Ажермачев Г.А., Перминов Д.А. Узлы стальных рамных каркасов

.
13
19-20, 2007 .
УДК 624.016.7:699.841
Ажермачев Г.А., к.т.н., профессор; Перминов Д.А., магистр.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства.
П
р
Узлы стальных рамных каркасов повышенной сейсмостойкости.
м
еА
Д
и
,н
А
.в
ож
.Г
р
м
еч
в
а е
Рассматривается конструктивное решение рамного узла стального каркаса с колоннами коробчатого сечения
и двутавровыми ригелями. Конструктивное решение колонны коробчатого сечения позволяет включить в работу
стенку ригеля в зоне примыкания его к колонне, за счет этого уменьшить величину изгибающего момента,
воспринимаемого поясами.
сейсмостойкость, рамные узлы, элементы, напряжения, концентраторы наряжений.
Примерно одна треть территории Украины находится в зоне, где могут происходить землетрясения
силой 6 – 9 баллов. На этой территории находятся большие города и промышленные комплексы.
Землетрясения, которые наблюдались в последние десятилетия, показали, что к вопросам сейсмостойкости зданий и сооружений должно быть повышенное внимание. В противном случае не избежать больших
материальных потерь, а возможно и человеческих жертв.
Специалисты давно ищут пути снижения сейсмических сил на здания и сооружения, но радикальные
«рецепты» отсутствуют и в настоящее время.
Одним из путей повышения сейсмостойкости зданий и сооружений является снижение их массы. Этого
можно достичь, применяя эффективные материалы, которые обладают высокими физико – механическими
свойствами при работе конструкции в экстремальных условиях. В наибольшей степени этим требованиям
отвечает сталь. Этот материал обладает высокой прочностью, пластичностью и относительной легкостью.
Однако положительные качества этого материала могут быть сведены на нет, при создании конструктивных
решений.
Самое уязвимое место в каркасах зданий – это узлы соединения элементов (колонна с ригелем и т.д. ),
которые, как правило, выполняются на монтаже. Здесь многое зависит от квалификации специалиста, его
опыта и понимания работы конструкции и отдельных элементов при экстремальных воздействиях.
При циклических воздействиях типа сейсмических, особенно при высоких напряжениях в соединениях таких элементов, могут наблюдаться хрупкие разрушения из – за наличия высоких концентраторов напряжений в зоне сварных швов. Неравномерность распределения напряжений по ширине пояса ригеля, в
зоне сварных швов рамного узла показана на рис. 1.
Эпюра б
Напряжение в п олках, т/м 2
9000000
8000000
7000000
2
6000000
2
5000000
4000000
3000000
2000000
1000000
1
0
-1000000 1
3
5
7
9
11 13 15
17 19
Ширина се чения, см
Рис. 1. Эпюра напряжений в сварном шве полки ригеля для данной расчетной модели.
1 – колонна коробчатого сечения, 2 – полка ригеля.
Влияние концентраторов напряжений в зоне сварных швов в рамных узлах можно уменьшить
различными способами. В частности при помощи прямоугольных и треугольных диафрагм. Однако при разных расположениях диафрагм пики высоких местных напряжений остаются, что видно
на эпюрах напряжений на рис. 2.
14
.
19-20, 2007 .
Эпюра б
Напряжения в полках, т/м 2
2500000
2000000
2
1500000
3
2
1000000
500000
1
0
1
3
5
7
9
11
13 15
17
19
Ширина полосы, см
Рис. 2. Эпюра напряжений в сварном шве полки ригеля для данной расчетной модели.
1 – колонна коробчатого сечения, 2 – полка ригеля, 3 – диафрагма.
При статическом загружении наличие концентраторов напряжений не так опасно, но в случае сейсмических воздействий могут наблюдаться малоцикловые хрупкие разрушения.
Рассмотрим эпюру напряжений, показанную на рис. 2. Распределение напряжений в полке ригеля по
ширине достаточно равномерная. Возникающие концентраторы напряжений уменьшаются в 2 – 2,5 раза
при установке горизонтальных диафрагм. Они устанавливаются в полости колонны в одном уровне с поясами ригеля.
Учитывая, что стыковой шов выполняется на монтаже, а усилия в поясах имеют максимальное значение (стенка ригеля в зоне прикрепления к колонне не передает нормальных усилий, т.к. грань колонны не
подкреплена и «дышит», то весь момент передается на пояса ).
Для повышения надежности и заданной долговечности необходимо с одной стороны уменьшать значения концентраторов напряжений, а с другой стороны снижать величину нормальных напряжений в поясах,
в зоне прикрепления их к колонне. Это позволяет сделать рамный узел, представленный на рис 3, 3а.
Рис. 3. Рамный узел. 1- колонна коробчатого сечения; 2 - ригель; 3 - шпальник; 4 - треугольная
диафрагма ; 5 - вертикальное ребро.
.
15
19-20, 2007 .
Рис. 3а. Разрезы 1-1, 2-2 рамного узла. 1- колонна коробчатого сечения; 2 - ригель; 3 шпальник; 4 - треугольная диафрагма ; 5 - вертикальное ребро; 6 - продольные сварные
швы, соединяющие треугольные половины колонны
Конструктивное решение предлагаемого узла позволяет включить в работу стенку ригеля при
восприятии изгибающего момента и снизить усилия в поясах ригеля в зоне их прикрепления к
стенке колонны
Это достигается следующим образом. При изготовлении колонны квадратного сечения из четырех листов или двух уголков сначала устанавливаются треугольные поперечные диафрагмы в
заданных местах уголкового профиля, затем между поперечными диафрагмами уголкового профиля устанавливаются вертикальные ребра, которые привариваются к поперечным диафрагмам и
к стенке колонны в том месте, где будет прикрепляться стенка ригеля к грани колонны. После
этого два уголковых профиля свариваются продольными швами по ребрам, образуя квадратный
профиль.
Предложенное конструктивное решение рамного узла сейсмостойкого каркаса позволяет снизить нормальные напряжения в сварных швах и околошовной зоне в поясах ригеля, сделать их
более равномерными по ширине пояса, уменьшить концентраторы напряжений у ребер колонны,
что значительно повысит надежность и долговечность рамного узла при сейсмических воздействиях.
На рис. 4 показан характер распределения нормальных напряжений в поясе ригеля в предлагаемом узле.
Эпюра б
Напряжение в полках, т/м
2
2500000
2000000
1500000
1000000
500000
0
1
3
5
7
9
11
13
Ширина сечения, см
Рис. 4. Эпюра напряжений в полке ригеля.
15
17
19
16
.
19-20, 2007 .
Как видно из рис. 4 напряжения в полке ригеля в зоне сварных швов распределяются более
равномерно, а на расстоянии 50 – 100 мм от шва эпюра напряжений выравнивается и приближается к прямой линии.
Сравнивая конструктивные решения узлов по эпюрам напряжений в сварном шве полки ригеля с колонной, получили следующие результаты на рис 5.
Из графика видно, что при установке треугольных горизонтальных диафрагм напряжения
уменьшаются 2,5 раза. А если еще установить вертикальные ребра, то напряжение еще дополнительно уменьшится на 7% – 10 % .
100%
80%
60%
40%
20%
0%
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 4
Рис. 5. График зависимости напряжений в сварном шве полки ригеля в процентном
соотношении для данных конструктивных решений узла.
ВЫВОДЫ:
Таким образом, новое конструктивное решение узла позволяет снизить напряжения в сварном шве,
за счет включения стенки колонны в работу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жунусов Т.Ж. Актуальные проблемы теории и практики сейсмостойкого строительства / ИВУЗ. Строительство. 1997.
№9. с. 39 – 42.
2. Сапожников А.И. Критерии сейсмостойкости зданий и сооружений / ИВУЗ. Строительство. 2001. №12. с. 4 – 8.
3. I Международный симпозиум. Многоэтажные здания. М., 1972. 175 с.
4. Ажермачев Г.А. Влияние поперечных диафрагм в стальных колоннах рамных каркасов сейсмостойких зданий на
распределение напряжений в поясе ригеля. Будівельні конструкції. Будівництво в сейсмічних районах України. Київ.
2004. с. 486 – 488.
5. Патент №16549. Украина. Вузол рамного сейсмостійкого каркаса /Г.А Ажермачов, С.Г. Ажермачов, О.В. Морозова.
Опуб. 15.08.2006. Бюл №8.