ASSESSMENT FLEXIBLE FLANGE’S APPLICATION POSSIBILITY IN ASSEMBLY NODES OF STRUCTURES WITH CLOSED PROFILE ELEMENTS

Вержбовский Г.Б.¹, Беловодова А.В.²

¹ORCID: 0000-0002-8412-2675, Доктор технических наук,

Академия строительства и архитектуры Донского государственного технического университета, г. Ростов-на-Дону,

²Инженер, Академия строительства и архитектуры Донского государственного технического университета, г. Ростов-на-Дону

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГИБКИХ ФЛАНЦЕВ В МОНТАЖНЫХ УЗЛАХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ЭЛЕМЕНТАМИ ИЗ ЗАМКНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

Аннотация

Рассмотрена возможность применения гибких фланцев в монтажных узлах несущих строительных конструкций с элементами из стальных замкнутых профилей. Приведена методика расчета узла, базирующаяся на предложениях международной ассоциации CIDECT. Произведен расчет фланцевого соединения обрушившейся стропильной фермы покрытия автосалона. Введено понятие параметра гибкости фланца и получены его предельные значения. Отмечена необходимость проведения дальнейших исследований, направленных на определение допустимого уровня пластических деформаций гибких фланцев.

Ключевые слова: фланец, монтажный узел, высокопрочный болт.

Verzhbovskiy G.B.¹, Belovodova A.V.²

¹ORCID: 0000-0002-1825-0097, PhD in Engineering,

Building and Architecture Academy of the Don State Technical University,

Engineer, Building and Architecture Academy of the Don State Technical University

ASSESSMENT FLEXIBLE FLANGE’S APPLICATION POSSIBILITY IN ASSEMBLY NODES OF STRUCTURES WITH CLOSED PROFILE ELEMENTS

 Abstract

The possibility of using the flexible mounting flanges nodes bearing structures with elements of steel closed profiles is considered. The methodology of calculation of the node, based on the proposals of the International Association CIDECT is provided. The calculation of the crashed car dealership cover truss flange connection is described. The concepts of flange flexibility setting and put the limit values are obtained. The need for further research aimed at determining the acceptable level of flexible flanges plastic deformation is marked.

Keywords: flange, assembly unit, high-strength bolt.

Здания и сооружения со стальными несущими конструкциями из замкнутых профилей стали весьма популярными в России. Зачастую их возводят по типовым зарубежным проектам, которые адаптируют под отечественные строительные нормы. Такой подход иногда приводит к неоправданному перерасходу материалов, а в некоторых случаях, к большому сожалению,– даже к аварийным ситуациям.

Причины указанных проблем кроются в существенных отличиях расчетных методик разных стран, использовании сталей различной прочности, отсутствию достаточного опыта применения подобных конструкций и т.п. Еще одной немаловажной причиной является актуализация нормативных документов, увидевших свет более сорока лет тому назад, без серьезной их переработки с учетом современных достижений.

Отечественные проектировщики по сей день используют Рекомендации 1989 года по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций [1]. В них указано, что при конструировании подобных соединений следует использовать жесткие фланцы толщиной не менее 20мм, выполненные из высокопрочной стали, а также высокопрочные болты. Отступление от перечисленных требований считается недопустимым.

В ноябре 2013 года в Ростовской области произошло обрушение стальных несущих конструкций каркаса строящегося здания автосалона (рис. 1). Экспертизой установлено, что причиной этого стал ряд ошибок, одной из которых явилось применение во фланцевых монтажных узлах растянутых поясов стропильных ферм с элементами из замкнутых профилей листов толщиной 10мм, выполненных из стали С255 [2], и болтов М20 класса прочности 5.8.

Рис. 1 – Обрушение каркаса автосалона

Очевидно, что в данном случае имеет место серьезное отступление от рекомендаций отечественных строительных норм и правил. Означает ли это, что гибкие фланцы с толщиной менее 20мм нельзя применять в подобных ситуациях вообще? Рассмотрим основные положения по расчету аналогичного узла, принятые за рубежом и предлагаемые CIDECT [3]. Приведенная аббревиатура является кратким названием международной ассоциации ведущих производителей полых профилей и труб, целью которой является расширение знаний в данной области путем проведения исследований стальных полых профилей и их применения в строительстве и машиностроении.

Согласно [3] порядок расчета фланцевого соединения, показанного на рисунке 2, заключается в следующем:

1. Назначаются количество n, тип и требуемый диаметр болтов, необходимые для восприятия действующего растягивающего усилия N и обеспечения некоторого коэффициента запаса. Определяются необходимые размеры фланца. Шаг болтов p рекомендуется принимать равным четырем-пяти диаметрам болта, хотя возможны и меньшие расстояния. Величина а обычно назначается не более 1,25b. Установлено, что увеличение размера а не приводит к возрастанию несущей способности узла. Далее находят приведенный размер

                                             (1)

а также параметр

                                                  (2)

после чего принимают толщину фланца t_p из следующего неравенства

                                            (3)

В последнем выражении P_f – усилие, приходящееся на один болт, а

                                              (4)

причем коэффициент условий работы обычно принимается равным 0,9.

2. С учетом принятых болтов и толщины фланца вычисляют параметр гибкости фланца α

                         (5)

причем Т^* – несущая способность болта.

3. Вычисляют несущую способность соединения

                                      (6)

а также фактическое усилие в болте

                               (7)

где  а размер 

Усилие в нижнем поясе стропильной фермы в момент обрушения составляло 348кН. С учетом этого факта, а также принятых размеров фланца, показанных на рисунке 2, и несущей способности болта М20 Т^*=55кН несложно убедиться в том, что суммарная несущая способность четырех болтов более чем в полтора раза меньше действующего усилия.

Рис. 2 – Принятые размеры фланца

Подстановка фактических параметров в формулы (1)-(6) дает возможность установить несущую способность соединения по методике CIDECT, равную 138кН, что также меньше фактического усилия. Таким образом, принятая конструкция монтажного узла не обладает необходимой прочностью.

Представляет интерес сравнение параметров фланцев, подобранных по отечественной методике и формулам (1) – (7). Рекомендации [1] требуют, чтобы в монтажном узле растянутого пояса стропильной фермы применялись высокопрочные болты. То же самое рекомендуют и специалисты CIDECT. Кроме того, согласно [1] для фланцев необходимо применять высокопрочную сталь 09Г2С-15 или 14Г2АФ-15 с гарантированными механическими свойствами в направлении толщины проката.

В соответствии с требованиями отечественных норм принимаем первую из перечисленных выше сталей (С375) с расчетным сопротивлением R_y =345МПа и высокопрочные болты М20 из стали 40Х Селект с площадью поперечного сечения A_n=2,45см² и расчетным сопротивлением растяжению R_bh =755МПа. Несущая способность одного болта Т^*=75,5·2,45=185кН. Усилие, которое могут выдержать четыре болта, составляет 740кН, что практически вдвое больше расчетного.

Сохраняя неизменными размеры фланца в плане и расстояния между болтами, на основании (3) получим следующее неравенство  Интерес представляет тот факт, что методика CIDECT предлагает проектировщику определенную свободу при назначении толщины листа. Если же воспользоваться Рекомендациями [1], то согласно им, требуемая толщина фланца составит 29мм.

Обратимся, наконец, к выражению (5) – параметру гибкости фланца. α может быть равно нулю только в случае, когда . При рассмотрении реальных узлов в выражение (5) вместо несущей способности болта Т^* обычно подставляют величину фактического усилия в нем P_f, что приводит к уменьшению t_p. С другой стороны эта замена дает возможность подставить (3) в (5) и установить предельные значения параметра гибкости:

                                       (8)

При α равном нулю мы имеем «жесткий» фланец, который предлагают применять российские нормативные документы. Левая часть неравенства (8) соответствует «гибкому» фланцу, допустимому в конкретном случае. Заметим, что α зависит от диаметра болтов, параметров их размещения и толщины подходящего к узлу замкнутого профиля.

(8) можно представить в безразмерном виде:

                                     (9)

где .

В пределе , а из удобства размещения болтов , тогда

                                         (10)

Очевидно, что k_t всегда меньше единицы, поэтому предельное значение параметра гибкости  оказывается близким к 0,6.

Относительно тонкие фланцы обладают определенной податливостью. Этот факт необходимо учитывать при проектировании конструкций с их использованием. Исследования CIDECT показывают, что с ростом α во фланце начинают развиваться пластические деформации и при теоретически возможном достижении параметром гибкости значения, равного единице, в узле происходит образование пластического шарнира.

Отечественные документы нормируют только упругую работу монтажных узлов, поэтому вопрос о допустимом уровне ограниченных пластических деформаций остается открытым и требует проведения дополнительных исследований. Тем не менее, вообще отказываться от использования гибких фланцев в монтажных узлах строительных конструкций с элементами из замкнутых профилей вряд ли стоит. Мировой опыт показывает, что их применение в ряде случаев приводит к существенной экономии стали при обеспечении безопасной работы стальных конструкций.

Список литературы / References

1. Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций. - М.: Госстрой СССР, 1989. - 54 с.
2. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. М.: Изд-во стандартов, 2011. - 142 с.
3. Design Guide For Rectangular Hollow Section (Rhs) Joints Under Predo-minantly Static Loading - Comité International pour Ie Développement et l’Étude de la Construction Tubulaire, 2009. - 156p.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Rekomendacii po raschetu, proektirovaniju, izgotovleniju i montazhu flancevyh soedinenij stal'nyh stroitel'nyh konstrukcij [Guidelines for calculation, design, manufacture and assembly of flanged joints of steel building structures]. - M.: Gosstroj SSSR, 1989. – 54p. [in Russian]
2. SP 16.13330.2011. Stal'nye konstrukcii. Aktualizirovannaja redakcija SNiP II-23-81*[SP 16.13330.2011. Steel structures. The updated edition of SNiP II-23-81 *]. M.: Izd-vo standartov, 2011. – 142p. [in Russian]
3. Design Guide For Rectangular Hollow Section (Rhs) Joints Under Predo-minantly Static Loading - Comité International pour Ie Développement et l’Étude de la Construction Tubulaire, 2009. - 156p. [in English]