Дослідження напружено-деформованого стану прямокутної металевої ферми при дії ступеневого навантаження

Abstract

Магістерська кваліфікаційна робота присвячена дослідженню напружено-деформованого стану прямокутної металевої ферми при дії ступеневого статичного навантаження. Актуальність теми зумовлена широким застосуванням металевих фермових конструкцій у промисловому, цивільному та інфраструктурному будівництві, а також необхідністю підвищення достовірності оцінювання їх роботи під навантаженням. У роботі проаналізовано сучасні підходи до розрахунку фермових конструкцій, особливості роботи прямокутних зварних ферм, основні типи граничних станів та чинники, що впливають на міцність, жорсткість і стійкість металевих елементів. Окрему увагу приділено можливостям чисельного аналізу методом скінченних елементів, зокрема врахуванню реальних умов закріплення, жорсткості вузлових з’єднань, розподілу напружень і переміщень у конструкції. У дослідній частині розроблено скінченно-елементну модель прямокутної металевої ферми та виконано моделювання її роботи при ступеневому навантаженні з використанням програмних комплексів ЛІРА-САПР та ANSYS. Встановлено, що на початкових етапах навантаження ферма працює переважно в межах пружної стадії, однак зі збільшенням навантаження спостерігається поступове зниження жорсткості системи й нерівномірний перерозподіл внутрішніх зусиль між елементами. Найбільші концентрації напружень зафіксовано у верхньому поясі та вузлових зонах, що підтверджує визначальну роль вузлових з’єднань і стиснутих елементів у забезпеченні надійності фермової системи. Отримані результати можуть бути використані при розрахунку, проєктуванні та оцінюванні надійності металевих фермових конструкцій, а також при вдосконаленні методик чисельного аналізу металевих систем.

The master's qualification thesis is devoted to the investigation of the stress-strain state of a rectangular metal truss under stepwise static loading. The relevance of the topic is determined by the widespread use of metal truss structures in industrial, civil and infrastructure construction, as well as by the need to improve the reliability of assessing their behaviour under load. The thesis analyses modern approaches to the calculation of truss structures, the behaviour of rectangular welded trusses, the main types of limit states and the factors affecting the strength, stiffness and stability of metal members. Special attention is paid to the possibilities of numerical analysis using the finite element method, including the consideration of actual support conditions, stiffness of joints, stress distribution and displacements in the structure. In the research part, a finite element model of a rectangular metal truss was developed, and its behaviour under stepwise loading was simulated using LIRA-SAPR and ANSYS software packages. It was established that at the initial loading stages the truss mainly operates within the elastic range; however, as the load increases, a gradual decrease in the stiffness of the system and a non-uniform redistribution of internal forces between the members are observed. The highest stress concentrations were found in the upper chord and joint zones, confirming the decisive role of joints and compressed members in ensuring the reliability of the truss system. The obtained results may be used in the calculation, design and reliability assessment of metal truss structures, as well as in the improvement of numerical analysis methods for metal structural systems.