автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Действительная работа стальных стропильных ферм с учетом дефектов и повреждений

РГ6 од

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВА ЛЮДМИЛА СЕРГЕЕВНА

ДЕЙСТВИТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТАЛЬНЫХ СТРОПИЛЬНЫХ ФЕРМ С УЧЕТОМ ДЕФЕКТОВ И ПОВРЕЖДЕНИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1998

Работа выполнена на кафедре "Металлические конструкции" Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета, кафедре "Строительные конструкции и здания" Сибирского государственного университета путей сообщения (НИИЖТ)

Научный руководитель:

Научный консультант:

академик РААСН, доктор ских наук, профессор

техниче-

Бирюлев В.В.

кандидат технических наук, профессор Кошин И.И.

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ, член-корресполндент РААСН, доктор технических наук, профессор Горев В.В.

- кандидат технических наук, профессор, Крылов И.И.

Ведущая организация: АООТ "Новосибирский Лромстройпроект"

(г.Новосибирск)

Защита состоится " _ " октября 1998 г. на заседании диссертационного совета К.064.04.03 в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете, по адресу: 630008, г.Новосибирск, ул.Ленинградская, 113, учебный корпус аудитория 306

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГАСУ

Автореферат разослан сентября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

доцент / АА.Кользее]

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В стране эксплуатируется большой рк одноэтажных производственных зданий (ОПЗ), выполнение в стальном каркасе с железобетонными плитами покрытия. 1К показывают многочисленные обследования, зачастую конст-кции имеют дефекты и повреждения на много превышающие рмативные требования. По прогнозам экономистов, в ближай-ле годы не предвидится строительства крупных производст-нных комплексов. Так, на У1-ом Международном симпозиуме строительным материалам (Сингапур, 1987 г.) настойчиво зву-ло: "строительство в будущем столетии - это восстановление и мена построенного в двух предыдущих. Техническое перевоо-жение и реконструкция действующих предприятий снижают питальные вложения на единицу прироста мощности, по срав-нию с новым строительством, до 40%, а сроки строительства в I раза. Актуальность реконструкции промзданий возрастает в язи со структурной перестройкой экономики, переводом пред-иятий ВПК на выпуск продукции народно-хозяйственного на-ачения.

В связи с изложенным особую значимость приобретают во-осы содержания каркасов производственных зданий, задачи ределения действительной несущей способности (в том числе и учетом различного рода дефектов, повреждений), выявление учтенных при проектировании факторов, влияющих на работо-эсобность стальных конструкций. Все это определяет актуаль-ггь данного исследования.

Диссертационная работа выполнялась как часть научно-следовательской работы кафедры "Строительные конструкции здания" Сибирского государственного университета путей со-цения (НИИЖТа) в рамках научно-технической госбюджетной ды "Эксплуатационная надежность стальных каркасов одно-1Жных производственных зданий".

Цель работы.

выявление и анализ факторов, влияющих на йствительное напряженно-деформированное состояние

стропильных ферм; разработка методики оценки напряжение деформированного состояния стальных стропильны конструкций с учетом геометрической и физическо нелинейности работы элементов с несовершенствами-

Задачи исследования.

- анализ дефектов, повреждений, отказов элементе сквозных конструкций покрытия производственных зданий оценка их значимости;

- анализ существующих методов расчета стержневы систем с поврежденными элементами;

- разработка методики оценки работоспособности сквознь: стержневых систем при наличии поврежденных элементов учетом физической и геометрической нелинейности последних;

- разработка программы определения жесткости дефектнь элементов в составе системы с учетом физической и геометр! ческой нелинейности ("сечение", "стержень", "система");

расчетно-теоретический анализ работы стальнс стропильной фермы при наличии отдельных стержней повреждениями (перераспределение усилий, образование локал] ного механизма) с использованием разработанной методики;

экспериментальная проверка предлагаемого метс^ оценки работоспособности сквозных стальных конструкций щ наличии ослабленных стержней;

- численный анализ пространственной работы бло] покрытия с учетом включения железобетонных плит совместную работу со стропильными фермами;

- разработка практических рекомендаций по определени действительной несущей способности стропильных конструкщ покрытия.

Научную новизну работы составляют:

- методика определения жесткости стержней в составе си темы с учетом геометрической и физической нелинейности раб' ты материала;

- методика определения напряженно-деформированного со-ояния стержневой системы при наличии дефектных элементов;

- результаты расчетно-теоретического анализа работоспо-бности сквозных систем при наличии отдельных стержней с вреждениями (анализ перераспределения усилий);

- схема перехода сквозных стержневых систем в предель-е состояние с образованием локального механизма;

- результаты экспериментальных исследований перерас-•еделения усилий и образования локального механизма на упномасштабной модели блока ферм;

- выявление и анализ факторов, влияющих на включение в вместную работу со стропильными конструкциями железобе-нных плит покрытия;

результаты расчетно-теоретических исследований юстранственной работы блока покрытия.

Достоверность результатов проведенных исследований еспечена применением адекватных теоретических предпосы->к, соответствующих физической сущности задачи, удовлетво-ггельным совпадением теоретических результатов с данными :спериментальных исследований.

Практическая значимость.

разработана методика определения напряженно-формированного состояния стержневой системы при наличии ¡фектных элементов с учетом геометрической и физической не-шейности;

- предложена схема перехода сквозных стержневых систем предельное состояние с образованием локального механизма;

- на основании проведенного расчетно-теоретического гализа даны рекомендации по определению действительного шряженно-деформированного состояния стропильных шструкций покрытия.

Реализация исследований. Результаты исследований, ко->рые выполнялись в рамках научно-технической госбюджетной :мы "Эксплуатационная надежность стальных каркасов одно-

этажных производственных зданий" (1985-1995 гг.), переданы ; виде отчета в СД Министерства путей сообщения.

Практическое руководство по пользованию программой дл: определения жесткости стержней с учетом геометрической и фи зической нелинейности и перераспределения усилий в элемента: системы передано в АООТ "Новосибирский Промстройпроект для внедрения в практику проектирования, усиления и реконст рукции стальных каркасов производственных зданий.

Апробация работы. Основные результаты исследований материалы диссертации докладывались и обсуждались на:

Международной научно-практической конференци "Совершенствование стройматериалов, технологий и метода расчета конструкций в новых экономических условиях" (Сумь 1994);

- Международной конференции "Металлостроительство-9£ (Донецк-Макеевка, 1996);

- Международном конгрессе "Ресурсосберегающие и эне^ госберегающие технологии реконструкции и нового строителье: ва" (Новосибирск, 1998);

- Научно-технических конференциях Новосибирского гост дарственного архитектурно-строительного университета (НГАСТ (1995-1998);

- Научно-технических конференциях Сибирского государе венного университета путей сообщения (НИИЖТ) (Новосибирс 1992-1997).

Публикации. Основное содержание диссертационной раб ты изложено в 13 печатных работах в научных журналах, сбо никах статей и материалах конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная рабо состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объ< диссертации 157 страниц, включая 92 рисунок, 5 таблиц, 1 библиографических ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе - введении - обосновывается актуальность ;мы и излагается цель исследования, перечисляются задачи, эебующие решения при выполнении работы и вопросы, выносные на защиту.

Во второй главе дан краткий обзор фактического состояния зсущих конструкций покрытий производственных зданий, за-иксированного многочисленными обследованиями, выполненны-и ЦНИИПСК, УкрПСК и строительными вузами страны, в том деле МИСИ им.В.В.Куйбышева, ЛИСИ и Новосибирскими зеленя Е.И., Беляев Б.М., Бирюлев В.В., Валь В.Н., Васильев .А., Горохов Е.В., Кикин А.И., Конаков А.И., Корниенко B.C., Ко-эруков В.Д., Кошутин Б.Н., Крылов И.И., Лимаренко В.А., Махов .П., Путято В.А., Сахновский М.М., Сисин H.A., Уваров Б.Ю., 'илиппов В.В., Эглескалн Ю.С., Югов А.М.). Показано, что наибо-ге повреждаемыми элементами стального каркаса являются гропильные фермы. Дефекты и повреждения возникают на всех гапах "жизни" конструкции - при проектировании, изготовле-ии, монтаже и эксплуатации. Наиболее часто встречающиеся гфекты и повреждения это: общие искривления стержней; мерные погибы, вырезы и трещины; коррозионные повреждения; эузловое опирание плит покрытия и прогонов (рис. 1,2).

эис.1. Причины возникновения частичных и полных отказов металлических конструкций покрытий производственных зданий

Приведен анализ исследований действительной работы отельных стержней в составе ферм покрытия и влияния повреж-енных элементов на работу стержневой системы.

В.В.Филиппов

60% 90% 100% Частота случаев

Рис.2. Относительная частота повреждаемости элементов ферм

Исследованию сжатых и сжато-изогнутых элементов посвящены работы Ф.С.Ясинского, С.П.Тимошенко, Н.В.Корноухова,

B.В.Пинаджяна, В.З.Власова, А.В.Геммерлинга, Г.Е.Бельского, В Л.Трофимова, В.В.Горева, Г.И.Белого, В.В.Филиппова.

Поведением стержневых систем при наличии дефектных элементов занимались М.Грюнинг, И.М.Рабинович, С.А.Берштейн,

C.Н.Никифоров, Н.С.Стрелецкий, В.И.Трофимов, А.В.Перельмутер.

В заключение главы на основе анализа дефектов и повреждений стальных стропильных ферм, имеющихся теоретических и экспериментальных исследований, посвященных оценке работоспособности стержневых систем при наличии дефектов и повреждений, сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Третья глава посвящена расчетно-теоретическому анализу работоспособности сквозных систем. На основе теории двух расчетных сечений А.В.Геммерлинга составлен алгоритм определения усилий в элементах стержневой системы при жесткости дефектных стержней, определенной с учетом физической и геометрической нелинейности.

Жесткость стержня на сжатие й определяется величиной сближения его концов А£, которая для сжато-изогнутого стержня складывается из укорочения оси при сжатии и сближения концов вследствие искривления. То есть относительной деформацией

:жатия (<%) в геометрическом центре - центре тяжести действительного сечения и кривизны {к) продольной оси стержня, проводящей через физический центр - центр тяжести первого рас-гетного сечения. Задача решается методом последовательных гриближений, в качестве начальных значений принимаются деформации упругой стадии работы.

При искривлении произвольной формы и/или непостоянном юперечном сечении сближение концов можно найти применив Детод Конечных Разностей к уравнению изогнутой оси упруго-гластического стержня.

<*2У и , (К-Ю* -Г

Разбивая стержень на участки, и составляя для каждого частка уравнение в перемещениях

олучаем систему алгебраических уравнений

А? = Ь

ешая которую находим полные перемещения от внешнего за-ружения Ут + ¥0, углы поворота <рт и относительные деформа-ии £0т = NIЕАГ

Такой подход позволяет не только заменить решение диф-)еренциального уравнения решением системы алгебраических равнений, но и учесть местные дефекты и повреждения.

Критерием сходимости итерационного процесса служит авновесное состояние системы при заданных внешней нагрузки, гометрической нелинейности дефектного стержня, а также про-ольной и изгибной жесткостях, определенных с учетом диа-эаммы деформирования а-е.

Перераспределение изгибающих моментов в системе при яижении жесткости изогнутого стержня может быть получено элько при введении в расчетную схему геометрии искривленной си. Предлагается моделировать геометрию стержня с выгибом ¡свивалентной поперечной нагрузкой на стержень.

С использованием составленных программ проведен анализ работоспособности стержневой системы при снижении жесткости отдельных (ослабленных) стержней. Показано, что при наличии стержней с пониженной жесткостью резко возрастает влияние узловых изгибающих моментов, которые приводят к образованию локального механизма разрушения.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований пространственной работы блока покрытия.

На крупномасштабной модели блока, состоящего из двух ферм Ь=5,0 м, исследован эффект перераспределения усилий при наличии ослабленного стержня и подтвержден факт образования локального механизма (рис.3).

По предлагаемой методике проведено расчетно-теоретическое исследование влияния системы на снижение жесткости стержня с общим выгибом. Показано увеличение узловых изгибающих моментов в стержнях, примыкающих к ослабленному и поддерживающее влияние системы на дефектный стержень (рис.4,5).

а) з

£=0 (теоретический прогиб) 1=10 мм (теоретический) +— !=24 мм (теоретический) Р=24 мм (замеренный прогиб)

Рис.3. Образование локального механизма (а) и эпюры прогибов нижнего пояса фермы (б) экспериментального блока.

Рис.4. Эпюры моментов при выгибе среднего сжатого раскоса f=0 и 24 мм

25

25

ЕА - стержень в системе

----Е1 - стержень в системе

ЕА - изолированный стержень Е1 - изолированный стержень

75

75

125 175 225 275 Узловая нагрузка, Р (кН)

125 175 225 275

.I

Раскос 1 с выгибом f=24 мм

-г

-Симметричный раскос 2 (f=24 мм)

75 125 175 225 275 Узловая нагрузка, Р (кН)

1 - Раскосы 1 и 2 в узле 3 (f=0)

2 - Раскосы 1,2 в узлах 7,9 (f=0)

3 - Раскос 1 в узле 3 (f=24 мм)

4 - Раскос 1 в узле 9 (f=24 мм)

5 - Раскос 2 в узле 3 (f=24 мм)

6 - Раскос 2 в узле 7 (f=24 мм)

Рис.5. Изменение жесткости среднего сжатого раскоса 1 при общем выгибе £=24 мм и усилий в изогнутом и симметричном ему раскосах

Сравнением результатов натурного испытания покрытия ОПЗ и проверочного расчета, выполненного с использованием современных методов, учитывающих пространственную работу блока покрытия, подтверждено включение плит покрытия в совместную работу со стальными стропильными фермами.. Отношение замеренных напряжений в элементах ВП фермы к теоретическим составило 0,96.

Расчетно-теоретический анализ пространственного блока покрытия (из трех стропильных ферм Ь=24 м, типовой проект ПК-01-125), с учетом включения в совместную работу железобетонных плит, осуществлялся методом конечных элементов. Анализировалось влияние различных факторов - опорных закреплений (расчетной схемы), жесткости колонн при рамной расчетной схеме, качества замоноличивания швов между плитами и состояние последних, приварки закладных деталей плит к фермам - на работоспособность стропильных конструкций. Исследовано влияние совместной работы диска покрытия со стропильными конструкциями на несущую способность ферм, имеющих дефектные элементы.

Рис.5. Конечно элементная модель блока покрытия

Результаты расчетно-теоретического анализа показали:

1. Полное включение железобетонных плит покрытия в со-шестную работу со стропильными фермами оказывает наиболь-пий разгружающий эффект на элементы ВП (до 40-50%). Эффект от совместности снижается как при отсутствии замоноли-швания продольных швов между плитами, так и при полном от-:утствии приварки плит в местах опирания на 60-70%.

2. Омоноличивание приопорных участков продольных швов (линой около 1 м, включая первое ребро жесткости, обеспечивает [рактически полное включение плит покрытия в совместную ра-юту со стропильными фермами.

3. Приварка опоры второй плиты, над опорным раскосом эермы, как и приварка опор через одну обеспечивает практиче-ки полное включение плит покрытия в совместную работу. При-арка только одной опоры, над опорой фермы, снижает эффект ключения плит на 10-13%.

4. При наличии дефектов и повреждений включение желе-обетонных плит покрытия в совместную работу со стропильны-ги фермами не всегда облегчает работу последних. Так:

- отсутствие омоноличивания продольных швов в средней оне фермы, при наличии омоноличивания остальных швов, вы-ывает повышение продольных усилий в элементах решетки, римыкающих к разрушенному шву, до 40...60% к проектному;

- при наличии дефектного стержня, плиты покрытия раз-ружают его, но при этом происходит увеличе-

ие усилий в примыкающих элементах.

5. В необходимых случаях возможно при- м м ¡енение плоскостного расчета, но принимая ' 4 4 асчетное поперечное сечение плиты включая -е поперечное ребро жесткости.

В заключительной - пятой главе даны рекомендации по пределению действительного напряженно-деформированного остояния и усилению стальных стержневых конструкций по-рытий производственных зданий. Изложены основные выводы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Большой объем стержневых стропильных конструкций эксплуатируется в течение длительного срока, зачастую превосходящего нормативный, при наличии многочисленных дефектов и повреждений. Наибольшее число дефектов и повреждений стальных каркасов (до 50%) приходится на стропильные фермы. При решении вопроса о возможности дальнейшей эксплуатации стропильных ферм, возникает необходимость более полного учета действительной работы стальных стропильных конструкций. Обзор исследований, посвященных работе стержневых систем с несовершенствами, показывает, что они освещают, в основном, работу изолированного стержня. Область взаимовлияния системы и дефектного стержня, а также работа стропильной конструкции в едином пространственном блоке покрытия, изучены недостаточно.

2. Анализ напряженно-деформированного состояния стропильной фермы, имеющей дефектные стержни, с учетом физической и геометрической нелинейности работы последних и перераспределения усилий в системе, выполненный по разработанной методике, основанной на теории двух расчетных сечений А.В.Геммерлинга, показал:

- значительное увеличение изгибающих моментов при наличии дефектных стержней, величина и характер распределения которых должны определяться с учетом реальной геометрии поврежденных элементов;

- образование узловых пластических шарниров на участках, примыкающих к дефектному стержню, приводящее к образованию локального механизма;

- поддерживающее влияние системы на ослабленный элемент, которое выражается в замедлении снижения жесткости стержня в системе, возникновении поддерживающих узловых моментов, задерживающих наступление упругопластической стадии работы.

3. Проведенное экспериментальное исследование крупномасштабной модели блока ферм подтвердило достоверность рас-

четно-теоретического анализа, проведенного с использованием разработанной методики.

4. Сравнение результатов натурного испытания покрытия производственного здания с результатами расчетного анализа, выполненного по разработанной методике с учетом пространственной работы блока покрытия, подтвердило эффективность включения железобетонных плит покрытия в совместную работу со стропильными конструкциями.

5. Численным анализом пространственного блока покрытия выявлены основные факторы, влияющие на перераспределение усилий в стержневой системе.

6. При наличии дефектов и повреждений, включение железобетонных плит покрытия в совместную работу со стропильными фермами не всегда облегчает работу последних.

7. Сравнение результатов плоскостного расчета, выполненного по традиционной схеме, с пространственным показало, что в необходимых случаях возможно применение плоскостного расчета, но принимая расчетное поперечное сечение плиты включая первое поперечное ребро жесткости.

8. Работоспособность статически неопределимых сквозных стальных конструкций с дефектами, повреждениями должна оцениваться с учетом физической и геометрической нелинейности дефектных стержней, а также с учетом перераспределения усилий в стержневой системе.

9. Стропильные фермы необходимо рассматривать в едином пространственном блоке с ограждающими и вспомогательными конструкциями, наиболее значимыми из которых являются железобетонные плиты покрытия.

10. Необходимость и методы усиления стальных стропильных ферм должны обосновываться результатами расчетно-теоретического анализа, выполненного по предлагаемой методике с учетом всех факторов, влияющих на перераспределение усилий в стержневой системе.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Васильева JI.C. Опыт длительной эксплуатации стального каркаса ОПЗ// В сб."Повышение надежности и эффективности работы ж.д.транспорта"" НИИЖТ, Новосибирск, 1987. С.138.

2. Казарновский B.C., Гук ШЗ., Мжельский М.Б., Васильева Л.С. Совместная работа стропильных ферм с железобетонными плитами покрытия// В сб. "Проблемы ж.д.транспорта в Сибири", ч.И, Новосибирск, 1992. С.15-16.

3. Васильева JI.C. Анализ работы стальных стропильных ферм при их усилении изменением расчетной схемы// В сб. "Проблемы ж.д.транспорта в Сибири", ч.П, Новосибирск, 1992. С. 16-17.

4. Казарновский B.C., Васильева JI.C. Расчет сквозных стальных конструкций покрытия производственных зданий с учетом геометрической и физической нелинейности// Реконструкция и совершенствование несущих элементов зданий и сооружений транспорта. Новосибирск, 1993. С.35-39.

5. Казарновский B.C., Гук Н.В., КарелинВД., Васильева Л.С. Опыт реконструкции производственных зданий транспорта// Сб.научн.трудов "Реконструкция и совершенствование несущих элементов зданий и сооружений транспорта", Новосибирск, 1995. С. 4-11.

6. Васильева Л.С., Казарновский B.C. Предельные состояния сквозных стальных конструкций покрытия производственных зданий при наличии стержней с повреждениями// Реконструкция и совершенствование несущих элементов зданий и сооружений транспорта. Новосибирск, 1995. С.32-36.

7. Васильева Л.С., Казарновский B.C. Экспериментальное исследование модели блока покрытия производственного зда-ния//Сб.тр.Т.1Международная конференция "Металлостроительство-96", Донецк-Макеевка, 1996. С. 86-89.

8. Васильева Л.С. Включение плит покрытия в совместную работу со стропильными стержневыми конструкциями// Сб.научн.тр. "Реконструкция и совершенствование несущих элементов зданий и сооружений транспорта", Новосибирск, 1997. С.41-50.

9. Васильева Л.С. Экспериментально-теоретическое исследование модели блока покрытия производственного здания// Сб.научн.тр. "Реконструкция и совершенствование несущих элементов зданий и сооружений транспорта", Новосибирск, 1997. С. 50-56.

10. Васильева Л.С. Расчетно-теоретический анализ работоспособности стальных конструкций покрытия промзданий при наличии поврежденных стержней// Тезисы докладов "Проблемы ж.д.транспорта и транспортного строительства Сибири", Новосибирск, 1997. С.150.

11. Васильева Л.С. Выявление резервов несущей способности стальных конструкций каркаса ОПЗ путем учета пространственной работы покрытия// Тезисы докладов международного конгресса "Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии реконструкции и нового строительства", Новосибирск, 1998. С13-14

12. Васильева Л.С. Напряженно-деформированное состояние стальных сварных ферм в составе блока покрытия // Изв.вузов. Строительство.- 1998 - №11.- С.

13. Васильева Л.С. Выявление несущей способности стальных конструкций каркаса ОПЗ с учетом пространственной работы покрытия // Сб. международного конгресса "Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии реконструкции и нового строительства", Новосибирск, 1998- С.