Оценка напряженно-деформированного состояния узлов металлических конструкций методом конечных элементов при динамических нагрузках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Алексеева Анастасия Сергеевна

• Алексеева Анастасия Сергеевна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Алексеева Анастасия Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УЗЛОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КАРКАСОВ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

1.1 Область применения металлических каркасов многоэтажных зданий

1.2. Типовые решения узлов металлических каркасных зданий

1.3. Конструктивные решения для сейсмических районов строительства

1.4. Зарубежная мировая практика

1.5 Методы расчета узлов металлических каркасных зданий

Глава 2 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ

2.1. Методы расчетов и исследования в области сейсмостойкости зданий

2.2. Методы численного моделирование сейсмических воздействий в проектировании

2.3. Методы экспериментальных исследований узлов стальных каркасов

Глава 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КАРКАСОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА

3.1 Цифровое моделирование узлов стальных каркасов с учетом неупругих деформаций стали

3.2 Выбор расчетной модели узла стального каркаса для последующего исследования

3.3 Создание модели узла жесткого соединения ригеля со стойкой

3.4 Моделирование болтов и контактных взаимодействий в CAE-сборке фланцевого соединения

3.5 Моделирование циклических и знакопеременных нагрузок на узловые соединения

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ ФЛАНЦЕВОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

4.1 Определение амплитудно-частотных характеристик землетрясений

4.2 Порядок проведения эксперимента

4.3 Результаты проведения эксперимента

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность избранной темы.

В соответствии с целями национального проекта «Жилье и городская среда» в Российской Федерации в рамках национальной цели «Комфортная и безопасная среда для жизни» планируется довести к 2030 г. объем жилищного строительства до 120 млн кв. м в год. Выполнение поставленной задачи с использованием текущих мощностей и технологий строительной индустрии вызывает затруднения. Возведение многоквартирных домов со стальным каркасом позволит расширить спектр используемых технологий для ускорения достижения поставленной государственной цели. Кроме того, применение стальных конструкций каркасов позволит загрузить имеющиеся свободные мощности заводов металлических конструкций (ЗМК).

Безопасное функционирование многоэтажных зданий со стальным каркасом, оценка их реакции на чрезвычайные ситуации требуют развития методов определения напряженно-деформированного состояния (НДС) и надежности конструктивных элементов и узлов зданий, глубокого и всестороннего изучения вопросов, связанных с их поведением при эксплуатации. Федеральный закон №2 384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» устанавливает комплекс требований, связанных с обеспечением механической безопасности зданий и сооружений на протяжении всего их жизненного цикла, что обосновывает переход от основополагающего критерия несущей способности конструкций к критерию безопасности для людей и окружающей среды.

Своевременное обнаружение негативных изменений НДС несущих металлических конструкций и их узлов при эксплуатации, в том числе при чрезвычайных ситуациях, особых и запроектных воздействиях, отвечает требованиям обеспечения механической безопасности зданий и сооружений.

Разработка и обоснование новых методик определения НДС элементов и узлов зданий со стальным каркасом, позволяющих обеспечить необходимый уровень безопасности, оценить надежность несущих элементов каркаса и узлов их соединения при сейсмических и других особых воздействиях является актуальной

3

научной задачей, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Обеспечение безаварийной эксплуатации проектируемых и существующих зданий и сооружений предполагает умение прогнозировать их поведение при изменении условий эксплуатации, в том числе и в чрезвычайных ситуациях при частичной потере несущей способности, а для этого требуются обоснованные методики определения НДС элементов и узлов каркаса.

В Российской Федерации на государственном уровне решением президиума Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России от 4 марта 2014 г. «О применении инновационных технологий в строительстве» было впервые поддержано поэтапное внедрение технологий информационного моделирования в области промышленного и гражданского строительства. Составной частью таких технологий является обеспечение конструкционной безопасности на основе математического моделирования с использованием автоматизированных средств исследований и проектирования. Необходимо обоснование использования сложных САЕ-пакетов в строительном проектировании для совершенствования рациональных типов конструктивных элементов и узлов и внедрения их в практику. Методика прочностного анализа узлов каркасных систем с применением САЕ-систем позволяет более гибко учитывать вариативность в проектировании благодаря системе параметрических значений. Использование таких систем позволяет наглядно и детально изучить НДС проектируемой конструкции.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка напряженно-деформированного состояния узлов металлических конструкций методом конечных элементов при динамических нагрузках»

Цель работы.

Целью диссертационной работы является развитие и обоснование единой методики расчета узлов стальных каркасов многоэтажных зданий, учитывающей специфику воздействий на них, особенности конструктивных решений и свойства материалов, методами цифрового моделирования для создания наиболее совершенных и надежных вариантов конструкций.

Задачи.

1) Анализ и обобщение существующих экспериментальных и

теоретических исследований по заданной теме.

4

2) Изучение особенностей поведения элементов и узлов стальных каркасов многоэтажных зданий под действием эксплуатационной и сейсмической нагрузок в нелинейной постановке.

3) Разработка эффективного способа моделирования конструкций узлов стальных каркасов многоэтажных зданий с болтовыми фланцевыми соединениями при проведении модального и гармонического анализа.

4) Проведение испытаний образцов узлов стальных каркасов на сейсмическую нагрузку.

5) Экспериментальное подтверждение полученных результатов цифрового моделирования узлов стальных каркасов при сейсмических воздействиях.

6) Анализ напряжённо-деформированного состояния узлов металлических конструкций, определение возможных мест концентрации напряжений, несущей способности отдельных элементов узлов стальных конструкций.

Научная новизна

1. Выполнена оценка напряженно-деформированного состояния узлов стальных каркасов многоэтажных зданий на основе разработанной и реализованной методики экспериментально-теоретического исследования, позволяющей учесть эксплуатационные и сейсмические воздействия.

2. Изучено влияние концентраторов напряжений на напряженно-деформированное состояние фланцевых соединений стальных каркасов на основе созданных цифровых моделей, которые в отличие от известных решений учитывают особенности поведения элементов и узлов стальных каркасов под действием эксплуатационной и сейсмической нагрузок в нелинейной постановке.

3. Получены новые сведения о поведении фланцевых соединений стальных каркасов под действием эксплуатационной и сейсмической нагрузок в результате проведения натурных испытаний по исследованию процессов деформирования и разрушения материала узлов стальных каркасов, что позволило

более точно моделировать сейсмическую нагрузку, действующую на образцы, обеспечить простоту загружений в процессе численных экспериментов.

4. Разработаны рекомендации по созданию цифровых моделей, направленные на повышение конструкционной безопасности каркасов многоэтажных зданий, возводимых в сейсмических районах.

Практическая значимость.

Разработанные в диссертационной работе методические подходы и предложения могут использоваться для оценки напряженного состояния узлов металлических конструкций при расчете и конструировании стальных каркасов многоэтажных зданий.

На основании анализа результатов натурных испытаний и численных экспериментов, выполненных на цифровой модели, доказана возможность применения машинного расчета для поверочных динамических расчетов рамных узлов стальных конструкций на всех этапах загружения.

Полученные результаты научной работы позволяют на основе цифрового моделирования более точно оценить напряженное состояния узлов металлических конструкций, на стадии проектирования выявить возможные места концентрации напряжений, принять меры по предотвращению возможных повреждений при экстремальных ситуациях.

На основе полученной модели возможна оценка эксплуатационной надежности фланцевых соединений стальных каркасов, что позволяет специалистам при проектировании, а также при проведении технического освидетельствования эксплуатируемых металлоконструкций производственных, жилых и общественных зданий давать рекомендации по возможности их дальнейшей эксплуатации.

Методология и методы диссертационного исследования.

Исследование базируется на численных методах строительной механики и теории упругости. Использован для расчетов метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в современных программных комплексах. Экспериментальные

исследования выполнены на сертифицированном оборудовании в лаборатории ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко.

Степень разработанности избранной темы.

Результаты исследований стальных каркасов многоэтажных зданий и их элементов рассмотрены в работах С.И. Билыка, А.И. Голоднова, Ю.А. Дыховичного, В.В. Зверева, И.Л. Корчинского, Е.Е. Кочерговой, И.Н. Лебедича, И.В. Молева, К.Д. Морозова, А.А. Нилова, А.Б. Павлова, С.Ф. Пичугина, А.Е. Святошенко, А.В. Семко, Н.С. Стрелецкого, Г.А. Шапиро, Г.Б. Вержбовского и др.

Аналитическое решение задач сейсмостойкости зданий предлагалось в работах Болотина В.В. Исследованием работы узлов стальных каркасов зданий и сооружений, эксплуатируемых в сейсмических районах, занимались Я.М. Айзенберг, Д.К.-С. Батаев, К.С. Завриев, Л.Ш. Килимник, Г.В. Мамаева, Х.Н. Мажиев, И.Т. Мирсаяпов, В.Л. Мондрус, Г.М. Остриков, С.В. Поляков, В.А. Пшеничкина, Т.А. Белаш, Л.Р. Маилян, С. Х. Байрамуков, Л.Н. Панасюк, и др.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты теоретических и численных исследований работы элементов рамных узлов стальных каркасов;

- методика расчета узлов стальных каркасов в различных САЕ-пакетах;

- анализ результатов исследований, выполненных экспериментальным методом и методом конечных элементов с применением средств компьютерного моделирования.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность приведенных результатов подтверждена данными теоретических и экспериментальных исследований, применением нескольких цифровых моделей, методов математической статистики для обработки экспериментальных данных, сопоставлением полученных результатов с известными решениями других авторов, сопоставлением теоретических решений с данными натурных испытаний.

Публикации.

Результаты диссертационного исследования опубликованы в 11 научных работах из них работ, опубликованных в рецензируемых научных журналах (из перечня ВАК) - 3; изданиях, включенных в наукометрические базы данных Scopus и Web of Science - 6.

Объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 147 страниц машинописного текста, 88 рисунков, 11 таблиц. Список литературы включает 110 наименований.

Работа выполнена на кафедре «Градостроительство, проектирование зданий и сооружений» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» под руководством кандидата технических наук, профессора Бузало Н.А.

Глава 1 АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УЗЛОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КАРКАСОВ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

1.1 Область применения металлических каркасов многоэтажных зданий Впервые термин «каркасное здание» стали применять при строительстве зданий повышенной этажности в начале XX века, когда на смену массивным несущим кирпичным стенам пришли стальные стержневые элементы (стойки, ригели). Основным достоинством таких систем является то, что в них функции конструкций четко разделены на несущие и ограждающие. Каркасом называют пространственно-стержневую систему, воспринимающую все произвольно направленные на нее нагрузки и передающую их на фундамент.

Вертикальные несущие конструкции каркасных зданий практически не ограничивают вариантов планировки (Рисунок 1.1). Плоские диафрагмы жесткости с разнообразным размещением их на плане здания обеспечивают продольную и поперечную жесткость, а также жесткость при кручении.

Рисунок 1.1. Школа на 825 мест в г. Магадан (V снеговой район, V ветровой район, сейсмика-8 баллов). Общая площадь застройки - 23566 м2, расход металла - 1600 т

К очевидным преимуществам зданий со стальным каркасом относят высокую технологичность изготовления несущих элементов каркаса, обусловленную автоматизацией производства на заводах металлических конструкций (ЗМК),

исключительную надежность, в том числе при сейсмических нагрузках [1] и низких температурах.

В последнее время отмечаются экономические и технологические преимущества применения стальных каркасов в жилом многоэтажном строительстве по сравнению с каркасами из монолитного железобетона.

Экономические преимущества:

- Увеличение продаваемой жилой площади здания за счет уменьшения площади, занимаемой несущими конструкциями;

- Адаптированность к перспективным требованиям;

- Снижение стоимости возведения фундаментов за счет снижения нагрузки на них от основных несущих конструкций;

- Сокращение сроков проведения работ позволяет экономить средства, затрачиваемые на подготовку строительной площадки;

- Сокращение численности рабочих на стройплощадке за счет высокой степени заводской готовности и простоты монтажа.

Технологические преимущества:

- Поэлементная сборка элементов каркаса заводского изготовления (колонны, балки, распорки, вертикальные связи) с болтовыми соединениями, отсутствие сварочных работ, снижение трудозатрат на сборку каркаса;

- Возможность поставок элементов каркаса заводского изготовления на отдаленные территории;

- Высокая устойчивость к повреждениям и ударным воздействиям позволяет эффективно применять здания со стальным каркасом в сейсмически опасных районах;

- Снижение продолжительности строительства за счет высокой степени заводской готовности элементов стального каркаса;

- Высокая гибкость планировочных решений вследствие увеличения пролетов и шага основных вертикальных несущих конструкций;

- Рациональное использование материалов и минимальное количество отходов;

- Возможность повторного использования материалов после вторичной переработки;

- Всесезонность строительства из-за отсутствия «мокрых процессов».

Строительно-монтажные работы при возведении многоквартирных жилых

домов со стальным каркасом выполняются при минимальном количестве оборудования и материалов, хранящихся на строительной площадке и минимальных требованиях к инфраструктуре [2]. Последний фактор приобретает все большую значимость при застройке густонаселенных центральных районов городов ввиду ограниченного пространства для складирования оборудования, материалов и временного обустройства площадок. Кроме того, в условиях сложившейся городской застройки имеет значение относительно невысокий уровень шума при выполнении монтажных работ и незначительное количество отходов. Все перечисленное является важным преимуществом с точки зрения экологии городского пространства.

Перечисленные причины объясняют массовое применение стальных каркасов при строительстве многоэтажных жилых зданий во многих странах мира (Рисунок 1.2) и прогнозируют рост применения стальных каркасов в городском гражданском строительстве в нашей стране.

18% 16°% 14°% 12% 10°% 8% 6% 4% 2% 0%

Использование стальных каркасов в жилом строительстве в ведущих странах

16,60%

Великобритания

Рисунок 1.2. Использование стальных каркасов в жилом строительстве (Ассоциация развития стального строительства) По способу восприятия горизонтальных воздействий схемы каркасов

подразделяют на рамные, связевые и рамно-связевые (Рисунок 1.3).

Каркасы Р.1МЫ Сея и:выс Комонннрояанно-свя к'ИЫС Р.1ЧНО-СВЯ квыс Р.1ЧНЫС

и

■

с_ о

с

3 ■

■

15%

15%

12%

1%

Рисунок 1.3. Основные схемы каркасов Наибольшее распространение в одноэтажных и малоэтажных зданиях получила рамно-связевая схема с рамами в поперечном направлении и с вертикальными связями — в продольном (Рисунок 1.4). Особенно эффективно применение таких систем в производственных зданиях.

а) б)

Рисунок 1.4. Многоуровневые паркинги: а) на 300 машино-мест в г. Череповец; б) на 2525 машино-мест в г. Самара (ресурсы мировой Сети)

Связевые схемы часто применяют в каркасах высотных зданий.

Существенным недостатком связевых каркасов является сложность архитектурно -планировочных решений, обусловленная установкой вертикальных связей по колоннам здания.

Вертикальные несущие конструкции рамных каркасов зданий практически не ограничивают вариантов планировки.

Комбинированные каркасы сочетают в себе признаки разных конструктивных решений. Например, для повышения сопротивления несущего остова здания возрастающим с высотой над уровнем земли ветровым нагрузкам применяют комбинацию ствольной и стеновой систем. Комбинированная конструктивная система обладает большей конструктивной гибкостью в части возможности распределения доли воспринимаемых усилий за счет варьирования жесткости несущих элементов остова.

Связевые и рамно-связевые стальные каркасы многоэтажных зданий отличаются от рамных более низкой металлоемкостью [3]. Большую часть вертикальных нагрузок воспринимают внутренние колонны каркаса, работающие, как правило, на центральное сжатие. Такое разделение функций работы элементов каркаса на горизонтальные и вертикальные нагрузки определило высокую эффективность применения каркасов для сейсмических районов [4].

Рамные стальные каркасы многоэтажных зданий с расположением основных несущих конструкций по периметру здания или лифтовой шахты хорошо воспринимают горизонтальные сейсмические нагрузки (Рисунок 1.5).

Рисунок 1.5. Элементы жесткости каркасов.

Такие каркасы отличаются низкой металлоемкостью, повышенной жесткостью и простотой архитектурно-планировочных решений внутреннего объема здания. Этим обусловлено широкое применение таких систем при строительстве зданий различного назначения - административных, торговых, жилых и т.д. особенно в сейсмических районах (Рисунок 1.6).

а)

Рисунок 1.6. Применение стальных каркасов в строительстве зданий различного назначения: а) ТРЦ "Фан Фан" г. Екатеринбург; б) ТЦ «Гудок» г. Самара; в) ТРК "Фестиваль" г. Бийск (ресурсы мировой Сети) Высокую сейсмостойкость стальных каркасов многоэтажных зданий

обуславливают элементы, работающие в упругопластической стадии на

знакопеременные сейсмические нагрузки.

При разработке пространственной системы, состоящей из стержней,

работающих на разные виды воздействия - растяжение, сжатие, изгиб, кручение и

соединенных между собой жестко или шарнирно, проектировщику необходима

информация о реальном распределении напряжений и деформаций в стержневой

системе и ее узлах, так как применение разных видов соединений элементов

значительно меняет силовое сопротивление всего сооружения.

1.2. Типовые решения узлов металлических каркасных зданий

Для сопряжения несущих элементов стальных каркасов зданий, например, балок с колоннами конструируются узлы, которые могут быть решены различными вариантами соединения. Тип прикрепления определяется выбором конструктивной системы каркаса. Связевым системам соответствует свободное (шарнирное) прикрепление, рамным — жесткое, рамно-связевым — гибкое (полужесткое) или сочетание прикреплений различных типов.

Шарнирное сопряжение исключает изгибающий момент в зоне примыкания элемента, но оставляет свободными перемещения, связанные с поворотами вокруг осей X, Y, Ъ системы координат, имеющей свое начало в точке сопряжения. Поэтому такой вид соединения практически не используется при проектировании узлов конструкций, необходимых для обеспечения пространственной жесткости системы (например, сопряжение колонны с фундаментом). На практике такие узлы соединения, не препятствующие повороту ригеля на опоре, применяются для горизонтальных элементов каркаса, расположенных в продольном направлении, в большинстве балочных конструкций перекрытий и покрытий. «Шарнирность» обеспечивается тем, что крепление ригеля выполняется через пластину, уголок или фланец болтами, расположенными достаточно близко к оси балки (Рисунок 1.7). В некоторых случаях балка также может опираться нижней полкой на монтажный или опорный столик, выполненный из уголка или листа.

Рисунок 1.7. Свободное (шарнирное) болтовое крепление балок к колоннам: а - с помощью соединительных уголков и уголковых столиков; б - через опорное ребро фланцевого типа; в -через приваренную к колонне пластину с опиранием на столик; г - с помощью пропущенного через колонну стального листа и боковых накладок [4]

Наиболее технологичным и в то же время экономичным решением соединения металлических балок с колоннами в современной строительной практике являются фланцевые (жесткие) соединения (Рисунок 1.8). К их достоинствам можно отнести высокую надежность при действии сейсмических нагрузок, простоту монтажа и контроля качества соединения (в отличие от монтажной сварки), а также скорость выполнения работ. Кроме того, фланцевые соединения обеспечивают возможность возведения каркаса здания при любых климатических условиях и возможность его демонтажа без повреждения несущих элементов.

0№ОИВ игцрдояво 1Н11г«Н уме (Зала л»ч-.юОю и» пшямт^

Рисунок 1.8. Фланцевое соединение ригеля с колонной Особенно важно, что фланцевые соединения характеризуются высокой

надежностью при действии динамических нагрузок на всех этапах жизненного

цикла здания. В то же время несущие конструкции, использующие фланцевые

соединения, требуют высокой точности изготовления, поскольку такие соединения

не обладают компенсационной способностью [5]. Основным отличием

проектирования таких систем является возможность учета пластического деформирования соединений, что значительно снижает металлоемкость.

Фланцевые соединения ввиду широкого использования представлены в серийных альбомах типовых решений, как например в серии 2.440-1 (Рисунок 1.9).

Рисунок 1.9. Рамные узлы по серии 2.440-1

На рисунке 1.10 показаны примеры жесткого прикрепления балок к колоннам двутаврового сечения на болтах: а—г — к полке колонны, д, е— к стенке колонны, ж — с выносным стыком. В прикреплении с выносным стыком ответственные швы соединения ригеля с колонной выполняются на заводе, а усилия в стыке намного меньше действующих у грани колонны, однако изготовление колонн с консолями в одной или двух плоскостях снижает степень загрузки транспорта при их перевозке. Прикрепления г, ж можно использовать для колонн с любым типом сечения, прикрепления а—в — для колонн закрытого (коробчатого) сечения при условии, что отверстия для монтажных болтов будут сделаны в элементах стержня

до его сборки и около каждого отверстия будет приварена гайка со стороны внутренней полости колонны.

Рисунок 1.10. Жесткое прикрепление балки к колонне на болтах 1- прокладка, 2 - заводской сварной шов, 3- подкос из листа [3]

Чтобы исключить относительные сдвиги по плоскостям прилегания деталей и обусловленный этим взаимный поворот ригеля и колонны, в прикреплении применяют высокопрочные болты, кроме соединений фланцев с колонной, в которых для восприятия растягивающих усилий можно использовать и не высокопрочные болты нормальной точности с закреплением гаек от развинчивания.

Для передачи поперечной силы с балки на колонну служат столики, вертикальные ребра, для передачи изгибающего момента — фланцы (Рисунок 1.10, а), горизонтальные накладки (рыбки) (Рисунок 1.10, г, д), отрезки широко полочных тавров, стенка которых служит горизонтальной накладкой, а полка — фланцем (Рисунок 1.10, б, в, е).

По данным некоторых исследований [6], [7], правильно выполненное жесткое прикрепление на болтах, в том числе без поперечных ребер жесткости в колонне, может воспринять предельный пластический момент сечения балки и допускает в неупругой стадии работы достаточно большое изменение угла поворота балки относительно колонны, т. е. имеет значительный резерв по пластическим деформациям.

При монтаже балок с рассмотренными прикреплениями нижние элементы (тавры, рыбки, накладки) можно использовать как монтажные столики.

Применение составных балок, на основе распущенных вдоль продольной оси широкополочных двутавров, позволяет использовать увеличенную ширину нижней полки для укладки несъемной опалубки из профилированного листа для устройства монолитного перекрытия (Рисунок 1.11). Такое решение позволяет снизить строительную высоту перекрытия.

Рисунок 1.11. Рамное соединение составного ригеля с увеличенной шириной нижнего пояса с

колонной

На рисунке 1.10 приведены примеры жестких прикреплений балок к колоннам на монтажной сварке. Выносной стык (Рисунок 1.10, ж) также может быть выполнен на монтажной сварке, что было осуществлено в каркасе высотного здания на Котельнической набережной в Москве. Такие прикрепления по

сравнению с болтовыми более трудоемки на монтаже, требуют строгого

20

соблюдения начальных зазоров в швах, полного и высококачественного провара швов, особенно стыковых, работающих на растяжение. Кроме того, трудности организационного и технического обеспечения монтажной сварки могут сказаться на темпах монтажа.

Рисунок 1.12. Жесткое прикрепление балки к колонне на монтажной сварке

1 - монтажный сварной шов, 2 - заводской сварной шов, 3 - подкос из листа

Прикрепление по Рисунок 1.12а имеет минимальное число сварных швов и

дополнительных деталей, но предъявляет повышенные требования к точности

изготовления и монтажа конструкций. Кроме того, если сечение балки подобрано

по опорному моменту, растянутая полка балки и стыковой шов должны быть

равнопрочными, что требует тщательного выполнения, обработки и контроля шва

или местного уширения полки для увеличения длины стыкового шва. Поэтому

такое решение применяется редко.

Другие решения сварных узлов, с промежуточными деталями, лучше

приспособлены к условиям монтажа в отношении возможной компенсации

отклонений от проектных размеров, однако в них существенно возрастает объем

наплавленного металла. В узле на рисунке 1.12в особенно много промежуточных

21

деталей и сварных швов, и усилия с полок балки на колонну передаются последовательно через три различных шва.

Расчет соединений, ребер, накладок, проверка стенки колонны выполняются в сварных узлах по усилиям, определяемым так же, как и для жестких прикреплений на болтах. Такие узлы обладают высокой жесткостью и несущей способностью и обеспечивают возможность расчета рамных систем в упругопластической стадии.

Исследования [8], [9] показали, что фланцевые узлы обладают высокой жесткостью и несущей способностью и обеспечивают возможность расчета рамных систем в упругопластической стадии.

Податливость узлов, особенно при кососимметричном нагружении опорными моментами, в значительной мере определяется сдвиговыми деформациями стенки колонны. Укрепление стенки повышает жесткость узла в целом, но увеличивает вероятность разрушения растянутых стыковых швов в прикреплении полок балки (или горизонтальных накладок) к колонне.

1.3. Конструктивные решения для сейсмических районов строительства

В сейсмически опасных районах наиболее эффективна работа рамных каркасов многоэтажных зданий. Рамный узел стального каркаса для сейсмически опасных районов отличается увеличенной высотой ригеля, что возможно только при установке рам по периметру здания.

Ригели увеличенной высоты позволяют снизить изгибающие моменты в колоннах каркаса. Возможно применение гофрированной стали (Рисунок 1.13) для стенок ригелей, что позволяет обеспечить их устойчивость при минимальной толщине.

На рисунке 1.13 показан рамный узел угловой колонны квадратного трубчатого сечения и сварной монтажный стык ригелей каркаса. Колонна изготовлена из четырех стальных листов, при этом диафрагмы вварены в коробку из трех листов, после чего установлена четвертая стенка колонны.

Рисунок 1.13. Рамный узел пространственного каркаса с колонной трубчатого сечения В пространственных каркасах рамного типа в качестве энергопоглотителей могут использоваться пояса ригелей, работающие в пластической стадии на растяжение - сжатие. Для включения в пластическую работу необходимого объема стали в поясах предусматриваются зоны равного сопротивления, расположенные за пределами сварных соединений узлов (Рисунок 1.13, Рисунок 1.14).

Большой эффект достигается при использовании в качестве сдвигового энергопоглотителя стенки рамного узлового соединения ригеля с колонной двутаврового сечения (Рисунок 1.14).

1.4. Зарубежная мировая практика Основываясь на аналитических, численных и экспериментальных исследованиях американским учёными, начиная с 1994 г., была выполнена обширная программа, результаты которой приведены в документации FEMA 350 и FEMA 352. Выход этих пособий был вызван необходимостью устранения обширных аварийных ситуаций, вызванных ошибками в представлении работы рамного узла в предельном состоянии. В связи с этим, был выполнен перевод и анализ рекомендаций двух пособий, разработанных совместным предприятием "SAC Joint Venture" или партнёрстве "Structural Engineers Association of California", "Applied Technology Council" и "California Universities for Research in Earthquake Engineering" это: 27 FEMA 352 - документ, предусматривающий рекомендуемые критерии для оценки ущерба последствий землетрясений и ремонта стальных рамных каркасов; FEMA 350 - документ, предусматривающий рекомендуемые критерии для проектирования стальных рамных каркасов. Рекомендованный узел представлен на рисунке 1.15.

J-LL XU_ XLl jJL

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алексеева Анастасия Сергеевна, 2023 год

Список литературы

[1] И. Т. Мирсаяпов и Д. М. Нуриева, «Расчет многоэтажных каркасных зданий на сейсмические воздействия с учетом физически нелинейного поведения,» Сейсмостойкое стоительство. Безопасность сооружений, № 1, pp. 7-14, 2003.

[2] В. В. Катюшин, Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения, Москва: Стойиздат, 2005, p. 450.

[3] В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов и Г. И. Белый, Металлические конструкции. Конструкции зданий: Учеб. для строит, вузов, т. 2, Г. В.В., Ред., Москва: Высшая школа, 2002.

[4] Ю. С. Максимов и Г. М. Остриков, Пособие по расчету и конструированию стальных сейсмостойких каркасов многоэтажных зданий (в развитие СНиП РК 2.03-04-2001), т. 2, Институт Проектстальконструкция, 2005.

[5] А. В. Перельмутер, Э. З. Криксунов и В. В. Юрченко, «Расчетные модели фланцевых соединений, рамных узлов, металлических конструкций и их программная реализация в SCAD Office,» CADmaster, т. 3, № 53, pp. 110-115, 2010.

[6] В. В. Каленов и В. Б. Глауберман, «Исследование Т-образных фланцевых соединений на моделях из оптически активного материала,» Известия вузов. Строительство и архитектура, № 9, pp. 14-17, 1985.

[7] J. P. Jaspart, «General report: session on connections,» Journal of Constructional Steel Research, т. 55, pp. 69-89, 2000.

[8] В. Ю. Алпатов, А. В. Соловьев и И. С. Холопов, «К вопросу расчета фланцевых соединений на прочность при знакопеременной эпюре напряжений,» Промышленное и гражданское строительство, № 2, pp. 26-30, 2009.

[9] В. В. Бирюлев и В. В. Катюшин, «Проектирование фланцевых соединений с учетом развития пластических деформаций,» Труды международного коллоквиума "Болтовые и специальные монтажные соединения в стальных строительных конструкциях", т. 2, pp. 32-36, 1989.

[10] K. C. Tsai и E. R. Popov, Steel Beam-Column Joints Seismic Moment Resisting Frames, University of California: Earthquake engineering research center, 1988.

[11] М. П. Сон, «Фланцевые соединения в строительных конструкциях,» ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ. УРБАНИСТИКА, № 1, pp. 125-136, 2018.

[12] В. С. Карпиловский, Э. З. Криксунов, А. А. Маляренко, А. В. Перельмутер и М. А. Перельмутер, «О расчетных моделях сооружений и возможностях их анализа,» CADmaster, т. 3, № 3, pp. 38-43, 2000.

[13] EN 1993-1-8 (2005): Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-8: Design of joints.

[14] F. Cerfontaine и J. P. Jaspart, Analytical study of the interaction between bending and axial force in bolted joints, Coimba: Eurosteel, 2002, pp. 997-1006.

[15] Р. В. Бароев, «Расчет узлов стальных конструкций компонентным методом конечных элементов,» CADmaster, т. 3, № 91, pp. 95-101.

[16] D. Undermann и B. Schmidt, «Moment Resistance of Bolted Beam to Column Connections with Four Bolts in each Row,» Eurosteel, 2005.

[17] Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций, Москва: ВНИПИ Промстальконструкция ЦНИИПСК им. Мельникова, 1988, p. 83.

[18] Руководство по проектированию, изготовлению и сборке монтажных фланцевых соединений стропильных ферм с поясами из широкополочных двутавров, Москва: ЦНИИПСК им. Мельникова, 1981.

[19] EN 1998-3:2005 «Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance — Part 3: Assessment and retrofitting of buildings».

[20] Z. Sokol, F. Wald, V. Delabre, J. P. Muzeau и M. Svarc, «Design of end plate joints subject to moment and normal force,» Eurosteel, pp. 1219-1228, 2002.

[21] Я. М. Айзенберг, «Модели сейсмического риска и методологические проблемы планирования мероприятий по смягчению сейсмических бедствий,» Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, № 6, pp. 31-38, 2004.

[22] И. Л. Корчинский, «Оценка несущей способности конструкций при сейсмическом воздействии с энергетических позиций,» в Сейсмостойкость зданий и инженерных сооружений, Москва, Изд-во литературы по строительству, 1967, pp. 46-58.

[23] F. Omori, «Seismic experiments on the fracturing and overturning of columns,» Publications of the Earthquake Investigation Comitee in Foreign Languages, т. 4, pp. 69-141, 1900.

[24] СН 8-57. Нормы и правила строительства в сейсмических районах, Москва: Стройиздат, 1958, p. 106.

[25] В. В. Болотин, «Статистическая теория сейсмостойкости сооружений,» Механика и машиностроение, № 4, pp. 123-129, 1959.

[26] N. Mononobe, «Vibration of Loaded Structure and Its Seismic Stability,» Journal of Civil Engineering Society, 1920.

[27] К. С. Завриев, «Расчет инженерных сооружений на сейсмостойкость,» Известия Тифлисского политехнического института, pp. 115-132, 1928.

[28] И. Л. Корчинский, Колебания высотных зданий, Москва: Гос. изд-во литературы по строительству и архитектуре, 1953.

[29] И. Л. Корчинский, Основы проектирования зданий и сооружений в сейсмических районах, Москва: Стройиздат, 1961, p. 488.

[30] И. Л. Корчинский, Сейсмостойкое строительство зданий, Москва: Высшая школа, 1971, p. 320.

[31] СН 8-57 Нормы и правила строительства в сейсмических районах.

[32] M. Biot, «Theory of vibration of building during earthequake,» II Zeitschrift feir Anger and to Mathematic and Mechanic, pp. 213-233, August 1934.

[33] J. L. Alford, G. W. Housner и R. R. Martel, «Spectrum analysis of strong-motion earthquakes,» CA: Earthq. Eng. Res. Lab., Calif. Inst. of Tech., originally published in 1951, revised in 1964.

[34] И. Л. Корчинский, «Расчёт сооружений на сейсмические воздействия,» Научное сообщениеЦНИИПС, p. 76, 1954.

[35] В. В. Болотин, «К расчету строительных конструкций на сейсмические воздействия,» Строительная механика и расчет сооружений, № 1, pp. 9-14, 1980.

[36] В. В. Болотин, Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений, Москва: Стройиздат, 1982, p. 350.

[37] В. И. Травуш, В. И. Колчунов и Н. В. Клюева, «Некоторые направления развития теории живучести конструктивных систем зданий и сооружений,» Промышленное и гражданское строительство, № 3, pp. 4-11, 2015.

[38] В. А. Пшеничкина, Т. В. Золина, В. В. Дроздов и В. Л. Харланов, «Методика оценки сейсмической надежности зданий повышенной этажности,» Строительство и архитектура, № 25(44), pp. 50-56, 2011.

[39] Л. Ш. Килимник, «Методы целенаправленного проектирования в сейсмостойком строительстве,» Наука, p. 156, 1980.

[40] Г. М. Остриков, Исследование металлических рамных каркасов зданий повышенной этажности для сейсмических районов, Новосибирск, 1971, p. 154.

[41] А. Е. Святошенко, Повышение надежности рамных узлов стальных каркасов многоэтажных зданий, Нижний Новгород, 2006, p. 221.

[42] Т. А. Белаш, Л. Н. Смирнова, А. А. Бубис и Л. Р. Ставницер, «Использование принципа сейсмоизоляции в конструкциях сейсмозащиты зданий на многолетнемёрзлых грунтах,» Российская ассоцияация по сейсмостойкому строительству (РАСС), № 5, pp. 23-30, 2022.

[43] В. А. Пшеничкина, В. В. Дроздов и А. Ю. Чаускин, Сейсмическая надежность зданий повышенной этажности: монография, Волгоград, Волгогр. гос. техн. ун-т.: ВолгГТУ, 2022, p. 180.

[44] СП 14.13330.2018 Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП 11-7-81*.

[45] А. Н. Крылов, О численном решении уравнения, которым в технических вопросах определяются частоты малых колебаний материальных систем, 1931.

[46] И. С. Березин и Н. П. Жидков, Методы вычислений, т. 2, Москва: ГИМФЛ, 1959, p. 620.

[47] С. П. Тимошенко, История науки о сопротивлении материалов, Москва: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957, p. 536.

[48] С. П. Тимошенко, Сопротивление материалов. Том 1. Элеметарная теория и задачи. Пер. с англ., 2 ред., т. 1, 1955, p. 364.

[49] O. Dalverny, F. Peres, S. Martin, J. P. Faye, F. Frigui и S. Judenherc, «Global methodology for damage detection and localization in civil engineering structures,» Engineering structures, № 171, pp. 686-695, 2020.

[50] O. Dalverny, M. Barus, H. Welemane и J. P. Faye, «Seismic vulnerability of structures: application to the Civil Protection building in Andorra,» Mechanics & Industry, т. 5, № 21, p. 514, 2020.

[51] O. Dalverny, M. Barus, C. Martin, J. P. Faye и H. Welemane, «Dynamic analysis of concrete structural behavior - Estimation of seismic vulnerability of Andorran Civil Protection building,» 2019.

[52] С. В. Поляков, Сейсмостойкие конструкции зданий, Москва: Высшая школа, 1969, p. 336.

[53] Л. Ш. Килимник и Л. Э. Лаврентьева, Исследование сейсмостойкости узловых сопряжений многоэтажных стальных каркасных зданий и инженерных сооружений, Москва, 1972.

[54] И. Л. Корчинский и Г. В. Беченева, Прочность строительных материалов при динамических нагрузках, Москва, 1967.

[55] Ю. Д. Быченков и Г. И. Евстратов, «Выбор способа сварки арматуры, железобетонных конструкций с учетом сейсмических воздействий,» Бюллетень строительной техники, 1967.

[56] E. P. Popov и R. B. Pinkey, «Popov E.P., Pinkney R.B. Reliability of steel beam-to-column connections under cyclic loading, "", Univ. of Calif., rp. N EERC, 69 - 1, January, 1969,» Earthquake engineering research at Berkeley, № 69, January 1969.

[57] С. В. Поляков, Сейсмостойкие конструкции зданий, Москва: Высшая школа, 1983, p. 304.

[58] D. Rea, R. W. Clogh, J. G. Bowkamp и U. Vogel, «Damping capacity of a model steel structures, "", ., rp. N EERC, 69 - 1, ,,» Earthquake engineering research at Berkeley, № 69, 1 January 1969.

[59] Г. В. Мамаева, «Устойчивость сжатых стальных элементов при повторных нагружениях,» Сейсмостойкость зданий и инженерных сооружений, 1972.

[60] К. Сюэхиро, «Инженерная сейсмология,» Экономическая жизнь, № 2, pp. 208-212, 1935.

[61] Я. М. Айзенберг, Сооружения с выключающимися связями для сейсми-ческих районов, Москва: Стройиздат, 1976, p. 246.

[62] А. И. Мартемьянов, Проектирование и строительство зданий и сооружений в сейсмических районах, Москва: Стройиздат, 1985, p. 255.

[63] И. Е. Ицков, Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений., т. 2, Москва: Стройиздат, 2008, pp. 32-35.

[64] А. Б. Злочевский, Экспериментальные методы в строительной механике, Москва: Стройиздат, 1983, p. 192.

[65] А. Б. Павлов, «Промышленное и гражданское строительство,» № 6, pp. 37-39, 2002.

[66] С. В. Поляков, «Сейсмостойкие здания и развитие теории сейсмостойкости,» p. 254, 1984.

[67] А. Е. Святошенко, Повышение надежности рамных узлов стальных каркасов многоэтажный:зданий, Н.Новогород, 2006, p. 25.

[68] П. Д. Одесский, И. И. Ведяков и В. М. Горпинченко, Предотвращение хрупких разрушений металлических строительных конструкций, Москва: ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ, 1998, p. 220.

[69] C. Eastman, M. Eastman, P. Teicholz и R. Sacks, BIM handbook: A guide to building information modeling for owners, managers, designers, engineers and contractors, John Wiley & Sons, 2011.

[70] A. H. Oti и W. Tizani, «BIM extension for the sustainability appraisal of conceptual steel design,» № 29, pp. 28-46, 2015.

[71] R. Aish, «Building Modelling: The Key to Integrated Construction CAD,» CIB 5th International Symposium on the Use of Computers for Environmental Engineering related to Building, 1986.

[72] V. Nederveen и G. A. Tolman, «Modelling multiple views on buildings// Automation in Construction,» т. 1, № 3, pp. 215-224, 1992.

[73] R. San, «Autodesk (2002). Building Information Modeling.».

[74] J. Laiserin, «Comparing Pommes and Naranjas,» The Laiserin Letter, 16 December 2002.

[75] J. Laiserin, «The BIM Page,» The Laiserin Letter, 2003.

[76] H. F. Lincoln и M. A. Syed, Modern Construction: Lean Project Delivery and Integrated Practices, CRC Press, 2010.

[77] L. Cinti, S. Garagnani и R. Mingucci, «BIM tools and design intent. Limitations and opportunities,» Practical BIM: Management, Implementation, Coordination and Evaluation, 2012.

[78] V. Quirk, «A Brief History of BIM,» Arch Daily, 2012-2015.

[79] F. Wald, L. Sabatka, M. Bajer, J. Barnat, L. Godrich, J. Holomek и M. Kocka, «Benchmark cases for advanced design of structural steel connections,» Ceska technika-nakladatelstvi CVUT, September 2016.

[80] ГОСТ 27772-88 «ПРОКАТ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ. Общие технические условия».

[81] Ю. А. Сагдеев, С. Копусов и А. К. Новиков, «Введение в МКЭ,» № 44, 2011.

[82] В. А. Овчаренко, ««Решение инженерных задач с применением МКЭ»,» DSMA, 2004.

[83] К. А. Басов, ANSYS для конструкторов, Москва: DMK Press, 2009.

[84] СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции».

[85] СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия».

[86] ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения.

[87] Ю. Кудишин, Ред., Металлические конструкции, Москва, 2007, p. 668.

[88] В. Б. Логвинов и С. А. Алексеев, Механика материалов и конструкций. Избранные лекции: учеб. пособия, Новочеркасск: Юж. -Рос. гос. техн. ун-т (НПИ), 2009.

[89] В. П. Агапов, МКЭ в статике, динамике и устойчивости конструкций, 2 ред., Москва: DIA,2004.

[90] N. Alfutov, «Stability of Elastic Structures», New York, 2000.

[91] С. А. Ч. и. В. Ф. Рещиков, Ред., Справочник металлиста, 3 ред., т. 1, Машиностроение, 1976, p. 768.

[92] Г. С. Писаренко, А. П. Яковлев и В. В. Матвеев, Справочник по сопротивлению материалов, 2 ред., Киев: Наукова думка, 1988, p. 736.

[93] Н. Мельников, Ред., Металлические конструкции. Справочник проектировщика., 2 ред., Москва: Стройиздат, 1980, p. 776.

[94] Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП II-23-81), Москва: ЦИТП, 1989, p. 149.

[95] Y. Nakasone, S. Yoshimoto и T. A. Stolarski, Engineering Analysis with ANSYS Software, Butterworth-Heinemann, 2006, p. 480.

[96] М. Н. Иванов и В. А. Финогенов, Детали машин, учебник для машиностроительных специальностей вузов, 9-е ред., М.: Высш. шк., 2005, p. 408.

[97] СП 16.13330.2017.

[98] В. Труфяков, Ред., Прочность сварных соединений при переменных нагрузках, Киев: Наукова думка, 1990, p. 256.

[99] Г. Нейберг, «Концентрация напряжений,» ОГИЗ, p. 114, 1947.

[100] Г. Н. Савин, Распределение напряжений около отверстий, Киев: Наукова думка, 1968, p. 887.

[101] П. Д. Одесский, И. И. Ведяков и В. М. Горпинченко, Предотвращение хрупких разрушений металлических строительных конструкций, Москва: СП «ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ», 1998, p. 220.

[102] В. Труфяков, Ред., Прочность сварных соединений при переменных нагрузках, Киев: Наукова думка, 1990, p. 256.

[103] Б. Б. Лампси, Металлические тонкостенные несущие конструкции при локальных нагрузках: Теория местных напряжений, 1979, p. 272.

[104] Р. Бейкер, Введение в теорию видроиспытаний, Москва: LDS, 1994, p. 44.

[105] F. A. Kruse, A. Kim и S. C. Runyon, «Multispectral, hyperspectral, and LiDAR remote sensing and geographic information fusion for improved earthquake response,» Proceedings of SPIE -The International Society for Optical Engineering, 2014.

[106] M. Hasanlou, R. Shan-Hosseini, S. T. Seydi, S. Karimzadeh и M. Matsuoka, «Earthquake Damage Region Detection by Multitemporal Coherence Map Analysis of Radar and Multispectral Imagery,» MDPI Journal, т. 13, № 13(6), 2021.

[107] FEMA-350. Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings, SAc Joint Venture: Federal Emergency Managment Agency, 2000.

[108] FEMA-352. Recommended Postearthquake Evaluation and Repair Criteria for Welded Steel Moment-Frame Buildings, SAC Joint Venture: Federal Energency Managment Agency, 2000.

[109] ГОСТ 23118-99 "Конструкции стальные строительные. Общие технические условия", Москва: Изд-во стандартов, 2001.

[110] J. Laiserin, «[Laiserin, J. (2003). The BIM Page // The Laiserin Letter].,» 200.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А