Investigation of the stress-strain state of beams with different types of web perforation

Abstract

Присвячено оцінюванню ефективності двотаврових балок з різною перфорацією стінки: шестикутною, круглою, овальною та еліпсоподібною. Описано технологію виготовлення перфорованих балок. З метою верифікації наведено аналітичний розрахунок балки з шестикутною перфорацією стінки та для порівняння – методом скінчених елементів. Для коректним оцінюваням напружено-деформівного стану проведено згущення сітки скінчених елементів у зонах вирізів. Отримані різними методами результати максимальних нормальних напружень та деформацій порівняні між собою й доведено ефективність використання методу скінченних елементів для визначення напружено-деформівного стану перфорованих балок. У перфорованих балках спостерігається складний напружено-деформівний стан, що було підтверджено в даній роботі для найбільш характерних форм вирізів. Розглянуто балки з шестикутними, круглими, овальними (горизонтальними та вертикальними), еліпсоподібними (повернутими на 45°) вирізами, описано їхні геометричні параметри та характеристики, переваги й недоліки. Найбільшого застосування на сьогодні набувають балки з круглими вирізами. Крім того, виявлено параметри, які впливають на ефективність балок з овальною (горизонтальною та вертикальною) і еліпсоподібною повернутою на 45° перфорацією. Встановлено, що форма вирізу суттєво впливає на напружено- деформівний стан перфорованих балок. Особливо це стосується шестикутних вирізів, які переважно використовувалися досі. Показано розподіл напружень у першому вирізі для кожного з розглянутих видів перфорацій, і характер зміни σ max в інших вирізах. Методом скінчених елементів досліджено напружено- деформівний стан перфорованих балок. Результати даного дослідження мають практичну цінність, оскільки можуть бути використані під час компонування перерізів та вирізів перфорованих балок.

This article is devoted to evaluating the effectiveness of I-beams with different web perforations: hexagonal, round, oval and elliptical. The technology of manufacturing of castellated beams is described. For the purpose of verification the analytical calculation of the beam with hexagonal web perforation and for comparison the calculation by the finite element method is given. To correctly assess the stress-strain state, the mesh of finite elements in the area of openings was concentrated. The results of maximum normal stresses and strains obtained by different methods were compared with each other and the efficiency of using the finite element method to determine the stress-strain state of castellated beams was proved. In the castellated beams there is a complex stress-strain state, which was confirmed in this work for the most characteristic shapes of openings. Beams with hexagonal, round, oval (horizontal and vertical), elliptical and elliptical (rotated by 45°) openings are considered in the article, their geometric parameters and characteristics as well as advantages and disadvantages are described. Beams with round openings are currently the most widely used. In addition, the parameters that affect the efficiency of castellated beams with oval (horizontal and vertical) and elliptical rotated by 45° openings were identified. In this work, it was found that the shape of the openings significantly affects the stress-strain state of the castellated beams, especially for hexagonal openings, which are mainly used so far. The stress distribution in the first opening for each of the considered types of perforations and the nature of the change of σ max in other openings is shown. The stress-strain state of castellated beams was studied using the finite element method. The results of this study are of practical value because they can be used when arranging the sections and openings of castellated beams.