автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оптимизация балок с Х-образной стенкой

Основные буквенные обозначения величин

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Исторический очерк развития теории исследуемого объекта

1.2. Оптимизация составных моностальных балок.II

1.3. Оптимизация бистальных балок.

1.4. Задача автоматизированного проектирования балок

1.5. Выводы по первой главе и постановка задачи исследования

2. ФОРМУЛИРОВКА НЕКОТОРЫХ ОГРАНИЧЕНИЙ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ БАЛКИ С Х-0БРАЗН0Й СТЕНКОЙ.

2.1. Расчет сжатого пояса составной балки с Х-образной стенкой.

2.2. Устойчивость Х-образной стенки.

2.2.1. Устойчивость работающей в упругой стадии цилиндрической панели при чистом изгибе

2.2.2. Расчет на устойчивость круговой цилиндрической панели за. пределом упругости при чистом изгибе методом Бубнова-Галеркина

2.2.3. Расчет на устойчивость круговой цилиндрической панели за пределом упругости при чистом изгибе методом конечных разностей

2.3. Анализ жесткости бистальной балки.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БАЛОК С Х-ОБРАЗНОЙ СТЕНКОЙ.

3.1. Цели экспериментального исследования и характерно тика испытываемых балок

3.2. Испытательный стенд и методика проведения эксперимента

3.3. Результаты экспериментального исследования и сопоставление их с данными, полученными теоретическим путем.

4. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВНЫХ БАНОК С Х-0БРАЗН0Й СТЕНКОЙ И

ИХ АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ.■.

4.1. Объект оптимизации, критерии оптимальности

4.2. Ограничительные условия.

4.3. Методы решения задачи оптимизации составных балок с Х-образной стенкой.

4.3.1. Приближенный аналитический метод.

4.3.2. Метод линеаризации

4.3.3. Метод прямого перебора вариантов проекта.

4.3.4. Программа оптимизации составных балок методом прямого перебора вариантов на

4.3.5. Примеры выбора оптимального варианта сечения балки с Х-образной стенкой с помощью ЭШ. НО

4.4. Графопостроение балок с Х-образной стенкой на и 7)i#ifra,fn . П

В решениях ХХУТ съезда КПСС и в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы" предусматривается ускорение темпов научно-технического прогресса, повышение эффективности капитальных вложений и качества продукции.

Одним из важнейших направлений технического прогресса в строительстве является применение эффективных конструктивных форм, изделий, материалов (в частности, сталей повышенной и высокой прочности) и автоматизация проектирования. Каждое из этих направлений открывает большие возможности для теоретических и экспериментальных исследований.

Эффективной формой составной металлической конструкции является балка с Х-образной стенкой, которая имеет преимущества перед традиционными сварными балками (двутавровыми) в отношении местной устойчивости и крутильной жесткости. Такая конструкция позволяет рационально использовать стали повышенной и высокой прочности.

Экономия металла и уменьшение массы конструкций являются результатом совершенствования методов расчета, ликвидации неоправданных запасов прочности, конструктивных излишеств. Для совершенствования конструкций на стадии проектирования важную роль играет их оптимизация. Основы теории оптимизации строительных конструкций были изложены в работах В.Г.Шухова и Н.С.Стрелецкого; значительный вклад в развитие этого раздела теории конструкций внесли А.И.Виноградов, А.В.Геммерлинг, Я.М.Пихтарников, И.М.Рабинович, А.Р.Ржаницын и другие.

Настоящая работа относится к проблеме повышения эффективности конструктивных форм, разработки методики оптимизации металлических составных балок, в том числе бистальных с Х-образной стенкой, и создания системы автоматизированного проектирования таких конструкций.

Актуальность работы обусловлена необходимостью:

- применения в строительстве новых материалов и рациональных конструкций;

- разработки методик и составления пакетов программ, предназначенных для оптимизации этих конструкций и автоматизации их проектирования;

- экономии материалов за счет использования резервов прочности и рационального распределения массы;

- перспективностью более широкого применения бистальных балок с Х-образной стенкой.

Целью настоящей диссертации является разработка методик оптимизации как монометаллических, так и бистальных балок с Х-образной стенкой и автоматизация их проектирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны методики и предложены алгоритмы, позволяющие определять оптимальные значения параметров сварных балок с Х-об-разной стенкой;

- уточнены ограничения задачи оптимизации балки с Х-образной стенкой, касающиеся работы сжато-изогнутой полки и стенки;

- предложена программа оптимизации балки с помощью микрокалькулятора "Электроника БЗ-21", позволяющая инженеру-проектировщику ориентировочно определять оптимальные параметры балки;

- предложена программа для ЭЕМ, которая дает возможность получить оптимальный проект на основе метода прямого перебора вариантов балки;

- разработан пакет программ для выполнения рабочих чертежей на " 2) '

Практическая значимость диссертации заключается в том, что разработаны алгоритмы и составлены программы оптимизации балок с Х-образной стенкой, а также программа на "Дг^г^га/" для выполнения графической части проекта. Даны рекомендации по расчету таких балок.

Методики расчета и оптимизации балок с Х-образной стенкой, в том числе бистальных, используются в процессе курсового проектирования и в научно-исследовательской работе студентов РИСИ.

В настоящей работе защищаются следующие положения:

- результаты анализа жесткости и местной устойчивости би-стальной балки с Х-образной стенкой;

- результаты экспериментальных исследований устойчивости Х-образной стенки составной балки;

- методика оптимизации балок с Х-образной стенкой, как моно- • металлических, так и бистальных, по стоимости и по расходу материалов;

- программа оптимизации балки, реализуемая на микрокалькуляторе "Электроника БЗ-21"; программа оптимизации балки на ЭВМ, в основе которой лежит метод прямого перебора вариантов; пакет программ для выполнения графической части проекта на ЭВМ.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основные результаты выполненного исследования сводятся к . следующему:

1. Проверенный анализ литературных источников в области оптимизации балок с Х-образной стенкой показал, что особенности работы таких балок мало изучены; представляется целесообразной разработка методики оптимизации, уточнение некоторых ограничительных условий как для монометаллических, так и для бистальных балок.

2. С помощью известных методов строительной механики решены задачи о прочности сжато-изогнутого пояса и стенки балки - цилиндрической оболочки, шарнирно опертой и испытывающей упруго-пластические деформации при чистом изгибе; построены таблицы, позволяющие уточнить формулировку ограничительных условий задачи оптимизации балок с Х-образной стенкой.

Для некоторых видов загружения получены зависимости, с помощью которых формулируются ограничения по жесткости бистальной балки при ее оптимизации.

3. Для проверки результатов теоретических исследований, касающихся вопроса устойчивости Х-образной стенки балки, автором диссертации был сконструирован и смонтирован испытательный стенд,, сконструированы три сварных балки, изготовленные на заводе металлоконструкций. Разработана методика проведения испытаний образцов, выбрано оборудование и изготовлены необходимые приспособления.

Результаты экспериментальных исследований образцов, подвергнутых изгибу, удовлетворительно согласуются с данными теоретических исследований. Это позволяет рекомендовать соотношения, полученные в диссертации, для формулировки ограничительных условий задачи оптимизации.

4. Разработаны две методики оптимизации составных балок с Х-образной стенкой как монометаллических, так и бистальных.

Составлены программы оптимизации балок:

- с помощью микрокалькулятора "Электроника БЗ-21", позволяющая получать приближенные значения оптимальных параметров балки;

- с помощью ЭЕМ, имеющая в своей основе метод прямого перебора вариантов.

Составлена программа на ЭВМ /нйг/? ) для выполнения графической части проекта. Эти программы рекомендуются использовать в процессе проектирования составной балки.

Результаты теоретических исследований проиллюстрированы конкретными числовыми примерами: приведен рабочий чертеж балки с Х-образной стенкой, построенный на " Дгр^г-а/*.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа относится к проблеме повышения эффективности конструктивных форм. Она направлена на разработку методики оптимизации металлических составных балок (в том числе бисталь-ных, с Х-образной стенкой); ее практический выход - создание пакета прикладных программ для выполнения рабочих чертежей. С помощью известных методов строительной механики уточнены некоторые ограничительные условия задачи оптимизации. На основе предлагаемых алгоритмов составлена программа оптимизации балки на ЭВМ, а также с помощью микрокалькулятора'"Электроника БЗ-21"; описан поставленный автором эксперимент для проверки результатов теоретических исследований.

1. Аистов H.H. и др. История строительной техники. М.: Стройиздат,1962.-238с.

2. Ажермагев P.A. Балки с волнистыми стенками. Промышленное строительство, 1963, 1 3, с.54-56.

3. Балдин Б.А., Кочергова Е.Е. Балки из двух марок стали. -Промышленное строительство, 1964, № II, с.20-23.

4. Безухов Н.И., Лужин О.В. Приложение методов теории упругости и пластичности к решению инженерных задач: Учебн.пособие для высш.техн.учебн.заведений. М.:Высшая школа,1974.-200с.

5. Беленя Е.И., Гениев А.Н., Балдин В. А. и др. Металлические конструкции. М.:Стройиздат,1973.-688 с.

6. Беленя Е.И. Предварительно напряженные несущие металлические конструкции. М.:Стройиздат,1975.- 414с.

7. Блейх Ф. Устойчивость металлических конструкций (пер. с англ. Ж.С.Сислдао под общ.ред. Э.И.Григолюка) М. :Физматгиз, 1959.-544 с.

8. Богод Б.Н., Слепухин В.Я., Эпельцвейг Г.Я. Технологическая линия автоматизированного проектирования промышленных зданий под общ.ред. В.Н.Мастаченко. Стройиздат, ленинградское отделение, 1982.-175с.

9. Бономанко С.Б., Трулль В.А. Испытание двутавровых балок с горизонтально-гофрированной стенкой. Ленинград. Сб.трудов: Металлические конструкции и испытания сооружений, 1980.

10. Броуде Б.М. Предельные состояния стальных балок. Госуд. изд. лит-ры по стр-ву и арх. М.-Л.,1953.-215с.

11. Васильев A.A. Металлические конструкции. М.-.Стройиздат, 1979.-471с.

12. Виноградов А.И. Проблема оптимального проектирования встроительной механике, цикл лекций. Харьков: Вища школа,1973.-166с.

13. Виноградов А. И. Задача оптимального проектирования и ее особенности для стержневых систем. Строительная механика и расчет сооружений, 1974.- № 4, с.55-59.

14. Вольмир A.C. Устойчивость деформируемых систем.- 2-е изд., перераб. и доп. -М.:Наука, 1967.-984с.

15. Воронов Н.М. Исследование коробчатых балок из алюминиевого сплава со стенками, изогнутыми в поперечном сечении по окружности. Исследование облегченных строительных конструкций, сб.научных трудов. -Хабаровск,1977, с.37-40.

16. Геммерлинг A.B. Оптимизация конструкции. В кн.:Расчет стержневых систем. М.:Стройиздат,1974, с.196-202.

17. Геммерлинг A.B. Оптимальное проектирование металлокон- -струкций. -Строительная механика и расчет сооружений,1974, 4,с. 10-13. .

18. Геммерлинг A.B. 0 методах оптимизации конструкций. -Строительная механика и расчет сооружений, 1971, № 2, с.20-22.

19. Григолюк Э.И., Кабанов В.В. Устойчивость оболочек. -М.: Изд-во "Наука", 1978, с.315.

20. Дада В. Расчет сжатого пояса составной подкрановой балки с Х-образной стенкой. -В кн.:Облегченные конструкции зданий. Ростов-на-Дону, Рост.инж.-строит.ин-т, 1983, с.66-73.

21. Дада В. Анализ жесткости балки с Х-образной стенкой.-Ростов-на-Дону, 1984.- 8с. Рукопись представлена Рост.инж.-строит.ин-том. Деп. в ВНИИИСе, № 4542, 1984.

22. Дада В. Анализ устойчивости Х-образной стенки бисталь-ной балки. -Ростов-на-Дону,1984.-13с. Рукопись представлена Рост. инж.-строит, ин-том. Деп. в ВНИИИСе, № 4543, 1984.

23. Дада В. Оптимизация балок с Х-образной стенкой. -Ростов- '-на-Дону, 1984.-8с. Рукопись представлена Рост. инж.-строит, ин-том. Деп. в ВНИИИСе, № 5003, 1984.

24. Дегтярев Ю.И. Методы оптимизации. -М.:Изд-во "Советское радио", 1980.-268с.

25. Дехтярь A.C. Несущая способность цилиндрической оболочки. -Лрикл.механика, 1983, т.XIX, J6 5, с.42-48.

26. Дикарев В., Михайлищев В. Оптимальная унификация сечений элементов строительных конструкций. -Промышленное строительство и инженерные сооружения, 1972, № 5, с.33.

27. Донелл Л.Г. Балки, пластины и оболочки (пер. с англ. под ред. Э.И.Григолюка. -М.:Наука, 1982.-568с.

28. Евстратов A.A. Предельное состояние сжатых гибких пластинок в элементах металлических конструкций. -Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. -Новочеркасск, 1980.-318с.

29. Евстратов A.A. 0 запредельном поведении сжатых гибких пластинок. -Строит.механика и расчет сооружений, 1983, Jfc 3,с.41-43.

30. Запросян А.О. Оптимизация сечения сварных подкрановых балок. -В кн.¡Облегченные конструкции зданий. Ростов-на-Дону; Рост. инж.-строит, ин-т, 1983, с.29-35.

31. Ияьясевич С.А. Роль и значение сталей повышенной и высокой прочности в строительных металлических конструкциях. В сб. "Металлические конструкции" ЦНИИСК, 1968.

32. Киреенко В.И. Совершенствование расчета бистальных балок. В сб.: Тр.ЦНИИСК. Исследования надежности металлических конструкций. М., 1979.

33. Киреенко В.И. Исследование прочности, устойчивости и выносливости бистальных элементов. -Строительная механика и расчет сооружения, 1976, № I, с.47-50.г

34. Клюев Б.Н. Исследование балок с цилиндрическими Х-образ-ными стенками: Автореф. дис. . канд.техн.наук. -Москва, 1971,- . 21с.

35. Кочетов В.П. Определение наименьшей площади сечения сварной двутавровой балки. -Строительная механика и расчет сооружений, 1980, № 3, с.52-56.

36. Кочев И., Гърдев Г. Расчет оптимального поперечного сечения балок, испытывающих изгиб в двух направлениях. -Строительство, 1983, Jfe 3, с.8-10.

37. Кузнецов И. Л. Об одном подходе к задаче оптимального проектирования. -В кн.¡Исследование, расчет и испытание металлических конструкций. Межвуз.сб. Казань, 1980, с.П-12.

38. Куницкий Л.П. Эффективность применения сталей повышенной и высокой прочности в сплошных подкрановых балках. -Лромыш- * ленное строительство и инженерные сооружения,1974, №6, с.29-31.

39. Куницкий Л.П. Оптимизация и эффективность бистальных балок. -Промышленное строительство и инженерные сооружения,1976, № I, с.25-28.

40. Куницкий Л.П. Определение веса и высоты металлических балок с учетом ограничения деформаций, -промышленное строитель- * ство и инженерные сооружения, 1971, Jfe 5, с.32-34.

41. Лейтес С.Д. Некоторые вопросы оптимизации проектных решений при помощи ЭЦВМ.-В сб. :Тр.ЦНШСК, МИСИ, Проектстальконст-рукций. Металлические конструкциям.:Стройиздат,1966, с.358-365. '

42. Лихтарников Я.М. Вариантное проектирование и оптимизация стальных конструкций. -М.:Стройиздат,1979.-320с.

43. Лихтарников Я.М., Летнжов Н.С., Левченко В.И. Технжо-экономические основы проектирования строительных конструкций (под общ.ред. проф.Я.М.Лихтарнжова).-Киев:Вшца школа, 1980. -318 с.

44. Мажид К.И. Оптимальное проектирование конструкций (пер. с англ. В.И.Дорофеевым, под ред.проф.Колтунова H.A.) -М.:Изд-во Высшая школа, 1979.-236с.

45. Мастаченко В.Н., Мирвис Я.Г., Уколов В.Н. Автоматизация проектирования железобетонных конструкций. Ленинград:Стройиздат, Ленинградское отделение,1982.-224с.

46. Мельников Н.П. Металлические конструкции. Современное состояние и перспективы развития. М.:Стройиздат, 1983.-540с.

47. Моисеев В.И. К расчету местной устойчивости бистальных балок. -В кн.Исследование прочности элементов строительных металлических конструкций.:Сб.науч.тр. ЦНИИСК, М.,1982.-0.21-27.

48. Монахов В.М., Беляева Э.С., Краснер Н.Я. Методы оптимизации. -М.:Просвещение,1978.-174с.

49. Муханов К.К. Металлические конструкции. -М.:Стройиздат, 1976.-576с.

50. Общестроительные руководящие методические материалы по созданию автоматизированного проектирования (САПР). Редакция 1-78. -М., 1978 (ГКНТ).

51. Огибалов П.М. Изгиб, устойчивость и колебания пластинок. М.: ун-т, 1958.-389с.

52. Огибалов П.М. Вопросы динамики и устойчивости оболочек. М.:Наука,1963.-419с.

53. Огибалов П.М., Колтунов М.А. Оболочки и пластины. М.: Изд-во МГУ, 1969.-695с.

54. Орта Х.М. Оптимизация металлических балочных конструкций перекрытий зданий.: Автореф. дис. . канд.техн.наук. -Рос- • тов-на-Дону,1979.-24с.

55. Осетинский Ю.В., Кулаков В.Ф. Основы теории пластин и оболочек. -Ростов-на-Дону.: РВКУ,1968.-123с.

56. Осетинский Ю.В., Фалькович М.А. Оптимальное проектирование строительных конструкций. -Ростов-на-Дону: Рост. инж.-строит, ин-т, 1981.-101с.

57. Почтман Ю.М., Пятигорьский З.И. Оптимальное проектирование строительных конструкций. -Киев: Вшца школа, 1980.-Н2с.

58. Рабинович И.М. К расчету ферм и балок минимального объема на действие динамических нагрузок и собственного веса.

59. В сб.Исследования по теории сооружений. Вып.ХУ, Стройиздат,1967.

60. Рейтман М.И. Оптимальное проектирование конструкций методики математического программирования. -Строительная механика и расчет сооружений, 1969, № 3, с.54-62.

61. Рекомендации Всесоюзного научно-технической конференции "Системы автоматизированного проектирования в строительстве". М., ЦНШИАС,1979.

62. Ржаницын А. Р. Расчет сооружений с учетом пластических свойств материалов. -М.:Стройиздат,1954. -236с.

63. Сергеев Н.Д. Задача о балке наименьшего объема, лежащей на упругом основании. Сб.материалов У1 научно-технической конференции по вопросам путевого хозяйства. Трансжелдориздат, 1958, с.34-37.

64. Сергеев Н.Д., Перевозов С.А. О применении статическихметодов поиска при оптимальном проектировании несущих конструкций. Труды ЛИСИ № 60, изд-во ЛИСИ, 1969, с.15-19.

65. Сергеев Н.Д., Богатырев А.И. Проблемы оптимального проектирования конструкций. -Л.:Стройиздат, I97I.-I34C.

66. Сикало П.И. Практические методы оптимизации сечений сварных балок в предельном напряженно-деформированном состоянии. В кн. Расчет и испытание металлических конструкций: Межвуз.сб. Казань,1982, с.6-8.

67. Сикало П.И. Вариантное проектирование и оптимизация сечений балочных конструкций. -Киев: КИСИ,1978-77с.

68. Системы автоматического проектирования в строительстве.-В кн.:Тез.докл.Всесоюз.науч.-технич.конференции "САПР в строительстве". М.,1979.

69. СНиП I1-23-8I. Стальные конструкции. Госстрой СССР. -М.: Стройиздат,1982.-96с.

70. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочка (пер. с англ. В.И.Контовта, под ред. Шапиро Г.С.) 2-е изд. стереотип. -М.:Изд-во "Наука",1966.-635с.

71. Тимошенко С.П. Устойчивость упругих систем (пер. с англ. Снитко И.К.) 2-е изд. -М.:Гостехиздат,1955.-567с.

72. Хайдаров А. К вопросу устойчивости тонкостенных ломаных в плане неразрывных балок. -В кн.Материалы респ.науч.-техн.конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 60-летию ТашПИ. Ташкент,1980, ч.1, 40с.

73. Хода Ф.Г. Расчет конструкций с учетом пластических деформаций. -М.:Машгиз,1963.-380 с.

74. Чирас A.A., Боркаускас А.Э., Каркаускас Р.П. Теория и методы оптимизации упруго-пластических систем. Под ред.проф.А.А. Чираса, Л.:Стройиздат,1974.-375с.

75. Чирас A.A. Математические модели анализа и оптимизации упруго-пластических систем. -Вильнюс,1982.-112с.

76. Ufái/nate pAear st/^л^ЛА ff Ajt¿wd 7-£ea/xj>. A<?¿¿¿ ie с Л nica academi'cae /iZrla^/я. лг а9Л0, № (3-4) , ff

77. Лаха/ii ЛЛяЛЛе Л. ^оЛг/пя/п ¿ЛегЛ^/г ¿'¿лгга.лЛ def& ffetá* ^ЛлгЛел/. , Арлim, м- м> мп

78. J/zjï. fù'1' ■ ¿rax/ife/fArey,