МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ПРОГРАМНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS

Сон М.П.¹, Савич С.А.² ,ЗемлянухинА.Д.³ , Шестаков А.П.⁴

¹Кандидат технических наук, доцент,² старший преподаватель,³магистрант, Пермский национальный исследовательский институт, ⁴Младший научный сотрудник, Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук, г.Пермь, Россия.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФЛАНЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ПРОГРАМНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS

Аннотация

В статье рассмотрена проблема проектирования узла сопряжения балки с колонной в металлическом каркасе многоэтажных жилых зданий. На основе зарубежного опыта рассчитано фланцевое соединение для нового сортамента прокатных двутавров. В сравнении с серией 2.440-2 фланцевых соединений, спроектированный узел имеет существенно более простую конструкцию. Был произведен расчет в программном комплексе Ansys Workbench, в результате получена математическая модель. В лаборатории ПНИПУ выполнены натурные испытания узлов. Данные полученные из эксперимента имеют хорошую корреляцию с математической моделью.

Ключевые слова: металлический каркас, фланец, высокопрочные болты, математическая модель, Ansys, фланцевые соединения.

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, ⁴Junior 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 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.

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

В современном мире развитие строительных технологий не стоит на месте. Ежегодно в России вводят в эксплуатацию около 80 млн квадратных метров жилья. Цифра эта хоть и велика, но теряется в сравнении с Китаем, где дома строятся с поразительной скоростью. На пятнадцати этажный отель может уйти 6 дней. Китай преследует тенденцию уменьшения строительно-монтажных работ выполняемых на строительной площадке. В результате все строительство превращается в сборку конструктора. Естественно, подобная скорость монтажа становится достижима при использовании фланцевых соединений. Основным достоинством которых являются [1]:

1. Простота сборки, что отражается на сроках сдачи объекта.
2. Монтаж может производиться при любых климатических условиях.
3. Высокая надежность, в том числе при действии динамических нагрузок.

Из минусов стоит отметить:

1. Сложность изготовления. Все неточности, допущенные при изготовлении, могут отразиться на качестве выполняемых работ.

При монтаже фланцевых соединений применяют высокопрочные болты, классов прочности от 8.8 и выше. В России в основном используют  болты класса прочности 10.9, выполненных из стали 40Х «селект» . Перед установкой болты необходимо кипятить в течении 10-15 минут, после чего промыть в смеси состоящей из 70% неэтилированного бензина и 30% масла. Соединение фланцев выполняется с преднатяжением болтов, выполняемое динамометрическим ключом. Стянутые фланцы должны настолько плотно примыкать друг к другу, что щуп 0,1мм не должен проходить между ними. Контролю затяжки подлежат все болты. При уходе от технологии монтажа возможно появление дефектов. Одна из главных причин  неточностей связана с тем, что при приварке фланцев к балкам возникают остаточные сварочные деформации, приводящие к появлению во фланцах грибовидности - дефекту сварных листовых металлических конструкций, проявляющегося в их выпучивании. Перепад поверхностей (депланация) стыкуемых деталей должен быть ликвидирован механической обработкой путем образования плавного скоса.

На данный момент в России процент многоэтажных жилых зданий с использованием металлического каркаса практически равен нулю. Для сравнения во всех развитых странах процент подобных зданий составляет 40 и выше. Одна из причин такой ситуации - отсутствие в России подходящего сортамента металлического проката двутавров [2]. Выпускаемый прокат имеет большую номенклатуру по ширине и высоте, что сильно усложняет стыковку элементов. Кроме того, колонный двутавр имеет минимальную толщину стенки, не позволяющую выполнить узел примыкания балки без усиления.

Но даже с выходом нового сортового проката картина не изменится. Со времен СССР конструкции фланцевых соединений не пересматривались. Также строительство жилых зданий на металлическом каркасе не развивалось. До сих пор самыми известными и масштабными объектами остаются сталинские высотки, построенные в конце 1940-х годах.

Типовые узлы фланцевых соединений, изложенные в серии 2.440-2 1989г., имеют сложную, нерациональную конструкцию (рис. 1.).

Рис. 1 – Узел серии 2.440-2

 

В узле присутствует множество конструктивных элементов: ребра жесткости, обратные фланцы, вуты и опорные столики, сильно усложняющие монтаж и повышающие трудоемкость и затраты на строительство.

В СССР не было мощных  вычислительных комплексов, основанных на методе конечных элементов, как следствие, ответственные узлы проектировали с высоким запасом прочности, порой необоснованным. Практическое использование МКЭ началось с 50-х годов, сначала в области авиации, а затем и в других направлениях. При развитии вычислительных мощностей процессоров, появилась возможность детально моделировать конструкции. Вычислительный комплекс Ansys Workbench  относится к лидерам программных комплексов конечно-элементного анализа. С помощью него возможно моделирование контактного взаимодействия, которое присутствует в поверхностях фланца и колонны.  В качестве исследуемого узла был выбран узел примыкания балки к колонне, аналогичный узлам, применяемых в Америке и Европе[3-5].Узел максимально прост, в нем отсутствуют перечисленные выше конструктивные элементы. Фланец представляет собой лист металла прямоугольный формы, без дополнительных расширений в зоне верхней полки двутавра. Геометрия математической модели выполнена в графическом редакторе Design Modeler (рис.2.), состоит из множества твердотельных элементов: болтов, сварных швов, двух балок, колонны и фланцев. Примыкания отдельных тел описаны с помощью типов контактов Bonded и Frictional. Тип контакта Bonded представляет собой полное сцепление поверхностей, используется в местах контакта сварных швов. Тип Frictional- контакт с трением, применяется во всех остальных контактируемых телах. Коэффициент трения выбран 0,2. Для упрощения модели болт выполнен одним телом с гайкой.

Рис. 2 – Геометрия математической модели

Ведется физически и геометрически нелинейный расчет с пошаговым приращением нагрузки. Изначально заложено 20 шагов. На первом шаге происходит затяжка болтов до проектного уровня. После чего фиксируется и начинается нагрузка балок, прикладываемая на концах консолей.

Для детального описания поведения конструкции в пластике применялась полилинейная диаграмма стали С345 (рис. 3).

Рис. 3 – Обобщенная расчетная диаграмма работы сталей

 

Для болтов использовалась билинейная диаграмма Прандтля с временным сопротивлением 1100 МПа. На каждом шаге нагружения смотрим прикладываемую силу и перемещение конца консоли, строим график зависимости перемещения от нагрузки (рис.5.). При максимальной нагрузке в 45 тс с двух сторон узла, наблюдаются: изгиб фланцев по сложной форме, потеря устойчивости сжатой стенки  колонны, большое удлинение болтов, предшествовавшее их разрыву. В конструкции узла нет ярко выраженных слабых мест. Разрушение возможно по различному сценарию, что говорит о рациональности узла.

Рис. 4 – Напряженно деформированное состояние узла, болта

Рис. 5 – Графики зависимости перемещение конца балки от нагрузки

 

На данный момент в лаборатории Пермского национального исследовательского политехнического университета подготовлен испытательный стенд, позволяющий создавать нагрузку  на испытуемый образец до 200т. На данном стенде, в настоящее время, проводятся испытания фланцевых соединений масштабных образцов в натуральную величину. Нагрузка на образцы прикладывается ступенями с последующей разгрузкой, что позволяет отслеживать появление и наличие остаточных пластических деформаций (см. рис.5.). После проведения серии испытаний, был произведен анализ расчетных и экспериментальных данных. Графики показали хорошую корреляцию, что говорит о корректной математической модели. Выбранный узел показал высокую несущую способность, равнопрочную несущей способности самой балки.

В дальнейшем планируется провести испытания образцов с разными толщинами фланцев. Сопоставив все испытания с математической моделью, можно с уверенностью говорить о замене натурных испытаний вычислениями, что существенно снизит затраты на проектирование. Подобрав наиболее простое и надежное решение, удастся снизить затраты на строительство зданий из металлического каркаса.

Список литературы / References

1. Катюшин В.В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сече­ния. — М.: Стройиздат, 2005. — 450 с.
2. Сон М.П., Конин Д.В. Фланцевые соединения балок с колоннами в стальных каркасах жилых и общественных зданий / М.П. Сон, Д.В. Конин // Строительная механика и расчет сооружений. - № 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 литературы на английскомязыке / 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