Профили стальные листовые гнутые с трапециевидными гофрами: Библиотека государственных стандартов

Оценка поведения стальных стен жесткости с синусоидальными и трапециевидными гофрированными пластинами

На этой странице

РезюмеВведениеЗаключениеСсылкиАвторское правоСтатьи по теме

Армирование конструкций направлено на контроль поступления энергии неестественных и естественных сил. В последние четыре десятилетия стальные стены сдвига используются в огромных конструкциях в некоторых сейсмических странах, таких как Япония, США и Канада, чтобы уменьшить риск разрушительных сил. Стальные перегородки делятся на два типа: неподкрепленные и подкрепленные. В первом используется ряд пластин (синусоидальных и трапециевидных гофрированных) малой толщины, обладающих свойством поля после потери устойчивости при общей потере устойчивости. В последних в качестве ребер жесткости используются ряды стальных профильных лент с различным расположением: горизонтальным, вертикальным или диагональным с одной или обеих сторон стены. В неподкрепленных стенах увеличение толщины вызывает увеличение несущей способности стены при больших усилиях в высоких сооружениях. В усиленных стенах присоединение элементов жесткости к стене требует больших затрат времени и средств. С помощью программы ANSYS были проанализированы различные модели неподкрепленных одноэтажных стальных стен с синусоидальными и трапециевидными гофрированными пластинами под действием боковой нагрузки. Полученные результаты показали, что в стенах с одинаковыми размерами трапециевидные гофры показали более высокую пластичность и предельную несущую способность по сравнению с синусоидальными гофрами.

1. Введение

Стены жесткости из стали используются при строительстве небоскребов в большинстве развитых сейсмических стран, таких как США, Япония и Канада, в последние четыре десятилетия. Эти стены имеют большие преимущества перед аналогичными конструкциями, такими как железобетонная стена сдвига и стальные раскосы. Стальные стены сдвига имеют ряд преимуществ, в том числе высокую предельную несущую способность, идеальную пластичность, высокую способность поглощать энергию, соответствующую жесткость, малый вес конструкции, низкие затраты на строительство, высокое качество и высокую скорость строительства. Общие конструкции стальных стен жесткости состоят из граничных элементов, таких как балки и колонны, и заполненных стальных пластин в промежутках между ними. Стальная перегородка изготавливается двух типов: неподкрепленная и подкрепленная. В прежних, неподкрепленных стенах, ряд плоских пластин с небольшой толщиной, которые их постпрогибающее поле используется в общем выпучивании. В последнем случае в качестве ребер жесткости используются серии ремней или стальные профили с различным расположением по горизонтали, вертикали и диагонали с одной или обеих сторон стены до тех пор, пока не будут увеличены рассеивание энергии, жесткость и предельная несущая способность. Применение первого типа совершенно неэкономично, так как для улучшения гистерезисной кривой указанных стенок необходимо увеличивать толщину стальной пластины до тех пор, пока пластина не прогнется перед ее деформацией; это увеличение толщины делает его нерентабельным. С другой стороны, второй тип стальных стенок, усиливающих плиту рядом ребер жесткости, является экономичным и достаточно эффективным. При использовании усиленных стальных стенок кривые гистерезиса из S-образной превращаются в веретенообразные, что увеличивает площадь кривой гистерезиса. Однако из-за сварочных работ этот способ требует больших эксплуатационных затрат на присоединение ребер жесткости к стене.

Подходящей альтернативой является использование пластин из гофрированной стали, которые требуют более низкой стоимости и обладают пластичностью. Кроме того, в гофрированных пластинах функция гофра аналогична функции ребер жесткости, а также эти пластины обладают соответствующей жесткостью. Характеристики стальных стенок жесткости аналогичны пластинчатым балкам; как видно на рис. 1, пластины, колонны и балки стальных стенок жесткости такие же, как и стенки, полки и ребра жесткости пластинчатой ​​балки соответственно [1, 2].

Большое количество исследований было проведено по усиленным и неподкрепленным стальным стенкам сдвига и трапециевидным профилям стенки (см. Formisano, 2006; Denan et al., 2010; De Matteis et al. , 2008; Stojadinovic; и Tipping, 2008). и предложено несколько теоретических работ [3–7].

Исследования пластинчатой ​​балки с гофрированной стальной пластиной были проведены в лаборатории Wang (2003), Chosa et al. (2006) и Irizarry (2009) [8–10]. В соответствии с экспериментальной деятельностью и стоимостью этих видов исследований, исследование было ограничено незначительным компонентом этих систем. Таким образом, различные компоненты гофрированного листа, такие как влияние толщины, высота волны, длина волны, жесткость граничных элементов и влияние отверстия на поведение стенки, не учитывались.

2. Виды разрушения гофрированных листов

Геометрические свойства трапециевидного и синусоидального гофра показаны на рисунках 2 и 3.

В основном, заполняющие листы обеспечивают и контролируют сдвиговую способность рамы за счет их потери устойчивости или разрушения. Чистое напряжение сдвига представляет собой только значительное напряжение в этих элементах конструкции. В гофрированных пластинах предел текучести при сдвиге можно определить по формуле: где – предел текучести стали [11–13].

Существует два типа контроля потери устойчивости гофрированных пластин: полная потеря устойчивости и местная потеря устойчивости. Местный режим выпучивания гофрированных пластин формируется в плоских панелях из трапециевидных гофрированных листов и по горизонтальной кромке согласно рисунку 4. В этом пролете гофрированные листы соединяются своими короткими кромками с полкой колонны. В этих условиях изучаемая местная потеря устойчивости в изотропных пластинах и упругое критическое касательное напряжение для местной формы потери устойчивости определяются формулами (2) в трапециевидных и (3) в синусоидальных пластинах [11, 12, 14–16]: толщина пластины, обозначает длину волны в трапецеидальной гофрированной пластине, в которой происходит локальное выпучивание, означает фактическую длину гофра в пластине с синусоидальным гофром, представляет собой модуль упругости, обозначает коэффициент Пуассона стали и представляет собой коэффициент потери устойчивости при сдвиге. в режиме локальной потери устойчивости, а его величина зависит от граничных условий и соотношения сторон панели (), где обозначает высоту пластины.

Согласно рисунку 5 глобальный выпучивание образуется при глобальном диагональном выпучивании мультиволн в гофрированной пластине. При этом критическое касательное напряжение оценивается по отношению к гофрированной пластине как к ортотропной [17–19].

Эльгаали в своих лабораторных исследованиях трапециевидных гофрированных пластин показал, что если волны гофра большие, то в горизонтальной части каждой гофрированной пластины может образоваться локальная потеря устойчивости, а если длины волн малы, то глобальная потеря устойчивости может формироваться в пластине без контроля [20].

Вышеприведенные уравнения были использованы в плоской балке с трапецеидальными и синусоидальными волнами. Поэтому в этой статье проводится сравнение между трапециевидными гофрированными пластинами и синусоидальными пластинами с использованием метода конечных элементов.

3. Моделирование и проверка симуляции

В этом разделе объясняются предположения о моделировании методом конечных элементов (КЭ) и оценивается методология, выбранная для проверки симуляции в программном моделировании.

3.1. Предположения и проверка моделирования

В этой части исследования стальная балка с трапециевидной перемычкой исследуется при монотонной нагрузке. Геометрические свойства пластинчатой ​​балки в программном обеспечении показаны на рис. 6 и в табл. 1.

Используемый в модели стальной материал имеет упругопластическую кривую деформации-напряжения с модулем упругости 200 ГПа, коэффициентом Пуассона 0,3 и пределом текучести. 355 МПа. Критерии фон Промаха используются для оценки результата режима, поскольку был применен стальной материал. Критерии силы и смещения являются критериями разговора. Элемент оболочки 143 используется для полки, стенки и элемента жесткости экспериментального моделирования плоской балки в программе ANSYS. Рисунки 7, 8, 9, и 10 показывают экспериментальные действия Усмана (2001) на трех плоских фермах, используемых в однопролетной балке с простыми опорами, которые монотонная нагрузка была приложена к первой трети (A), средней трети (B) и концу одной трети (С) пролета балки [21]. Метод длины дуги использовался для решения численных моделей, а размер сетки элемента и шаг по времени считались равными 50  мм и 0,001, соответственно, для хорошей точности и разговора. Конечно-элементное моделирование этих действий показано на рисунках 11, 12 и 13.

Что касается результатов, связанных с трехточечной нагрузкой, представленных в таблице 2, то моделирование в программе ANSYS имеет более приемлемую точность, чем экспериментальные модели. Это представляет точность моделирования, выбранных элементов и допущений. Незначительные различия в результатах сравнения, представленных на рисунке 14, связаны с типом инструментов проверки.

3.2. Численное моделирование и анализ стальной стены жесткости

Численный анализ был выполнен для одного этажа и одной пролетной стены шириной 3000 мм и высотой 2600 мм. Элемент границы был IPB180 и IPE180 для колонн и балки, соответственно. Пластина заполнения, используемая в этой стене, представляла собой синусоидальную и трапециевидную гофрированную пластину, которая была связана с жесткостью окружающей рамы. Геометрия и конфигурация сетки этих стен показаны на рис. 15. Стены были зажаты для поддержки нижней части стены, а каркас стены просто поддерживался, чтобы предотвратить смещение вне плоскости, которое может произойти из-за концентрационной нагрузки, действующей сверху. луча к колонке соединенное место. Нагрузка прикладывается к колоннам в форме равномерного нарастания. В этих моделях предполагалась модель упругопластического материала с пределом текучести 240 МПа, модулем упругости 200 ГПа и коэффициентом Пуассона 0,3. Также использовалась геометрическая нелинейность из-за большого смещения.

4. Оценка результатов параметрического исследования

В этой части рассматривается влияние некоторых геометрических свойств, таких как толщина пластины, глубина или высота волны пластины, длина волны, плотность гофра и жесткость балки и колонн на гофрированную поверхность. исследованы стальные стены. В следующих параграфах результаты этих параметров представлены подробно.

4.

Толщины, которые учитываются при изучении влияния толщины синусоидальной и трапециевидной гофрированной пластины, составляют 1,5, 3, 5, 10, 15 и 20 мм. В этих моделях колонны и балка считаются IPB180 и IPE 180 соответственно. Геометрические свойства накладываемой пластины представлены в таблицах 3 и 4, где – горизонтальная проекция одной волны на синусоидальную пластину, – ширина горизонтальной панели в трапециевидной пластине, – величина гофра, – толщина пластины, – длина в развернутом виде. один гофр в синусоидальной пластине, представляет собой ширину наклонной панели в трапециевидной пластине, которая является горизонтальной проекцией ширины наклонной панели, обозначает горизонтальную проекцию одной волны на трапециевидной пластине, представляет собой угол гофра в трапециевидной пластине, а коэффициенты представляют собой плотность гофра в гофрированных пластинах.

В таблицах 5 и 6 показаны результаты конечно-элементного моделирования двух различных типов основания из гофрированного листа различной толщины.

Согласно результатам, показанным на рис. 16, для синусоидальных и трапециевидных гофрированных пластин шести различных толщин предельная несущая способность увеличивается с увеличением толщины. Кроме того, с увеличением толщины плиты внеплоскостная деформация стенки ускоряет формирование пластического шарнира вокруг соединения балки с колонной. Необходимо пояснить, что хотя результат увеличения толщины на предельной опоре был предсказуем, это является причиной точности работы программы.

При сжатии результатов, показанных на кривых нагрузка-перемещение и энергия-перемещение для синусоидальной и трапециевидной стальных гофрированных пластин, и принимая во внимание, что плотность гофра равна 0,16 для обеих пластин, показано, что гофрированная пластина с трапециевидной волной обладает большей пластичностью чем синусоидальная волна. Тогда, согласно полученным результатам, он имеет большее рассеивание энергии. В обеих стенках с малой толщиной трапециевидная пластина имеет лучшие характеристики по предельной несущей способности и рассеиванию энергии по сравнению с синусоидальной пластиной; однако при большой толщине пластины синусоидальная пластина имеет большую несущую способность, чем трапециевидная пластина; кроме того, в этом состоянии синусоидальные пластины поддаются выпучиванию, а трапециевидные пластины поддаются формированию пластического шарнира на балке.

Показатели жесткости одноэтажной системы стальных стен жесткости с синусоидальной и трапециевидной гофрированной пластиной при плоскостной нагрузке показаны на Рисунке 17, где показано, что с увеличением толщины пластины жесткость увеличивается в упругом и поступругом диапазоне. Кроме того, жесткость всех моделей постепенно снижается без каких-либо резких изменений даже в начале потери устойчивости при сдвиге. Кроме того, с увеличением толщины листа синусоидальный гофр имеет большую жесткость, чем трапециевидный гофр. Причем наклон падения жесткости больше у трапециевидных пластин.

4.2. Эффект жесткости граничных элементов

Для изучения граничных элементов, таких как балка и колонна в стене сдвига из гофрированной стали, шесть различных секций IPB для колонны используются в синусоидальной гофрированной пластине, где длина волны составляет 60 мм, высота волны 19 мм, толщина пластины 3 мм. Колонны, изучаемые в этом разделе, состоят из IPB200, 220, 240, 260 и 300, и в этих шести моделях используется уникальная секция IPE180 для балок. В этих моделях с увеличением площади сечения колонны увеличивается предельная несущая способность за счет увеличения жесткости (см. рис. 18). Однако диссипация энергии не имеет какого-либо определяющего процесса. Как упоминалось ранее, с увеличением площади сечения колонны жесткость системы увеличилась примерно от 3 до 15,6 процента.

Секции балки, исследованные в этой статье, представляют собой IPE 180, 200, 220, 240, 270 и 300, а сечение колонны выбрано IPB180. Согласно рисунку 19, с увеличением сечения балки увеличивается несущая способность и жесткость рамы. С увеличением сечения балки показатели жесткости увеличиваются примерно от 3 до 14,3 процента.

4.3. Эффект глубины гофра в гофрированных пластинах

Глубина гофра является одним из параметров, увеличивающих поперечную жесткость гофрированных пластин. В этой части изучается влияние глубины гофра на поведение стальной стенки сдвига с синусоидальным и трапециевидным гофром. Для изучения влияния глубины гофра на синусоидальные гофрированные пластины использовали шесть образцов разной высоты 19, 30, 40, 50, 56 и 60  мм. Геометрические характеристики этих пластин показаны в Таблице 7.

Результаты испытаний этих образцов при плоскостной нагрузке показаны на Рисунке 20. Эти результаты показывают, что с увеличением глубины гофра предельное выпячивание синусоидальной пластины и пластичность значительно увеличивать. Наиболее важным полученным результатом является то, что с увеличением глубины гофра значение жесткости уменьшилось с 4,2 до 17,6 процента.

На рис. 21 показано, что пластичность, рассеивание энергии и предельная несущая способность увеличиваются с увеличением глубины гофра или коэффициента плотности гофра.

Для исследования влияния глубины гофра на трапециевидные гофрированные пластины используются пять образцов, характеристики которых приведены в таблице 8.

Как видно из рисунка 22, увеличение высоты гофра оказывает незначительное влияние на предел прочности и пластичность. Кроме того, показатели жесткости стены были одинаковыми.

4.4. Влияние длины гофра гофрированных пластин с заполнением

В этой части семь образцов синусоидальных и четыре образца трапециевидных гофрированных пластин предназначены для изучения длины гофра. Геометрическая характеристика этих моделей представлена ​​в табл. 9.а 10 где означает длину гофра синусоидальной пластины, равную и равную трапециевидным гофрам.

Согласно рисунку 23 предельная несущая способность стены уменьшается с увеличением длины гофра, и стены теряют свою опору из-за разрушения общей потери устойчивости. По характеристикам жесткости синусоидальной гофрированной пластины видно, что исходная жесткость не изменилась за счет увеличения длины гофра, особенно изменилась пластичность стенки.

Рисунок 24 показывает, что предел прочности и пластичность снижаются с увеличением длины гофра. Кроме того, показано, что показатели жесткости увеличиваются с увеличением длины гофра трапециевидного гофра, но процесс потери жесткости короче по мере деформации стенки, что связано с уменьшением их энерговыделения.

5. Заключение

В этой статье было проведено исследование геометрических характеристик синусоидальных и трапециевидных гофрированных одноэтажных стальных стен жесткости, подверженных равномерной поперечной нагрузке, и были получены следующие результаты. (1) При увеличении толщина гофрированного листа в стальных стенках сдвига, предельная несущая способность и пластичность значительно увеличиваются. Полученные результаты двух типов, а именно синусоидальных и трапециевидных гофрированных пластин с одинаковой глубиной гофра, показали, что увеличение толщины в синусоидальных пластинах вызывает увеличение жесткости и предельной несущей способности, а в трапециевидной пластине это приводит к увеличению его пластичность. (2) Увеличение жесткости граничных элементов (например, балки и колонн) привело к увеличению предельной несущей способности и пластичности от 3 до 15 процентов; тем не менее, стальная стена в целом не претерпела существенных изменений. (3) Другим параметром, который исследуется в этой статье, является глубина гофра. Было показано, что глубина гофрирования более эффективна в отношении жесткости и предельной несущей способности синусоидальной пластины по сравнению с трапециевидными гофрированными пластинами. (4) В стальных стенках сдвига с трапециевидными гофрированными пластинами разрывы стенок при малой толщине пластины происходят из-за общей потери устойчивости, и , при средних толщинах это связано с локальным выпучиванием заполняющей пластины рамы, а при больших толщинах – за счет образования пластического шарнира на верхней балке. (5)Коэффициент плотности гофра является одним из важных параметров на другие плиты. Показано, что изменения этого параметра более эффективны на синусоидальной пластине; увеличение этих параметров вызвало значительный процесс увеличения жесткости, пластичности и предельной несущей способности. (6) Увеличение длины гофра вызвало уменьшение предельной несущей способности и увеличение жесткости трапециевидной пластины, но не привело к изменению жесткость синусоидальной пластины.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Ссылки