4.3.1. Несущая способность панелей при работе на изгиб

Испытательные нагрузки в момент разрушения образцов панелей при испытаниях на изгиб приведены в таблице 4.14. Испытательные нагрузки $F_{u-g}$ указаны без учета собственного веса образцов.

Таблица 4.14. — Испытательные нагрузки на панели в момент разрушения

Величины нагрузок от собственного веса образцов из панелей покрытия ($F_G ^{nn}$) и стеновых ($F_G ^{nc}$) указаны на рисунке 4.8.

1 Схема для определения прочности наружной сжатой обшивки в пролете панели

2 Схема для определения прочности сжатой наружной обшивки на опоре

3 Схема для определения критических напряжений потери местной устойчивости сжатой внутренней обшивки на опоре

Рисунок 4.8. — Схемы испытаний панелей на изгиб

В позициях 1 и 2 таблицы 4.15 приведены напряжения в обшивках панелей в момент их разрушения от изгиба по схемам 1, 2 и 3 рисунка 4.8.

Данные напряжения получены расчетом методом конечных элементов с применением конечноэлементных моделей, предложенных в главе 2 диссертационной работы. Эпюры нормальных напряжений в обшивках панели с наружной профилированной обшивкой (позиция 1 таблицы 4.15) от действия испытательной нагрузки ($F_{u-g}$) и нагрузки от собственного веса панелей ($F_g$) показаны на рисунках 4.9—4.11.

Таблица 4.15. — Напряженное состояние и нагрузки на панели в момент разрушения

а — нормальные напряжения во внутренней обшивке;

б — нормальные напряжения в нижней полке наружной обшивки;

в — нормальные напряжения в верхней полке наружной обшивки;

Рисунок 4.9. — Нормальные напряжения в обшивках панели с наружной профилированной обшивкой при испытании по схеме 1

а — нормальные напряжения во внутренней обшивке;

б — нормальные напряжения в нижней полке наружной обшивки;

в — нормальные напряжения в верхней полке наружной обшивки;

Рисунок 4.10. — Нормальные напряжения в обшивках панели с наружной профилированной обшивкой при испытании по схеме 2

а — нормальные напряжения во внутренней обшивке;

б — нормальные напряжения в нижней полке наружной обшивки;

в — нормальные напряжения в верхней полке наружной обшивки;

Рисунок 4.11. — Нормальные напряжения в обшивках панели с наружной профилированной обшивкой при испытании по схеме 3

В позиции 3 таблицы 4.15 приведены критические напряжения потери местной устойчивости обшивок и разрушающие нагрузки для панелей с наружными плоскими обшивками толщиной 0,6 мм, полученные расчетом. Расчет выполнен, исходя из утверждения, что при увеличении толщины обшивки, изменение величин критических напряжений учитывается, в соответствии с формулой σ_{w, f 2} = σ_{w, f 1} A.12 [3], коэффициентом $f = \frac{A_{1}\cdot\sqrt[3]{I_2}}{A_{2}\cdot\sqrt[3]{I_1}}$, где $A_1$ и $I_1$ – площадь поперечного сечения и момент инерции обшивки меньшей толщины, $A_2$ и $I_2$ – площадь поперечного сечения и момент инерции обшивки большей толщины.

Используя данные таблицы 4.15, сравним несущую способность панели с профилированной наружной обшивкой (поз. 1) и панелей с плоскими наружными обшивками толщиной 0,5 мм (поз. 2) и 0,6 мм (поз. 3) при их работе по схемам 1—3 рисунка 4.8. При этом материалоемкость профилированной обшивки данного профиля совпадает с материалоемкостью плоской обшивки толщиной 0,6 мм.

Из таблицы 4.15 видно, что несущая способность панели с наружной профилированной обшивкой при загружении по первым двум схемам на 12...25% выше, чем у панели с плоскими обшивками толщиной 0,5 мм ($F_{u-g1,1}$ > $F_{u-g1,2}$; $F_{u-g2,1}$ > $F_{u-g2,2}$), а по третьей схеме – такая же ($F_{u-g3,1}$ = $F_{u-g3,2}$).

Выявленное прочностное преимущество однопролетных панелей с наружными профилированными обшивками достигнуто путем значительного усложнения технологии изготовления панелей и увеличением расхода стали на 10%, а материала среднего слоя на 7%.

Сравнение же панели с наружной профилированной обшивкой (поз. 1) с панелью с плоской наружной обшивкой толщиной 0,6 мм (поз. 3) не позволяет сделать вывод о каких-либо преимуществах профилирования наружной обшивки ($F_{u-g1,3}$ > $F_{u-g1,1}$; $F_{u-g2,3}$ ≈ $F_{u-g2,1}$; $F_{u-g3,3}$ = $F_{u-g3,1}$). При той же материалоемкости, несущая способность панели с плоскими обшивками, по меньшей мере, не должна быть ниже, чем панели с профилированной наружной обшивкой. В общем случае, характер разрушения от изгиба панелей с профилированными обшивками отличается от характера разрушения панелей с плоскими обшивками. Панели с плоскими обшивками разрушаются при возникновении в сжатых обшивках нормальных напряжений, равных критическим. При этом, несущая способность однопролетных панелей полностью исчерпана, а в многопролетных панелях могут возникать местные повреждения сжатых обшивок на опорах и изменяться схемы работы панелей с многопролетных на однопролетные, если одновременно не произошло разрушение материала среднего слоя от сдвига.

В панелях с наружной профилированной обшивкой характер разрушения зависит от соотношения величин напряжений в верхней и нижней полках профиля. Так как ширина верхних полок наружных обшивок в выпускаемых панелях покрытия мала и их потеря устойчивости происходит при значительно больших напряжениях, чем нижних полок, то в процессе нагружения таких панелей практически всегда можно выделить два этапа. На первом этапе нагружения наблюдается рост напряжений в обеих полках профиля до достижения предела текучести стали в верхней узкой полке или достижения величины критических напряжений в нижней широкой полке. После этого начинается второй этап нагружения панели, когда наблюдается перераспределение напряжений в поперечном сечении профилированной обшивки.

Если раньше достигнут предел текучести стали в верхней полке профиля, то напряжения в ней дальше не растут, а возрастают в стенках и нижней полке. При достижении напряжениями в нижней полке величины критических напряжений наступает полное исчерпание несущей способности профилированной обшивки.

Такой характер разрушения наблюдается в панелях небольшой толщины, когда высота профиля обшивки (h) сопоставима с толщиной панели (D). Другой порядок перераспределения напряжений в профилированной обшивке наблюдается, если раньше достигнута величина критических напряжений в нижней полке обшивки. В этом случае наблюдается дальнейший рост напряжений сжатия на приближенных к стенкам участках нижней полки, в стенках и в верхней полке профиля. После достижения предела текучести стали в стенках и верхней полке профиля несущая способность профилированной обшивки исчерпана.

Такой характер разрушения панели наблюдается при незначительной высоте профиля обшивки (h) по отношению к толщине панели (D). Необходимо отметить, что наблюдаемый на втором этапе нагружения рост испытательной нагрузки не превышает 20% разрушающей нагрузки. После этого, также как и у панелей с плоскими обшивками, наблюдается полное исчерпание несущей способности однопролетных панелей или изменение схемы работы многопролетных панелей.

Таким образом, представляется важным определить величины двух пороговых толщин изгибаемых панелей покрытия с профилированными наружными обшивками:

• минимальную толщину $D_1$, при которой напряжения сжатия в нижних широких полках профиля достигают величины критических напряжений не позже (при равной или меньшей нагрузке), чем напряжения в верхних узких полках достигают предела текучести стали;
• максимальную толщину $D_2$, при которой разрушающие нагрузки для панелей с профилированной наружной обшивкой не ниже разрушающих нагрузок для панелей с утолщенной плоской наружной обшивкой при условии равенства площадей поперечных сечений профилированной и плоской обшивок.

На рисунке 4.12 показаны иллюстрации к решению неравенств $F_{1|\sigma_1-\sigma_{w1}}(D)$ ≤ $F_{1|\sigma_2-R_{y}}(D)$ и $F_{2|\sigma_1\sigma_{w1}}(D)$ ≤ $F_{2|\sigma_2-R_{y}}(D)$. Нагрузки $F_{1|\sigma_1-\sigma_{w1}}$ (при нагружении по схеме 1) и $F_{2|\sigma_1-\sigma_{w1}}$ (при нагружении по схеме 2), при которых напряжения сжатия в нижних широких полках профиля достигают величины критических напряжений, а также нагрузки $F_{1|\sigma_2-R_{y}}$ (при нагружении по схеме 1) и $F_{2|\sigma_2-R_{y}}$ (при нагружении по схеме 2), при которых напряжения в верхних узких полках достигают предела текучести стали, определялись методом конечных элементов с использованием конечноэлементных моделей, рассмотренных в главе 2 диссертационной работы.

a — нагружение по схеме 1 рисунка 4.8;

б — нагружение по схеме 2 рисунка 4.8

Рисунок 4.12. — Определение величины $D_1$ для панелей покрытия с наружной профилированной обшивкой

Из приведенных на рисунке 4.12 графиков видно, что $D_1$ = max {82, 90} = 90 мм. Величина $D_2$ была определена как решение неравенств $F_{u-g1,pr}$ (D) ≥ $F_{u-g1,fl}$ (D), $F_{u-g2,pr}$ (D) ≥ $F_{u-g2,fl}$ (D) и $F_{u-g3,pr}$ (D) ≥ $F_{u-g3,fl}$ (D) относительно толщины панелей D. В данных неравенствах $F_{u-g1,pr}$, $F_{u-g2,pr}$ и $F_{u-g3,pr}$ - разрушающие нагрузки за вычетом собственного веса для панелей с профилированными наружными обшивками; $F_{u-g1,fl}$, $F_{u-g2,fl}$, $F_{u-g3,fl}$ – разрушающие нагрузки за вычетом собственного веса для панелей с плоскими обшивками. Графическая иллюстрация решения этих неравенств показана на рисунке 4.13.

При действии равномерно распределенных нагрузок, изгибаемые трехслойные панели толщиной меньше D2 с наружными профилированными обшивками работают эффективнее панелей с плоскими обшивками.

a — нагружение по схеме 1 рисунка 4.8;

б — нагружение по схеме 2 рисунка 4.8;

в — нагружение по схеме 3 рисунка 4.8;

Рисунок 4.13. – Зависимости величин разрушающих нагрузок от толщины панели

Из приведенных на рисунке 4.13 графиков видно, что $D_2$ = min{69, 112, 100} = 69 мм.

В результате выполненных экспериментальных и численных исследований установлено, что:

1. Прочность подкрепленной материалом среднего слоя обшивки для нижних полок профиля необходимо определять экспериментально на панелях таких толщин, чтобы напряжения сжатия в нижних полках профиля достигали величины критических напряжений не позже (при равной или меньшей нагрузке), чем напряжения в верхних узких полках достигнут предела текучести стали. Для панелей покрытия с наружными профилированными обшивками, производимых в Республике Беларусь (поперечное сечение показано на рисунке 1.1, высота гофра 42,5 мм, обшивки стальные толщиной 0,5 мм, средний слой из пенополиизоцианурата плотностью 40 кг/м), эта толщина $D_1$ ≥ 90 мм.

2. Трехслойные металлические панели с профилированными наружными обшивками, производимые в Республике Беларусь, превосходят по несущей способности панели с плоскими наружными обшивками равной площади поперечного сечения, только при их толщине $D_2$ ≤ 69 мм.