CC BY
101
УДК 624.01 Алехин В. Н. Коковихин И. Ю. Ушаков О. Ю.
Анализ НДС фрагмента рамы
при регулировании усилий в узлах
Алехин
Владимир Николаевич
канд. техн. наук, доцент декан строительного факультета УрФУ, советник РААСН, академик Нью-Йоркской академии наук, член-корр. Экологической академии наук Е-mail: [email protected]
Коковихин Иван Юрьевич
аспирант УрФУ E-mail: [email protected]
Ушаков Олег Юрьевич
аспирант УрФУ
E-mail:ushakovoleg@
yandex.ru
Статья посвящена вопросу регулирования усилий в узлах соединения ригеля с наружными колоннами в металлических многоярусных однопролетных рамах. Представлено новое техническое решение по регулированию напряженно-деформированного состояния (НДС) в рамах и произведена оценка полученных решений с точки зрения экономии материала в ригелях рамы.
Ключевые слова: каркасы зданий, однопролетные рамы, рамный узел, напряженно-деформированное состояние, ригели рамы.
ALEKHIN V. N, KOKOVIKHIN I. Y., USHAKOV O. Y.
ANALYSIS OF STRESS-STRAIN STATE OF FRAME UNDER VARIATION OF FORCES IN THE GIRDER
Paper is devoted to variation of forces in the beam-column connection in the multistorey single-span steel frames. New technical solution for the variation of stress-strain state in frames and evaluation of solutions in terms of saving material in the girders of the frame are presented.
Keywords: skeletons of buildings, single-span steel frames, frame knot, stress-strain state in frames, girders ofthe frame.
Металлические многоярусные однопролетные рамы являются составной частью каркасов здания, воспринимающей и передающей на фундамент вертикальные и горизонтальные нагрузки. Одним из направлений снижения расхода материала на элементы рамных конструкций является регулирование их НДС. Примеры регулирования усилий в строительных конструкциях металлических многоярусных однопролетных рам приведены в работах [1, 2]. При регулировании усилий в узлах рам снижение материалоемкости может составлять до 10-15 % за счет выравнивания значений изгибающих моментов в сечениях рам и уменьшения прогиба ригеля.
Для повышения прочности и жесткости элементов каркаса металлической многоярусной однопролетной рамы, а также снижения металлоемкости и упрощения монтажа за счет возможности регулирования усилий в элементах рамы предлагается усовершенствованная конструкция узла соединения ригеля с наружными колоннами в многоярусной раме [3].
На рис. 1, 2 изображена конструкция рамного узла соединения ригеля с крайней колонной в многоярусной раме. Узел содержит жестко соединенные между собой двутаврового сечения крайнюю колонну (1) и ригель (2), включает
стенку и полки, упорные детали (5) и высокопрочные напрягаемые элементы (6). Криволинейная часть каждого высокопрочного элемента размещена в канавке (11) соответствующего шкива (9). Высокопрочные элементы (6) выполнены из стального каната диаметром d без пеньки в жилах. По концам стального вала (7) установлены дополнительные опорные детали, закрепленные к полкам колонны и горизонтальным ребрам жесткости. Канавки ободов колес канатных шкивов выполнены с шириной, превышающей два диаметра d стального каната. Высокопрочные элементы (6) подвергаются натяжению в опорных деталях, расположенных либо в колонне (1), либо в ригеле (2) рамы. На участке стенки под верхней полкой (4) ригеля, на расстоянии от колонны, равном не менее высоты ригеля, установлен стальной вал (7), на котором размещены со свободой вращения вертикальные колеса (9) с ободами (10). На участке над нижней полкой ригеля установлен дополнительный вал, на котором по обе стороны от стенки ригеля размещены со свободой вращения вертикальные колеса канатных блоков с ободами.
Регулирование усилий в раме [3] достигается за счет того, что:
• стенка колонны на участке сопряжения с ригелем снабжена горизонтальным жестко ус-
Строительные науки
тановленным стальным валом, на котором по обе стороны от стенки колонны размещены со свободой вращения центральные втулки вертикальных колес, не менее двух канатных шкивов с каждой стороны с ободами, имеющими с внешней стороны канавки, в которых размещены высокопрочные напрягаемые элементы. При этом последние выполнены из гибкой высокопрочной проволоки непрерывной длины, состоящей из горизонтальной, криволинейной и вертикальных частей, с анкерами стаканного типа по концам, которые закреплены в упорных деталях, причем криволинейная часть каждого высокопрочного элемента размещена в канавке соответствующего шкива;
высокопрочные элементы выполнены из стального каната диаметром й без пеньки в жилах; по концам стального вала установлены дополнительные опорные детали, закрепленные к полкам колонны и горизонтальным ребрам жесткости;
канавки ободов колес канатных шкивов, в которых размещены криволинейные части высокопрочных напрягаемых элементов, имеющих вертикальные части, расположенные в верхней части примыкающей колонны, выполнены с шириной, превышающей два диаметра й стального каната; высокопрочные элементы подвергаются натяжению в опорных деталях, расположенных либо в колонне, либо в ригеле рамы; на участке стенки под верхней полкой ригеля на расстоянии от колонны, равном высоте ригеля, установлен стальной вал, на котором по обе стороны от стенки ригеля размещены со свободой вращения вертикальные колеса канатных блоков с ободами, имеющими наружные канавки для размещения соответствующих напрягающих элементов, длины которых имеют дополнительные наклонные части, по концам которых установлены анкера стаканного типа и закреплены в упорных деталях, расположенных около нижних полок ригеля;
на участке над нижней полкой ригеля на расстоянии, равном двойной высоте ригеля в нижней зоне ригеля, установлен дополнительный стальной вал, на котором по обе стороны от стенки ригеля размещены со свободой вращения
Рисунок 1. Боковой вид конструкции рамного узла соединения ригеля с крайней колонной в многоярусной раме
вертикальные колеса канатных блоков с ободами, имеющими наружные канавки для размещения соответствующих напрягающих элементов, длина которых имеет дополнительную горизонтальную часть, расположенную в уровне нижней полки ригеля. При этом длина гибких высокопрочных напрягаемых элементов, проходящих через установленные блоки, является непрерывной, а натяжение этих элементов выполняется с последующим закреплением концов на крайних колоннах многоярусной рамы.
Для оценки предложенного технического решения по регулированию усилий в узлах были выполнены расчеты по методике, изложенной в работах [1, 2]. Расчеты выполнены в программно-вычислительном комплексе Lira 9.6 R3. Расчетная схема фрагмента рамы при действии усилий регулирования представлена на рис. 3а, при действии внешней нагрузки - на рис. 3б, при совместном действии усилий регулирования и внешней нагрузки - на рис. 3в.
Мозаика перемещений по оси Z (прогибы) приведена при действии усилий регулирования - на рис. 4а, при действии внешней нагрузки - на рис. 4б, при совместном действии усилий регулирования и внешней нагрузки - на рис. 4. Эпюры изгибающих моментов в ригеле представлены при действии усилий регулирования - на рис. 5, при действии внешней нагрузки - на рис. 6, при совместном действии усилий регулирования и внешней нагрузки - на рис. 7.
Рисунок 2. Варианты выполнения натяжения в ригеле
Заключение:
При регулировании усилий в узлах металлических многоярусных однопролетных рам по техническому решению [1] снижение значений изгибающих моментов в сечениях ригеля и колонн может составлять до 20-35 %. При этом достигается выравнивание значений изгибающих моментов в сечениях рамы, а также снижается примерно в 1,5-2 раза прогиб ригеля.
Список использованной литературы
1 Алехин В. Н., Коковихин И. Ю. Численный анализ напряженно-деформированного состояния многоярусной однопролетной рамы // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2009. № 3. С. 77-79.
2 Алехин В. Н., Коковихин И. Ю. К расчету ригелей в металлических многоярусных однопролетных рамах с учетом регулирования усилий // Вестник ТГАСУ. 2010. № 2.
3 Алехин В. Н., Иванов Г. П., Коковихин И. Ю. Рамный узел соединения ригеля с крайней колонной в многоярусной раме. Патент РФ на полезную модель № 94997. Опубликовано: 10.06.2010. Бюллетень № 16.
Рисунок 3. Расчетные схемы фрагмента рамы при регулировании усилий в узлах рамы
Рисунок 4. Мозаика перемещений по оси Z (прогибы), значения в мм
Рисунок 5. Эпюра изгибающих моментов в ригеле при действии усилий регулирования (значения в т х м)
Рисунок 6. Эпюра изгибающих моментов в ригеле при действии внешней нагрузки (значения в т х м)
Рисунок 7. Эпюра изгибающих моментов в ригеле при совместном действии усилий регулирования и внешней нагрузки (значения в т х м)
