У статті розглянута проблема проектування вузла сполучення балки з колоною в металевому каркасі багатоповерхових житлових будинків. На основі зарубіжного досвіду розраховане фланцеве з'єднання для нового сортаменту прокатних двотаврів. У порівнянні з серією 2.440-2 фланцевих з'єднань, спроектований вузол має істотно більш просту конструкцію. Був проведений розрахунок в програмному комплексі Ansys Workbench, в результаті отримана математична модель. У лабораторії ПНИП виконані натурні випробування вузлів. Дані отримані з експерименту мають хорошу кореляцію з математичною моделлю.

Анотація наукової статті з будівництва та архітектури, автор наукової роботи - Сон М.П., ​​Савич С.А., Землянухин А.Д., Шестаков А.П..


MATHEMATICAL MODELING OF FLANGE CONNECTIONS IN ANSYS SOFTWARE COMPLEX

The article deals with the problem of designing a gripper-arm interface of a beam with a column in a metal frame of multi-storey residential buildings. Based on foreign experience, a flange connection for a new assortment of rolled I-beams is calculated. In comparison with the 2.440-2 series of flange connections, the designed unit has a much simpler design. The calculation was carried out in the software complex Ansys Workbench, resulting in a mathematical model. Full-scale tests of the gripper-arm interface were carried out in the laboratory of Perm National Research Polytechnic University. The data obtained from the experiment correlate well with the mathematical model.


Область наук:
  • Будівництво та архітектура
  • Рік видавництва діє до: 2017
    Журнал: Міжнародний науково-дослідний журнал

    Наукова стаття на тему 'МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ фланцевих з'єднань У ПРОГРАМНОГО КОМПЛЕКСІ ANSYS'

    Текст наукової роботи на тему «МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ фланцевих з'єднань У ПРОГРАМНОГО КОМПЛЕКСІ ANSYS»

    ?DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.60.081 Сон М.П.1, Савич С.А.2, ЗемлянухінА.Д.3, Шестаков А.П.4

    1 Кандидат технічних наук, доцент, 2 старший викладач, 3магістрант, Пермський національний дослідницький інститут, 4 Молодший науковий співробітник, Інститут механіки суцільних середовищ Уральського відділення Російської академії наук, Перм, Росія.

    МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ фланцевих з'єднань в програмі

    КОМПЛЕКСІ ANSYS

    анотація

    У статті розглянута проблема проектування вузла сполучення балки з колоною в металевому каркасі багатоповерхових житлових будинків. На основі зарубіжного досвіду розраховане фланцеве з'єднання для нового сортаменту прокатних двотаврів. У порівнянні з серією 2.440-2 фланцевих з'єднань, спроектований вузол має істотно більш просту конструкцію. Був проведений розрахунок в програмному комплексі Ansys Workbench, в результаті отримано математичну модель. У лабораторії ПНИП виконані натурні випробування вузлів. Дані отримані з експерименту мають хорошу кореляцію з математичною моделлю.

    Ключові слова: металевий каркас, фланець, високоміцні болти, математична модель, Ansys, фланцеві з'єднання.

    Son M.P.1, Savich S.A.2, Zemlyanukhin A.D.3, Shestakov A.P.4

    1PhD in Engineering, Associate Professor, 2Senior Teacher, 3Undergraduate Student, Perm National Research Polytechnic University, Junior Research Associate, Institute of Continuum Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russia. MATHEMATICAL MODELING OF FLANGE CONNECTIONS IN ANSYS SOFTWARE COMPLEX

    Abstract

    The article deals with the problem of designing a gripper-arm interface of a beam with a column in a metal frame of multistorey residential buildings. Based on foreign experience, a flange connection for a new assortment of rolled I-beams is calculated. In comparison with the 2.440-2 series of flange connections, the designed unit has a much simpler design. The calculation was carried out in the software complex Ansys Workbench, resulting in a mathematical model. Full-scale tests of the gripper-arm interface were carried out in the laboratory of Perm National Research Polytechnic University. The data obtained from the experiment correlate well with the mathematical model.

    Keywords: metal frame, flange, high-strength bolts, mathematical model, Ansys, flange connections.

    У сучасному світі розвиток будівельних технологій не стоїть на місці. Щорічно в Росії вводять в експлуатацію близько 80 млн квадратних метрів житла. Цифра ця хоч і велика, але втрачається в порівнянні з Китаєм, де будинки будуються з вражаючою швидкістю. На п'ятнадцяти поверховий готель може піти 6 днів. Китай має тенденцію зменшення будівельно-монтажних робіт виконуваних на будівельному майданчику. В результаті все будівництво перетворюється в збірку конструктора. Природно, подібна швидкість монтажу стає досяжним при використанні фланцевих з'єднань. Основною перевагою яких є [1]:

    1. Простота складання, що відбивається на терміни здачі об'єкта.

    2. Монтаж може проводитися при будь-яких кліматичних умовах.

    3. Висока надійність, в тому числі при дії динамічних навантажень.

    З мінусів варто відзначити:

    1. Складність виготовлення. Всі неточності, допущені при виготовленні, можуть відбитися на якості виконуваних робіт.

    При монтажі фланцевих з'єднань застосовують високоміцні болти, класів міцності від 8.8 і вище. У Росії в основному використовують болти класу міцності 10.9, виконаних зі сталі 40Х «селект». Перед установкою болти необхідно кип'ятити протягом 10-15 хвилин, після чого промити в суміші складається з 70% неетильованого бензину і 30% масла. З'єднання фланців виконується з переднатягненням болтів, що виконується динамометричним ключем. Стягнуті фланці повинні настільки щільно примикати один до одного, що щуп 0,1 мм не повинен проходити між ними. Контролю затягування підлягають всі болти. При відході від технології монтажу можлива поява дефектів. Одна з головних причин неточностей пов'язана з тим, що при приварке фланців до балок виникають залишкові зварювальні деформації, що призводять до появи у фланцях грибовидності - дефекту зварних листових металевих конструкцій, який проявляється в їх випинання. Перепад поверхонь (депланація) стикуються деталей повинен бути ліквідований механічною обробкою шляхом освіти плавного скоса.

    На даний момент в Росії відсоток багатоповерхових житлових будинків з використанням металевого каркаса практично дорівнює нулю. Для порівняння у всіх розвинених країнах відсоток подібних будівель становить 40 і вище. Одна з причин такої ситуації - відсутність в Росії відповідного сортаменту металевого прокату двутавров [2]. Що випускається прокат має велику номенклатуру по ширині і висоті, що сильно ускладнює стикування елементів. Крім того, колонний двутавр має мінімальну товщину стінки, що не дозволяє виконати вузол примикання балки без посилення.

    Але навіть з виходом нового сортового прокату картина не зміниться. З часів СРСР конструкції фланцевих з'єднань не переглядалися. Також будівництво житлових будинків на металевому каркасі не розвивалося. До сих пір найвідомішими і масштабними об'єктами залишаються сталінські висотки, побудовані в кінці 1940-х роках.

    Типові вузли фланцевих з'єднань, викладені в серії 2.440-2 1989р., Мають складну, нераціональну конструкцію (рис. 1.).

    Мал. 1 - Вузол серії 2.440-2

    У вузлі присутня безліч конструктивних елементів: ребра жорсткості, зворотні фланці, вути і опорні столики, сильно ускладнюють монтаж і що підвищують трудомісткість і витрати на будівництво.

    В СРСР не було потужних обчислювальних комплексів, заснованих на методі кінцевих елементів, як наслідок, відповідальні вузли проектували з високим запасом міцності, часом необґрунтованим. Практичне використання МСЕ почалося з 50-х років, спочатку в області авіації, а потім і в інших напрямках. При розвитку обчислювальних потужностей процесорів, з'явилася можливість детально моделювати конструкції. Обчислювальний комплекс Ansys Workbench відноситься до лідерів програмних комплексів кінцево-елементного аналізу. За допомогою нього можливо моделювання контактної взаємодії, яке присутнє в поверхнях фланця і колони. В якості досліджуваного вузла був обраний вузол примикання балки до колони, аналогічний вузлів, що застосовуються в Америці і Європі [3-5] .Узел максимально простий, в ньому відсутні перераховані вище конструктивні елементи. Фланець представляє собою лист металу прямокутний форми, без додаткових розширень в зоні верхньої полиці двутавра. Геометрія математичної моделі виконана в графічному редакторі Design Modeler (рис.2.), Складається з безлічі твердотільних елементів: болтів, зварних швів, двох балок, колони і фланців. Примикання окремих тел описані за допомогою типів контактів Bonded і Frictional. Тип контакту Bonded є повне зчеплення поверхонь, використовується в місцях контакту зварних швів. Тип Frictional- контакт з тертям, застосовується у всіх інших контактируемих тілах. Коефіцієнт тертя обраний 0,2. Для спрощення моделі болт виконаний одним тілом з гайкою.

    225.0 »675.01

    Мал. 2 - Геометрія математичної моделі 165

    Ведеться фізично і геометрично нелінійний розрахунок з покроковим збільшенням навантаження. Спочатку закладено 20 кроків. На першому кроці відбувається затягування болтів до проектного рівня. Після чого фіксується і починається навантаження балок, що прикладається на кінцях консолей.

    Для детального опису поведінки конструкції в пластиці застосовувалася полілінейная діаграма стали С345

    (Рис. 3).

    Мал. 3 - Узагальнена розрахункова діаграма роботи сталей

    Для болтів використовувалася билинейная діаграма Прандтля з тимчасовим опором 1100 МПа. На кожному кроці навантаження дивимося прикладається силу і переміщення кінця консолі, будуємо графік залежності переміщення від навантаження (рис.5.). При максимальному навантаженні в 45 тс з двох сторін вузла, спостерігаються: вигин фланців по складній формі, втрата стійкості стислій стінки колони, велике подовження болтів, що передувало їх розриву. У конструкції вузла немає яскраво виражених слабких місць. Руйнування можливо по різному сценарієм, що говорить про раціональність вузла.

    2 »00 (75.0В

    Мал. 4 - Напружено деформований стан вузла, болта

    5 10 15 20

    Мал. 5 - Графіки залежності переміщення кінця балки від навантаження

    На даний момент в лабораторії Пермського національного дослідницького політехнічного університету підготовлений випробувальний стенд, що дозволяє створювати навантаження на випробуваний зразок до 200т. На даному стенді, в даний час, проводяться випробування фланцевих з'єднань масштабних зразків в натуральну величину. Навантаження на зразки прикладається ступенями з подальшою розвантаженням, що дозволяє відстежувати появу і наявність залишкових пластичних деформацій (див. Рис.5.). Після проведення серії випробувань, був проведений аналіз розрахункових і експериментальних даних. Графіки показали хорошу кореляцію, що говорить про коректну математичну модель. Обраний вузол показав високу несучу здатність, равнопрочность несучої здатності самої балки.

    Надалі планується провести випробування зразків з різними товщинами фланців. Зіставивши всі випробування з математичною моделлю, можна з упевненістю говорити про заміну натурних випробувань обчисленнями, що істотно знизить витрати на проектування. Підібравши найбільш просте і надійне рішення, вдасться знизити витрати на будівництво будівель з металевого каркаса.

    Список літератури / References

    1. Катюшин В.В. Будинки з каркасами із сталевих рам змінного перерізу. - М .: Стройиздат, 2005. - 450 с.

    2. Сон М.П., ​​Конін Д.В. Фланцеві з'єднання балок з колонами в сталевих каркасах житлових і громадських будівель / М.П. Сон, Д.В. Конін // Будівельна механіка і розрахунок споруд. - № 6. - 2015. - C. 29-35.

    3. EN 1993-1-8. Eurocode 3. Design of Steel Structures. Part 1.8: Design of joints. CEN, 2005.

    4. BS 5950-1: 2000. British standard. Structural use of steelwork in building. Part 1: Code of practice for design - Roller and welder sections.

    5. Joints in Steel Construction Moment Connections. The Steel Construction Institute.1997

    Список літератури англійськоюмовою / References in English

    1. Katiushin V.V. Zdanija s karkasami iz stal'nyh ram peremennogo sechenija [Buildings with skeletons of steel frames of variable section. - M .: Stroiizdat], 2005. - 450 p.

    2. Son M.P. Flancevye soedineniya balok s colonnami v stalnyh karkasah zhilyh I obshchestvennyh zdanij // stroitelnaya mekhanika i raschet sooruzhenij [Flange connections of beams to columns in steel frames in residential and public buildings / Son M.P., Konin D.V. // Structural mechanics and construction calculation] - № 6. - 2015. - C. 29-35.

    3. EN 1993-1-8. Eurocode 3. Design of Steel Structures. Part 1.8: Design of joints. CEN, 2005.

    4. BS 5950-1: 2000. British standard. Structural use of steelwork in building. Part 1: Code of practice for design - Roller and welder sections.

    5. Joints in Steel Construction Moment Connections. The Steel Construction Institute.1997


    Ключові слова: МЕТАЛЕВИЙ КАРКАС / METAL FRAME / ФЛАНЕЦЬ / фланцевих з'єднань / FLANGE / високоміцних болтів / HIGH-STRENGTH BOLTS / МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ / MATHEMATICAL MODEL / ANSYS / FLANGE CONNECTIONS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити