Экспериментальные исследования влияния зазоров во фланцевых соединениях на напряженно-деформированное состояние узла

Введение. Для решения инженерных задач интерес представляет вопрос действительной работы каркаса здания в целом с учетом особенностей работы узлов, соединяющих несущие элементы. Предлагается исследовать влияние начальных зазоров во фланцевых соединениях типа «балка – колонна» на прочностные и деформативные характеристики узлового решения. Особое внимание уделяется работе высокопрочных болтов с предварительным натяжением в режиме работы «растяжение с изгибом». Предложена конфигурация экспериментальной модели, выбран способ фиксации величины напряжений в болтах в трех точках, что позволяет учитывать напряжения не только от растяжения болта, но и от его изгиба.

Материалы и методы. Выполнен литературный обзор темы влияния начальных несовершенств во фланцевых соединениях, рассмотрен вопрос недостатков существующих подходов к аналитическому расчету узлов на основе российских и зарубежных нормативных документов. Описаны экспериментальная установка и опытные образцы, приведены рекомендации по проведению экспериментальных исследований фрагмента рамы с двумя типами узлов. Установка и образцы разработаны на основе результатов численного расчета конечно-элементных моделей.

Результаты. Проведены испытание шпильки с заявленным классом прочности 8.8 для определения ее фактических механических характеристик, испытание на растяжение шпильки с прорезями для оценки достоверности данных тензометрических измерений и корректировки конструкции экспериментальных образцов с учетом результатов испытаний, испытание узловых решений двух видов конфигураций, обработка и аналитика результатов испытаний.

Выводы. Обоснована методология выполнения эксперимента по тематике исследования, определен характер влияния формируемого зазора на напряжения в элементах узла.

1. Косенкова И.С., Егоров П.И. Сравнительный анализ узлов сопряжения стальной балки с колонной // Материалы 57-й студ. науч.-техн. конф. инженерно-строительного института ТОГУ. 2017.С. 150–154. EDN YTGEUL.

2. Добрачев В.М., Вершинин Д.С. Новое конструктивное решение жестких узлов стальных каркасов зданий // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2015. № 7 (679). С. 5–17. EDN UKQJWH.

3. Вершинин Д.С., Шабанов Е.А., Добрачев В.М. Исследование напряженно-деформированного состояния жестких узлов стальных каркасов зданий с предварительным напряжением на компьютерных моделях // Инновации и инвестиции. 2020. № 10. С. 193–198. EDN XGFBME.

4. Володин М.В., Катюшин В.В., Конин Д.В., Олуромби А.Р., Рычков С.П., Нормирование требований к проектированию и приемке фланцевых сое-динений на основании экспериментальных данных и расчетов // Строительная механика и расчет сооружений. 2020. № 1 (288). С. 62–73. EDN CBLPBA.

5. Сон М.П., Савич С.А., Землянухин А.Д., Шестаков А.П. Математическое моделирование фланцевых соединений в программном комплексе ANSYS // Международный научно-исследовательский журнал. 2017. № 6–3 (60). С. 164–167. DOI: 10.23670/IRJ.2017.60.081. EDN YTTIZJ.

6. Сон М.П. Влияние механических характеристик болтов на НДС и работу фланцевых соединений балок с колоннами // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. 2019. № 1 (33). С. 142–152. DOI: 10.15593/2409-5125/2019.01.10. EDN VXKZFU.

7. Кашеварова Г.Г., Сон М.П., Землянухин А.Д. Сравнение несущей способности и деформативности фланцевых узлов примыкания балки к колонне при разных толщинах фланца // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. 2020. Т. 1. С. 44–49. EDN JRUIXN.

8. Сон М.П. Экспериментальные исследования прочности фланцевых соединений // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2018. Т. 14. № 4. С. 348–356. DOI: 10.22363/1815-5235-2018-14-4-348-356. EDN UXZBEG.

9. Туснина В.М., Платонова В.Д. Численный анализ жесткости фланцевых узлов «балка – колонна» // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 9. С. 28–33. DOI: 10.33622/0869-7019.2020.09.28-33. EDN ELLLJF.

10. Elflah M.A.H. Structural behaviour of stainless steel bolted beam to column joints : thesis. University of Birmingham, 2018. URL: https://etheses.bham.ac.uk/id/eprint/8545/9/Elflah18PhD.pdf

11. Tartaglia R., D’Aniello M., Costanzo S., Landolfo R., De Martino A. Seismic design and performance of extended stiffened end-plate joints // ce/papers. 2017. Vol. 1. Issue 2–3. Pp. 570–579. DOI: 10.1002/cepa.94

12. Cassiano D., D’Aniello M., Rebelo C. Seismic behaviour of gravity load designed flush end-plate joints // Steel and Composite Structures. 2018. Vol. 26. Issue 5. DOI: 10.12989/scs.2018.26.5.621

13. Yoganata Y.S., Suswanto B., Iranata D., Irawan D. Analysis study of extended end plate connection due to cyclic load using finite element method // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 930. Issue 1. P. 012050. DOI: 10.1088/1757-899X/930/1/012050

14. Hasan M.J., Ashraf M., Uy B. Moment-rotation behaviour of top-seat angle bolted connections produced from austenitic stainless steel // Journal of Constructional Steel Research. 2017. Vol. 136. Pp. 149–161. DOI: 10.1016/j.jcsr.2017.05.014

15. Luo L., Du M., Yuan J., Shi J., Yu S., Zhang Y. Parametric analysis and stiffness investigation of extended end-plate connection // Materials. 2020. Vol. 13. Issue 22. P. 5133. DOI: 10.3390/ma13225133

16. Pisarek Z. Calculation of the bolted end-plate joints subjected to two axis bending // Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture. 2013. Vol. 30. Issue 60. Pp. 219–229. DOI: 10.7862/rb.2013.27

17. Costa R., Valdez J., Oliveira S., da Silva L.S., Bayo E. Experimental behaviour of 3D end-plate beam-to-column bolted steel joints // Engineering Structures. 2019. Vol. 188. Pp. 277–289. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.03.017

18. Al-Rifaie A. Lateral impact responses of steel end plate beam-to-column connections : thesis. University of Liverpool, 2018. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/160276083.pdf

19. Zhao D., Wang Z., Pan J., Wang P. Error analysis method of geometrically incomplete similarity of end-plate connection based on linear regression // Applied Sciences. 2020. Vol. 10. Issue 14. P. 4812. DOI: 10.3390/app10144812

20. Luo L., Du M., Yuan J., Shi J., Yu S., Zhang Y. Parametric analysis and stiffness investigation of extended end-plate connection // Materials. 2020. Vol. 13. Issue 22. P. 5133. DOI: 10.3390/ma13225133