных балок при воздействии. А государственный университет - определить границу зоны пластических деформаций в элементах балки мето дом конечных элементов физической нелинейности материала;
выполнить экспериментальные исследования стальных балок при воздейст вии локальной нагрузки.
новизна - разработаны механизмы разрушения сжатых зон стальных двутавровых балок составного и прокатного профилей и методика их расчета при воздействии ло кальной нагрузки, приложенной в плоскости стенки балки;
- разработана методика расчета двутавровых балок при изгибе с кру чением, с учётом воздействия на них вертикальной и горизонтальной крановых нагрузок;
- исследовано напряженно-деформированное состояние экспериментальных балок на воздействие локальной нагрузки методом конечных элементов с уче том свойств материала;
экспериментально получены предельные нагрузки, форма и размеры пласти ческой области в места расположения пластических шарниров в полке для прокатных двутавровых балок с параллельными гранями полок.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается их хорошим соответствием с экспериментальными данными как автора, так и дру гих исследователей.
- для коротких балок, с соотношением высоты к пролету разрабо таны механизмы сжатой зоны, которые позволили определить пре дельные нагрузки как для балок, у которых устойчивость стенки так и для балок, у которых возможна бифуркация стенки;
- для практических расчетов балок с соотношением разработана ме тодика по определению допустимой нагрузки;
- получено выражение для определения предельной нагрузки и угла закручи вания балки при изгибе с кручением.
Реализ ация исследований Полученные результаты работы были использованы:
- при выполнении хоздоговорной работы № от 21 декабря 1998 Об следование состояния несущих конструкций разливочного пролёта в осях сталеплавильного цеха для ОАО металлургический завод;
- при выполнении госбюджетной работы № Применение математического моделирования и интеллектуальных систем для исследования процессов стабилизации конструкций, работающих в упругой и стадиях деформирования.
Результаты исследований докладывались на всероссийской конференции Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконст рукции (г. Чебоксары, 1997 г.), всероссийской конфе ренции Строительные (секция Металлические ции, г. Москва, 2000 научно-технической преподавательского докторантов, аспирантов и студентов, (Нижний На защиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований работы сталь ных двутавровых балок при воздействии местных нагрузок;
- данные экспериментального определения предельной нагрузки и соответст вующей ей границы зоны пластичности, с помощью метода оптически активных покрытий;
Х - практический способ определения допустимой нагрузки для балок при воз действии местной нагрузки.
Пу бл и и По теме диссертации опубликовано печатных работ. Основные положе ния опубликованы в журнале Известия вузов. Строительство.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выво дов, списка литературы и приложений общим объёмом 144 страницы, в число которых входит: страниц машинописного текста, 39 рисунков, 24 таблицы, список литературы на страницах, включающий 124 наименования, и 3 при ложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во обосновывается актуальность темы определя ются цели работы и указана научная новизна.
В первой главе дан обзор работ, посвященных вопросам, рассматривае мым в диссертации. Рассмотрены особенности определения деформированного состояния в элементах стальных двутавровых балок при воздействии локальных нагрузок.
В литературе, как отечественной, так и зарубежной, опубликован ряд работ по учету влияния пластических деформаций на несущую способность балок. Их авторы, среди которых А.Р. А.И.
М.Д. С.А. Ф. Мази, М. Хорн и др., имея в практическую направленность задачи, в предельном состоянии в опасном сечении балки предлагают зависимость между изгибающим моментом и попе речной силой. Решения этих авторов учитывают нормальную и ную компоненты напряжений. Влияние всех трех компонент сложного на пряженного состояния учтено в работах Б.Б. Лампси и Проведён анализ действительной работы двутавровых балок, находящихся под воздействием локальных нагрузок. Рассмотрены особенности определения состояния в элементах стальных балок, под верженных этим силовым воздействиям. В местах приложения таких нагрузок, при учёте всех видов силовых воздействий в стенке балки, возникает сложное напряжённое состояние, которое существенно может повлиять на несущую способность тонкостенного стержня. При этом значительную часть суммарного поля напряжений составляют местные напряжения. Распределение местных на пряжений, состоящее в пиковом увеличении напряжений в близких к загру женному поясу областях стенки и возрастании здесь же касательных напряже ний, дает основание полагать, что в балках, рассчитанных в соответствии с дей ствующими в предположении упругой работы, в действительности в верхней зоне стенки могут образовываться пластические области.
Анализ экспериментальных результатов показал, что все приближенные методики расчёта двутавровых балок на прочность дают, по сравнению с периментом, завышение несущей способности, которое тем больше, чем короче балка. При этом за предельное условие принималось состояние образования шарнира пластичности в стенке, без учёта при этом напряженного состояния поясов. Из экспериментальных исследований видно, что при исчерпании несу щей способности балок пластические деформации возникают на верхней кромке стенки и в сжатом поясе. Поэтому в предельном состоянии не обходимо учитывать работу сжатого в котором образуются шарниры пластичности. Определение несущей способности балок, основанное на методике предельных состояний, учитывающей пластические деформации, позволит для них значительную экономию стали.
Далее на основании экспериментальных данных как зарубежных (Берг Роки, и др.), так и отечественных (B.C. Н.Ю. А.И. А.И. Кузин и др.) лей приняты предпосылки для дальнейших теоретических расчетов.
Во второй главе предлагается механизм разрушения сжатых зон стальных двутавровых балок при воздействии локальных нагрузок, приложенных в плос кости стенки. для прокатных и сварных у которых устойчивость стенки обеспечена, на момент достижения нагрузкой предельной величины в местах значительного изгиба верхнего сжатого пояса появляются пластические деформации (шарниры пластичности). Пояс прогибается за счет образования на верхней сжатой кромке стенки пластических деформаций. В связи с этим для сжатой зоны можно следующий механизм разрушения (рис. 1, а).
разрушения сжатой зоны двутавровых балок Х в плоскости стенки:
а) балки, которых устойчивость стенки обеспечена;
б) балки, у которых возможна бифуркация стенки Согласно принципу возможных перемещений имеем. Х т,
Работа, совершаемая внешними силами на бесконечно малом возможном перемещении 5, равна = (2) Работа внутренних сил складывается из работы, совершаемой предельны ми моментами полки и усилиями на верхней кромке стенки.
Предельные моменты в полке совершают работу на угловой деформации у = полученной в результате дифференцирования уравнения изогнутой оси консольной балки Ч Х на участке Тогда работа предельных моментов в полке равна (3) ' где 2 - количество пластических шарниров в полке;
- пластический момент сопротивления верхнего пояса;
- предел текучести материала полки.
Работа, совершаемая усилиями на верхней кромке стенки с учётом криво линейной деформации полки на участке равна (4) где - предел текучести материала с - условная длина распределенной нагрузки, принимаемая в зависи мости от условий После подстановки выражений (2), (3) и (4) в формулу имеем ' ' (5) 5Р (6) Величину р находим из условия (7) Тогда ' (*) А.И. проводил испытания четырёх крупноразмерных моделей сварных двутавровых балок симметричного Испытания проводились по схеме на поперечный изгиб сосредоточенной силой, женной в середине пролёта при шарнирном опирании балок на Переда ча нагрузки от плиты пресса осуществлялась через стальной брус сечением 50x50 мм на всю ширину пояса. Для этих балок по формуле (6) были вычисле ны величины предельных нагрузок. Результаты расчета и сравнение с экспери ментальными данными приведены в табл. Как видно из таблицы, предельная нагрузка, полученная теоретически, с точки зрения инженерной практики, до вольно хорошо согласуется с экспериментальными данными. Разница между теорией и экспериментом составляет от - 8,7% до - 22,3%.
Результаты расчёта экспериментальных балок р Марка с, м "о балки 224,1 353,5 2294,8 0,0537 0,082 563,3 725,0 1, К-2 224,8 347,0 ' 2301,9 0,0543 0,082 555,8 682,0 1, 225,8 350,1 2312,2 0,0542 0,082 560,2 614,0 1, 219,3 343,4 2245,6 0,0539 0,082 548,2 620, 1. На основании экспериментальных данных B.C. С.Г. Юднико ва, для сварных двутавровых балок составного сечения, у которых возможна Ч А потеря устойчивости стенки, с условной гибкостью t, V момент достижения сосредоточенной силой предельной величины происходит выпучивание стенки, а напряжения в поясах и на верхней сжатой стенки достигают предела текучести. Поэтому в таких балках принимается следующий механизм разрушения (рис. б).
Согласно принятому механизму наряду с работой предельных моментов в полке следует учесть работу, совершаемую предельными моментами в стенке на участке Тогда имеем...
+ (9) где М, 4 - количество шарниров в стенке;
86 - приращение угла возникшее из-за бесконечно малого 2acos вертикального перемещения 8 пояса.
После подстановки имеем (10) Из формулы = + О определяем предельную нагрузку Величину р в первом приближении находим из условия = Тогда (13) мм, Однако в формулах (12) и (13) есть две неизвестные величины:
Глубину пластических деформаций 2а предлагается определять по эмпи рической формуле, полученной на основании анализа результатов испытаний проведённых B.C. Ширмановым, А.И. Кузиным, И.В. Пестряковым, а также ав тором. ;
..
где а - расстояние меду рёбрами жёсткости, м;
Л, и - высота и толщина стенки балки соответственно, м;
0,0005 - в о" и - в Угол поворота оси стенки балки в определяется из условия равенства вер тикальной деформации стенки и полки = Тогда получаем (15) Для определения угла строится таблица зависимостей значении от (1 - sin в) изменения в от 0 до 89.
По формуле (12) была определена теоретическая предельная нагрузка для экспериментальных балок B.C. Ширманова (Б-1 и С.Г.
(Б -2 Б -5). Результаты расчета и сравнения приведены в табл.
Результаты расчёта и сравнения балок Марка с, в балки м м м Нм Нм кН Б-1 9388 4989 0,132 0,375 0,151 487,0 444 0, Б-2 9388 4989 0,288 0,132 569,0 520 0, Б-3 12276 2806 0,2 0,216 0,186 535,0 2806 0,2 0,360 394,6 72314 4160 0,36 0,57 Б'-З 73039 4160 0,36 0,5 0,57 593 1, 72232 4073 0,36 0,57 584 570 0, 0, Б'-5 73139 6345 0,336 0,5 0,57 788 1040 1, Как видно из таблицы, теоретическая нагрузка, полученная по этой фор муле, хорошо согласуется с экспериментальными данными. Разница между теорией и экспериментом составила от - 24,2% до + Сравнение полученных теоретически и экспериментально, пока зывает, что проведённые исследования по определению предельной нагрузки [формулы (6) и подтверждают экспериментальные данные для балок с от пролётом Н > Однако в практике используются балки с соотношением В таких балках неизбежно возникновение нор мальных напряжений от поперечного изгиба, которые в совокупности с мест ными напряжениями в сечении, находящемся непосредственно под нагрузкой, приведут к значительно более раннему выходу конструкции из работы. В этом случае предельная нагрузка будет значительно меньше, чем предельная нагруз ка, определяемая по формулам (6) или (12). В связи с этим предлагается мето которая позволяет выполнять расчет балок с соотношениями Известно, что в случае идеально пластического материала несущую собность сечения при поперечном изгибе можно приближенно подсчитать по эллиптической формуле + Х где и б - расчетные усилия;
- предельный изгибающий момент при отсутствии поперечной си лы (случай чистого изгиба);
- предельная поперечная сила при отсутствии изгибающего момента (случай чистого среза).
Тогда для экспериментальных балок находим зависимость вида где - максимальное нормальное напряжение, полученное от в наи более нагруженном балки.
На основании выражения (17) получаем допустимую нагрузку 08) Однако формула (18) дает резкое занижение предельной нагрузки по сравнению с экспериментальной при отношении 0,7. В этом случае эффициент * предлагается принимать равным 0,7 (рис. 2).
Таким образом, расчет стальных балок при воздействии местной нагрузки следует выполнять по формуле 09) Рр - расчетная местная нагрузка.
1 г* f t Т 4 л о 4 J Р т с \ О \ Л 0 О ОД 0,3 0,4 0,7 1,3 1, Рис. 2. График определения нижней границы допустимой нагрузки: Х Х ХХ Х - данные Х - данные - данные А,И Колесова;
о - данные A.M. - Тогда на основании предложенной методики расчет балок на следует выполнять в следующем порядке:
- компонуется поперечное сечение балки обычным методом;
- выполняется проверка нормальных напряжений определяется предельная (12);
- находится допустимая нагрузка Р по формуле (18);
- выполняется сравнение расчетной нагрузки с допустимой по формуле По предлагаемой методике была определена величина предельно мой нагрузки для экспериментальных двутавровых балок Колесова B.C. Ширманова (Б*-2 а также tf-8).
В табл. 3 приведены результаты расчёта и допустимых теорети ческих нагрузок с экспериментальными и полученными по форму расчёта допустимой нагрузки Автор Марка Предельная Предельная k Допустимая Предельная балки эксперимен- теоретичес- нагрузка нагрузка по тальная кая нагрузка, нагрузка, Р > * Ч кН кН 1/3 725,0 563,3 0,7 394, АИ. К-2 682,0 555,8 0,7 389,1 310, К-3 1/5 614,0 560,2 0, 1/6 620,0 548,2 0,7 383,6 316, 1/4 444 487,0 0,8 389,6 375, ВС. Б-2 1/4 520 569,0 0,71 404,0 375, Б-3 1/4 480 535,0 0,704 376,6 312, Б-4 1/4 388 394,6 0,817 322,6 312, 1/6 600 580 0,7 406,0 399, С.Г. 1/6 720 593 415,1 404, 1/6 570 584 0,7 408,8 384, Б'-5 1/6 1040 788 0,7 551,6 530, 1/5 229,7 269,0 0,7 160,8 140, Б'-2 1/4 294,4 292,0 0,7 206,1 140, 1/5 287,1 279,0 0,7 201,0 136, А.М.
Б'-4 1/5 296,7 305,0 0,7 207,7 142, Б'-5 1/6 294,5 Х 230,0 0,7 206,2 135, 1/5 283,8 284,0 0,7 135, 1/3 538,0 0,785 362,6 207, Б'-8 1/2,5 277,4 278,0 0,885 245,6 132, В третьей главе предложены механизмы разрушения сжатых зон сталь ных двутавровых балок в случае, когда локальная нагрузка приложена с экс центриситетом относительно плоскости стенки. При эксцентрично приложен на верхний пояс балки, наряду с вертикальной сосредоточенной силой, действует крутящий момент = где е - эксцентриситет. А в случае подкрановых балок к вертикальным усилиям, действующим на верхний пояс, добавляется крутящий момент от поперечной горизонтальной нагрузки вы званной перекосами мостового крана и крановых (рис. 3, а).
Тогда с учётом горизонтальной расчётной нагрузки местный крутящий определяется по формуле = (20) где = - горизонтальная нагрузка;
. высота кранового рельса.
Для определения предельной нагрузки для балок, у которых устойчи вость стенки с учётом местного кручения сжатого также ис пользуется принцип возможных перемещений шарниры пластичности Рис. Работа подкрановой балки при изгибе с а) усилия, действующие на верхний пояс;
б) механизм разрушения балок, у которых возможна потеря устойчивости стенки Работа внешних сил, совершаемая на малом линейном 8 и уг ловом 56 перемещениях, имеет вид (21) Приращение угла поворота 6 равно.
(22) Работу, совершаемую предельными моментами в полке, находим по фор муле (3), а работу усилий на верхней кромке стенки - по формуле (4).
После подстановки в формулу (1) имеем sin Для балок, у которых возможна бифуркация стенки, следует дополнитель учесть работу, совершаемую предельными моментами в стенке (рис. 3, б).
Тогда имеем (24) 3 - количество пластических шарниров в стенке.
Из условия (9) определяем предельную нагрузку 5р J" Однако в выражениях предельной нагрузки [см. формулы (23) и ются три а именно: a, p и Глубина пластических деформаций определяется по формуле (14).
Длина р для балок, у которых устойчивость стенки в первом при ближении находится из выражения (8), для у которых возможна кация стенки, - из выражения (13).
Угол закручивания верхнего пояса балки в обоих случаях находится из условия совместной деформации полки и стенки = При этом рассматри вается консольный участок балки длиной (рис. 1 а), который находится под воздействием сосредоточенной силы P = я под воздействием момента Вертикальная деформация стенки равна (26) а вертикальная деформация пояса = + Д* (где - вертикальная деформа ция пояса при изгибе, Л* - вертикальная деформация пояса при кручении) оп ределяется по теореме где - потенциальная энергия пояса при изгибе с кручением.
Вертикальная деформация полки от изгиба имеет вид (28) ' Вертикальная деформация пояса при кручении равна где т" - предел текучести материала стенки балки;
- статический момент;
- расстояние между центрами тяжести поясов.
Подставляя и в выражение вертикальной деформации пояса при вместном действии изгиба и кручения, получаем (30) 2ES, Согласно условию ДД = имеем 1 + (3D откуда (32) ' I Г / Длину 0 в первом приближении вычисляем из условия = 0, где находится по формулам (6) или (12). Глубина пластических деформаций оп ределяется по формуле При проведении экспериментальных исследований на двутавровых катных балках № 20Б1 по СТО АСЧМ 20-93 одна из них была испытана на приложенную нагрузку. На данную балку в середине пролёта была приложена сила Нагрузка передавалась через квадратную полосу с длиной стороны 22 мм, расположен ную вдоль оси балки. Величина угла закручивания, вычисленного по формуле (32), составила, а величина предельной нагрузки При балка выдержала нагрузку = 269 кН.
В четвёртой главе исследуется напряженно-деформированное состояние (НДС) в стенках балок методом конечных элементов (МКЭ) при помощи Лира 5-03. Главной задачей расчета по МКЭ являлось получение пластической области в верхней сжатой зоне стенки балки. При расчёте балок в качестве элементарной ячейки был использован прямоугольный конечный эле мент размером 20x20 мм для балок и 31x31 мм для балки пред для определения состояния пря моугольных в плане оболочек. Численные методы, в частности расчёт МКЭ по ППП Лира 5-03, позволяют учитывать криволинейную работы стали при работе конструкции в области. Поэтому при расчёте двутавровой балки МКЭ была использована экспоненциальная зависи мость между напряжениями и деформациями.
На рис. 4 показана выбранная расчётная схема для экспериментальной двутавровой балки Б -3, а на 5 - её на конечные элементы (ячей ки). По результатам расчета стенках получены поля напряжений Ha рис. 6 показаны поля приведённых напряжений в стен ке балки при = 338 Каждому полю соответствует определённый диапа зон напряжений, показанный на шкале напряжений. Причём напряжение в нечном элементе соответствует напряжению в центре ячейки.
v Рис. 4. Расчётная схема балки а в в Х а а в в в Х Х а Х а а Х Х а в Х Х Х Х в в а в Х а Х в в в а в а в в в в в в в в Х с и R а ш а т a mm т a Х а в Х Х в в в в Х a Х в в в в в a в в в в в Х в в в в в в Х в в в в а в Х в в в в а в в Х а в<в в а в а а а и в в а Х в а в Х в а в в а а а в а в в в Х Х а в в Х Х в в ш а а в в в в в в в в Рис. 5. Разбивка балки на конечные элементы ' Х Рис. 6. Приведённые напряжения Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию работы стальных двутавровых балок при воздействии локальных нагрузок. Целью про водимого эксперимента было подтверждение принятого механизма разрушения сжатых зон стальных двутавровых балок, получение опытных данных и срав нение их с теоретическими результатами. Экспериментом предусматривалось исследовать следующие основные - установить последовательность развития зоны пластических деформаций по высоте стенки в поперечных сечениях стальной двутавровой балки под сосре доточенным грузом по мере увеличения нагрузки;
- определить величину области стенки, охваченной пластическими деформа циями в момент потери балкой несущей способности;
- оценить влияние изменения величины относительного пролета и е на величину предельной нагрузки двутавровой балки;
- сравнить результаты эксперимента с теоретическими результатами и данны ми, положенными в основу статического расчета.
Экспериментальные исследования проводились на восьми двутавровых прокатных балках с параллельными гранями полок по СТО 20-93. Балки загружались по схеме на поперечный изгиб вертикальной со средоточенной силой, приложенной в середине пролёта при шарнирном нии балок на опорах. Передача нагрузки от плиты гидравлического пресса типа осуществлялась через валик мм на квадратную су с длиной стороны 22 мм. Отсчёт брался по - тонной шкале с ценой деле ния, равной Семь балок (Б -8) были испытаны на воздействие средоточенной нагрузки, приложенной в плоскости стенки, а балка - на средоточенную нагрузку, приложенную с эксцентриситетом е = 3,125 мм.
балок осуществлялось до потери несущей способности, рая характеризуется тем, что нагрузка достигает максимума и дальнейшее увеличение сопровождается ростом деформаций. Для наблюдения за образова нием и развитием зоны пластических деформаций в стенке балки на моделях использовались пластины из оптически активного риала с низким модулем упругости. Кроме того, зона пластичности оп ределялась по степени отражения света от предварительно отполированной верхности стенки балки. Процесс появления и развития области пластических деформаций фиксировался видео - и фотоаппаратурой. Это позволило дать кинетику развития пластической области по мере увеличении нагрузки от нуля до предельной. Во время испытаний регистрировались показания ров с интервалом изменения нагрузки кН в процессе упругой работы стенки балки и с интервалом 0,2 кН с момента начала пластических деформаций. Ре зультаты эксперимента - величина предельной нагрузки, размеры области пла стических деформаций и их сравнение с теоретическими результатами расчета и данными расчёта на ЭВМ для каждой балки - приведены соответственно в табл. и 5.
Таблица расчета и сравнения области 2а Марка Данные рас- Экспери балки ские чёта на ЭВМ ментальные ф.(24) мм Б'-1 1/5 83,8 114,0 89,4 1, Б'-2 1/4 84,5 96,0 1, 86, Б'-З 1/5 81,1 96,7 1,19 1, 104, 1/5 85,6 98, Б'-5 1/6 85,3 76,8 79,6 1, 1/5 81,4 76,0 93,6 1, 107,0 1, 1/3 87,7 100,. 98,7 96,0. 1, Результаты расчёта и сравнения протяжённости пластической области 2Р I с Марка Теоретические Данные расчё (20 + балки та на ЭВМ по тальные дан + + ные (2р + (2Р + Б'-1 1/5 150,5 180 155 1, Б'-2 1/4 150,2 140 180 1,07 1, Б'-З 1/5 152,7 130 155 1,02 1, Б-4 1/5 148,9 120 150 1,01 1, Б'-5 1/6 149,1 100 140.0, 1/5 150,9 130 154,1,02 1, Б'-7 1/3 198,9 200 250. 1, 1/2,5 163,6 125 ПО 1,36.
В табл. 3 приведены сравнения величины предельной нагрузки, полученной теоретически: предлагаемой методике по методике и экспериментально Как видно из этой таблицы, предельная нагрузка, полученная по формуле (6), с точки зрения инженерной практики довольно хорошо согласуется с экспериментальными данными. Разница между теорией и экспериментом составила от - 14,6% до + 21,9%. Сравнение же на грузок полученных по нормам, с данными показывает значительное занижение несущей способности двутавровых балок.
В табл. 4 и 5 значения области пластических маций в стенке двутавровой балки, предлагаемому механизму разрушения, по расчёту на ЭВМ, и их сравнение с экспериментальными дан ными. Результаты сравнения показывают, что расчет размеров зоны сти МКЭ даёт неплохое совпадение с эксперимента. Отклонения от эксперимента при определении глубины и протяженности с стической области в стенке балки составили от - до + и от - 26,5% до + 13,9% соответственно. Теоретические данные, полученные по предлагае мому механизму разрушения, с точки зрения инженерной практики хорошо гласуются с экспериментом. Разница по глубине 2а составила от - 18,0% до + 6,7% и по протяжённости + с от - 20,4% до + 6,1%.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что предельное состояние по прочности принципиально не может быть достигнуто в упругой стадии работы конструкции. Однако методами рас чета на прочность тонкостенных конструкций при воздействии локальных на грузок развитие пластических деформаций в должной мере не учитывается.
2. Установлено, что в балках с соотношением высоты к пролету > при достижении местной нагрузкой предельной величины в сжатой зоне стенки образуются пластические деформации, а в верхнем поясе - шарниры пластич ности, хотя согласно существующему научному положению предельное со стояние двутавровой балки равносильно образованию пластического шарнира в стенке.
3. Разработаны механизмы разрушения сжатой зоны стальных вых балок прокатного и составного профилей при локальной нагрузке, прило женной в плоскости стенки. При этом предельная нагрузка определялась как для балок, у которых устойчивость стенки обеспечена, так и для балок, у рых возможна стенки. Получены также механизмы разрушения сжатой зоны подкрановых балок при изгибе с кручением от воздействия верти кальной и горизонтальной крановых нагрузок. Предлагаемые механизмы раз рушения позволяют учесть развитие пластических деформаций в местах ложения сосредоточенных нагрузок.
4. Предельная полученная по предлагаемым методикам, хорошо согласуется с предельными нагрузками экспериментальных балок, испытанных различными авторами. Так, разница в результатах для двенадцати сварных ба лок составила от - 24,2% до + 5. Получены результаты по предельным нагрузкам для 8 эксперименталь ных балок, испытанных автором. При этом разница между экспериментальны ми и теоретическими при нагрузке, в плоскости стенки, для семи прокатных балок составила от - до При грузке, приложенной с эксцентриситетом, эта разница составила 6. Для балок, применяемых в практике строительства = разработана методика определения допустимой нагрузки. Полученная методика расчета позволяет допускать большую нагрузку на двутавровые балки при действии локальных чем существующие нормы расчета. Так, для сварных балок (см. табл. 3) допустимая нагрузка была на выше на грузки, полученной по нормам.
7. Численные исследования НДС в элементах балки методом конечных элементов с учетом физической нелинейности материала позволили определить границу зоны пластических деформаций на верхней сжатой части стенки, дать оценку напряжённого состояния всей балки. Отклонения от эксперимента определении 2а и протяжённости области в стенке балки составили от - до + 21,5% и от - 26,5% до + соответ ственно.
Основные положения диссертации изложены в печатных Ковлягин A.M. К вопросу несущей способности стальных подкрановых балок / B.C. A.M. Ковлягин, П.А. // Новое в архитек турном проектировании строительных конструкций и реконструкции: Тез.
докл. конф. - Чебоксары, 1997. - С. 12.
2. Ковлягин A.M. Несущая способность сжатой зоны стальной балки при воздействии локальной нагрузки / B.C. Ширманов, A.M. Ковлягин // Труды ас пирантов / - 1998. - Сб. №3. 3. Ковлягин A.M. Практический метод расчёта стальных балок при воздей ствии местной нагрузки / B.C. Ширманов, A.M. Ковлягин, И.В. Пестряков, // Известия ВУЗов. Строительство. - 1998. - № 7. 4. Ковлягин AM. Предельное состояние стальных балок при ченных нагрузках B.C. Ширманов, A.M. Ковлягин, А.А. Макарсков // Известия ВУЗов. Строительство. - № 9. - 126-127.
5. Ковлягин A.M. Несущая сжатой зоны стальной балки при воздействии распределенной местной нагрузки / B.C. Ширманов, В.А. Жданов, А.М. Ковлягин, Шехоботкин // Известия ВУЗов. Строительство. - 1999.
6. Ковлягин A.M. Определение угла закручивания полки двутавровой бал ки при с кручением / B.C. Ширманов, A.M. Ковлягин, А.А. Макарсков // Вестник регионального рос. акад. архитектуры и - Новгород, 2000. - Вып. 4. 7. Ковлягин A.M. Предельная нагрузка для подкрановых балок с возмож ной потерей устойчивости стенки / B.C. Ширманов, A.M. Ковлягин, А.А. Ма карсков // Строительство и архитектура: Сб. науч. работ и ектов студентов региона, отмеченных на всерос. и региональных конкурсах. Н.Новгород, 2000. - С. 32-35.
8. Ковлягин А.М. Предельная нагрузка для двутавровых балок, у которых возможна потеря устойчивости стенки B.C. Ширманов, A.M. Ковлягин // хитектура и конф.
преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов.
- Н.Новгород, 2000. - - С 32-34.
9. Ковлягин A.M. Несущая способность балок при воздействии местной нагрузки / AM. Ковлягин, Н.Ю. Трянина // Строительный Тез. докл. - Н. Новгород, 1998. - - С.28-29.
10. Ковлягин Определение предельной нагрузки для двутавровой балки при изгибе / A.M. Ковлягин, А. Макарсков // Сб. всерос. конф.
- М., 2000. - - С.
Ковлягин А.М. Определение границы зоны пластичности до потери ус тойчивости стенки / Л.Н. Крамарев, Ковлягин // Строительство и архитек тура: Сб. аннот. науч. работ и дипломных проектов студентов отме ченных на и региональных конкурсах. - Н. Новгород, 2000. С. 14-16.
12. Ковлягин AM. Зона пластических деформаций в стенке балки при воз действии сосредоточенной нагрузки / A.M. Ковлягин // Архитектура и строи тельство-2000: Науч.-технич. конф. профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов. - 2000. - - С. 26-27.
Подписано в печать 20.04.01. Формат Бумага газетная. Печать трафаретная. Объём 1 л.
Тираж Заказ № Полиграфический Нижегородского государственного архитектурно-строительного 603600, Н.Новгород, Ильинская, 65.