Влияние жесткости внутримодульных узлов на напряженно-деформированное состояние конструкций модульных зданий

Введение. Жесткость узлов стальных конструкций значительно влияет на распределение внутренних усилий в элементах каркаса. Данное положение справедливо и для модульных зданий. Межмодульные узлы влияют на напряженно-деформированное состояние здания в целом, в то же время жесткость внутримодульных узлов оказывает влияние на напряженно-деформированное состояние каждого модуля в отдельности. Объектом исследования являются стальные модульные здания из составленных модулей с несущими угловыми колоннами.

Цель. Исследовать напряженно-деформированное состояние стальных модульных зданий с жесткими и податливыми внутримодульными соединениями при различных вариантах силового воздействия.

Материалы и методы. Для оценки влияния жесткости узлов на напряженно-деформированное состояние модульных зданий проведена серия исследований с различными параметрами соединений методом конечных элементов. Всего рассчитана 921 модель узла. Для подтверждения результатов, полученных численным методом, проведены физические испытания полноразмерных образцов узлов. Сформулированы основные допущения для составления стержневой расчетной модели. На основании выявленных допущений получены выражения, описывающие в явном виде влияние вращательной жесткости внутримодульных узлов на распределение внутренних усилий в элементах модуля и на частоты собственных колебаний здания.

Результаты. В рамках численных исследований методом конечных элементов установлено значительное влияние наличия ребер и их размеров на жесткость внутримодульных узлов. При этом показано, что узлы без ребер жесткости в общем случае являются податливыми. Для конструирования жестких внутримодульных узлов составлены номограммы по назначению минимальных размеров ребер. Физические испытания полноразмерных узлов подтвердили результаты, полученные при численных исследованиях. Расчетный анализ с помощью полученных выражений показал, что неучет фактической податливости узлов при расчете стержневой модели модульного здания может привести к значительным неточностям в определении усилий и частот собственных колебаний.

Выводы. Проведенные исследования показывают значительное влияние жесткости внутримодульных узлов на напряженно-деформированное состояние стальных модульных зданий. При расчете модульных зданий необходимо учитывать податливость узловых соединений. Интерес представляет проведение аналогичных исследований для других конструктивных схем модульных зданий с различными конструктивными решениями узлов.

1. Iakovlev N.A., Khraponova L.V. Inter-module connections in modular construction: A comprehensive review and classification. AlfaBuild, 2025, no. 1(33), pp. 3304–3304. https://doi.org/10.57728/ALF.33.4.

2. Шурин А.Б., Зинкевич И.В. Оценка жесткости баз внецентренно нагруженных стальных колонн по EN 1993-1-8 // Вестник МГСУ. 2025. 7(20). C. 1051–1060. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2025.7.1051-1060.

3. Алпатов В.Ю., Лукин А.О., Сахаров А.А. Исследования жесткости узла базы стальной колонны, состоящей из одной опорной плиты // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 9. С. 9–14. EDN: UKFKDV.

4. Ананьин М.Ю., Фомин Н.И., Черногубов Д.Е. Метод учета податливости в узлах металлических конструкций зданий // Академический вестник Уралниипроект РААСН. 2009. № 3. С. 80–85. EDN: KYVPSB.

5. Ананьин М.Ю., Фомин Н.И. Метод учета податливости в узлах металлических конструкций зданий // Академический вестник Уралниипроект РААСН. 2010. № 2. С. 72–74. EDN: MTEXND.

6. Багаутдинов Р.И., Комаров Ю.П., Мостовский Н.Н., Дауров З.С. Численное моделирование конечной жесткости узлов колонны с балкой // Вестник МГСУ. 2019. № 2(14). С. 179–187. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2019.2.179-187.

7. Бакшанский И.С., Жабинский А.Н. Влияние конструктивных особенностей болтовых фланцевых узлов на распределение внутренних усилий в поперечной раме здания В: Проблемы современного строительства: материалы Международной научно-технической конференции, Минск, 28 мая 2019 г. Минск: БНТУ; 2019. С. 49–59.

8. Павлов А.Б. Основы проектирования стальных строительных конструкций каркасов зданий с учетом реальной изгибной жесткости и прочности узлов соединений их элементов [диссертация]. Москва; 1996.

9. Туснина В.М., Коляго А.А. К вопросу действительной работы податливых узлов стальных каркасов многоэтажных зданий // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 2. С. 28–34. EDN: YTCEAU

10. Туснина В.М. Податливые соединения стальных балок с колоннами // Инженерно-строительный журнал. 2017. № 5. С. 25–39. https://doi.org/10.18720/MCE.73.3.

11. Рюмин В.В. Анализ податливости рамных узлов на высокопрочных болтах. В: Современные строительные конструкции из металла и древесины: сб. научных трудов. 2012. № 1(16). С. 216–223.

12. Tusnina O.A., Danilov A.I. The stiffness of rigid joints of beam with hollow section column. Magazine of Civil Engineering, 2016, no. 4, pp. 40–51. https://doi.org/10.5862/MCE.64.4.

13. Cho B.H., Lee J.S., Kim H., Kim D.J. Structural performance of a new blind-bolted frame modular beamcolumn connection under lateral loading. Applied Sciences, 2019, no. 9, 1929. https://doi.org/10.3390/app9091929.

14. Zhang J.F., Zhao J.J., Deng E.F., Wang H., He J.M., Yu H.X., Fan Y.F. Component method based rotation performance and design method for the connection in ATLS modular house. Thin-Walled Structures, 2021, no. 164,107803. https://doi.org/10.1016/j.tws.2021.107803.

15. Khan K., Yan J.-B. Numerical studies on the seismic behaviour of a prefabricated multi-storey modular steel building with new-type bolted joints. Advanced Steel Construction, 2021, no.17, pp. 1–9. https://doi.org/10.18057/IJASC.2021.17.1.1.

16. Ma R., Xia J., Chang H., Xu B., Zhang L. Experimental and numerical investigation of mechanical properties on novel modular connections with superimposed beams. Engineering Structures, 2021, no. 232, 111858. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2021.111858.

17. Choi K.S., Kim H.J. An Analytical Study on Rotational Capacity of Beam-Column Joints in Unit Modular Frames. International Journal of Civil, Structural, Construction and Architectural Engineering, 2015, no. 9, pp. 83–86. https://doi.org/10.5281/zenodo.1098106.

18. Wang Y., Xia J., Ma R., Xu B., Wang T. Experimental study on the flexural behavior of an innovative modular steel building connection with installed bolts in the columns. Applied Science, 2019, no. 9, 3468. https://doi.org/10.3390/app9173468.

19. Deng E.F., Zong L., Ding Y., Dai X.M., Lou N., Chen Y. Monotonic and cyclic response of bolted connections with welded cover plate for modular steel construction. Engineering Structures, 2018, no. 167, pp. 407–419. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.04.028.

20. Lee S., Park J., Shon S., Kang C. Seismic performance evaluation of the ceiling-bracket-type modu-lar joint with various bracket parameters. Journal of Constructional Steel Research, 2018, no. 150, pp. 298–325. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2018.08.008.

21. Lee S., Park J., Kwark E., Shon S., Kang C., Choi H. Verification of the seismic performance of a rigidly connected modular system depending on the shape and size of the ceiling bracket. Materials, 2017, no. 3 (10), 263. https://doi.org/10.3390/ma10030263

22. Liew J.Y.R., Dai Z., Chua Y.S. Steel concrete composite systems for modular construction of high-rise buildings. Structures, 2019, no. 21, pp. 135–149. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2019.02.010.

23. Широков В.С., Алпатов В.Ю., Гордеев Е.А. Исследование вращательной жесткости узлового соединения ригеля и стойки модульных зданий // Вестник МГСУ. 2021. 1(16). C. 20–29. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2021.1.20-29.

24. Ведяков И.И., Суслов Л.С., Марисюк А.А., Кашин О.В., Новожилов М.В. Несущая способность стального каркаса многоэтажного модульного здания с учетом жесткости быстросборных соединений // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2023. № 6. С. 8–44. https://doi.org/10.37153/2618-9283-2023-6-8-44.

25. Широков В.С., Белаш Т.А., Соловьев А.В. Экспериментальные исследования жесткости внутримодульных узлов // Вестник гражданских инженеров. 2024. № 2. С. 35–42. https://doi.org/10.23968/1999-5571-2024-21-2-35-42.