Расчетные модели узлов стальных конструкций и их

«Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office»
КОМЕТА 11.3
Расчет и проектирование узлов
стальных конструкций
1. Расчетные модели узлов баз колонн
2. Расчетные модели фланцевых соединений в монтажных стыках
балок и в узлах жесткого сопряжениях ригелей с колоннами
3. Реализация EN 1993-1-8
Юрченко В. В., к. т. н.
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
КОМЕТА 11.3
Расчет узлов металлических конструкций
Главное окно программы
 Задача – получение
проектного решения
узла, параметры
которого удовлетворяют
всем нормативным
требованиям

Результаты – чертеж
узла и данные о несущей
способности его
отдельных элементов
(деталей конструкции,
сварных и болтовых
соединений, и т.д.)
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
2
КОМЕТА 11.3
Жесткие базы колонн
Исходные данные и номенклатура прототипов
Базы с траверсами и
консольными ребрами
Общий случай
нагружения
Базы без траверс
Базы с выносными
траверсами
Несколько расчетных
комбинаций загружения
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
3
КОМЕТА 11.3
Шарнирные базы колонн
Исходные данные и номенклатура прототипов
Две компоненты
поперечного усилия
1. Базы без траверс
2. Базы с траверсами и
консольными ребрами
Несколько расчетных
комбинаций загружения
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
4
КОМЕТА 11.3
Программная реализация узлов баз колонн
Расчетные модели и этапы поискового алгоритма
6.
7.
tp
tp
Mmax
max
Faн
c c
Fб
c c
Ap,red
hw
hp
c  0,5   b f  0,5hw 

bp
5.
My
bf
4.
Mz
N
c c
bp
3.
N
bf
2.
Определение начального
проектного решения
Определение напряжений в бетоне
фундамента
Вычисление генеральных размеров
опорной плиты
Подбор диаметра анкерных болтов
Подбор толщины опорной плиты
на базе решения задачи об изгибе
пластины
Подбор катетов швов в сварных
соединениях базы
Уточнение
hp
размеров сечений
траверс, анкерных
пластинок и
консольных ребер
bp
1.
.
н.о
b
f

hw
hp
2
 0,5hw  Ap,red 

r
t
rc
rp
 red
3N

tp
 rc   4  rc   rc 
2   rc 
1
kr
 kt     2 k r   kt   
 rp   t p  rp   rp  12 2 rc2
3   rp 
 
   

Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
5
КОМЕТА 11.3
Стыки балок
Исходные данные и номенклатура прототипов
Общий случай загружения
Фланцевые
соединения
балок
Несколько расчетных
комбинаций загружения
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
6
КОМЕТА 11.3
Сопряжение ригеля с колонной
Исходные данные и номенклатура прототипов
Общий случай загружения
Фланцевые соединения
ригелей с колоннами
Несколько расчетных
комбинаций загружения
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
7
Фланцевые соединения
Примеры практической реализации в поперечных
рамах каркасов




Простота
выполнения и
контроля
соединения;
Возможность
возведения при
любых
климатических
условиях;
Высокая надежность
при действии
динамических
нагрузок;
Возможность
демонтажа без
повреждения
несущих элементов.
Монтаж стального каркаса крытого стадиона ФК «Динамо» в с. Конче-Заспе Киевской обл.
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
8
Фланцевые соединения
Примеры практической реализации в поперечных
рамах каркасов

Узлы сопряжения ригеля с
колонной

Монтажные стыки ригелей
Зазоры между
фланцами в
монтажных стыках
ригелей поперечных
рам, обусловленные
неточностью
изготовления
конструкций

Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
9
КОМЕТА 11.3
Фланцевые соединения
Расчетная модель и программная реализация
1) Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных
строительных конструкций / СО Стальмонтаж, ВНИПИ Промстальконструкция, ЦНИИПСК
им. Мельникова. – М., 1988.
n
н
N  nb Nb,вн   Nb,н,i
tf , t w
kff , kfw
i 1
N b ,н ,i  min  N н ,b ,i , N н , f ,i 
kff , kfw
N н ,b ,i  i Rbt Abn
a2
изогнутая ось
фланца
Q
a2
lf , l w
Pf
N н , f ,i  1,3
i  1
R A
i i bt bn
i  0,5088  0, 2356lg i
Nb
Nb
c
N b, в н   b 0 Rbt Abn
i  0,9 Rbt Abnbi 
6
i t 2f Ry
 bi
d
i 

i  t f  0,5d   t f
2



3
1, 4  i  i  1   2  i i  i  1  0
3
c
Q
Проектирование фланцевых соединений выполняется при обеспечении:



Прочности болтов на растяжение и срез;
Прочности фланца при изгибе, а также при возможном поверхностном отрыве в
околошовной зоне;
Прочности угловых швов в сварных соединений между фланцем и сечением
несущего элемента.
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
10
КОМЕТА 11.3
Фланцевые соединения
Расчетные модели согласно EN 1993-1-8
Виды исчерпания несущей способности:
Разрушение болтов;
Разрушение болтов с частичным развитием пластических деформаций во фланце;
Развитие пластические деформации во фланце.
Q
e
Q
Q

Bt
Bt
2
m
Mpl,1
FT
m
1
Bt

Mpl,2
Mpl,2
FT

1
Mpl,1
Bt
Mpl,2
Bt
Q
Mpl,1
Mpl,1
Bt
FT
Q
Mpl,2
e



Q
Q
FT , I   Bt ,i
i
Q
Wext   M i  i  Wint   Fi i
i
FT , II 
i
M pl ,1  eBt
FT ,III 
2M pl ,1  2M pl ,2
m
2e  m
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
11
КОМЕТА 11.3
Реализация ЕС 3 (EN 1993-1-8)
Учет реальной жесткости узлов
z2E
S j ,ini 
1
i k
i
zt
bfc
±N
z
±N
bfc
zc
M
центр сжатия
k bfc k bfc
Mj
Mj
k bwt - стенка балки при растяжении
k bfc - полка балки при сжатии
kepb - фланец при изгибе
kbt - болт при растяжении
k bwt k bt
жесткие
kbwt
k bfc k bfc
k bwt k bt
S j,ini
k epb kepb kbt
k epb kepb kbt
kbwt
полужесткие
шарнирные
k bwt k bt k epb kepb kbt kbwt
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
12
КОМЕТА 11.3
Реализация ЕС 3 (EN 1993-1-8)
Европейская категоризация болтовых соединений
Критерии
обеспечения
Примечание
несущей
способности
Fv , Edвоспринимающие
 Fv , Rd
Соединения,
сдвиг
Fv , Ed  Fb, Rd
Болты классов прочности от 4.6 до
А
10.9, или высокопрочные без
(сминаемый тип)
Fv , Ed , ser  Fs , Rd , ser
контролируемого усилия
натяжения
Fv , Ed  Fv , Rd
Высокопрочные болты классов 8.8
В
Fv , Ed  Fb, Rd
и 10.9 с контролируемым усилием
(сдвигоустойчивый тип
натяжения
Fv , Ed  Fs , Rd
при расчете по II группе
предельных состояний)
Fv ,Ed  Fb,Rd
Высокопрочные болты классов 8.8
С
Fv , Ed  N net , Rd
и 10.9 с контролируемым усилием
(сдвигоустойчивый тип
натяжения
при расчете по I группе
предельных состояний)
Ft , Ed  Ft , Rd
Соединения, воспринимающие растяжение
Ft , Ed  B p , Rd
Болты классов прочности от 4.6 до
D
10.9, или высокопрочные без
Ft , Ed  Ft , Rd
контролируемого усилия
Ft , Ed  B p , Rd
натяжения
Высокопрочные болты классов 8.8
E
и 10.9 с контролируемым усилием
натяжения
Киев, НИИСК,
5-8 октября, 2009
Категория болтового
соединения
13
КОМЕТА 11.3
Реализация ЕС (EN 1993-1-8)
Сопоставление требований к размещению отверстий
p1,min  p1
p2,min  p2
Предельное значение
Минимально допустимое расстояние
СНиП
II-2381
e1,min  e1
1. Между центрами отверстий в направлении:
e2,min  e2
а) вдоль усилия, р1,min:
Проект
ДБН
В.2.6
EN
1993-18
при Ryn < 375 Н/мм2
2,5d0
2d0
2,2d0
Н/мм2
2,5d0
3d0
2,2d0
при Ryn < 375 Н/мм2
2,5d0
2d0
2,4d0
Н/мм2
2,5d0
3d0
2,4d0
при Ryn < 375 Н/мм2
2d0
1,5d0
1,2d0
при Ryn > 375 Н/мм2
2d0
2,5d0
1,2d0
при обрезных кромках
1,5d0
1,5d0
1,2d0
при прокатных кромках
1,2d0
1,2d0
1,2d0
1,3d0
1,3d0
1,2d0
при Ryn > 375
б) поперек усилия, р2,min:
при Ryn > 375
2. От центра отверстия до края элемента:
а) в направлении вдоль усилия, е1,min:
e1
б) в направлении поперек усилия, е2,min:
F
p2
e2
p1
F
в) во фрикционном соединении при
любой кромке и любом направлении
усилий, е1,min, е2,min
Обозначения, принятые в таблице: d0 – диаметр отверстия для болта.
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
14
КОМЕТА 11.3
Реализация ЕС 3 (EN 1993-1-8)
Сопоставление требований к размещению отверстий
p1  p1,max
p2  p2,max
Максимально допустимое
расстояние
e1  e1,max
При
а) в крайних рядах при
отсутствии
окаймляющих
уголков при растяжении и
сжатии
p1
б) в средних рядах, а также в
крайних рядах при наличии
окаймляющих уголков:
tmin
235
fy
ЕС регламентирует проверку
местной устойчивости
EuroCode 3
EN 1993-1-8
8d0
или
12tmin
14tmin
или
200 мм
при растяжении
16d0 или
24tmin
16d0 или
24tmin
14tmin или
200 мм
при сжатии
12d0 или
18tmin
12d0 или
18tmin
14tmin или
200мм
4d0 или
8tmin
4tmin + 40мм
2. От центра отверстия до края элемента:
F
p2
F
Проект
ДБН В.2.6
8d0
или
12tmin
e1
e2
p1
СНиП
II-23-81*
1. Между центрами отверстий для болтов, р1,max, р2,max:
e2  e2,max
9
Предельное значение
lef =0,6p1
е1,max, е2,max
4d0 или
8tmin
Обозначения, принятые в таблице: d0 – диаметр отверстия для болта; tmin – толщина
наиболее тонкого внешнего элемента соединения.
Примечание: Данные о максимально допустимом расстоянии между центрами отверстий
для болтов, а также от центра отверстия до края элемента наведены для конструкций,
изготовленных из сталей за EN10025 за исключением сталей за EN10025-5.
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
15
КОМЕТА 11.3
Реализация ЕС 3 (EN 1993-1-8)
Учет неравномерности распределения внешних усилий
EN 1993-1-8

Fv , Rd
Fb, Rd

  f n  A
  L  v ub s
M2
k   f  d  t
 L  1 b u
M2
Nbp  Rbp  db  tmin   b

N b ,min  min N bs , N bp
N
n
N b ,min  c
 Lj

 15  ,  L  0, 75
 d

 b  0,9
b
1,0
0,9

Nbs  Rbs  Ab  ns   b
 L  1  0, 005 
L
СНиП II-23-81*
Nbs  Rbs  Ab  ns   b1   b 2   c
Nbp  Rbp  db  tmin   b1   b 2   c

N b ,min  min N bs , N bp
N
n
 L N b ,min  c

 Lj

 16  ,  L  0, 75
 d0

 b1  0,9
Lj
F
ДБН В.2.6
EN 1993-1-8
F
Lj
Lj
F
F
15d 16d0
65d
66d0

 L  1  0, 005 
СНиП II-23-81*
0,75
Проект ДБН В.2.6
Lj
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
16
КОМЕТА 11.3
Реализация ЕС 3 (EN 1993-1-8)
Распределение внешних усилий: сопоставление норм

Упругое распределение усилий

Пластическое распределение усилий
M
M
№
Нормативный
документ
Упругое
распределение усилий
Пластическое
распределение усилий
1
СНиП II-23-81*
ДБН В.2.6 (проект)
для
срезных
и
болтовых соединений
фрикционно-срезных
для
фрикционных
болтовых соединений
2
EC EN 1993-1-8
2.1) для болтовых соединений категории
С (для фрикционных соединений на
высокопрочных
болтах
классов
прочности 8.8 и 10.9 с контролируемым
усилием натяжения, рассчитываемых по
первой группе предельных состояний);
2.2) для болтовых соединений других
категорий, в случаях когда расчетное
сопротивление
болтов
на
смятие
превышает расчетное сопротивление на
срез.
для
других
болтовых
соединений,
которые
не
удовлетворяют
условия, описанные
в пп. 2.1 и 2.2
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
17
«Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office»
Расчетные модели узлов стальных
конструкций и их реализация в
программе КОМЕТА
Спасибо за внимание
Юрченко В. В., к. т. н.
кафедра металлических и
деревянных конструкций
Киевский национальный университет
строительства и архитектуры
E-mail: [email protected]
Киев, НИИСК, 5-8 октября, 2009
18