WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

МАТВЕЕВ АНДРЕЙ ВАДИМОВИЧ

ПРОСТРАНСТВЕННО-СТЕРЖНЕВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ С ПОЯСАМИ СОСТАВНОГО ПРОФИЛЯ ИЗ ШВЕЛЛЕРА И УГОЛКА

05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск 2004

Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Копытов Михаил Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Казарновский Вадим Соломонович

кандидат технических наук, доцент

Подшивалов Иван Иванович

Ведущая организация: ЗАО НТЦ “ЭРКОНСиб” г. Новосибирск

Защита состоится « 26 » марта 2004 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.265.01 в Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003 г. Томск, пл. Соляная,2, ауд. 307 (5 корпус)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан 20 февраля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета д.т.н., профессор Скрипникова Н.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Эффективность металлоконструкций определяется уровнем снижения металлоемкости, трудоемкости изготовления и монтажа при одновременной минимизации транспортных расходов. В одноэтажных производственных зданиях конструкции покрытий составляют 36…56% от общего объема работ. Наибольшим рыночным спросом в настоящее время и ближайшей перспективе будут пользоваться здания и сооружения небольших пролетов. Поиски скрытых резервов привели к созданию новых конструктивных форм основными несущими элементами которых являются составные профили, образованные из состыкованных швеллера и уголка. Приоритет защищён четырьмя патентами и авторскими свидетельствами. Они экономичны, позволяют реализовать беспрогонное и бесфасоночное решение покрытия при минимальных трудозатратах на изготовление и монтаж. Предварительный технико-экономический анализ показал, что по сравнению с аналогами можно добиться снижения расхода металла и стоимости.

Серьёзной проблемой внедрения этих конструкций является не изученность работы, как стержня составного профиля из швеллера и уголка, так и новых конструктивных форм, созданных на его основе. Решение этих задач можно получить только на базе экспериментально-теоретических исследований. Они позволяют разработать обоснованные рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу, которые представляются актуальными и востребованными в строительстве.

Цель диссертации – разработка и исследование новых конструктивных решений пространственных конструкций покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка.

Для достижения цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Разработать конструкции пространственно-стержневых покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка.

2. Исследовать напряженно-деформированное состояние поясов составного профиля из швеллера и уголка и дать оценку их прочности по критерию ограниченных пластических деформаций.

3. Провести экспериментальные исследования натурной пространственной конструкции с поясом составного профиля из швеллера и уголка и выявить особенности её работы с учетом развития ограниченных пластических деформаций.

4. Провести сопоставление результатов расчетов с результатами экспериментов и дать рекомендации по проектированию покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка.

Научная новизна работы:

1. Получена совокупность математических соотношений, характеризующих работу элементов пространственных конструкций покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка.

2. Определено напряженно-деформированное состояние составного стержня из швеллера и уголка в упругопластической стадии и разработан способ расчета его прочности по критерию ограниченных пластических деформаций.

3. Установлена степень влияния податливости примыкания раскосов к поясам исследуемых конструкций на общие деформации пространственно-стержневой системы.

4. Результаты экспериментальных исследований натурной пространственной конструкции покрытия с верхним поясом составного профиля из швеллера и уголка при различных схемах статического нагружения в стадии упругого и упругопластического деформирования.

Автор защищает:

1. Совокупность научных положений и закономерностей, являющихся основой для расчета стержней составного профиля из швеллера и уголка;

2. Методика и результаты натурных испытаний пространственной фермы;

3. Конструктивные решения пространственно-стержневых покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка и раскосной решёткой из уголков;

4. Рекомендации по проектированию и изготовлению пространственно-стержневых металлоконструкций с поясами составного профиля и раскосной решёткой из уголков.

Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием основных положений теории тонкостенных стержней, метода конечных элементов и удовлетворительной сходимостью с результатами экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы. Разработан сортамент составного профиля образованного из швеллера и уголка. Разработаны конструктивные решения беспрогонных и бесфасоночных покрытий с поясами из составного профиля и дана их технико-экономическая оценка. Разработан инженерный метод расчета элементов пространственно-стержневых конструкций с поясами составного профиля из швеллера и уголка и наклонной раскосной решёткой из уголков. Даны рекомендации по изготовлению, транспортировке и монтажу.

Результаты работы внедрены Новосибирским ЗАО НТЦ “ЭРКОНСиб”, Томской проектно-конструкторской фирмой ВОГТЕХПРОЕКТ, и используются при разработке новых и модернизации существующих пространственных конструкций покрытий. Материалы диссертации используются в учебном процессе ТГАСУ по дисциплине “Металлические конструкции” и при переподготовке инженеров-строителей на факультете повышения квалификации.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на VII Украинской научно-технической конференции «Металлические конструкции» (г. Днепропетровск, Украина, 2000 г.), на 56й, 57й, 58й, 59й научно-технических конференциях (г. Новосибирск, НГАСУ, 1999, 2000, 2001, 2002 гг), на 57й научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов университета (г. Санкт-Петербург, С-ПбГАСУ, 2000 г), на XVIII региональной научно-технической конференции (г. Красноярск, КрГАСА, 2000 г), на Международной конференции “Современные проблемы восстановления и реконструкции зданий и сооружений” (г. Симферопль, Крымская акад. природоохранного и курортного строительства, 2002 г), на 1й и 2й Международной конференции “Архитектура и строительство” (г. Томск, ТГАСУ, 1999, 2002 гг), на Международной конференции “METALLBILD -2003” (г. Москва, Госстрой РФ, 2003); на научных семинарах кафедры металлических и деревянных конструкций ТГАСУ в 2000, 2001, 2002, 2003 гг). В полном объеме диссертационная работа докладывалась на расширенном научном семинаре кафедры металлических и деревянных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, 2004 г.)

Публикации: Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 12 научных публикациях, описаниях 3 патентов и авторских свидетельств, 1 заявки на патент и 2 заявок на полезную модель, по которым получено положительное решение.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 157 наименований. Общий объем работы 187 страниц, в том числе 171 страница основного текста, включающего 88 рисунков, 21 таблицу.

Работа выполнена на кафедре металлических и деревянных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета при поддержке Гранта 98-21-1.7-21 в области архитектуры и строительных наук, а также темы №211.03.02.010 по программе “Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники”.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и приводится общая характеристика работы.

В первой главе дан обзор пространственно-стержневых металлоконструкций покрытий и методов их исследования. Отмечены их достоинства и недостатки. Рассмотрены конструктивные формы легких покрытий и тенденции их развития, которые направлены на снижение металлоемкости, трудоемкости и стоимости. Это достигается за счет реализации пространственной работы, совмещения функций несущих и ограждающих конструкций, минимизации строительной высоты, упрощения узлов сопряжения, рациональных профилей сечения элементов.

Проанализированы теоретические и экспериментальные исследования, выполненные А. Фёпплем, В.Г. Шуховым, В.А. Балдиным, Е.И. Беленя, В.И. Трофимовым, Б.А. Сперанским, В.В. Бирюлевым, Б. Фрицем, Я. Брудкой, Е. Сузуки, Я.И. Ольковым, Р.И. Хисамовым, А.А. Калининым, В.К. Файбишенко, А.З. Клячиным, А.П. Коротковым, Б.А. Пушкиным, Л.Н. Лубо, И.И. Крыловым, И.С. Холоповым, Л.В. Енджиевским, их учениками и многими другими авторами. Наиболее полно отражает работу таких конструкций пространственно-стержневая расчетная модель. Из расчетных методов наиболее эффективен метод конечного элемента (МКЭ), а из экспериментальных – натурные испытания конструкции.

Основными элементами несущих конструкций покрытий являются тонкостенные стержни. Отмечены фундаментальные работы С.П. Тимошенко, В.З. Власова, А.А. Уманского, заложивших основы технической теории тонкостенных стержней, которые нашли дальнейшее развитие в трудах Д.В. Бычкова, А.К. Мрощинского, А.И. Стрельбицкой, С.И. Стельмаха, И.В. Урбана, А.Р. Ржаницына, Г.Ю. Джанелидзе и многих других ученых.

В 70-х годах разрабатывается методика расчета таких стержней по деформированной схеме в работах Л.Н. Воробъева, А.З. Зарифьяна,, Е.А. Бейлина, О.В. Лужина, Б.М. Броуде. Основные положения которой заложены в трудах В.В. Болотина, А.С. Вольмира, П.Ф. Папковича, Л.С. Ляховича, А.В. Гемерлинга и развитые их учениками.

Методы расчета прочности элементов стальных конструкций за пределом упругости изложены в работах А.А. Ильюшина, Н.С. Стрелецкого, Г.Е. Бельского, А.А. Потапкина, Н.Л. Чернова, В.В. Пинаджана. Развитие этих методов по критерию ограниченных пластических деформаций содержатся в трудах Н.Н. Стрелецкого, Г.И. Белого, В.П. Коломийца, Р.А. Скрипниковой.

Отмечены два общих подхода к оценке прочности тонкостенных стержней: расчет в форме непосредственной проверки интенсивности пластических деформаций (1) и в форме проверки условных напряжений (2):

Во второй главе представлены конструктивные решения запатентованных пространственно-стержневых покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка и наклонной раскосной решеткой из уголков. Выявлены особенности расчета и конструирования, дан технико-экономический анализ применения их в строительстве.

Системообразующим элементом таких конструкций является составной стержень образованный из состыкованных швеллера и уголка (рис. 1). Разработан сортамент этого профиля при варьировании формообразующих швеллеров в диапазоне от №6,5 до №30. В процессе анализа геометрических характеристик установлено, что сечение составного пятигранного близко к равноустойчивому: соотношение 1,0( iy (1,16; следовательно, оно эффективно работает на сжатие. Сечение хорошо сопротивляется изгибу с кручением. При косом изгибе плоскость х-х следует ориентировать в плоскости большего момента, т.к. 1,25( Wy / Wx

(1,45. Сечение позволяет развивать конструктивную форму в пяти направлениях. При этом крепление примыкающих стержней выполняется без фасонок. Более сложные композиции (рис. 2) позволяют повысить несущую способность составного профиля и расширить область применения, включая колонны, каркасы производственных и высотных зданий, арки, опоры высоковольтных линий и т.п. (патент RU№2174576).

Рис.2

Разработаны и запатентованы три конструктивные формы покрытий: складчатое покрытие из наклонных ферм (RU№8716 ); покрытие из трехгранных ферм (RU№2188287), структурное покрытие (RU№19068). Все эти покрытия (рис. 3) образованы системой наклонных ферм с параллельными поясами. Они расположены под углом 450 к вертикали. Верхний пояс составного профиля из швеллера и уголка, раскосная решетка из одиночных уголков; нижний пояс – составной профиль или одиночный уголок. Плоскость раскосов ортогональна плоскостям граней поясов, что упрощает подрезку торцов раскосов с последующей приваркой в тавр к поясным элементам без фасонок (рис. 4). Строительная высота покрытия 1/10...1/18 пролета. Пространственная жесткость обеспечивается за счет работы настила и раскосной системы наклонных ферм.

Отмечены достоинства и недостатки каждой конструктивной формы и область их применения. Проведенный статический анализ позволил минимизировать количество элементов пространственно-стержневой системы. Рассмотрены особенности работы исследуемых конструкций, связанные с формой составного профиля, податливостью сопряжения поясов с раскосами и их расцентровкой.

Рис. 3. Конструктивные формы покрытий с поясами составного профиля

Рис. 4. Бесфасоночное сопряжение поясов составного профиля с раскосами

МКЭ по программе SCAD7.29 решен комплекс задач по оценке податливого примыкания раскосов к поясам. Дана оценка перемещений полки поясного уголка от воздействия усилий в раскосах при различных вариантах загружения конструкции. Изополя перемещений представлены на рис. 5, пунктиром показаны примыкающие раскосы.

Усилия от раскосов вызывают в полке поясного уголка локальные деформации, которые быстро угасают по мере удаления от центра сопряжения элементов. Прогибы полки поясного уголка (f, характеризующие степень податливого примыкания раскосов, соизмеримы с абсолютной деформацией раскосов (L и составляют от 20 до 90% их значений. Эквивалентная жесткость раскосов с учетом упругой податливости:

Рис. 5. Изополя перемещений полки поясного уголка в середине пролета при равномерно распределенной нагрузке на верхнем поясе

Учет податливого примыкания раскосов к поясам в расчетной схеме бесфасоночной пространственно-стержневой системы приводит к снижению общей жесткости раскосной решетки. При этом возрастают общие вертикальные перемещения конструкции под нагрузкой. Снижение пространственной жесткости конструкции практически не влияет на внутренние усилия в поясах и раскосах.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»