Деформации стальных стропильных ферм при ударных аварийных воздействиях

Внедрение: 2017 г.

В статье, опубликованной в "Инженерно-строительном журнале" [1], описывается методика экспериментального определения напряженно-деформированного состояния конструкции при моделировании аварийной ситуации на примере стропильной фермы в составе каркаса цеха промышленного здания. В качестве запроектного воздействия рассматривается отрыв воздухоохладительной установки, закрепленной к узлу нижнего пояса фермы.

Сбор экспериментальных данных осуществляется при совместном использовании крейтовой системы LTR, тросового датчика и персонального компьютера. 

Выполнен динамический анализ стропильной фермы FS‑1, которая находится в крайне напряженно-деформированном состоянии (рисунок 1). В качестве запроектных действий учитывался обрыв троса R (рисунок 2), соединяющийся с узлом нижней хорды фермы и с грузом 4, имитирующий наличие воздухоохладительной установки. Измерено значение динамического смещения в пролете и деформация отдельных элементов конструкции, и проведена оценка возникающего динамического эффекта. По результатам эксперимента определена максимальная масса воздухоохладительной установки для обеспечения упругого поведения фермы в случае возникновения аварийной ситуации.

Рисунок 1. Объект эксперимента: а) – трёхмерная модель: 1 – колонна, 2 – стропила, 3 – вспомогательная ферма, 4 – нагрузка, 5 – предохранительные канаты, 6 – каркас, 7 – расчалка на нижний пояс стропильной фермы, 8 – подвесной потолок из сэндвич-панелей, 9 – полимерный пол, 10 – управляемый дополнительный корпус; б) – вид поперечной рамы; в) – фото объекта в процессе возведения на этапе установки расчалок на нижние пояса ферм.

Рисунок 2. Схема испытаний: 1 – колонна, 2 – исследуемая стропильная ферма FS‑1, 3 – вторичная ферменная конструкция крыши, 4 – нагрузка, 5 – предохранительные канаты, R – отрезаемый канат, TD – кабель датчика; A, B – расположение стержней с установленными тензодатчиками.

Рисунок 3. Фото подготовки дизайна к тестированию: a) – общая схема: FS‑1 – ферменная конструкция, испытанная на пролёте 18 м, ММС – мобильная измерительная станция; б) – нагрузка на подвеску R и страховочные тросы.

В каждом из сечений A, B (рисунки 2, 4, 5б) были установлены группы датчиков деформации TD1‑TD4 типа КФ5П1‑3‑200B12. Базы тензометрических датчиков были помещены параллельно продольным осям стержней. Сигналы от тензодатчика регистрировались c помощью крейта LTR‑EU‑2, укомплектованного модулями АЦП LTR212. Данные обрабатывались программой Lgraph2. В точке D (рисунок 2) вертикальные смещения были измерены с использованием тросового датчика положения SX50‑1250‑16‑L‑SR, цифрового индикатора PAX‑I и видеокамеры. Диаграммы перемещений строились на основе не чересстрочной развертки видеофайла с записью показаний индикатора PAX‑I в каждом из кадров и их дальнейшей обработки. Дискретные данные, полученные о перемещениях и деформациях рамы, были обработаны в среде MATLAB 2015a. 

Рисунок 4. Расположение тензометрических датчиков в секциях A, B (a) и схема установки кабельного датчика (б).

Рисунок 5. Крейтовая система LTR, кабели датчиков и индикатор, подключенный к компьютеру (а); установка тензометрических датчиков на штанги ферменной конструкции (б).

При рассматриваемом аварийном воздействии дополнительная загрузка фермы не вызвала значительного образования постоянных деформаций. Вид груза 4 (рисунок 2) после обрыва троса R показан на рисунке 6 (слева).

Рисунок 6. Нагрузка на страховочные тросы (слева); установленные воздухоохладительные установки (справа).

Демпфирование колебаний конструкции наблюдалось в течение 0,4‑0,7 с после аварийной ситуации воздействия. На рисунке 7 приведены данные измерений продольных деформаций и вертикальных перемещений точки D (рисунок 3, 4, б), которые показывают, что максимальное значение модуля перемещения и деформации достигается в первой четверти периода основной частоты колебания.

Рисунок 7. Графики изменения деформаций во времени: а) – деформация, зарегистрированная тензометрическим датчиком TD1; б) – показания датчика TD2; в) – вертикальные перемещения точки D, измеренные с помощью кабельного датчика.

При расчёте запроектных воздействий схема деформации объекта описывалась стержневыми конечными элементами (рисунок 8). 

Рисунок 8. Дизайн и деформированная схема фермы в момент времени t=0 перед снятием нагрузки.
 

Приводим некоторые выводы данной статьи: 

• Для рассматриваемых запроектных воздействий на ферму максимум значения перемещений и деформаций наблюдались в первой четверти периода основной частоты колебаний, которая может быть использована при оценке способности таких структурных систем к выживанию.
• При решении задачи определения массы воздухоохладительной установки, поломка которой оказала влияние на конструкцию фермы, установлено, что уровень динамической дополнительной нагрузки в стержнях при значениях этой массы, не превышающих 500 кг, не оказал существенного влияния на напряженно-деформированное состояние опорной системы.

Работа выполнена в рамках грантовой программы Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 16-38-00041 "Оптимизация стальных несущих конструкций зданий и сооружений с нормальным и высоким уровнем ответственности".

Источник:
Алексейцев А.В., Курченко Н.С. Деформации стальных стропильных ферм при ударных аварийных воздействиях // Инженерно-строительный журнал. – 2017. – № 5 (73). – C. 3‑13.

Разработчик: Алексейцев А.В. (НИУ МГСУ), Курченко Н.С. (Брянский гос. инженерно-технологический университет)