Потеря устойчивости плоской формы изгиба в деревянных конструкциях | Примеры 2

Техническая статья из области расчета конструкций и использования программ Dlubal Software

  • База знаний

Техническая статья

Эта статья была переведена Google Translator

Посмотреть исходный текст

В предыдущей статье, потеря устойчивости при кручении в деревянных конструкциях | В примере 1 практическое применение для определения критического изгибающего момента Mcrit или критического изгибающего напряжения σcrit для наклона изгибаемой балки было объяснено с помощью простых примеров. В нашей статье критический изгибающий момент будет найден с учетом упругого основания при наличии связи жесткости.

Конструктивная модель

Для конструкции, показанной на Рисунке 01, необходимо выполнить расчет стропильной фермы на боковое выпучивание. На уровне кровли размещены шесть ферм в качестве параллельных балок длиной 18 м с двумя связями жесткости. Балки по сторонам фронтона опираются на колонны и не учитываются в расчете. На фермы действует расчетная нагрузка qd, равная 10 кН/м.

Данные о модели

L
18 м длина балки
b
120 мм ширина балки
h
1 200 мм высота балки
GL24h
материал по EN 14080
Iz
172 800 000 мм4 момент инерции
IT
647 654 753 мм4 момент инерции при кручении
qd
10 кН/м расчетная нагрузка
az
600 мм положение нагрузки
e
600 мм положение основания

Примечание: Несмотря на то, что следующие уравнения E и G не ссылаются прямо на значения 5% квантиля в индексе, они были соответственно приняты во внимание.

Однопролетная балка с вильчатым опиранием без промежуточных опор

Для полноты мы сначала проанализируем стропильную ферму без боковых опор (см. Рисунок 02). Длина заменяемого стержня в случае приложения нагрузки с верхней стороны фермы при a1 = 1,13 и a2 = 1,44 равна:

Длина эквивалентного стержня

lef = La1 · 1 - a2 · azL · E0,05 · IzG0,05 · IT 

lef Длина эквивалентного стержня
L Длина балки, шаг между боковыми опорами
a1,a2 Коэффициенты поперечного выпучивания
az Отступ точки приложения нагрузки от центра сдвига
E0,05 5 % квантиль модуля упругости
G0,05 5 % квантиль модуля сдвига
Iz Момент инерции вокруг оси минимальных моментов
IT Постоянная кручения

lef = 17,79 м

После этого мы можем рассчитать значение критического изгибающего момента следующим образом:

Критический изгибающий момент

Mcrit = π · E0,05 · Iz · G0,05 · ITlef

Mcrit Критический изгибающий момент
E0,05 5 % квантиль модуля упругости
G0,05 5 % квантиль модуля сдвига
Iz Момент инерции вокруг оси минимальных моментов
IT Постоянная кручения
lef Длина эквивалентного стержня

Mcrit = 134,52 кНм

В наших примерах мы не будем рассматривать увеличение произведения 5% квантилей параметров жесткости в результате гомогенизации балок из клееной древесины.

Изгибающий момент, действующий на фермы, равен:

Расчетный момент

Md = qd · L28

Md Расчетный момент
qd Расчетная нагрузка
L Длина балки

Md = 405,00 кНм

В результате анализа собственных чисел в дополнительном модуле RF-/FE-LTB мы получим коэффициент критической нагрузки, равный 0,3334. На основе этого критический изгибающий момент равен

Mcrit = 0,3334 ⋅ 405 кНм = 135,03 кНм

и, таким образом, идентичен результату аналитического решения.

Как и следовало ожидать, у такой тонкой фермы без опор действующий изгибающий момент больше (в 3 раза), чем критический изгибающий момент, и, таким образом, ферма недостаточно защищена от потери устойчивости. Вместе с тем, этому должна противостоять связь, которую мы теперь введем в расчет.

Однопролетная балка с вильчатым опиранием и жесткими промежуточными опорами

Если связь обладает достаточной жесткостью, то на практике в качестве длины заменяемого стержня в расчете потери устойчивости часто применяется расстояние между боковыми опорами (например, прогонами). Данный порядок был пояснен в предыдущей статье Потеря устойчивости плоской формы изгиба в деревянных конструкциях | Примеры 1. Таким образом, в качестве длины L применяется значение 2,25 м. При a1 = 1,00 и a2 = 0,00 мы получим:

Длина эквивалентного стержня

lef = La1 · 1 - a2 · azL · E0,05 · IzG0,05 · IT 

lef Длина эквивалентного стержня
L Длина балки, шаг между боковыми опорами
a1,a2 Коэффициенты поперечного выпучивания
az Отступ точки приложения нагрузки от центра сдвига
E0,05 5 % квантиль модуля упругости
G0,05 5 % квантиль модуля сдвига
Iz Момент инерции вокруг оси минимальных моментов
IT Постоянная кручения

lef = 2,25 м

Критический изгибающий момент равен:

Критический изгибающий момент

Mcrit = π ·  E0,05 · Iz · G0,05 · ITlef

Mcrit Критический изгибающий момент
E0,05 5 % квантиль модуля упругости
G0,05 5 % квантиль модуля сдвига
Iz Момент инерции вокруг оси минимальных моментов
IT Постоянная кручения
lef Длина эквивалентного стержня

Mcrit = 1063,51 кНм

Поскольку изгибающий момент, действующий на балку, меньше критического изгибающего момента, балка не подвержена потере устойчивости при наличии жестких промежуточных опор.

В результате анализа собственных чисел в дополнительном модуле RF-/FE-LTB мы получим коэффициент критической нагрузки, равный 2,7815. На основе этого критический изгибающий момент равен

Критический изгибающий момент

Mcrit = η · Md

Mcrit Критический изгибающий момент
η Коэффициент критической нагрузки
Md Расчетный момент

Mcrit = 2,7815 ⋅ 405 кНм = 1 126,50 кНм

Однопролетная балка с вильчатым опиранием и упругим основанием стержня

Как было описано в статье Потеря устойчивости плоской формы изгиба в деревянных конструкциях: Теория, в [1] при упругом основании стержней определение значения длины заменяемого стержня расширено с помощью коэффициентов α и β. Таким образом можно принять во внимание сдвиговую жесткость связи в потере устойчивости фермы. Жесткость связи при сдвиге можно определить, например, по рисунку 6.34, [2]. Как мы видим, она зависит от типа связи, жесткости при растяжении подкосов и стоек, наклона подкосов и податливости соединительных элементов. Для связи, показанной на Рисунке 01, жесткость при сдвиге равна:

Идеальная жесткость поперечной связи

sid = ED · AD · sinα2 · cosα

sid Идеальная жесткость поперечной связи
ED 5 % квантиль модуля упругости диагоналей
AD Площадь сечения диагоналей
α Угол между диагоналями и поясами ферм

При этом ED - модуль упругости подкосов, а AD - площадь их сечения. Однако в указанное выше уравнение не входит податливость соединительных элементов подкосов. Податливость, а также удлинение стержней подкосов можно учесть с помощью фиктивной площади сечения AD'. Из этого следует:

Идеальная жесткость поперечной связи

sid = ED · AD' · sinα2 · cosα

sid Идеальная жесткость поперечной связи
ED 5 % квантиль модуля упругости диагоналей
AD' Условная площадь сечения диагоналей
α Угол между диагоналями и поясами ферм

где

Условная площадь сечения диагоналей

AD' = AD1 + ED · ADLD· 1Kser

AD' Условная площадь сечения диагоналей
AD Площадь сечения диагоналей
ED 5 % квантиль модуля упругости диагоналей
LD Длина диагоналей
Kser Модуль скольжения соединения

Подкосы имеют размер w/h = 120/200 мм и длину LD 4,59 м. Модуль смещения соединения с каждой стороны подкоса должен составлять 110 000 Н/мм.

Идеальная площадь равна соответственно

AD' = 12 548 мм²

и, следовательно, жесткость связи при сдвиге с углом подкоса относительно пояса 60,64 °

Идеальная жесткость поперечной связи

sid = ED · AD' · sinα2 · cosα

sid Идеальная жесткость поперечной связи
ED 5 % квантиль модуля упругости диагоналей
AD' Условная площадь сечения диагоналей
α Угол между диагоналями и поясами ферм

sid = 44 864 кН

Основание стержня для каждой связи можно преобразовать по формуле 7.291 [2] следующим образом:

Упругое основание стержня на отдельных связях

Ky' = sid · π2L2Ky' = 44.864 kN · π2 18 m 2= 1.367 kNm2 = 1,367 Nmm2

Ky' Упругое основание стержня на отдельных связях
sid Идеальная жесткость поперечной связи
L Длина крепления

Для двух связей и шести ферм можно применить следующую константу упругости для каждой фермы:

Упругое основание стержня на отдельные фермы

Ky = 2 · Ky'6

Ky Упругое основание стержня на отдельные фермы
Ky' Упругое основание стержня на отдельных связях

Ky = 455,6 кН/м² = 0,456 Н/мм²

При условии, что KG = ∞, Kθ = 0, Ky = 0,456 Н/мм², e = 600 мм, a1 = 1,13 и a2 = 1,44, длина заменяемого стержня равна:

Длина эквивалентного стержня

lef = La1 ·  1 - a2 · azL · E0,05 · IzG0,05 · IT  · 1α · β

lef Длина эквивалентного стержня
L Длина балки, шаг между боковыми опорами
a1,a2 Коэффициенты поперечного выпучивания
az Отступ точки приложения нагрузки от центра сдвига
E0,05 5 % квантиль модуля упругости
G0,05 5 % квантиль модуля сдвига
Iz Момент инерции вокруг оси минимальных моментов
IT Постоянная кручения
α, β Коэффициенты для учета основания стержня

lef = 0,13

Критический изгибающий момент в результате равен утопическому значению:

Критический изгибающий момент

Mcrit = π ·  E0,05 · Iz · G0,05 · ITlef

Mcrit Критический изгибающий момент
E0,05 5 % квантиль модуля упругости
G0,05 5 % квантиль модуля сдвига
Iz Момент инерции вокруг оси минимальных моментов
IT Постоянная кручения
lef Длина эквивалентного стержня

Mcrit = 18 482,84 кНм

Ожидать можно было значение, аналогичное системе с жесткими промежуточными опорами. Как поясняется в статье Потеря устойчивости плоской формы изгиба в деревянных конструкциях: Теория, применение расширенной формулы с коэффициентами α и β ограничено. Строго говоря, формула действительна только в случае прогиба по большой синусоидальной дуге. Другими словами, если основание очень пластично. В нашем примере это не так. Многоволновые собственные функции, которые при более высоких константах упругости приводят к более низкой критической нагрузке, не включены в вышеупомянутое уравнение, поскольку оно основано на односоставном синусовом подходе.

Как видно на рисунке 07, результатом анализа собственных значений является многоволновая собственная форма.

В данном случае можно применить метод, разработанный профессором Генрихом Кройцингером (2020). Критический изгибающий момент рассчитывается следующим образом:

Критический изгибающий момент

Mcrit =  2 · e · c* - az* · B*  +   2 · e · c* - az* · B* 2 + 4 · 1,0 ·  B* · T* - e* · c*2 2c* = Ky · L2π2 · n2az* = azn2B* = E0,05 · Iz · π2 · n2L2 + c*T* = G0,05 · IT + c* · e2n = 1 , 2 , 3 ...

Mcrit Критический изгибающий момент
az Отступ точки приложения нагрузки от центра сдвига
e Oтступ упругого основания стержня от центра сдвига
Ky Упругое основание стержня на отдельные фермы
L Длина балки
n nth eigensolution
E0,05 5 % квантиль модуля упругости
Iz Момент инерции вокруг оси минимальных моментов
G0,05 5 % квантиль модуля сдвига
IT Постоянная кручения

Константа n обозначает 1-е, 2-е, 3-е... собственное решение. Таким образом, необходимо проанализировать несколько собственных решений, а определяющим будет наименьший критический изгибающий момент. Следующие критические изгибающие моменты получены для n = 1 ... 30.

nMcrit [кНм]nMcrit [кНм]
19 523,25162 214,63
24 281,26172 339,17
32 294,32182 464,92
41 605,56192 591,63
51 354,68202 719,14
61 282,70212 847,30
71 294,12222 976,00
81 348,81233 105,16
91 428,05243 234,71
101 522,29253 364,60
111 626,24263 494,77
121 736,77273 625,20
131 851,94283 755,84
141 970,50293 886,67
152 091,60304 017,68

При n = 6 Mcrit имеет минимальное значение, которое равно 1 282,70 кНм.

Результатом решения собственных чисел в дополнительном модуле RF-/FE-LTB (см. Рисунок 07) является:

Mcrit = 3,4376 ⋅ 405 кНм = 1 397,25 кНм

Оба результата практически совпадают. Кроме того, аналитическое решение является надежным, поскольку данный метод упрощенно основывается на постоянном распределении изгибающего момента. Постоянному критическому изгибающему моменту Мcrit таким образом присваивается критическая нагрузка qcrit.

Критическая нагрузка

qcrit = Mcrit · 8L2

qcrit Критическая нагрузка
Mcrit Критический изгибающий момент
L Длина балки

Поскольку в данном примере основание стержня считается очень жестким и постоянным по всей длине фермы, то мы получим критические изгибающие моменты, которые немного выше, чем в случае жестких точечных опор.

Согласно [3], раздел 9.2.5.3 (2), жесткие связи должны обладать достаточной жесткостью для того, чтобы не был превышен горизонтальный прогиб L/500. Расчет должен быть выполнен с расчетными значениями жесткости (см. [1], раздел NCI к 9.2.5.3).

При kcrit = 0,195, H = 5 м и qp = 0,65 кН/м² в качестве давления от скорости порыва мы получим следующие нагрузки (см. [3], раздел 9.2.5.3):

Стабилизирующая сила для сжатого пояса

Nd =  1 - kcrit  · Mdh 

Nd Стабилизирующая сила для сжатого пояса
kcrit  Коэффициент поперечного выпучивания
Md Расчетный момент
h Высота балки

Nd = (1 - 0,195) ⋅ 405 / 1,2 = 271,68 кН

Нагрузка на крепь

qd =  15L · n · Ndkf,3 · L

qd Нагрузка на крепь
n Количество ферм
L Длина балки
kf,3 Коэффициент модификации для несущей способности крепи

qd = 2,76 кН/м

Расчетная ветровая нагрузка

qd,Wind = γQ ·  cpe,D + cpe,E  · qp · H2

qd,wind Расчетная ветровая нагрузка
γQ Частичный коэффициент надежности для временных воздействий
cpe Коэффициент внешнего давления
qp Пиковое скоростное давление
h Высота здания

qd,ветер = 1,5 ⋅ (0,7 + 0,3) ⋅ 0,65 ⋅ 5 / 2 = 2,44 кН/м

Деформация связей жесткости показана на рисунке 08. При этом нагрузки были снова разделены пополам из-за наличия двух связей жесткости.

Допустимая деформация составляет:

Допустимая деформация

L500 = 18 m500 = 36,00 mm  4,74 mm

Результат подтверждает предположение связи с высокой жесткостью и соответствует почти одинаковым критическим изгибающим моментам конструкции с жесткими промежуточными опорами и конструкции с упругим основанием стержня.

Заключение

В статье было показано, какие возможности существуют для расчета бокового выпучивания изогнутых балок в деревянных конструкциях. В применении распространенных методов решения важно обеспечить достаточную жесткость связей для того, чтобы можно было применить в расчете жесткие опоры. В нашей статье также были показаны варианты для тех случаев, когда данное предположение не действительно. Как правило, для изгибаемых балок и связей жесткости должен быть выполнен расчет несущей способности и пригодности к эксплуатации по соответствующей норме. Однако это не является предметом нашей статьи.

Автор

Dipl.-Ing. (FH) Gerhard Rehm

Dipl.-Ing. (FH) Gerhard Rehm

Разработка продуктов и служба поддержки

Г-н Рем отвечает за разработку продукции для деревянных конструкций и оказывает техническую поддержку заказчикам.

Ключевые слова

Боковое выпучивание Потеря устойчивости плоской формы изгиба Собственное число Выпучивание стержня с упругим основанием

Литература

[1]   National Annex - Eurocode 5: Design of timber structures - Part 1-1: General - Common rules and rules for buildings; DIN EN 1995-1-1/NA:2013-08
[2]   Petersen, C. (1982). Statik und Stabilität der Baukonstruktionen (2nd ed.). Wiesbaden: Vieweg.
[3]   Eurocode 5: Design of timber structures - Part 1-1: General - Common rules and rules for buildings; EN 1995-1-1:2010-12

Ссылки

Добавить комментарий...

Добавить комментарий...

  • Просмотры 4334x
  • Обновления 23. февраля 2023

Контакты

Связаться с Dlubal

У вас есть дополнительные вопросы или вам нужен совет? Свяжитесь с нами по телефону, электронной почте, в чате или на форуме, или выполните поиск по странице часто задаваемых вопросов, доступной круглосуточно и без выходных.

+49 9673 9203 0

[email protected]

RFEM 6 | Студенты | Основы расчёта деревянных конструкций

Онлайн-обучение 29. ноября 2023 16:00 - 17:00 CET

Расчёт на устойчивость в программе RFEM 6 (США)

Расчёт на устойчивость в программе RFEM 6 (США)

Вебинар 24. октября 2023 14:00 - 15:00 EDT

Расчёт на потерю устойчивости в RFEM 6

Расчёт на потерю устойчивости в RFEM 6

Вебинар 21. сентября 2023 14:00 - 15:00 CEST

Онлайн-обучение | Английский

Еврокод 3 | Стальные конструкции по норме DIN EN 1993-1-1

Онлайн-обучение 3. августа 2023 8:30 - 12:30 CEST

Онлайн-обучение | Английский

Еврокод 3 | Стальные конструкции по норме DIN EN 1993-1-1

Онлайн-обучение 16. мая 2023 8:30 - 12:30 CEST

Расчет NDS CLT 2018 в RFEM 6

Расчет NDS CLT 2018 в программе RFEM 6 (США)

Вебинар 2. мая 2023 14:00 - 15:00 EDT

RSTAB 8

Основная программа

Программа, позволяющая расчитывать каркасных и ферменных конструкций, а также выполнять линейный и нелиненый расчёт внутренних сил, деформаций и опорных реакций.

Цена первой лицензии
2 850,00 EUR
RFEM 5
rfem

Основная программа

Программа для расчёта плоских и пространственных конструкций, состоящих из плит, стен, оболочек, стержней (балок), тел и контактных элементов, методом конечных элементов (МКЭ)

Цена первой лицензии
4 350,00 EUR
RFEM 5
RF-FE-LTB

Дополнительный модуль

Расчёт на потерю устойчивости плоской формы изгиба по методу второго порядка (МКЭ)

Цена первой лицензии
1 200,00 EUR
RSTAB 8
FE-LTB (английская версия)

Дополнительный модуль

Расчёт на потерю устойчивости плоской формы изгиба по методу второго порядка (МКЭ)

Цена первой лицензии
1 000,00 EUR
RSTAB 8
TIMBER AWC

Дополнительный модуль

Расчёт деревянных стержней по американской норме ANSI/AWC NDS

Цена первой лицензии
1 250,00 EUR
RSTAB 8
TIMBER CSA

Дополнительный модуль

Расчет деревянных стержней по канадской норме CSA O86-14

Цена первой лицензии
1 250,00 EUR
RSTAB 8
TIMBER Pro

Дополнительный модуль

Расчёт деревянных конструкций по Еврокоду 5, SIA 265 и/или DIN 1052

Цена первой лицензии
1 250,00 EUR
RFEM 5
RF-STABILITY (английская версия)

Дополнительный модуль

Расчет на устойчивость методом собственных чисел

Цена первой лицензии
1 350,00 EUR
RFEM 5
RF-TIMBER AWC

Дополнительный модуль

Расчет деревянных стержней по американской норме ANSI/AWC NDS

Цена первой лицензии
1 450,00 EUR
RFEM 5
RF-TIMBER CSA

Дополнительный модуль

Расчет деревянных стержней по канадской норме CSA O86-14

Цена первой лицензии
1 450,00 EUR
RFEM 5
RF-TIMBER Pro (английская версия)

Дополнительный модуль

Расчёт деревянных конструкций по Еврокоду 5, SIA 265, и/или DIN 1052

Цена первой лицензии
1 450,00 EUR