Напряженно-деформированное состояние П-образных кронштейнов навесных фасадных систем
Автор: Байбурин А.Х., Барыбин С.Е.
Рубрика: Строительные конструкции, здания и сооружения
Статья в выпуске: 2 т.25, 2025 года.
Бесплатный доступ
В настоящей статье представлены результаты экспериментальных исследований натурных образцов П-образных кронштейнов, производимых ООО «ИНСИ стальные конструкции» для навесных вентилируемых фасадов. Актуальность исследования обусловлена необходимостью обеспечения надежности и безопасности фасадных систем, подверженных воздействию ветровых нагрузок. Целью работы являлось определение фактической несущей способности и деформативных характеристик П-образных кронштейнов различных типоразмеров, подвергаемых воздействию статических и горизонтальных ветровых нагрузок. Для достижения поставленной цели использовалась методика экспериментальных испытаний натурных образцов с последую-щим анализом полученных данных. Экспериментальные исследования были дополнены конечно-элементным анализом (МКЭ) тех же кронштейнов в программном комплексе ANSYS. Проводился анализ как прочностных, так и деформационных характеристик. В ходе эксперимента было испытано 20 образцов двух типоразмеров кронштейнов с различными вариантами сечений. Сопоставление результатов МКЭ и натурных экспериментов позволило определить максимальную допустимую нагрузку для каждого типа кронштейна, а также подтвердить достоверность моделирования. Полученные результаты имеют практическую значимость для проектирования надежных и безопасных навесных фасадных систем.
Навесные фасадные системы, П-образные кронштейны, напряженно-деформированное состояние, ветровая нагрузка, конечно-элементный анализ
Короткий адрес: https://sciup.org/147251440
IDR: 147251440 | DOI: 10.14529/build250204
Текст научной статьи Напряженно-деформированное состояние П-образных кронштейнов навесных фасадных систем
Анализ напряженно-деформированного состояния элементов навесных фасадных систем (НФС) проводится с целью его предиктивного моделирования и внесения корректировок для оптимизации конструкции еще на этапе проектирования. Оценка напряженно-деформированного состояния базируется на применении графоаналитических методов, конечно-элементном моделировании, а также данных экспериментальных наблюдений. Ветровая нагрузка выступает в качестве одного из ключевых факторов, детерминирующих напряженно-деформированное состояние П-образ-ных кронштейнов [1, 2].
Воздействие ветра порождает статические и пульсационные нагрузки, способные инициировать предельные состояния отдельных компонентов П-образных кронштейнов. При этом возникновение таких состояний может быть обусловлено синергетическим эффектом высоких скоростей ветра и пониженной массой фасадных панелей [3– 5]. Комплексный и всесторонний учет ветровых воздействий на стадии разработки проектов НФС обеспечивает формирование рациональных предпосылок для оптимизации расхода материалов, составляющих их каркас [6–9].
Цель настоящего исследования заключается в изучении специфики влияния ветровых нагрузок в сочетании с весом фасадных панелей на напряженно-деформированное состояние П-образных кронштейнов, используемых в навесных фасадных системах.
Методика проведения испытаний
Одним из способов верификации расчётной модели в программном комплексе является его проверка на достоверность по деформациям [8]. С целью определения фактической несущей способности и деформационных характеристик П-образных кронштейнов были выполнены экспериментальные испытания 20 образцов, представленных двумя типоразмерами (по 10 образцов). Испытание натурных образцов проводилось в лаборатории кафедры «Строительные конструкции и сооружения» ЮУрГУ, при температуре +15 °C. Все образцы испытывались на перемещение П-образного кронштейна в трех точках:
-
• 1-я точка расположена в центре полки кронштейна на расстоянии 60 мм от стенки кронштейна для измерения прогиба стенки кронштейна относительно стены;
-
• 2-я точка расположена на краю кронштейна для измерения вертикального перемещения края кронштейна от прогиба полок и стенки кронштейна;
-
• 3-я точка расположена на расстоянии ближайшего отверстия от стенки кронштейна для измерения сужения полок кронштейна в этом месте.
Деформационные испытания П-образных кронштейнов проводились с применением тарированных грузов, а также гидравлического домкрата для моделирования горизонтальной ветровой составляющей. Нагружение осуществлялось в концевой части кронштейна через подвесную систему. Крепление системы к кронштейнам соответствовало месту крепления направляющей для фасадных панелей, имитируя реальную схему нагружения. Вертикальная нагрузка прикладывалась на высоте 70 мм от окончания П-образного кронштейна, а горизонтальная – на удалении 650 мм от его стенки. Нагружение образцов осуществлялось поэтапно посредством груза (5,16 кг) и домкрата. Показания микрометра регистрировались после каждого этапа изменения нагрузки от домкрата. Подобные методики проведения расчётов и испытаний описаны в [10–15].
Результаты и обсуждение
В табл. 1 и 2 приведены результаты перемещений трех точек П-образных кронштейнов № 1 и № 2. Полученные результаты являются среднестатистическими по 10 измерениям каждого типоразмера П-образного кронштейна.
Графики, отражающие сравнение результатов эксперимента и расчетной модели в программном комплексе ANSYS, приведены на рис. 1 для П-образного кронштейна вылетом 12,5 см и рис. 2 для П-образного кронштейна вылетом 25 см. Для 1-й и 2-й точки результаты измерений перемещения от изначального положения у кронштейна вылетом 12,5 см (см. рис. 1а,б) в 2,5 раза больше кронштейна вылетом 25 см (см. рис. 2а,б). Для 3-й точки перемещения у кронштейна вылетом 12,5 см (см. рис. 1в) в 1,5 раза меньше, чем у кронштейна вылетом 25 см (рис. 2в).
По перемещениям отмеченных точек полученные результаты соответствуют опытным данным. Максимальная погрешность не превышает 5 %. Наступление предельного состояния П-образным кронштейном при преимущественном растяжении наступает при достижении им 4–5 % от пластических деформаций (СП 294.1325800.2017, пп. 4.4.2).
Таблица 1
Результаты испытания П-образных кронштейнов №1 с длиной консоли 12,5 см
|
№ этапа |
Горизонтальная нагрузка, кгс |
Перемещения точек кронштейна, мм |
||
|
1-я точка |
2-я точка |
3-я точка |
||
|
1 |
15 |
0 |
0 |
0 |
|
2 |
25 |
0,241 |
0,29 |
0,6 |
|
3 |
50 |
0,673 |
0,53 |
1,22 |
|
4 |
75 |
1,114 |
0,68 |
2,29 |
|
5 |
100 |
1,488 |
0,766 |
3,05 |
|
6 |
125 |
1,858 |
0,823 |
3,94 |
|
7 |
150 |
2,217 |
0,88 |
4,63 |
Рис. 1. Результаты испытания П-образного кронштейна с длиной консоли 12,5 см: а – в 1-й точке; б – во 2-й точке; в – в 3-й точке
Таблица 2
Результаты испытания П-образных кронштейнов № 2 с длиной консоли 25 см
|
№ этапа |
Горизонтальная нагрузка, кгс |
Перемещения точек кронштейна, мм |
||
|
1-я точка |
2-я точка |
3-я точка |
||
|
1 |
15 |
0 |
0 |
0 |
|
2 |
25 |
0,096 |
0,203 |
0,76 |
|
3 |
50 |
0,238 |
0,677 |
2,11 |
|
4 |
75 |
0,414 |
1,191 |
3,73 |
|
5 |
100 |
0,657 |
1,601 |
5,4 |
|
6 |
125 |
0,869 |
2,031 |
6,61 |
|
7 |
150 |
1,086 |
2,34 |
7,59 |
Окончание табл. 2
|
№ этапа |
Горизонтальная нагрузка, кгс |
Перемещения точек кронштейна, мм |
||
|
1-я точка |
2-я точка |
3-я точка |
||
|
8 |
175 |
1,355 |
2,653 |
8,43 |
|
9 |
200 |
1,688 |
2,907 |
9,19 |
|
10 |
225 |
2,127 |
3,38 |
9,9 |
|
11 |
250 |
2,877 |
3,583 |
10,67 |
|
12 |
275 |
4,088 |
3,52 |
11,57 |
|
13 |
300 |
6,445 |
3,484 |
12,52 |
а) б)
в)
а) б)
^^^экспериллент
^^модель
в)
Рис. 2. Результаты испытания П-образного кронштейна с длиной консоли 25 см: а – в 1-й точке; б – во 2-й точке; в – в 3-й точке
По результатам анализа пластических деформаций, полученных из расчётной модели:
-
– для П-образного кронштейна № 1 предельное состояние наступило при достижении 150 кгс (1471 Н) горизонтальной составляющей усилий в пяте П-образного кронштейна и составило 4,0 % (рис. 3);
-
– для П-образного кронштейна № 2 предельное состояние наступило при достижении 300 кгс (2942 Н) горизонтальной составляющей в пяте П-образного и составило 4,29 % (рис. 4).
Результаты экспериментов и расчетов могут быть частным случаем в области исследования П-образных кронштейнов по двум причинам [10–15]:
-
1) рассматривают Г-образный или иной тип кронштейна;
-
2) прикладывают этапы нагружений в вертикальном направлении без учёта горизонтальной составляющей.
Выводы [6] имеют частичную схожесть с полученными результатами по причине того, что исследовался П-образный кронштейн и случай
Рис. 3. Изополя пластических деформаций П-образного кронштейна с длиной консоли 12,5 см
Рис. 4. Изополя пластических деформаций П-образного кронштейна с длиной консоли 25 см
с горизонтальным приложения нагружения без вертикального груза. Эти выводы подтверждают полученные результаты в том, что предельное состояние П-образного кронштейна наступает в её пяте (см. рис. 3, 4).
Выводы
Оценка ветрового воздействия необходима при определении параметров несущей способности элементов навесных фасадных систем (НФС). Современные программные комплексы, такие как ANSYS, обеспечивают возможность динамическо- го мониторинга деформаций, обусловленных смоделированными нагрузочными воздействиями и граничными условиями, что существенно облегчает решение данной задачи. Эксперименты и расчеты показали, что предельное состояние рассмотренных кронштейнов наступает при нагрузке 150 и 300 кгс (1471 и 2942 Н).
Предложен комплексный метод определения предельного состояния П-образных кронштейнов под действием ветровых нагрузок в узле НФС, позволяющий анализировать их поведение в критических условиях нагружения.
