В решении некоторых задач при проведении судебных строительно-технических экспертиз нередко перед экспертами возникают вопросы, связанные с определением правильности подбора сечений сварных двутавровых балок, и, вследствие чего – возможности или невозможности продления срока их эксплуатации в частности и всего сооружения в целом. Проведение исследований судебными экспертами по данным вопросам целесообразно выполнять совместно со специалистами соответствующих строительно-технических институтов, используя их наработки. Рассмотрим одну из них – подбор сечения сварных двутавровых балок с применением критерия «оптимальная прочность стали»

Александр Лапенко, доктор технических наук, профессор
Инна Фомина, начальник сметно-договорного отдела

Современное производство сварных конструкций характеризуется широкой номенклатурой изделий. На основе научных исследований отечественных и зарубежных специалистов разработаны экономичные строительные конструкции, которые требуют применения новых подходов к проектированию и технологиям изготовления. Вместе с тем технологические процессы изготовления конструкций неизбежно связаны с изменением их остаточного напряженного состояния (ОНС), то есть напряженного состояния (НС) до приложения внешних нагрузок, поскольку основными операциями технологических процессов производства двутавровых балок остаются прокатка, термическая резка листового проката и сварка. Эти операции сопряжены с нагревом стали до высокой температуры и являются причиной возникновения фазовых и термических напряжений, которые существенно влияют на дальнейшую работу конструкций под нагрузкой.

Основными причинами возникновения ОНС являются:

• неоднородность температурного поля при прокатке и охлаждении профилей;
• неравномерность распределения температуры в зоне сварки и термической резки;
• усадка металла шва при кристаллизации;
• фазовые структурные превращения, определяемые тепловым режимом сварки и свойствами сплавов.

Все это приводит к появлению остаточных напряжений (ОН) и зон местных пластических деформаций, склонных к хрупкому разрушению. В связи с этим, обеспечение прочности, повышение точности изготовления, качества и работоспособности сварных конструкций, снижение их материалоемкости тесно связаны с анализом и регулированием напряженных деформированных состояний (НДС), создаваемых термическим циклом сварки и последующими термическими воздействиями на изделия.

Эффективность конструкций определяется их конструктивными формами, теория образования которых должна отвечать следующим принципам:

• применение предварительного напряжения кон­стру­к­ций;
• создание конструкций, обеспечивающих максимальную концентрацию материала в наиболее напряженных элементах, совмещение функций с элементами;
• максимальное использование работы на растяжение отдельных элементов и поверхностей;
• типизация конструктивных решений;
• обеспечение статической и динамической прочности и жесткости системы.

Основываясь на этих принципах, можно не только установить рациональную конструктивную форму сооружения с заданным технологическим процессом, обеспечив ее надежную и долговременную эксплуатацию, но и добиться наибольшей экономии расхода материалов при минимальной трудоемкости изготовления конструкции и ее монтажа.

Особое место в решении этой важнейшей экономической задачи отводится предварительному напряжению, основная идея которого сводится к созданию в конструкции полей напряжений и деформаций, обратных по знаку напряжениям и деформациям от эксплуатационных воздействий. При работе под нагрузкой в конструкциях сначала погашается предварительное напряжение, а затем уже развиваются напряжения другого знака в пре­делах величины расчетного сопротивления материала. Начальное НДС может быть создано также и некоторой предварительной нагрузкой, как это делается в приспосабливающихся системах. Однако при этом возникают значительные нежелательные пластические деформации, которые чреваты появлением незаметных, но опасных трещин. В предварительно напряженных конструкциях пластических деформаций нет, эффект повышения их несущей способности, а иногда и жесткости основан на использовании упругих свойств материала, область про-
яв­ления которых увеличивается искусственным путем. Пред­ва­рительно напряженные конструкции являю­т­ся конкурентоспособными по расходу материала не только с обычными сварными и прокатными эле­мен­тами, но и с решетчатыми типа ферм при снижении трудоемкости на 15–20 %.

Следует отметить, что обычно проектирование элементов ведется на основе общих принципов компоновки сечения. Суть методов компоновки сводится к установлению зависимости между действующими усилиями и параметрами сечения, отвечающими условиям прочности, жесткости, общей и местной устойчивости. Такие зависимости устанавливаются аналитически, если это возможно, или численно, путем реализации алгоритмов прямого проектирования. При этом влияние ОН на параметры компоновки сечений как сжатых, так и изгибаемых двутавровых элементов не учитываются.

Вопросы, связанные с изучением различных аспектов проектирования стальных балок и оптимального проектирования стальных конструкций, в той или иной мере рассматривались многими исследователями, излагающими основные принципы и методы оптимизации сечений двутавровых элементов, в том числе и с использованием предварительного напряжения.

Известно, что действующая в настоящее время методика проектирования и расчета сварных двутавровых балок оперирует понятиями оптимальной и минимальной высоты сечения и не дает однозначного результата, минимизированного по массе.

Понятие оптимальной высоты составного двутаврового сечения балки, зависящей от соотношения параметров стенки, предложенное одним из исследователей, сохранилось в неизменном виде до сих пор. Во всех «классических» учебниках по металлическим конструкциям утверждается, что реальная высота сечения составной балки должна быть hmin ≤ h ≤ hopt. Действительно, решением двумерной задачи при фиксированной прочности стали является минимум функции площади расчетного сечения в виде производной dA/dh = 0.

Функция массы при фиксированной прочности стали представляет собой плоскую кривую, на которой отыскивается точка минимума. Считается, что каждой величине прочности стали соответствует своя повторяющаяся плоская кривая функции массы, имеющая свой минимум.

Требование того, чтобы в хорошо запроектированной балке все расчетные проверки выполнялись на пределе, обязательно только для проверки по нормальным напряжениям, которую следует считать важнейшей, где не допускается выполнение условия σ > Ry (перенапряжения), а недонапряжения не должны превышать 5 %.

С другой стороны, для балок, сечение которых подобрано по жесткости, недонапряжения неизбежны. При остальных проверках запасы могут быть любыми, если это обосновано конструктивными соображениями и не ведет к существенному утяжелению конструкции.

Понятие оптимальной высоты составного расчетного двутаврового сечения получено в двумерном представлении графика изменения функции массы, в котором по вертикали откладывается площадь, а по горизонтали – высота сечения.

Анализ ранее проведенных исследований позволил обобщить рекомендации по компоновке оптимальных двутавровых сечений. Так, минимальный расход стали вне зависимости от напряженного состояния элемента достигается при компоновке сечения из листов, для которых условия местной устойчивости выполняются на пределе.

Исследования проводились в Челябинском политехническом институте и на Челябинском заводе металлоконструкций. Рассматривались закономерности падения растягивающих напряжений от краев стенки к ее середи­не, что было объяснено суммированием нормальных реактивных напряжений от сварки с нормальным напряжением от предварительного растяжения стенки. При этом процесс внутренних напряжений в двутавровых балках не сводился к алгебраической сумме напряжений от сварки и удлинения стенки, поскольку имели место не только начальные несовершенства тонкой стенки, но и прогиб из плоскости ввиду неравномерного по ширине нагрева и сдерживающего влияния прилегающих холодных участков.

Как известно, нормы Украины рекомендуют для конструкций 42 марки стали, имеющие 21 значение расчетного сопротивления Ry – от 230 до 590 МПа. В зарубежных же нормах рекомендуется значительно меньшее количество марок стали: во Франции и ФРГ – 3 (235…360 МПа); Канаде, Бельгии, Японии – 8 (230…700 МПа); в США – 14 (235…690 МПа).

Изучение существующей проектной практики показало, как перечисленные ниже факторы влияют на сокращение расхода стали:

• применение стали повышенной и высокой прочности – 57 %;
• применение экономичных профилей – 19 %;
• совершенствование конструктивной формы – 16 %;
• использование типовых конструкций – 2 %;
• применение ЭВМ и точных методов расчета – 6 %.

Из приведенного следует, что основным и наиболее эффективным способом снижения металлоемкости составных сечений сварных балок является использование стали максимальной прочности при условии непротиворечия деформационным ограничениям (снижение общей деформативности может быть достигнуто за счет предварительного напряжения). Остальные способы снижения метал­лоемкости могут быть вспо­мо­гательными, дополняющими основной.

Таким образом, необходимая оптимизация составных сечений сварных двутавровых балок по прочности является наиболее эффективным резервом снижения металлоемкости составных балок.

Известно, что уравнение упругой линии для балок с любыми параметрами нагрузки получается интегрированием дифференциального уравнения изгиба, и потому всегда дифференцируемо. Указанное обстоятельство позволило сформулировать понятие оптимальной прочности стали в следующем виде: «Оптимальной прочностью стали для составных балок постоянного сечения с заданными парамет­рами нагрузки и деформационными ограничениями является единственное значение расчетного сопротивления, отвечающее глобальному минимуму функции массы. В точке глобального минимума обеспечено удовлетворение трех предельных состояний прочности, местной устойчивости и деформативности, осуществляемое одновременно и в верхних пределах. Выражение для оптимальной прочности стали всегда может быть получено как для отдельных нагрузок, так и для их расчетных комбинаций, независимо от применяемого критерия оптимизации расчетного сопротивления».

При проектировании балок, осуществляемом в окрестности глобального минимума функции массы, важно уметь получать самостоятельно выражения, определяющие оптимальную прочность стали для отдельных нагрузок и для их расчетных комбинаций.

Резюмируя, можно сделать вывод о том, что:

1. Оптимальным сечением для стальных дву­тав­ровых балок будет сечение, удовлетворяющее ограничениям по первой и второй группам предельных состояний одновременно.
2. Компоновка оптимального сечения стальной двутавровой балки возможна с использованием критерия «оптимальная прочность стали».

За матеріалами сайту "Незалежний АУДИТОР"