×

Вы используете устаревший браузер Internet Explorer. Некоторые функции сайта им не поддерживаются.

Рекомендуем установить один из следующих браузеров: Firefox, Opera или Chrome.

Контактная информация

+7-863-218-40-00 доб.200-80
ivdon@ivdon.ru

Исследования сжатых перфорированных стоек и совершенствование их конструктивной формы

Аннотация

Н.А. Бузало, П.П. Гайджуров, А.Г. Кожихов

Данная работа посвящена актуальной проблеме инженерно-прикладных исследований - ресурсосбережению и имеет непосредственное практическое значение для строительной отрасли и экономики Ростовской области.
Ключевые слова: перфорированные стержни, строительные элементы, преимущества, технология, сжатые перфорированные стойки, численные исследования, экспериментальные исследования, новые конструктивные формы. № гос. регистрации 0420900096\0015

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

1. Применение, достоинства перфорированных стержней

Перфорированные стержни заслуженно получили широкое распространение, как в нашей стране, так и за рубежом. Благодаря своим достоинствам, они уже не одно десятилетие успешно применяются в промышленном, гражданском, сельскохозяйственном, транспортном, шахтном строительстве, мосто-, машино-, судо-, авиастроении и даже в космических сооружениях.
Перфорированные стержни в строительстве применяются в качестве колонн и стоек, балок покрытия и перекрытия, кран-балок, арок, элементов ферм, складчатых и пространственных систем, прогонов и т.д (рис. 1). Перфорированные стержни обладают многими достоинствами – легкостью, экономичностью, повышенной жесткостью и несущей способностью, технологичностью изготовления, транспортабельностью, хорошими эксплуатационными качествами.

 


а) Мост через р. Делавер (США)

б) Балка покрытия из перфорированного двутавра


в) Конструктивные формы
сооружений из перфорированных профилей

Рис. 1. Примеры применения перфорированных стержней

По сравнению с прокатными профилями снижение металлоемкости в перфорированных стержнях достигает 20-30%, а стоимости - на 10-18%. Трудоемкость изготовления  перфорированных двутавров на 25-35% ниже, чем составных сварных. Перфорация обеспечивает доступность для осмотра, окраски, установки диафрагм внутреннего пространства стержней с замкнутым контуром поперечного сечения. Применение гнутых перфорированных профилей проката позволяет снизить расход металла до 50%, ускорить сборку и монтаж, устранить сварочные работы при монтаже, снизить трудоемкость. Легкость и транспортабельность делает их очень удобными при строительстве в труднодоступных районах, а также для сборно-разборных и временных сооружений (опоры систем освещения, связи и т.п.). Применение перфорированных стержней позволяет увеличить полезный объем здания, т.к. прокладку инженерных и технологических коммуникаций можно осуществить в строительных габаритах стержня. Покрытие из перфорированных балок уменьшает строительную высоту здания более чем на 1 м в сравнении с применением стропильных ферм, сокращая тем самым затраты на отопление, вентиляцию, освещение, стеновое ограждение.
Перфорированный двутавробразуется путем продольного роспуска стенки прокатного двутавра по зигзагообразной линии с последующей сваркой встык образовавшихся «половинок» по выступающим частям. В результате образуется балка с системой регулярно расположенных отверстий в стенке (рис. 2), у которой высота сечения увеличивается в 1,3-1,5 раза, момент инерции – в 1,5-2 раза, несущая способность повышается на 30-50% по сравнению со сплошным исходным профилем без дополнительного расхода материала.  


а

б

Рис. 2. а – схема роспуска исходного сплошного профиля;  
б – перфорированный двутавр

2. Технология изготовления перфорированных стержней

Технология изготовления зависит от многих факторов: конструктивного решения профиля (тип стержня, размеры и форма перфорации, номер исходного профиля), массовости изготовления, наличия материально-технической базы, конъюнктурных условий и др. 
Роспуск исходных профилей может осуществляться штамповкой, автоматической, полуавтоматической, ручной газовой, плазменной или лазерной резкой. Конвейерное производство штамповкой освоено в США. ЦНИИмонтажспецстроем разработана эффективная технология изготовления перфорированных профилей для строительных конструкций производительностью 45-50 тыс.м. профилей в год. Фирмой Litzka (Франция) разработана комплексная технология изготовления металлоконструкций из перфорированных стержней. Автоматизированы процессы роспуска, правки, сборки и сварки. Возможно изготовление стержней с постоянным, переменным, криволинейным очертанием поясов, с различными вставками, отгибами, сложной конфигурации.
Нами была изготовлена партия перфорированных двутавровых стоек (рис.3) для проведения экспериментальных исследований. Роспуск был выполнен лазерной резкой.


а

б

в

Рис.3. а - половинки двутавров, полученные лазерной резкой; б – высокое качество поверхности реза лазерной резки;
в – процесс изготовления перфорированного двутавра

Лазерная резка имеет ряд преимуществ: высокую производительность и степень автоматизации процесса, точность, возможность раскроя по сложному криволинейному контуру, чистоту поверхности реза (рис.3б), не требующую последующей механической обработки под сварку и сборку, позволяет получать узкие разрезы с минимальной зоной термического влияния; возникают минимальные временные (в процессе резки) и остаточные (после остывания) деформации. Лазерный луч сравнительно прост и легок в управлении.
Нами был проведен анализ и обобщение опыта производства перфорированных стержней для более широкого внедрения их в практику [1].   

3. Численные и экспериментальные исследования сжатых перфорированных стоек      

На изучение сжатых перфорированных элементов направлено незначительное количество исследований. Авторами разработана классификация перфорированных стержней, выполнен комплекс расчетов внецентренно сжатых перфорированных двутавровых стоек с учетом геометрической и физической нелинейности в программных комплексах Structure CAD, Лира, CosmosWorks и Poligon методом конечных элементов [2, 3]. В расчетах использовались треугольные и четырехугольные конечные элементы оболочечного типа и пространственные изопараметрические конечные элементы (рис.4). В результате расчетов определены поля перемещений и напряжений, выполнено сравнение результатов численных и экспериментальных исследований, получены графики зависимостей перемещений и напряжений от величины нагрузки (рис. 5).

а

б

в

 

Рис. 4.
а - схема приложения нагрузки и опорных закреплений стойки;
б - схема из конечных элементов для расчета оболочек;
в - укрупненные фрагменты сеток оболочечных и пространственных конечных элементов

 

1

2

3

 

Рис. 5.
1 – изополя суммарных перемещений (расчет в SCAD);
2 – напряжения по Мизесу (расчет в Poligon);
3 - сравнение экспериментальных (а) и численных (б-г) данных

 

 

 

Рис. 6. Стенд для
испытаний
перфорированных стоек

Экспериментальные исследования сжатых перфорированных стоек были проведены с целью определения их несущей способности и напряженно-деформированного состояния. Испытательный стенд изображен на рис. 6. Для исследования напряженно-деформированного состояния использовалось современное тензометрическое оборудование (модуль Sigma USB) и программное обеспечение Zetlab. В результате получены значения величины несущей способности стоек, перемещений и напряжений.

 

4. Новые конструктивные формы перфорированных стоек

Совершенствование существующих и разработка новых конструктивных форм строительных конструкций – это одна из важнейших задач в области строительства, позволяющая снизить материалоемкость и стоимость конструкций, максимально использовать их несущую способность. Легкие металлические конструкции из перфорированных стержней соответствуют решению такой задачи.
К новым конструктивным решениям можно отнести двутветвевые колонны с ветвями из перфорированных двутавров, перфорированные стержни с гофрированными вставками и полосами, а также балки с шахматной (несимметричной) перфорацией. На все представленные ниже конструкции получены патенты на полезные модели [4-7].
Перфорированная двухветвевая стойка из развитых двутавров образована из двух перфорированных двутавров без вставок, соединенных в сечение замкнутого профиля с помощью перфорированных пластин или планочной решетки. Новшеством является применение перфорированных профилей взамен сплошных для ветвей стойки. В результате этой замены высота сечения увеличивается в 1,3-1,5 раза, повышается жесткость и несущая способность стойки (на 30-50%). Общий вид перфорированной двухветвевой стойки изображен на рис. 7. 
Дополнительного развития сечения, а, следовательно, увеличения жесткости и несущей способности можно добиться применением перфорированных двутавров с прямоугольными вставками в качестве ветвей. Общий вид перфорированной двухветвевой стойки из развитых двутавров с прямоугольными вставками изображен на рис. 8.
Проблему местной устойчивости стенок двутавров может решить применение гофрированных вставок в перфорированных профилях (рис. 9). 



Рис. 7. Перфорированная двухветвевая стойка из развитых двутавров
1, 2 – развитые двутавры; 3 – перфорированные пластины

Рис.8. Перфорированная двухветвевая стойка
из развитых двутавров с прямоугольными вставками
1 – развитые двутавры с прямоугольными вставками; 2 – перфорированные пластины


Рис. 9. Перфорированная двухветвевая стойка из развитых двутавров с гофрированными прямоугольными вставками
1 – развитые двутавры с гофрированными вставками; 2 – перфорированные пластины

На рис. 10 изображена перфорированная балка с шахматной (несимметричной) перфорацией с прямоугольными гофрированными вставками. Изготовление балок с шахматной перфорацией осуществляется путем продольного роспуска стенок прокатных балок по двум зигзагообразным линиям с последующей раздвижкой и сваркой выступающих частей. Высота балки в этом случае увеличивается до 1,8 раз. Применение в данной конструкции прямоугольных гофрированных вставок приводит к дополнительному увеличению высоты сечения, а, следовательно, жесткости и несущей способности, а также к повышению местной устойчивости стенки, т.к. отогнутые кромки вставок образуют локальные ребра жесткости в наиболее слабом участке перемычки между отверстиями. Радиус инерции сечения в самой опасной зоне возможной потери местной устойчивости значительно увеличивается. Гибкость стенки уменьшается, повышая запас устойчивости, определяющий несущую способность балки.


а

б

в

Рис. 10. Перфорированная балка с шахматной перфорацией с гофрированными вставками: а - схема разрезки исходного профиля; б - образовавшиеся в ходе резки части профиля;
в – балка с [ - образными вставками с поперечной ориентацией отогнутых в одну сторону кромок

Литература

    1.  Кожихов А.Г., Бузало Н.А., Гайджуров П.П. Совершенствование технологии изготовления стальных перфорированных стержней // Проблемы и перспективы развития жилищ-коммун. комплекса города: 6-я Междунар. науч.-практ. конф., г. Москва, 1-4 апр. 2008 г. - М., 2008. –Т.2. - С. 100-102.
    2. Гайджуров П.П., Кожихов А.Г. Конечно-элементный расчет стальной регулярно перфорированной двутавровой стойки // Строительная механика и расчет сооружений. – 2006. - №4. – С. 52-57.
     3. Кожихов А.Г. Численные и экспериментальные исследования работы внецентренно сжатых перфорированных стоек. // Вестник Волгоград. гос. архитектурно-строит. ун-та. Сер.: Строительство и архитектура. - 2008 – Вып. 10 (29) - с. 19-24.  
    4.  Пат. 66763 Рос. Федерация, МПК Е04С 3/32. Перфорированная двухветвевая стойка / Кожихов А.Г., Бузало Н.А; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ). - №2007111327/22; заявл. 27.03.2007; опубл. 27.09.2007, Бюл. №27.
    5.  Пат. 68551 Рос. Федерация, МПК Е04С 2/00. Перфорированная балка с гофрированными вставками / Кожихов А.Г., Бузало Н.А; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ). - №2007130208/22; заявл. 06.08.2007; опубл. 27.11.2007, Бюл. №33
    6.  Пат. 70527 Рос. Федерация, МПК Е04С 2/00. Перфорированная двухветвевая стойка со вставками / Кожихов А.Г., Бузало Н.А; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ). - №2007130232/22; заявл. 06.08.2007; опубл. 27.01.2008, Бюл. №3
    7.  Пат. 70911 Рос. Федерация, МПК Е04С 3/08. Перфорированная двухветвевая стойка с гофрированными вставками / Кожихов А.Г., Бузало Н.А., Гайджуров П.П; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ). - №2007130643/22; заявл. 10.08.2007; опубл. 20.02.2008, Бюл. №5