Оценка несущей способности стальной балки методом конечных элементов при совместном действии локальных и сдвиговых усилий

Стальные балки с гибкими стенками привлекают своей эффективностью при работе на изгиб. Для таких балок весьма актуальным становится вопрос обеспечения местной устойчивости. Расчетные формулы в большинстве случаев сложны и имеют ограниченную область применения. В связи с этим особое место приобретают расчеты на основе КЭ моделей, которые позволяют более универсально учесть всю специфику проектируемого элемента. В статье рассматривается расчет устойчивости стенки балки при совместном действии локальных и сдвиговых усилий посредством конечно-элементного моделирования. Созданы численные модели и произведен сравнительный анализ с экспериментальными результатами. Представлено описание принципов построения КЭ моделей (размер сетки КЭ, модель материалов и т.д.), которые необходимо соблюдать при оценке несущей способности балок с гибкими стенками. Анализ чувствительности КЭ модели к входным параметрам выявил наиболее важные параметры (предел текучести стали, толщина стенки), неопределенность которых необходимо учитывать при создании КЭ моделей. Сходимость результатов позволяет использовать метод конечных элементов при проектировании стальных балок для качественной и количественной оценке несущей способности. Однако требуется дальнейшая разработка унифицированных принципов построения КЭ моделей и их верификация на большем количестве экспериментальных данных, а также определение частных коэффициентов для учета изменчивости и неопределенности получаемых результатов с учетом регламентированных параметров надежности.

1. Roberts T. M., Shahabian F. Combined Shear and Patch Loading of Plate Girders. Journal of Structural Engineering, ASCE. 2000. Vol. 126. No. 3. Pp. 316-321.

2. Roberts T. M., Shahabian F. Ultimate resistance of slender web panels to combined bending shear and patch loading. Journal of Constructional Steel Research. 2001. Vol. 57 No. 7. Pp. 779-790. ISSN 0143-974X.

3. Braun B. Stability of steel plates under combined loading. Mitteilungen: Institut für Konstruktion und Entwurf der Universität Stuttgart, 2010. 226 p.

4. Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1-5: Plated structural elements. EN1993-1-5. CEN (European Committee for Standardization). Brussels, Belgium: CEN. 2006.

5. Johansson B., Maquoi R., Sedlacek G. New design rules for plated structures in Eurocode 3. Journal of Constructional Steel Research. 2001. Vol. 57. Pp. 279–311.

6. Надольский В. В., Мартынов Ю.С. Оценка ошибок моделей сопротивления сдвигу, принятых в EN 1993-1-5 и СНиП II-23 // Вестник МГСУ. 2013. № 5. С. 7–20. doi: 10.22227/1997-0935.2013.5.7-20

7. Саиян С.Г., Паушкин А.Г. Численное параметрическое исследование напряженно- деформированного состояния двутавровых балок с различными типами гофрированных стенок // Вестник МГСУ. 2021. № 6 (16). С. 676-687.

8. Сидоров В. Н., Бадьина Е. С. Нелокальные модели демпфирования в динамических расчетах конструкций из композитных материалов // Промышленное и гражданское строительство. 2021. № 9. С. 66-70.

9. Перельмутер А. В., Тур В.В. Готовы ли мы перейти к нелинейному анализу при проектировании // /International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2017. Vol. 13. Issue 3. Pp. 86-102.

10. Крылов А. С. Экспериментальная оценка точности расчетов стальных балок при различных граничных условиях // Строительство и реконструкция. 2019. № 1(81). С. 48-55.

11. Nadolski V. Á., Rózsás M., Sýkora. Calibrating partial factors - methodology, input data and case study of steel structures. Periodica Polytechnica: Civil Engineering. 2019. Vol. 63. No. 1. Pp. 222-242.

12. Мартынов Ю. С., Надольский В. В., Веревка Ф. А. Стеновые панели на основе кассетных профилей. Часть 1. Теоретические исследования // Строительство и реконструкция. 2019. № 4(84). С. 26-37.

13. Кузнецов Д. Н., Емельянов Д. И., Павленко Т. М. Силовая сэндвич-панель поэлементной сборки // Строительная механика и конструкции. 2020. № 1(24). С. 70-84.

14. Yun X, Gardner L. Stress-strain curves for hot-rolled steels. Journal of Constructional Steel Research. 2017. No. 133. Pp. 36–46.

15. Конин Д.В., Одесский П.Д., Олуромби А.Р. Влияние диаграммы "Ϭ-Ε" на несущую способность при сжатии труб из стали высокой прочности // Строительство и реконструкция. 2017. № 5(73). С. 15-20.

16. Ведяков И. И., Конин Д. В., Олуромби А. Р., Нахвальнов П. В. Учет пластических деформаций при расчете фланцевых соединений // Промышленное и гражданское строительство. 2021. № 10. С. 9-16.

17. BSK. Boverkets Handbok om Stålkonstruktioner, BSK 07, November 2007.

18. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* (с Поправками, с Изменениями N 1, 2). М.: Стандартинформ, 2017.

19. СП 5.04.01-2021. Стальные конструкции. Минск : Минстройархитектуры, 2021.

20. Pavlovčič L., Detzel A., Kuhlmann U., Beg D. Shear resistance of longitudinally stiffened panels. Part 1: Tests and numerical analysis of imperfections. Journal of Constructional Steel Research. 2007. Vol. 63. No.3. Pp. 337- 350.

21. Chacon R., Serrat M., Real E. The influence of structural imperfections on the resistance of plate girders to patch loading. Thin-Walled Structures. 2012. Vol. 53. Pp: 15–25.

22. Ruff D.C., Schulz U. Der Einfluss von Imperfektionen auf das Tragverhalten von Platten. Stahlbau. 1999. Vol. 68. No.10. Pp. 829–834.

23. Серпик И. Н., Школяренко Р. О. Расчет систем тонкостенных стержней корытообразного профиля с учетом стесненного кручения // Строительство и реконструкция. 2018. № 4(78). С. 31-41.

24. Rogač M., Aleksić S., Lučić D. Influence of patch load length on resistance of I-girders. Part-II: Numerical research. Journal of Constructional Steel Research. 2021. Vol. 176. Pp. 106 - 138. ISSN 0143-974X.

25. Перельмутер А. В. Использование критерия отпорности для оценки предельного состояния конструкции // Вестник МГСУ. 2021. № 12(16). С. 1559-1566.

26. Тур В.В., Тур А.В., Лизогуб А.А. Проверка живучести конструктивных систем из сборного железобетона по методу энергетического баланса // Вестник МГСУ. 2021. № 8(16). С. 1015-1033.