Материал: 1897

24.2.Результаты обследований

ипостановка задачи исследования

Для примера приведём результаты обследования здания ТЭЦ, эксплуатируемого более 50 лет во 2-м снеговом районе (после 2003 г. 3-й район). В покрытии здания с продольными фонарями применены стальные фермы пролётом 39,2 м и сборный железобетонный настил из ребристых плит. Плиты шириной 1,5 м соединены с фермами монтажной сваркой, швы между плитами замоноличены мелкозернистым бетоном (рис. 24.1). Верхний пояс ферм выполнен из спаренных угол-

ков 150×15, 150×12 и 125×80×8 (Ry = 240 МПа).

коррозии арматуры от влажностных воздействий, возникавших при протечках кровли нарушен й системы водоотвода. Повреждения элементов ферм не отмечал сь.

го пояса фермыС. Учитывали также несколько вариантов загружения снеговой нагрузкой.

Расчёт фермы выполнен по программному комплексу «ЛИРА». Собственный вес элементов фермы учтён расчётной программой.

Врезультате расчёта получены максимальные расчётные усилия

вэлементах верхнего сжатого пояса с разными сечениями: N = 1696 кН (элементы 16 – 21 и 47 – 52); 1446 кН (элементы 12 – 15 и 43 – 46) и 487 кН (элементы 6 – 8 и 37 – 39) (усилия от снеговой нагрузки соответственно Ns = 566 кН; 497 кН и 172 кН). При коэффициенте усло-

вия работы γс = 0,95 в элементах из спаренного уголка 150×15 с площадью сечения A = 2 43,08 = 86,16 см2 при гибкости λ = 150/4,6 =

141

= 32,6, коэффициенте продольного изгиба ϕ = 0,921 и коэффициенте надёжности γn = 1,1 получены расчётные напряжения σ = 270 МПа> Ry. В элементах из спаренного уголка 150×12 с площадью сечения A = 2 34,89 = 69,78 см2 расчётные напряжения σ = 2840 МПа > Ry. В

σ = 254 МПа> Ry.

Таким образом, напряжения во всех элементах сжатого пояса превышают расчётное сопротивление стали на 4 – 16 % и поэтому требуется усиление ферм.

Прогиб фермы при нормативной длительно действующей на-

грузке, определённый в упругой стадии деформирования, не превы-

шает допустимого значения и составляет 0,099 м. Однако при учёте

При расчётном значении снеговой нагрузкиИи коэффициенте на-

дёжности γn = 0,95, принятых в нормах до 2003 г. (усилия от снеговой нагрузки соответственнобNs = 308 кН; 271 кН и 9,4 кН и суммарные усилия N = 1438 кН; 1220 кН и 409 кН), усиление ферм не требуется,

так как σ = 181 МПаи< Ry; σ = 189 МПа < Ry; σ = 165 МПа < Ry и обеспечивается резерв прочности (устойчивости) верхнего пояса более

23 %.

УвеличениеСрасчётных значений снеговой нагрузки и повышение нормативных требований к безопасности зданий заставляют искать обоснованного объяснения фактов безаварийной эксплуатации покрытий из стальных ферм и ребристых настилов. Определённая подсказка для поиска скрытых резервов содержится в требованиях закона № 384-ФЗ к расчетным моделям (в том числе расчетным схемам, основным предпосылкам расчета) конструкций, которые должны отражать действительные условия работы здания или сооружения, отвечающие рассматриваемой расчетной ситуации. Особое внимание при этом уделяется пространственной работе конструкций и взаимодействию элементов конструктивных систем.

На основании этого поставлена задача исследования взаимодействия сборного ребристого настила со стальными фермами в пространственной системе покрытия и перераспределения усилий в элементах. Ранее подобные задачи решали применительно к покрытиям

142

со стропильными железобетонными балками. Задача совместной работы ребристого настила с фермами ставится впервые.

24.3. Механизм взаимодействия элементов покрытия

Вследствие приварки плит к фермам и замоноличивания межплитных швов элементы покрытия под нагрузкой, приложенной после замыкания связей, деформируются совместно. Для оценки механизма перераспределения усилий между сборным ребристым настилом и фермами выполнен анализ основных факторов взаимодействия: по-

следовательности монтажа и замыкания связей, деформативности и прочности сварных соединений, деформативности растворных (бетонных) швов с учётом усадки, характера загружения и усилий в узлах и элементах конструктивной системы.

фермами в узлах соединения плит с фермамиИвозникают сдвигающие усилия и происходит перераспределение сжимающих усилий между

Вследствие взаимодействия сборного ребристого настила с

Для исследования принята конструкция покрытия, представляющая собой пространственную систему, состоящую из трех ферм, связанных ребристым настилом (рис. 24.2). Применена расчётная схема метода конечных элементов (КЭ) в виде модели, располагаемой в декартовой системе координат с 6-ю степенями свободы в узлах.

Элементы ферм в расчетной схеме приняты в виде стержней (универсальные КЭ 10). Стержни имеют местную систему координат X1,Y1 и Z1, относительно которых задается местная нагрузка и определяются усилия. Конечным элементам КЭ 10 присваиваются жесткости, соответствующие сечениям конструктивных элементов. В опорные узлы стальных ферм введены связи, запрещающие перемещения по степеням свободы Х и Z на правых опорах ферм и по Z на левых.

143

Рис. 24.2. Расчётная схема пространственной системы покрытия

Плиты покрытия с собраны из пластинчатых элементов с соот-

ветствующими геометрическими и деформативными характеристика-

И боды, определенных относительноАосей глобальной системы коорди-

ми. Для узлов, соединяющих плиты покрытия с фермами, применены

двумя узлами, в каждом из которых имеется по шесть степеней сво-

конечные элементы КЭ 55. Данный тип КЭ позволяет учесть податливость материала между смежнымиДузлами. Элемент описывается

нат. Межплитые швы, заполняемые цементно-песчаным раствором,

моделируются при помощи конечного элемента КЭ 51. Данный тип КЭ применяется для связейбконечной жесткости по направлению одной из осей глобальнойиили локальной системы координат узла. Так, например, для степени сво оды Z конечный элемент позволяет смоделировать работу пруж ны ли упругого основания.

СтатическиеСвоздейств я заданы в виде распределенных нагрузок на пластины, которые моделируют полку ребристых плит по направлению глобальной оси Z. Постоянные, действующие до замыкания связей (сварка закладных деталей и замоноличивание швов) и после замыкания, а также временные (снеговые) нагрузки приняты как отдельные загружения.

Расчеты показали, что усилия в верхнем поясе фермы вследствие перераспределения уменьшаются по сравнению с расчётом по традиционной схеме на 12 – 16 %.

Прогиб фермы в составе покрытия по сравнению с традиционной расчётной схемой уменьшается на 30 %.

144

24.5.Перераспределение усилий в элементах системы

Сцелью уточнения влияния деформаций элементов на перераспределения усилий рассмотрим напряжённо-деформированное состояние системы, элементами которой являются торцевое ребро сборной железобетонной плиты и панель верхнего пояса стальной фермы. Элементы в системе связаны между собой сваркой в опорных узлах

(рис. 24.3).

Верхняя часть модел рует торцевое ребро, загруженное сверху равномерно распределённой погонной нагрузкой q и приложенным в одном опорном узле сдвигающим (распорным) усилием взаимодействия T. Торцевое ребро длиной l = 150 см (ширина типовой плиты покрытия) имеет переменное сечение: высота на опорах равна высоте продольных рёбер h = 30 см и высота посередине длины hс = 15 см. Средняя ширина (толщина) ребра b = 20 см.

Нижняя часть, моделирующая панель сжатого пояса фермы, загружена продольным усилием N и усилием взаимодействия T, которое растягивает панель с эксцентриситетом e0. Неизвестное усилие T находится из условия равенства перемещений элементов в опорном узле. Получено выражение для приближённого определения усилия взаимодействия T :