В результате выполненных в 1976 – 1980 годы теоретических и экспериментальных исследований на статические нагрузки были получены данные о способности гофрированных стенок воспринимать нормальные и касательные напряжения при их расчете на прочность.
Испытания проводились на натурных моделях ригелей с гофрированными стенками, имеющими различные параметры гофров (длина волны и высота гофров). На рисунках 1 – 3 показан различный характер исчерпания несущей способности гофрированных ригелей, в зависимости от параметров гофров, при одинаковой толщине стенок и сечений поясов.
|
Рисунок 1.
|
Рисунок 2.
|
Рисунок 3.
|
В процессе исследований было установлено, что, если на восприятие касательных напряжений τху гофрированные стенки работают практически одинаково равномерно по всей высоте, независимо от параметров гофров (рисунок 4), то на характер распределения и величину нормальных напряжений σху параметры гофров оказывают существенное влияние (рисунок 5). На рисунках обозначено: а – длина волны гофра, f – высота волны гофра, βэ – коэффициент, показывающий долю включения гофрированной стенки в работу на изгиб по отношению к плоской стенке одинаковой толщины, полученный по результатам экспериментов, βт – то же, но вычисленный теоретически по формулам.
|
Рисунок 4.
|
Рисунок 5.
|
Поскольку гофрированные стенки выполняются гораздо более тонкими в сравнении с плоскими стенками, то помимо решения проблем расчета на прочность, были проведены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования их устойчивости.
Были выявлены три формы потери устойчивости гофрированных стенок:
- локальная потеря устойчивости стенки под сосредоточенным грузом, что отражает надежность ее работы под прогоном, в случае применения балок с гофрированными стенками БГС-Казахстан вместо стропильных ферм. Характер потери локальной устойчивости гофрированной стенки от действия сосредоточенной нагрузки показан на рисунке 6;
- местная потеря устойчивости отдельной панели гофров между их вершинами. Данная потеря местной устойчивости гофрированной стенки по внешнему виду и по существу ее работы аналогична потере местной устойчивости плоской стенки между вертикальными ребрами жесткости. Характер потери местной устойчивости гофрированной стенки при работе балки на изгиб со сдвигом показан на рисунке 7;
- общая потеря устойчивости гофрированной стенки в месте действия максимальных касательных напряжений. Данная потеря общей устойчивости гофрированной стенки по внешнему виду и по существу ее работы аналогична потере общей устойчивости плоской стенки, подкрепленной вертикальными ребрами жесткости с недостаточной изгибной жесткостью. Характер потери общей устойчивости гофрированной стенки при работе балки на изгиб показан на рисунке 8 на примере испытания натурной стропильной балки пролетом 18,0 м высотой сечения 1200 мм и толщиной гофрированной стенки 4 мм. Всего было испытано две натурные стропильные балки пролетом 18,0 м и две натурные подстропильные балки пролетом 12,0м с составлением соответствующих актов и впоследствии «Рекомендаций по конструированию и расчету стальных двутавровых ригелей с гофрированными стенками», введенных Госкомитетом Казахской ССР.
|
Рисунок 6.
|
Рисунок 7.
|
Рисунок 8.
|
В процессе применения БГС-Казахстан в реальных проектах возникла проблема с пропуском воздуховодов и других технологических коммуникаций в пределах высоты балок. С целью выявления влияния отверстий различного диаметра, а также способов их оформления, на прочность и устойчивость были проведены соответствующие экспериментальные исследования на крупномасштабных моделях. Характер потери устойчивости гофрированной стенки при работе балки на изгиб со сдвигом при наличии различным способом подкрепленных отверстий для пропуска воздуховодов показан на рисунках 9, 10 и 11.
|
Рисунок 9.
|
Рисунок 10.
|
Рисунок 11.
|
Рисунок 12
|
После проведения экспериментальных исследований на крупномасштабных моделях были проведены испытания на двух стропильных балках пролетом 8400 мм с тремя отверстиями, подкрепленными по типу, показанному на рисунке 11, с диаметрами, равными половине высоты стенки (высота стенки 800мм), и расположенными в средней трети по длине гофрированной стенки. Общий вид балки в процессе испытаний показан на рисунке 12. |
На рисунке 13 показана стропильная балка пролетом 24,0 м с высотой гофрированной стенки 1400 мм и толщиной 4 мм с отверстиями для пропуска воздуховодов диаметром 800 мм в средней части по длине балки.
Рисунок 13
В результате выполненных в 1976 – 1980 годы теоретических и экспериментальных исследований применение гофрированных стенок в балочных конструкциях значительно расширилось. Были разработаны проекты покрытий промышленных зданий пролетами 18,0м, 24,0м и 30,0м, в которых вместо традиционных стропильных ферм в качестве несущих конструкций применены БГС-Казахстан с тонкими (3,0 и 4,0 мм) стенками, высота которых не превышала 1400мм вместо высот 2400мм и 3150 мм, принятых для ферм в типовых проектах. Помимо экономии стали до 10-15%, за счет снижения высоты покрытия в 1,70 – 2,25 раза, уменьшался расход стеновых панелей и, главное, затраты на отопление помещения. Выполненные нами расчеты показывали, что только за счет снижения расходов на отопление бесполезного межферменного пространства затраты на возведения несущих конструкций покрытия окупались за 3-4 года и это при ценах на тепло в 80-ые годы прошлого столетия. В настоящее время экономический эффект за счет экономии тепла еще более весом. Конструкции этих покрытий защищены авторскими свидетельствами СССР №1074977, №1086090 и №1388526.
В 2007 году были проведены натурные испытания прочности и жесткости трех типов сварных двутавровых профилей с гофрированными стенками (балочных - БГС, широкополочных - ШГС и колонных – КГС), изготовленных по сортаменту РДС РК 6.04-24-2006 «Сортамент сварных профилей обычного типа и с гофрированными стенками, соответствующие по прочностным характеристикам прокатным» и соответствующих по прочностным характеристикам прокатным двутаврам по техническим условиям СТО АСЧМ 20-93. Результаты испытаний показали, что:
- предельная экспериментальная нагрузка всегда была выше расчетной для всех типов двутавров с поперечно-гофрированной стенкой,
- фактические прогибы для всех испытанных образцов с гофрированными стенками при упругой стадии работы стали всегда были меньше теоретических прогибов двутавров с гофрированными стенками.
Для оценки фактической эффективности применения гофрированных стенок для сварных двутавровых профилей в сравнении с аналогичными профилями, изготовленными с плоскими стенками такой же толщины, лабораторией ТОО «Институт ПСК» выполнены дополнительные испытания. Для сравнения были выбраны четыре типоразмера сварных двутавровых профилей, в том числе:
– балочных с гофрированными стенками 30/30БГС1 (образец БГС1), 50/66БГС2 (образец БГС2,25) и соответственно им образцы БС1 и БС2,25 с плоскими стенками,
- широкополочных с гофрированной стенкой - 30/55ШГС1 (образец ШГС1) и соответственно образец ШС1 с плоской стенкой, - колонных с гофрированной стенкой – 30/38КГС3 (образец КГС1,5) и соответственно образец КС1,5 с плоской стенкой.
Все образцы были изготовлены на Алматинском заводе «АРСЕНАЛ» АО «GOLD PRODUCT» из стали С245 ГОСТ 27772-88*, причем пояса и стенки каждого типоразмера образцов с плоской стенкой изготавливались из стали той же партии, что и образцов с гофрированными стенками.
Испытания проводились на силовом полу лаборатории при шарнирном опирании образцов на опоры по однопролетной схеме, на поперечный изгиб сосредоточенной силой, приложенной в середине пролета, либо двумя сосредоточенными силами, симметрично приложенными к сжатому поясу образцов относительно середины пролета. Сжатый пояс всех испытуемых образцов был закреплен из плоскости горизонтальными связями, установленными с шагом L/4, где L - пролет двутаврового образца.
Нагружение образцов осуществлялось гидравлическими домкратами грузоподъемностью 100 тс с фиксацией величины нагрузки манометрами. Деформации образцов измерялись прогибомерами ПАО-6 с точностью 0,01мм. При испытаниях фиксировались особенности работы образцов при нагружении и возможные виды их разрушения. Нагружение образцов производилось ступенями с шагом не более 5 тс. На всех ступенях нагружения фиксировалась нагрузка и деформации образца на опорах и в середине пролета двумя прогибомерами в каждом сечении.
Нагружение образцов производилось:
- до появления разрушений,
- до потери устойчивости поясов или стенки двутавров,
- до больших деформаций образцов при незначительном увеличении нагрузки.
На рисунках 14 - 17 приведены экспериментальные графики «нагрузка-перемещение в середине пролета» испытанных образцов двутавров типов БГС, ШГС и КГС (линии 1) и образцов двутавров типов БС, ШС и КС (линии 3). Там же даны теоретические значения этих перемещений (прогибов Ур) от максимальной нагрузки FP , при которой в поясах двутавра возникают расчетные нормальные напряжения, равные Ry (линии 2 для образцов с гофрированными стенками и линии 4 для образцов с плоскими стенками).
На рисунках приведены:
- для соответствующих опытных образцов с гофрированными стенками характерные виды исчерпания ими несущей способности из-за потери местной и общей устойчивости гофрированных стенок, потери устойчивости сжатого пояса и развития больших прогибов образцов, вызванных пластическими деформациями поясов,
- для соответствующих опытных образцов с плоскими стенками, характерным видом исчерпания несущей способности которых являлась только потеря местной устойчивости стенок в пределах отсеков между поперечными ребрами жесткости. В результате испытаний выявлено, что:
- фактическая несущая способность двутавров с плоскими стенками испытанных опытных образцов при их гибкости λW ≥ 90 составляет от 55,5 до 85,7 % от соответствующей несущей способности аналогичных образцов с гофрированными стенками при их работе в упругой стадии;
- максимально достигнутая экспериментальная нагрузка двутавров с плоскими стенками испытанных опытных образцов при их гибкости λW ≥ 90 составляет от 67,6 до 80,0 % от соответствующей максимально достигнутой нагрузки аналогичных образцов с гофрированными стенками при их работе за пределами упругости;
- для образцов с гибкостью стенок λW ≤ 90 величины максимально достигнутых нагрузок одинаковые для образцов с плоской и с гофрированной стенками, однако при плоских стенках после потери ими местной устойчивости происходило резкое снижение экспериментальной нагрузки, в то время как при гофрированных стенках величина нагрузки не снижалась до достижения прогибов в середине пролета равных, 1/194 от длины образцов.
В результате выполненных натурных испытаний получено:
1. Максимально достигнутая экспериментальная нагрузка всегда была выше для двутавров с поперечно-гофрированной стенкой, чем для двутавров с плоской стенкой одинаковой толщины, при их гибкости равной или более 90, что подтверждает экономическую эффективность их использования в строительстве вообще, а в сейсмостойком особенно, ввиду повышенной надежности их работы под нагрузкой.
2. Максимально достигнутая экспериментальная нагрузка для двутавров с поперечно-гофрированной стенкой и для двутавров с плоской стенкой одинаковой толщины при их гибкости менее 90 имеют примерно одинаковые величины, но надежность двутавров с гофрированными стенками и в этом случае намного выше, чем двутавров с плоскими стенкам, что является еще одним фактором в обоснование их широкого применения в сейсмостойком строительстве.
|
а
б
в
| Рисунок 14. Результаты испытаний образцов с плоской БС1 и с гофрированной стенками БГС1 (по сортаменту профиль 30/30БГС1);
а – экспериментальные графики «нагрузка – перемещение» соответственно (1) и (3) образцов БГС1 и БС1; (2) и (4) – теоретические графики этих же образцов;
б - характер исчерпания несущей способности образца БС1 в виде местной потери устойчивости плоской стенки на длине отсека между поперечными ребрами жесткости;
в- характер исчерпания несущей способности образца БГС1 в виде местной потери устойчивости одной панели гофра, которая при дальнейшем нагружении без увеличения нагрузки привела к общей потери устойчивости гофрированной стенки |
|
а
б
в
| Рисунок 15. Результаты испытаний образцов с плоской БС2,25 и с гофрированной стенками БГС2,25 (по сортаменту профиль 50/66БГС2);
а – экспериментальные графики «нагрузка – перемещение» соответственно (1) и (3) образцов БГС2,25 и БС2,25; (2) и (4) – теоретические графики этих же образцов;
б - характер исчерпания несущей способности образца БС2,25 в виде местной потери устойчивости плоской стенки на длине отсека между поперечными ребрами жесткости;
в- характер исчерпания несущей способности образца БГС2,25 в виде местной потери устойчивости одной панели гофра, которая при дальнейшем нагружении без увеличения нагрузки привела к общей потери устойчивости гофрированной стенки |
|
а
б
в
| Рисунок 16. Результаты испытаний образцов с плоской ШС1 и с гофрированной стенками ШГС1 (по сортаменту профиль 30/55ШГС1);
а – экспериментальные графики «нагрузка – перемещение» соответственно (1) и (3) образцов ШГС1 и ШС1; (2) и (4) – теоретические графики этих же образцов;
б - характер исчерпания несущей способности образца ШС1 в виде местной потери устойчивости плоской стенки на длине отсека между поперечными ребрами жесткости;
в - характер исчерпания несущей способности образца БГС1 в виде местной потери устойчивости сжатого пояса в месте его максимального свеса |
|
а
б
в
| Рисунок 17. Результаты испытаний образцов с плоской КС1,5 и с гофрированной стенками КГС1,5 (по сортаменту профиль 30/38КГС3);
а – экспериментальные графики «нагрузка – перемещение» соответственно (1) и (3) образцов КГС1,5 и КС1,5; (2) и (4) – теоретические графики этих же образцов;
б - характер исчерпания несущей способности образца КС1,5 в виде местной потери устойчивости плоской стенки на длине отсека между поперечными ребрами жесткости. На рисунке указана нагрузка на один домкрат по варианту загружения №2 (наилучший вариант загружения двумя домкратами);
в - характер исчерпания несущей способности образца КГС1,5 в виде развития значительных пластических деформаций в растянутом поясе и местной потери устойчивости сжатого пояса в месте его максимального свеса. На рисунке указана суммарная нагрузка на один домкрат по варианту загружения №1(наихудший вариант загружения одним домкратом) |
|
