Экспериментальные исследования прочности фланцевых соединений

Полный текст

Введение Основная задача проектирования и расчета сооружений - это обеспечение надежности при минимизации затрат, т.е. снижение как материалоемкости, так и трудоемкости, что достигается введением методов оптимального проектирования, позволяющих максимально полно использовать несущие способности сооружения и его частей. Оптимальное проектирование возможно при соответствии расчетных схем с реальной физической работой конструкций, что может быть достигнуто только посредством экспериментальных и численных исследований. Дальнейшим шагом является разработка достаточно простой инженерной методики, позволяющей проектировщику создавать исследованные конструкции самостоятельно. По причине отсутствия в России экспериментальных исследований фланцевых соединений балок (ригелей) с колоннами отечественные узлы выполняются нерационально (рис. 1). Постановка проблемы 1. Отсутствие достаточного количества априорной информации (экспериментов). Советскими учеными проводились испытания на растяжение фланцевых соединений (ФС), усталостной прочности растянутых ФС [1], ФС изгибаемых элементов [2]. Испытаний узлов ФС типа балка - колонна в России (СССР) не проводились, поэтому узлы, вошедшие в серию 2.440-2 (рис. 1), имеют большое количество конструктивных элементов - вут, обратный фланец, опорный столик, ребра жесткости, фасонки - в установке которых нет необходимости. Дальнейшие исследования в этой области были приостановлены, что привело к практическому отказу от проектирования зданий жилого и общественного назначения на металлокаркасах. В странах Европы, США, Канаде, Китае, где доля гражданского строительства на металле занимает 40-70%, исследования ФС ведутся до сих пор [3-9]. Наиболее часто воспроизводимым экспериментом является испытание элементарных Т-образных фланцевых соединений [10]. Это дает лишь относительное представление о работе ряда болтов и фланца, но не дает полного представления о работе соединения. На методике «расчленения» ФС на отдельные Т-образные элементы основан, например, принцип расчета таких узлов в Eurocode. 2. Расширение сортамента металлопроката в России. В настоящий момент вышел ГОСТ [11] по горячекатаному двутавру, согласно которому компоновка сечения двутавров отличается от принятой ранее [12]. Следовательно, решения принятые для старого сортамента могут оказаться ненадежными или неэкономичными по отношению к новому. Рис. 1. Узел по серии 2.440-2 [Figure 1. Node for the 2.440-2 series] Рис. 2. Чертеж натурной модели [Figure 2. Drawing of the full-scale model] 3. Отсутствие отечественных норм по проектированию и расчету ФС. В России (СССР) проблемой ФС активно занимались до 1990 г. Такие ученые, как И.Д. Грудев, В.В. Каленов, В.В. Катюшин, В.М. Горпиченко, В.Б. Глауберман внесли большой вклад в изучение прочности ФС[13]. Аккумулятивным эффектом их работы послужил выход рекомендаций по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций [14] и серии 2.440-2 [15] по проектированию жестких (рамных) узлов соединения балок и колонн. На сегодняшний день эти нормативные документы не имеют силы. Справочные материалы [14; 15] требуют проектировать соединения только на высокопрочных болтах из стали 40Х «Селект» с временным сопротивлением не ниже 1100 МПа, допускать во фланце только упругие деформации, в каждый узел устанавливать опорный столик и обратные фланцы в растянутую зону. Стремиться к применению в узлах вутов. В серии 2.440-2 узлы разбиты на два типа: с гибкими фланцами толщиной 27 мм и жесткими фланцами толщиной 45 мм. В Европе предпочитают использовать более тонкие фланцы и болты класса прочности 8.8. В 2016-2017 гг. в лаборатории строительного факультета Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) при участии Ассоциации развития стального строительства (АРСС) проводились испытания полномасштабных моделей фланцевых соединений (рис. 2). Цель экспериментов - исследование работы и несущей способности фланцевых соединений балок с колоннами в упругой и упругопластической стадии при действии статических нагрузок. Эксперименты проходили по многофакторному плану. Сечение балок и колонны - сварные двутавры 30Ш3 и 25К6 соответственно [11], болты М24. Длины балок также соответствуют натуре. Вопервых, длины достаточны, чтобы уйти от краевых эффектов. Во-вторых, балки реального каркаса и балки натурной модели описываются одинаковыми уравнениями (Эйлера - Бернулли). В-третьих, достигается аналогичный масштаб в модели и конструкции по соотношению изгибающего момента к поперечной силе M / Q. Для 6-метрового пролета конструкции, нагруженного равномерной нагрузкой q, опорный момент составит =/12, а = /2. Соответственно M / Q = 1 м. В натурной модели плечо от центра давления домкрата до расчетного сечения равно 1 м (рис. 2). Данный узел не имеет никаких дополнительных конструктивных элементов, что значительно упрощает его изготовление и монтаж несущих и ограждающих конструкций, который проходит согласно СП 70.13330.2012 в следующей последовательности. Очищается поверхность фланцев от следов масла растворителем, затем механической круглой щеткой по металлу. Кипятятся болты, гайки и шайбы в воде 10-15 мин., после чего в горячем состоянии промываются в приготовленной смеси, состоящей из 75% неэтилированного бензина и 25% минерального масла. Не позже чем через 8 часов выполняется сборка. Сначала затягиваются болты монтажным ключом, следом на 0,9 несущей способности болтов затягиваются динамометрическим ключом, натяжение производится от середины к краям (рис. 3). Плотность стыка ФС контролируется щупом 0,1 мм. Рис. 3. Последовательность предварительной затяжки болтов. Монтаж узла [Figure 3. Sequence of preliminary tightening of bolts. Assembly of the node] Для расчета узла используется сателлит программы SCAD - «Комета-2» [16], который помогает рассчитать и спроектировать узлы (рис. 4, табл. 1). Расчетная несущая способность балки 30Ш3 составляет порядка 35 тс·м. Проверим узел на усилие 30 тс·м. По результатам расчета видно, что узел не проходит в два с лишним раза. В основном не проходит стенка колонны, но также условиям прочности не удовлетворяют и фланец, и сварные швы. Выходит, что такой узел, по практикуемым в России расчетам, можно использовать для восприятия момента в 13 тс·м. Если увеличить толщину фланца, то можно добиться 15 тс·м на 30 мм фланце. Рис. 4. Данные для расчета узла в программе «Комета-2» [Figure 4. Data for the calculation of the node in “Kometa-2” program] Таблица 1 Проверка прочности фланцевого соединения [Table 1. Checking the strength of the flange connection] Проверено по СП [Checked by Set of Rules] Проверка [Checking] Коэффициент использования [Ratio of bearing capacity] Прочность фланца из условия смятия торцевой поверхности [The strength of the flange from the condition of crushing of the end surface] 0,091 п. 8.1.3, (7) Прочность фланца из условия общей устойчивости [The strength of the flange from the condition of general stability] 0,161 п. 9.5.14, (82) Прочность фланца из условия местной устойчивости свеса полки [The strength of the flange from the local stability condition of the overhang shelf] 0,424 Прочность фланца при изгибе с учетом ослабления отверстиями [Bending strength of the flange, taking into account the weakening of the holes] 1,679 п. 15.1.16, (155), (156), п. 15.1.17, (157), (158), п. 15.1.19, (161), (162) Прочность сварного соединения ригеля с фланцем [Strength of a welded joint with a flange] 1,372 п. 15.3.3, (170), п. 15.3.4, (171) Прочность болтового соединения фланца с полкой колонны [The strength of the bolted connection of the flange to the column shelf] 0,481 п. 9.2.2, (40), (41) Прочность стенки колонны по местным напряжениям [The strength of the column wall by local stresses] 2,323 п. 9.2.2, (38) Прочность стенки колонны по приведенным напряжениям [The strength of the column wall by reduced stresses] 2,02 п. 9.5.2, (71), (72), п. 9.5.3, (73) Местная устойчивость стенки колонны [Local stability of the column wall] 0,046 Определим несущую способность узлов по результатам эксперимента. Описание оборудования Стенд представляет замкнутый силовой контур (рис. 3), воспринимающий давление домкратов без возникновения реакций на силовой пол лаборатории. Поскольку ФС балок с колоннами могут быть двух типов: в колоннах центральных рядов - с двусторонним примыканием балок (узлы типа +), в колоннах крайнего ряда - с односторонним примыканием балки (узлы типа Т), испытательный стенд должен проектироваться на оба режима работы. Балки нагружаются домкратами Д1, развивающими усилия до 56 т и Д2 (до 110 т). Для проведения сложных экспериментов необходимо применять современное измерительное оборудование и системы записи, хранения и обработки данных. В наших экспериментах все деформации измеряются тензорезисторами FLA-10-11 с базой 10 мм, такой же тензорезистор крепится на термокомпенсатор, все перемещения измеряются линейными датчиками перемещений ДПЛ 100. Каждые 2 секунды идет опрос показателей всех приборов с записью и хранением данных на универсальный многоканальный измерительрегистратор «Терем-4.1». Давление в системе фиксируется манометрами. Перемещение точек натурной модели замеряется относительно специально выставленной отсчетной базы, не связанной с силовой рамой (рис. 4). ДПЛ крепится соосными шарнирами к отсчетной базе и точке модели, что предотвращает их порчу во время чрезмерного деформирования модели на последних стадиях нагружения. Для установления удлинений и вычисления приращения усилий в болты растянутой зоны устанавливаются ДПЛ. Замер размеров и начальных несовершенств: геометрия сечений и линейные размеры замеряются металлическими линейками - линейкой 30 см с погрешностью определения размера 0,1 мм и линейкой 1 м с погрешностью 0,2 мм. Толщины листов определялись штангенциркулем с замером толщины в нескольких точках. В листах, заваренных со всех сторон, сверлилось небольшое отверстие, замер толщины производился выдвижным штоком. Больше контрольных точек измерения толщины имели фланцы и полки колонн в местах стыка, т.к. в этих местах толщина более неравномерна из-за фрезеровки поверхностей, которая необходима для достижения нужной плотности контакта (зазор 0,1 мм уже недопустим). Общее отклонение точек моделей от плоскости фиксировалось путем замера расстояний от натянутой струны. Расклейка тензорезисторов (ТР) и расстановка ДПЛ осуществляется согласно данным численных моделей. Для места наклейки ТР выбираются характерные точки натурной модели с большими деформациями, но относительно малыми их градиентами. Описание экспериментов и результатов испытаний Эксперимент № 4[1] (рис. 5). Узел типа т, толщина фланцев 20 мм, класс прочности болтов 10.9, сталь 40Х «Селект» с временным сопротивлением Ru = 1060 МПа (согласно испытаниям болтов на разрыв). Затяжка болтов производилась динамометрическим ключом на момент М = 1100 Нм. Плечо от равнодействующей силы домкрата до контакта фланцев равно 1 м плюс толщина фланца, итого 1,02 м. Нагружение образца осуществляется одним домкратом. Разрушающая сила Р составила 42,8 тс. При этой величине воздействия произошел разрыв болта нижнего ряда. Эксперимент № 8 (рис. 6). Узел типа +, толщина фланцев 30 мм, класс прочности болтов 8.8, сталь 20Г2Р с временным сопротивлением Ru = 960 МПа (согласно испытаниям болтов на разрыв). Момент затяжки болтов 900 Нм. Плечо от равнодействующей силы домкрата до контакта фланцев 1,03 м. Нагружение образца осуществлялось тремя домкратами: слева 100-тонный, справа и снизу 50-тонный. Разрушение модели произошло при нагрузке на левом домкрате 48,6 тс (на правом соответственно 24,8 тс). При этой величине воздействия одновременно разорвалось два нижних болта. Эксперимент № 9 (рис. 7). Узел типа +, толщина фланцев 16 мм, болты 8.8. Момент затяжки болтов 900 Нм. Нагружение образца осуществлялось тремя домкратами: снизу 100-тонный, справа и слева 50-тонный (рис. 7). При достижении силой Р 44,2 т треснул фланец под швом. Наблюдались большие остаточные деформации, нижние два ряда болтов были сильно изогнуты, на одном болте имелись следы начинающегося разрыва. Рис. 5. Натурная модель № 4 [Figure 5. The full-scale model № 4] Рис. 6. Натурная модель № 8 [Figure 6. The full-scale model № 8] Рис. 7. Натурная модель № 9 [Figure 7. The full-scale model № 9] Графики «сила - перемещение» описанных выше испытаний представлены на рис. 8. Измерение перемещений происходит для точек, расположенных на расстоянии 85 см от контакта фланцев (рис. 5). Нагружение натурных моделей производилось ступенями нагрузка - разгрузка с шагом приращения 2-4 тс. Графики показаны только по точкам нагрузки, но с учетом кратковременной ползучести. Точки, соответствующие разрушению образцов на рис. 8 не показаны, т.к. часть ДПЛ перед разрушением снимается с модели. Рис. 8. Графики «сила - перемещение» [Figure 8. Power - displacement graphs] По графикам видно, что до нагрузок 25-35 тс узлы работают линейно, разрушение происходит от сил свыше 40 тс. Для данных узлов, в зависимости от толщины фланца, класса прочности болтов и схемы нагружения, предельный момент составил 45-50 тс·м. Расчетные значения усилий в «Комете-2» (табл. 1.) получились в 2,5 раза меньше, чем усилия в натурной модели, при которых она находилась в нормативном состоянии, и до 4-х раз меньше предельных усилий. Основным сценарием разрушения моделей являлся разрыв 1-го ряда растянутых болтов, по таблице 1 наоборот не проходило все, кроме болтов. Выводы Проведенное исследование показывает необходимость разработки методик расчета фланцевых соединений балок с колоннами и внесение их в строительные нормы. Проведенные натурные испытания показывают, что возможно проектирование и эксплуатация фланцевых соединений без элементов усиления, таких как ребра жесткости, вуты, обратные фланцы, опорные столики и пр., обязательные по серии 2.440-2. Испытание фланцевых соединений на болтах класса прочности 8.8 не выявили негативных эффектов по сравнению с использованием болтов класса 10.9.

Об авторах

Марк Петрович Сон

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: mark-son@mail.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций и вычислительной механики, Пермский национальный исследовательский политехнический университет. Область научных интересов: нелинейные задачи строительной механики, устойчивость сооружений, узлы строительных конструкций

Комсомольский проспект, 29, Пермь, Пермский край, Российская Федерация, 614990

Список литературы