WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

РЫБКИН Иван Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ,

МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА

ГОФРИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.23.01

«Строительные конструкции, здания и сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Соболев Юрий Всеволодович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Корчак Михаил Дмитриевич

кандидат технических наук

Айрумян Эдуард Левонович

Ведущая организация:

Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений

ОАО «ЦНИИПромзданий» (г. Москва)

Защита состоится “___” ___________ 2008 г. в ______ час. на заседании диссертационного совета Д 212.138.04 при ГОУВПО Московском государственном строительном университете по адресу: Москва, Ярославское шоссе, 26, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО Московского государственного строительного университета по адресу: Москва, Ярославское шоссе, 26.

Автореферат разослан “­­____” ___________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доц. Каган П.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В диссертационной работе решены вопросы, связанные с разработкой и обоснованием новых конструктивных решений стенок балок, колонн и арочных конструкций, исследованием характера напряженно-деформированного состояния (НДС), местной и общей устойчивости двутавровых металлических балок с гофрированной стенкой, а также уточнением имеющихся и разработкой новых методов и методик моделирования и расчета. Результаты данных разработок позволяют повысить эффективность строительных металлоконструкций с применением гофрированных элементов, учитывая современные требования к их проектированию для широкого внедрения в практику при одновременном соответствии с действующей системой нормативных документов.

В связи с этим, проведение исследований в обозначенных названием работы рамках является целесообразным и представляет собой актуальную задачу.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности балок с гофрированной стенкой, путем снижения металлоемкости на основе более рационального распределения материала конструкции, разработки метода моделирования и методики расчета.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

  • с использованием аппарата теории анизотропных пластин, теории упругости и вариационного исчисления уточнен метод оценки устойчивости элементов конструкций с гофрированной стенкой;
  • создан обобщенный метод компьютерного математического моделирования гофрированных элементов (в том числе и переменно-гофрированных) на основе аналитических параметрических зависимостей;
  • разработана методика сравнительного анализа и расчета гофрированных элементов с применением современных компьютерных программных комплексов, реализующих метод конечных элементов (МКЭ); сформулированы система критериев оценки точности результатов расчета и соответствующие рекомендации;
  • проведен сравнительный анализ устойчивости и НДС изгибаемых балок с традиционным и переменным гофрированием стенки;
  • проведен анализ металлоемкости изгибаемых балок с традиционным и переменным гофрированием стенки;
  • проведен анализ НДС изгибаемых балок со стенкой традиционно-гофрированной волнистым и трапецеидальным профилем;
  • предложен критериальный подход к области рационального применения гофрированных элементов;
  • разработан общий методологический подход к оптимальному проектированию конструкций с гофрированными элементами;
  • усовершенствованы основные методы производства гофрированных элементов, что делает возможным осуществление автоматизированного изготовления переменно-гофрированных элементов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

  • разработан и исследован новый тип двутавровых металлических балок с переменным гофрированием стенки;
  • усовершенствованы известные и предложены новые решения конструкций с гофрированными элементами;
  • развит метод оценки устойчивости элементов конструкций с гофрированной стенкой;
  • разработан обобщенный метод моделирования гофрированных элементов и других элементов схожей геометрии;
  • разработана методика расчета и анализа изгибаемых конструкций с гофрированной стенкой на основе МКЭ;
  • исследованы вопросы НДС и устойчивости балок с традиционно - и переменно – гофрированной стенкой для характерных схем нагружения.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

  • на основе проведенных исследований разработаны рекомендации по проектированию конструкций с гофрированными элементами;
  • разработаны усовершенствования различных способов производства гофрированных изделий;
  • предложены принципы и обоснованы предпосылки рационального конструирования двутавровых балок с гофрированной стенкой традиционного и переменного решений;
  • предложен критериальный подход к области эффективного применения гофрированных элементов.

Внедрение исследований. Основные результаты исследований используются в практике проектирования промышленных объектов с несущими металлическими конструкциями с гофрированной стенкой Проектным институтом №2. Акт внедрения №981/22 от 18 июля 2007 года приводится в приложении к диссертации.

Достоверность полученных результатов основывается на использовании апробированных методов теории тонкостенных стальных стержней и теории устойчивости пластин; сопоставлении результатов расчетов с теоретическими и экспериментальными исследованиями других авторов; а также на многочисленных примерах компьютерного моделирования работы конструкций с применением МКЭ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2006, 2007 и 2008 гг.); заседаниях кафедры «Металлические конструкции» ГОУВПО МГСУ (2005, 2006, 2007 гг.).

Публикаци. По материалам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из Перечня ВАК РФ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Объем работы составляет 195 листов машинописного текста, в т.ч. 21 таблица и 77 рисунков, список литературы включает 105 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, отмечаются научная новизна работы, ее практическая значимость, достоверность полученных результатов, приводятся сведения об апробации основных результатов исследований и о публикациях по теме диссертации.

В первой главе рассмотрены особенности работы двутавровых металлических конструкций с традиционно-гофрированной стенкой, представлен анализ работ по теоретическим и экспериментальным исследованиям данных конструкций, а также приведены примеры их практического применения в строительстве.

Формирование методов и методик оценки НДС и устойчивости традиционно-гофрированных элементов в составе строительных конструкций связано с такими учеными как:

В.Н. Горнов, Г.А. Аржемачев, М.К. Глозман, Ш.З. Локшин, Е.М. Концевой, Я.И. Ольков, А.Н. Степаненко, О.П. Стариков, Г.М. Остриков, Ю.С. Максимов, В.Г. Огневой и др.

Развитию теории устойчивости пластин, неотъемлимо связанной с исследованиями гофрированных элементов, посвящены работы: В. Дина, С. Бергмана, Х. Райснера, О. Кокса, Е. Зейделя и др.

Исследованием ортотропных пластин занимались: М. Яман, Х. Вагнер, О.С. Гекк, Г. Эбнер, Р. Саутсвелл, С. Скан и др.

Устойчивости и напряженному состоянию цилиндрических панелей и оболочек в целом посвящены работы С.П. Тимошенко, Г.А. Олейникова, К. Маргерра, С.Н. Кана, А.С. Вольмира и др.

В большинстве исследований для описания напряженного состояния двутавровую балку с гофрированной стенкой условно расчленяли на три элемента: верхний и нижний пояса и стенку, жесткостные характеристики которой описывались с применением аппарата теории упругости и теории анизотропных пластин.

Приоритетом многих исследований стало формирование зависимостей, определяющих критическое стояние конструкции, содержащей гофрированные элементы.

Анализ особенностей работы двутавровых конструкций с гофрированной стенкой показал, что поперечное гофрирование стенки позволяет воспринимать эксцентрично-приложенную нагрузку (в пределах высоты полуволны гофра от оси стержня) без изгиба стенки из своей плоскости, а в качестве особенности предельного состояния стенки возможно рассматривать ее «общую» и «местную» устойчивость. Непрерывное гофрирование открытыми гофрами позволяет эффективно описывать напряженно-деформированное состояние элемента аналитическими зависимостями и более технологично, поскольку оставляет контур сечения практически недеформированным. Наклонное гофрирование искривляет элемент в своей плоскости, требует сложной геометрии заготовки и затрудняет производство на автоматизированных линиях.

Учитывая проведенный анализ теоретических и экспериментальных исследований, а также особенности геометрии (тонкостенность), напряженного состояния и жесткостных свойств (конструктивная ортотропия) следует, что для описания напряженного состояния гофрированных элементов весьма эффективен энергетический метод и выкладки вариационного исчисления. В тоже время необходимо учесть, что использование методов приближенного вычисления при выводе критических значений компонентов напряженного состояния элементов конструкций с гофрированной стенкой требует уточняющих вычислений с применением компьютерных математических комплексов, автоматизирующих операции дифференцирования и интегрирования громоздких выражений.

Особенности работы, НДС и области эффективного применения конструкций с гофрированными элементами позволяют предложить новый вид тонкостенных конструкций – комбинированные конструкции.

Распределение материала в таких конструкциях достигается стыковкой гладкостенных отсеков и отсеков с гофрированной стенкой. Отсеки могут разделяться поперечными ребрами жесткости или плавно переходить один в другой. В последнем случае отсек можно считать «условным». В пределах отсека гофры могут иметь постоянную длину и высоту полуволны. В этом случае эффективность данного конструктивного решения во многом зависит от степени дискретизации (разделения на отсеки) стенки. Гладкостенные отсеки, расположенные, как правило, в местах относительно малых поперечных сил, могут иметь перфорированные и/или подкрепленные участки, позволяющие дополнительно снизить расход материала и расширить область применения данного вида конструкций.

Своеобразной разновидностью комбинированных и одновременно с этим конструкций с гофрированной стенкой являются двутавровые конструкции с переменным гофрированием стенки.

Идея переменного по длине балки гофрирования стенки заключается в концентрации гофров в местах интенсивных поперечных сил, возникающих в опорных участках (при рассмотрении балочной конструкции, работающей на изгиб). При этом по высоте сечения отдельно взятый гофр остается с постоянными длиной и высотой полуволны, для обеспечения местной устойчивости стенки, то есть работы гофра подобно поперечному ребру жесткости. Данные особенности переменно-гофрированных балок выделяют их на фоне балок Н.П. Селиванова и представляются более рациональными. Конструкции с переменно-гофрированными элементами могут быть как прямолинейного (балки, колонны), так и криволинейного (арки, искривленные опорные контуры) очертания, постоянные и переменные по высоте поперечного сечения (рис. 1). В арочных и иных криволинейных конструкциях отдельно взятый гофр может менять длину и высоту полуволны, принимая вид усеченной половины конуса, ввиду технологичности изготовления такой конфигурации.

Рис.1. Примеры переменно-гофрированных стенок балочной и арочной конструкций.

Во второй главе уточняется существующий метод оценки устойчивости элементов двутавровых конструкций с гофрированной стенкой.

На основе гипотез расчета упругих тонкостенных стержней и пластинок рассмотрены два вида («общая» и «местная») потери устойчивости гофрированной стенки двутавровой изгибаемой конструкции. В случае «общей» устойчивости стенка идеализировалась конструктивно – ортотропной пластинкой, а в случае «местной» устойчивости – изотропной.

Для определения критических значений напряжений использовался энергетический метод теории упругости. В качестве теоретических допущений не учитывалось влияние разнозначных по высоте стенки дополнительных касательных напряжений и считалось, что нормальные напряжения, действующие поперек гофров, стенкой не воспринимаются.

Рассматривая «общую» устойчивость стенки и принимая условие устойчивости от действия комбинированных усилий в виде:

, (1)

где S и S соответственно нормальное и касательное напряжение стенки, а и - критические значения нормальных и касательных напряжений,

получена формула для определения значения критических нормальных напряжений, подтверждающая аналогичную формулу, представленную в работе А.Н. Степаненко.

Выражая критическое значение касательных напряжений в виде:

, (2)

где Е – модуль упругости материала стенки, tw – толщина стенки, h - высота пластинки, равная высоте поперечного сечения балки; получена формула значений коэффициента, линейно влияющего на значения критических касательных напряжений, с учетом третьего приближения. Благодаря этому уточнены известные ранее значения данного коэффициента на 3-11%, причем, в сторону увеличения. Таким образом, показано, что, проведя более точный вывод соответствующих выражений, можно повысить значения критических касательных напряжений при оценке «общей» устойчивости стенки, что позволяет назначать более экономичные сечения элементов.

Pages:     || 2 | 3 |






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