автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оптимизация однопролетных одноэтажных металлических рам по топологии и геометрии

005536234 /А

Ж

На правах рукописи

4/1

НУЖНЫЙ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ОДНОПРОЛЕТНЫХ ОДНОЭТАЖНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАМ ПО ТОПОЛОГИИ И ГЕОМЕТРИИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания н сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 1 01(7 2313

Белгород 2013

005536234

Работа выполнена на кафедре промышленного и гражданского строительства Старооскольского технологического института им. A.A. Угарова (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Луиёв Лев Алексеевич

Официальные оппоненты: Свентиков Андрей Александрович

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Металлические конструкции и сварка в строительстве»

Панченко Лариса Александровна

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», доцент кафедры «Сопротивление материалов и строительная механика»

Ведущая организация: Закрытое акционерное общество

«Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектный институт строительных металлоконструкций им. Н.П. Мельникова», г. Москва

Защита состоится "2$ "¡1 2013 года в 14.30 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, ауд. 242 г.к.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан "И" 10 2013 года.

Ученый секретарь / ————— ^

диссертационного совета "

доктор технических наук, профессор' Г.А. Смоляго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с большой популярностью легких рамных конструкций при строительстве промышленных, сельскохозяйственных и гражданских зданий возникает необходимость в поиске новых более выгодных с экономической точки зрения такого рода конструкций.

В решении задачи повышения эффективности строительства большое значение имеет снижение массы строительных конструкций. Уменьшение массы материалов на потребительскую единицу конструкции позволяет снизить затраты по их перевозке, уменьшить мощность монтажных и транспортных средств, укрупнить строительные конструкций и в конечном счете снизить трудоемкость и стоимость строительства.

С каждым годом возрастают требования к конструкциям, несущим нагрузки. Расчетные снеговые нагрузки в новых нормативных документах значительно превышают прежние величины. В связи с этим также возникает необходимость в рациональном усилении и реконструкции рамных конструкций, построенных по старым нормам.

Рамные конструкции молено выполнять как из дерева (преимущественно для районов севера), так и из металла. Технические возможности металлических конструкций позволяют применять их практически во всех районах страны, включая труднодоступные районы. Скорость и простота выполнения монтажных работ легких металлических конструкций на порядок выше, чем при использовании деревянных конструкций.

В связи с этим целью настоящей работы является развитие способов оптимизации однопролетных одноэтажных металлических рам по топологии и геометрии, а также методик определения напряженно-деформированного состояния такого рода рам со сложной топологией.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: разработка новых конструктивных решений легких однопролетных одноэтажных рам;

- постановка и решение задачи оптимизации топологии и геометрии однопролетных одноэтажных рам;

- разработка методики расчета рамных конструкций со сложной топологией;

- экспериментальные исследования деформативности модели рамных конструкций рассматриваемого типа;

исследования по определению материалоемкости и

устойчивости легких рамных конструкций.

Научную новизну работы составляют:

- вариационные постановки задач оптимизации однопролетных одноэтажных металлических рам по топологии и геометрии на основе энергетического критерия;

- матричный метод расчета рам со сложной топологией и упруго-податливыми связями;

- экспериментальные данные об особенностях деформирования рамной конструкции с оптимальной топологией;

- функциональные зависимости и графическая интерпретация приведенной материалоемкости легких рамных конструкций.

Достоверность научных исследований базируется на использовании общепринятых положений сопротивления материалов, строительной механики, результатах многовариантных численных исследований автора и подтверждается соответствием результатов теоретических выводов экспериментальным данным, касающихся конструкций рам с оптимальной топологией и геометрией.

Практическое значение работы. Разработанные новые конструктивные решения легких рамных конструкций (патент на полезную модель РФ №92038) рекомендуется использовать при строительстве и реконструкции (усилении) отапливаемых зданий предприятий машиностроения, приборостроения, легкой, пищевой, радиоэлектронной, деревообрабатывающей промышленности, сельскохозяйственных зданий, зданий технического обслуживания автотранспорта, зданий компрессорных, производственно-отопительных котельных, других зданий различного назначения: физкультурно-оздоровительных комплексов, предприятий

общественного питания быстрого обслуживания, выставочных и рыночных павильонов, кафе и др., а также при проектировании, строительстве, усилении и реконструкции эстакад трубопроводов, надземных пешеходных переходов, мостов и т.д.

Внедрение результатов исследований. Результаты работы и практические рекомендации использованы в проектных институтах: муниципальном автономном учреждении «Научно-техническое архитектурное бюро» и ЗАО «Осколгипропром» (г. Старый Оскол).

Методика компоновки и расчета легкой рамной конструкции, а также ее экспериментальная модель используются в учебном процессе по специальности "Промышленное и гражданское строительство" в Старооскольском технологическом институте им. A.A. Угарова (филиала) НИТУ «МИСиС».

Апробация работы. Основные результаты докладывались и

обсуждались на:

Международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов "Образование, наука, производство и управление" (г. Старый Оскол, 2009,2010 и 2011гг.)",

- 9-й Международной научно-технической конференции (г. Пенза, 2009г.);

- 6-й региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов (г. Старый Оскол, 2010г.);

- 11-й и 12-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г.Тула, 2010 и 2011г.);

Международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (г. Курск, 2010 и 2011гг.).

- заседании секции "Проектирование строительных металлических конструкций" Научно-технического Совета ЗАО "ЦНИИПСК им. Мельникова" (Москва, 2013г.).

В полном объеме работа доложена на расширенном заседании кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Старооскольского технологического института им. A.A. Угарова (филиала) НИТУ «МИСиС» (сентябрь 2013г.) и на расширенном заседании кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Белгородского технологического университета им. В.Г. Шухова (сентябрь 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК, получен патент Российской Федерации на полезную модель.

На защиту выносятся:

- новые конструктивные решения однопролетных одноэтажных металлических рам с оптимальными топологией и геометрией;

- вариационная постановка задач оптимального проектирования рамных конструкций;

- матричный метод расчета рам со сложной топологией и упруго-податливыми связями;

результаты экспериментов, касающиеся напряженно-деформированного состояния и устойчивости рам с оптимальной топологией;

- результаты исследований по приведенной материалоемкости рамных конструкций.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и

приложений. Работа изложена на 203 страницах, включающих 66 таблиц, 110 рисунков, список литературы из 143 наименований и четыре приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении изложена актуальность темы, сформулированы цель работы и задачи исследований, научная новизна работы, обоснована достоверность экспериментальных и теоретических исследований, отмечены практическое значение и апробация работы, положения, выносимые на защиту, публикации; даны объем и структура диссертации, а также краткое ее содержание.

В первой главе изложен анализ современного состояния экспериментально-теоретических исследований рамных конструкций применяемых в инженерных сооружениях, в том числе методов их усиления путем изменения конструктивной схемы.

Вопросам проектирования, сооружения и эксплуатации легких рамных конструкций посвящены работы ученых: JI.E. Дрозябко, И.И. Ищенко, A.M. Каминского, В.В. Клепанда, М.Д. Корчака, Е.Г. Кутухина, Н.С. Москалева, М.М. Сахновского, В.М. Спиридонова, И.С. Тришевского, В.И. Трофимова, Ю.Н. Хромца, Я. Брудка, М. Лубиньски и др.

Исходя из анализа известных конструктивных решений однопролетных одноэтажных рам было выявлено, что они имеют повышенную материалоемкость. В связи с чем автором предлагается новая рамная конструкция (рис. 1), направленная на уменьшение материалоемкости, увеличение перекрываемого пролета с одновременным повышением устойчивости стойки.

Рис. 1. Рама с Х-образными системами: 1 - ригель, 2 - стойка, 3 -внутренний подкос, 4 - наружный подкос Шарнирная рамная конструкция с Х-образными системами работает следующим образом: полезная и атмосферная нагрузки воспринимается ригелем 1 и передаются на стойки 2, а также соосные внутренний 3 и наружный 4 подкосы. Наличие подкосов позволяет снизить материалоемкость ригеля и стоек, конструкции в целом.

Топология рамной конструкции может меняться путем ликвидации шарнира в середине пролета (рис. 1), а также за счет ввода консольных балочных элементов и дополнительных подкосов.

Данная конструкция рамы может теть место как при проектировании новых, так и при усилении аварийных сооружений указанных выше типов и назначения, а также в инженерных системах трубопроводных эстакад (рис. 2).

Рис. 2. Трубопроводная эстакада с Х-образными системами При применении Х-образных систем в пешеходных переходах через реки, железнодорожные и автомобильные дороги, овраги и т.д. внутренний и внешний подкосы выступают как косоуры лестничного марша (рис. 3).

\ т

А- X -А

Рис. 3. Пешеходный переход с Х-образными системами Вторая глава посвящена постановке и решению задачи оптимизации топологии и геометрии однопролетных одноэтажных рам. Показано преимущество нового типа рам с Х-образными системами перед традиционными типами в отношении деформативности и материалоемкости.

Объектом исследования являются однопролетные одноэтажные рамы, несущие постоянную и временную нагрузки. Исходная топология плоской рамы представлена на рис. 4. Пересечение наклонного стержня со стойкой составляет жесткий узел. Штрихами показан один из вариантов ригеля.

Использован вариационный принцип структурного синтеза проф. А.Г. Юрьева: потенциальная энергия системы в положении устойчивого равновесия достигает абсолютного минимума по перемещениям в функциональном пространстве, расширенном за счет полей функций конфигурации и (или) модулей упругости материала. Это происходит при приобретении конструкцией максимальных жесткостных показателей, так что в точке стационарности функционал имеет минимакс - минимум по функциям перемещений максимумов по функциям конфигурации и (или) модулей упругости материала.

Критерий оптимальности, проистекающий из этого принципа, носит универсальный характер. При линейном физическом законе используется функционал потенциальной энергии деформации. В случае однородного материала конструкции этот критерий оптимальности идентичен критерию глобального минимума ее веса.

При индустриализации строительства используются стандартные элементы, в том числе прокатные профили, что ограничивает, однако, доведение до совершенства конфигурации конструкции. Например, площадь сечения А=26,8см2 обеспечивается двутавром №20 (ГОСТ 8239-56) с моментом инерции /= 1840см4 или двумя швеллерами №12 (ГОСТ 8240-56) с суммарным моментом инерции 608см4. Это, безусловно, может нарушить синхронность потенциальной энергии деформации и объема (веса) конструкции.

Численные исследования проводились для рам с пролетами 1=9, 12, 15, 18м, высотой й=7,2м при шаге колонн 4м. Снеговая нагрузка принята для III снегового района и составила <7=7,2кН/м. Характеристики материала - стали: удельный вес т=7,85 104Н/м3,

20° 25' 30« 35 Ш1 и» и й а й Ю Л 40 " и

Рис.5. Графики потенциальной энергии деформации (а) и веса (б) для

рамы пролетом 9м На рис. 6 представлены для варианта 2 диаграммы, показывающие зависимость потенциальной энергии деформации ¡7 и веса Р от параметров аир при пролете 9м. Такого же рода графики построены для пролетов 12, 15 и 18м.

а)

модуль упругости £=200ГПа, расчетное сопротивление Л=225МПа. В расчетах использовался програмный комплекс «ЛИРА 9.4».

Рассмотрены четыре варианта топологии рамы (см. рис. 4): 1) рама со стержнями 1, 2, 3; 2) 2, 3, 4; 3) 1, 2, 3, 5; 4) 2, 3, 4, 5. В варианте 1 за варьируемый параметр принят угол а (15°<а<55°). В варианте 2, кроме того, варьировался угол (3 (5°<Р<30°). В вариантах 3 и 4 в числе варьируемых параметров был угол у (5°<у<30°).

Для варианта 1 на рис. 5 представлены графики, показывающие зависимость потенциальной энергии деформации V и веса Р рамы от угла а при пролете 9м. Несовпадение в точек экстремумов объясняется ограничениями в выборе прокатных профилей, о чем говорилось выше. Такого же рода графики построены для пролетов 12, 15 и 18м. а) и лг

Рис. 6.

Диаграммы потенциальной энергии деформации (а) и веса (б) для рамы пролетом 9м

Оптимальными оказались вариант 1 (а=30°) для пролета 9м и вариант 2 для пролетов 12м (а=30°, р=20°), 15м (а=30°, Р=25°) и 18м (а=40°, р=15°).

Замечательным качеством Х-образных систем из стержней 1 и 3 является двустороннее влияние на несущую способность рамы -уменьшение изгибающих моментов в ригеле и увеличение критической силы для стойки.

В третьей главе предложена альтернативная методика определения напряженно-деформированного состояния рам рассматриваемого типа со сложной топологией. Выявлены закономерности для материалоемкости рассматриваемого типа рам. Определена критическая сила для вертикальных стоек оптимальной конструкции.

При разработке методики расчета принимались следующие допущения:

- материал конструкций рам с Х-образными системами нагружен в пределах упругих линейных деформаций;

- расчетная модель ригеля принимается в виде балки опирающейся шарнирно на упругоподатливые опоры;

- упругая податливость опор определялась по теории Максвелла -Мора.

На рис. 7 показана схема нагружения исследуемой рамы. Ввиду сложности постановки расчета при непосредственном использовании программного комплекса «ЛИРА 9.4» предложен оригинальный матричный метод.

Я

ГТТТТТ11 у{\\ 1111111II1111111II1111111 и

Расчленим схему каркаса на три конечных элемента: балочную систему (ригель) с податливыми опорами и две Х-образные системы.

Балочную систему (ригель) с податливыми опорами разобьем на три конечных элемента 1-2, 2-3, 3-4. Ее расчетная модель представлена на рис. 8.

Ц

II | ММ N11111 мтм МНИ И И И НИИ

1 ж 7Г 4

Ь2

Рис. 8. Расчетная модель ригеля

Составляя условие неразрывности деформаций в местах сочленения конечных элементов 1-2, 2-3, 3-4, получим следующие уравнения:

(1)

(2)

АХ1Я + Ж^ = В{у,

где А] =

6 Е1Л

2 (Ъх+Ь2) Ь2

2{Ь2 +Ь3)

3 =

0^) ъх ъг

1

\ V

М = М, МЛ (М2, М3 -моменты в точках 2 и 3);

24 Е1Л

Ъъх +Ъ\ Ъ\+Ь1

(3)

(4)

(5)

т

у= ух у21 (уУз~ перемещения ригеля в точках 2 и 3); (6)

у = СМ + у(д);

(7)

N =

уЫ;

К ъг

п;

п ЫЬ+ь2)

п?

П ¡д(Ь2+Ьъ)

(8)

(9)

Податливости опор 2 и 3 имеют следующий вид:

П' =

Е1,,

+

\

ЕА.„

ГЦ = -

+

к

ЕА„

(10)

(И)

Е1-и

Здесь Е1оа, Е1Ъ -жесткости на изгиб опорного стержня и ригеля; ЕА0П - жесткость на растяжение опорного стержня.

Реализуя матричный метод расчета линейно-упругих стержневых систем, находим прогибы ригеля и внутренние силовые факторы. Преимуществом данного метода расчета над известными пакетами прикладных компьютерных программ является возможность учета податливости подкрепляющих элементов рам. Сопоставление его на тестовых примерах с традиционными компьютерными методами дает уточнение расчетных величин в среднем на 5%.

По данной методике проведены следующие численные исследования рам с Х-образными системами, представленными на рис. 9,а-е, со следующими параметрами: пролет 1 = 9, 12, 15 и 18м, высота /г=7,2м, удельный вес у = 7,85-104Н/м3, расчетная снеговая нагрузка для Ш-го снегового района при шаге колонн 6м с/=10,8кН/м, модуль упругости стали Е = 210ГПа. Для демонстрации эффекта применения Х-образных систем сравним их с П-образными рамами (рис. 9,ж-и) и с наиболее близкими решениями, встречающимися в литературе - П-образными рамами, усиленными внутренними подкосами (рис. 9,к,л) при аналогичных параметрах пролета и высоты.

Результаты численных исследований (эпюры изгибающих моментов) для рамных конструкций с Х-образными системами пролетом 9м показаны на рис. 10 и 11. Максимальные изгибающие моменты в ригеле от снеговой нагрузки для всех видов конструкций представлены в табл. 1 (выделены результаты для рамных конструкций с Х-образными системами).

ж)

и)

Рис. 9. Исследуемые рамные конструкции: а - рама с Х-образными системами и неразрезным ригелем; б - рама с Х-образными системами и шарниром в середине ригеля; в - рама с Х-образными системами, имеющими консоли, и неразрезным ригелем; г - рама с Х-образными

системами, имеющими консоли, и шарниром в середине ригеля; д - консольно-балочное решение рамы с Х-образными системами и неразрезным ригелем; е - консольно-балочное решение рамы с Х-образными системами и шарниром в середине ригеля; ж - П-образная рама; з - П-образная рама с шарниром в середине ригеля; и - балочно-стоечная рама; к - П-образная рама с внутренними подкосами; л - П-образная рама с шарниром в середине ригеля и внутренними подкосами

Рис. 10. Эпюры изгибающих моментов (кН м) от снеговой нагрузки в рамах, показанных на рис. 9,а(эпюра№1), 9,в(№2), 9Д№3), 9,к(№4);

пролет 9м

11059

Рис. 11. Эпюры изгибающих моментов (кН м) от снеговой нагрузки в рамах, показанных на рис. 9Дэпюра №1), 9,г(№2), 9,е(№3), 9,/?(№4);

пролет 9м

Таблица 1

Максимальный изгибающий момент в ригеле, кН м_

Расчетная схема Пролет

9м 12м 15м 18м

Рис. 9,а 8,861 24,642 58,056 108,536

Рис. 9,6 10,361 42,349 94,621 167,104

Рис. 9,в 8,529 19,406 41,304 71,084

Рис. 9,г 8,483 22,429 54,606 112,232

Рис. 9,д 9,789 12,691 33,872 75,312

Рис. 9,е 9,986 17,421 54,609 112,239

Рис. 9,ж 69,463 114,44 168,466 231,199

Рис. 9,з 104,512 182,937 281,295 399,365

Рис. 9,и 109,35 194,40 303,75 437,40

Рис. 9,к 12,472 31,828 59,089 100,019

Рис. 9Г7 11,059 44,768 100,342 177,468

Из табл. 1 видно, что эффект применения Х-образных систем постепенно нивелируется по мере увеличения пролета.

Определение материалоемкости. Для обоснования целесообразности новых конструкций произведена оценка материалоемкости путем сравнения безразмерных коэффициентов, выражающих отношение погонного веса рамных конструкций к погонным действующим нагрузкам.

Погонный вес всей рамной конструкции запишем в виде:

/

где I — пролет рамы, вц - погонный вес отдельного элемента конструкции:

С,,= У„у, (13)

где V» - объем отдельного элемента конструкции:

Уи=А„1„, (14)

где Ац - площадь поперечного сечения, 1п - длина элемента.

Погонный вес рамы рассматривается в относительных единицах, соответствующих действующим на них нагрузкам (отношение погонного веса поддерживающих элементов к погонным действующим нагрузкам). В результате этого получим безразмерный коэффициент материалоемкости К:

К = О*)

Яо

Полученные коэффициенты материалоемкости приведены в табл. 2 (выделены результаты по рамным конструкциям с X-образными системами). В результате этого можно определить экономически наиболее выгодную конструкцию по материалоемкости.

Таблица 2

Расчетная схема (номер на графике) Пролет

9м 12м 15м 18м

Рис. 9,а (1) 0,0743 0,0989 0,1447 0,2211

Рис. 9,6(2) 0,0755 0,1290 0,2052 0,4197

Рис. 9,в (3) 0,1226 0,1457 0,1848 0,2276

Рис. 9,г (4) 0,1487 0,1654 0,2348 0,3127

Рис. 9,д (5) 0,1257 0,1291 0,1415 0,2023

Рис. 9,е (6) 0,1349 0,1426 0,1952 0,2617

Рис. 9,ж (7) 0,1898 0,2669 0,5130 -

Рис. 9,к (8) 0,1426 0,1787 0,2431 0,2930

Рис. 9г7 (9) 0,1480 0,2141 0,3092 0,5592

Данные табл. 2 представлены также в виде графика зависимости «пролет-материалоемкость» (рис. 12). Прочерк означает, что для данного пролета схема нецелесообразна.

графика на рисунке соответствует номеру рамы в табл. 2)

Как видно из табл. 2 и рис. 12, наиболее эффективными, с точки зрения материалоемкости, являются: при малых пролетах (9 и 12м) -рамы №1 (рама с Х-образными системами и неразрезным ригелем), №5 (консольно-балочное решение рамы с Х-образными системами и неразрезным ригелем) и №2 (рама с Х-образными системами и шарниром в середине ригеля); при средних пролетах (15 и 18м) -№1, №3 (рама с Х-образными системами, имеющими консоли, и неразрезным ригелем) и №5.

Результаты проведенных исследований подтвердили эффективность применения рам с Х-образными системами и выявили закономерности изменения их материалоемкости в зависимости от конструктивной схемы. По этому показателю в общем самими рациональными являются рамы, изображенные на рис. 9,о и 9,д. Их материалоемкость в 1,5 - 3,5 раз меньше (в зависимости от пролета), чем у обычной П-образной рамы и в 1,2-2 раза меньше, чем в П-образных рамах с внутренними подкосами.

Расчет на устойчивость. Расчет на устойчивость исследуемых рам производился для пролетов / = 9, 12, 15 и 18м при высоте й=7,2 м. Для демонстрации эффекта применения рам с Х-образными системами по сравнению с обычными П-образными рамами сечения как стоек, так и ригеля приняты условно одинаковыми (стойки - из двух швеллеров коробчатого сечения №20П, ригель - из двутавра №30). Сечения подкосов Х-образных систем принято из двух равнополочных уголков 75x5, а сечения внутренних подкосов для П-образной рамы с внутренними подкосами - из двух равнополочных уголков 75x5.

Основная система метода перемещений получена путем наложения на узлы заданной системы линейных и угловых связей,

устраняющих возможность перемещения узлов (рис. 13).

21 - -^/с

Рис. 13. Основная система метода перемещений при расчете на устойчивость рамы с Х-образными системами Условием получения отличного от нуля решения системы линейных однородных алгебраических уравнений является обращение в нуль определителя, составленного из коэффициентов при неизвестных:

£><?/(>-) =

= 0.

(16)

Решая трансцендентное уравнение устойчивости (16), находим значение критического параметра у,ф. По формуле:

Р (17)

гм р 4 '

получаем значения критической силы Ркр для стойки (табл. 3).

Таблица 3

Расчетная схема Пролет

9м 12м 15м 18м

Рис. 9,а 0,701£/ 0,663£/ 0,512 Е1 0,390Е1

Рис. 9,ж 0,158£/ 0,149 Е1 0,142£/ 0,136 Ы

Рис. 9,и 0,016 Е1 0,016 Е1 0,016£/ 0,016Е1

Рис. 9,к 0,077£У 0,073£/ 0,069Е1 0,064Е1

Из табл. 3 видно, что критическая сила для стойки значительно больше в рамах с Х-образными системами по сравнению с обычными П-образными рамами (в 2,87 - 4,44 раза) и с П-образными рамными конструкциями с внутренними подкосами (в 6,09 - 9,1 раза). В то же время эффект применения Х-образных систем нивелируется по мере увеличения пролета.

Стоит заметить, что для П-образных рам с внутренними подкосами значение критической силы в 2 раза меньше, чем для обычной П-образной рамы. Это происходит в результате того, что внутренний подкос, разгружая ригель, создает изгибающие моменты в стойке. На этом фоне применение Х-образных систем, которые не только разгружают ригель, но и повышают устойчивость стойки, выгодно отличается от известной рамной конструкции с внутренними подкосами.

В четвертой главе описаны методика и результаты экспериментальных исследований, проведенных на модели легкой рамной конструкции.

Так как рама с Х-образными системами, предложенная автором данной работы, является новым конструктивным решением, необходимо было провести экспериментальные исследования ее деформативности и сопоставить их результаты с теоретическими данными полученными в главах 2 и 3. Для проведения экспериментальных исследований была изготовлена по теории подобия модель исследуемой конструкции.

Натурная конструкция имеет следующие параметры: ригель рамы выполнен из квадратной трубы 180x180x8, стойки из квадратной трубы 140x140x6, внутренний и наружный подкосы из двух уголков 40x40x4; пролет рамы 15м; высота 7,2м; расстояние между осями фундаментов для наружного подкоса и стойки 2м; снеговая нагрузка для третьего снегового района 10,8кН/м при шаге колонн 6м. Назначен основной размер модели <1 = 3,0м (пролет).

При помощи метода размерностей были определены размеры модели. Она имела пролет Зм, высоту 1,44м, расстояние между стойкой и внешним подкосом 0,4м. Ригель выполнен из квадратной трубы 40x25x2, стойки - из квадратной трубы 25x25x2, внутренний и наружный подкосы - из стержней диаметром 12мм.

Испытание модели проводилось на два вида загружения:

1) равномерно распределенной нагрузкой на весь пролет (рис. 14);

2) на половину пролета (вариант 2). Загружение проводилось силикатным кирпичом размерами 250x120x88 (д=2,16кН/м). Вертикальные перемещения ригеля модели (табл. 4,5) измерялись

прогибомерами (точки их установки показаны на рис. 15). Количество загружений - по 10 для каждого вида загружения.

Рис. 14. Загружение модели равномерно распределенной постоянной нагрузкой по всей длине ригеля

При вычислении теоретических величин прогибов Дтеор учитывалась корректировка изгибной жесткости ригеля за счет поддерживающего устройства по результатам тестовых испытаний до начала основных экспериментов.

1 2 3 У 4 5 6 7 8 9

Рис. 15. Точки измерения прогибов

Таблица 4

Прогибы ригеля при первом варианте загружения (нагрузка на весь __пролет)__

№ точки ^ те ор,мм ^ эксп,мм %

1 0,475 0,509 7,21

2 -0,412 -0,438 6,37

3 -4,05 -4,247 4,86

4 -7,868 -8,185 4,03

5 -9,412 -9,757 3,67

6 -7,868 -8,110 3,08

7 -4,05 -4,211 3,97

8 -0,412 -0,436 5,84

9 0,475 0,504 6,11

Таблица 5 Прогибы ригеля при втором варианте загружения (нагрузка на ХА пролета)

№ точки ^теор,мм ^ ЭКСП,мм %

1 -3,254 -3,403 4,58

2 -5,797 -5,936 2,40

3 -7,656 -7,941 3,72

3' -7,899 -8,226 4,14

4 -7,490 -7,779 3,86

5 -4,747 -4,873 2,65

6 -0,447 -0,457 2,24

7 3,570 3,670 2,80

8 5,381 5,482 1,88

9 3,733 3,890 4,21

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны новые конструктивные решения рам с Х-образными системами, позволяющие повысить их несущую способность без увеличения материалоемкости.

2. Постановка и решение задачи оптимизации топологии и геометрии однопролетных одноэтажных металлических рам возможны на основе универсального энергетического критерия, вытекающего из вариационного принципа структурного синтеза.

3. Оптимальные с позиций минимума потенциальной энергии системы конструкции удовлетворяют в то же время условиям весовой

оптимизации, положенным в основу экономического эффекта возводимого сооружения.

4. Параллельно с алгоритмом оптимизации топологии и геометрии рам на основе вычислительных комплексов предложены для той же цели аналитические методы, рекомендуемые для систем со сложной топологией.

5. Численные исследования вариантов топологии однопролетных одноэтажных рам позволили выявить оптимальные решения для спектра габаритов сооружения, в частности, для его пролета и высоты, что может служить в качестве конкретных рекомендаций на стадии проектирования.

6. Запатентованная автором рамная конструкция с X-образными системами получила теоретическое обоснование как имеющая оптимальную топологию.

7. Замечательным качеством этих систем является двухстороннее влияние на несущую способность рамы - уменьшение изгибающих моментов в ригеле и увеличение критической силы для стойки.

8. Материалоемкость конструкций с оптимальной топологией в 1,5 — 3,5 раза (в зависимости от пролета) ниже, чем традиционной П-образной рамы.

9. Отмечено качественное совпадение теоретических результатов с данными экспериментов, проведенных на модели рамы с Х-образными системами. Количественно расхождение не превышает 10-15%.

10. Рекомендации по результатам проведенных исследований по оптимальной топологии рам позволили провести внедрение прогрессивных решений в муниципальном автономном учреждении «Научно-техническое архитектурное бюро» и в ЗАО «Осколгипропром» (г. Старый Оскол).

Публикации. Основные результаты исследований изложены в следующих публикациях:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Нужный, С.Н. Шарнирная рамная конструкция с Х-образными опорами [Текст] // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. — 2012,-№4.-С. 74-75.

2. Нужный, С.Н. Оценка напряженно-деформированного состояния рамных конструкций с Х-образными опорами и определение их материалоемкости [Текст] // Вестник Белгородского

государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. — 2013.-№2.-С. 17-20.

3. Нужный, С.Н. Оптимизация топологии однопролетных одноэтажных рам [Текст] / А.Г. Юрьев, С.Н. Нужный // Фундаментальные исследования. - 2013. - №10. - С. 742-746.

Статьи в других изданиях

4. Патент на полезную модель № 92038 Российская Федерация, МПК8 Е04В 1/18. Шарнирная рамная конструкция с Х-образными опорами / Нужный С.Н., Лунёв Л.А; заявитель и патентообладатель Нужный С.Н., Лунёв Л.А. - 2009131877/22; заявл. от 25.08.2009; опубл. 10.03.2010, Бюл. №7. -2 е.: ил.

5. Нужный, С.Н. Классификация облегченных рамных конструкций [Текст] / Л.А. Лунёв, С.Н. Нужный // Сборник научных и научно-методических докладов международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов. - Ст. Оскол: СТИ НИТУ «МИСиС», 2009. -Т.4. - С. 35-37.

6. Нужный, С.Н. Шарнирная рамная конструкция с Х-образными опорами [Текст] / Л.А. Лунёв, С.Н. Нужный // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сборник статей IX Международной научно-технической конференции. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009. - С. 205-206.

7. Нужный, С.Н. О конструировании новой рамной системы [Текст] / Л.А. Лунёв, С.Н. Нужный // Сборник трудов шестой региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов. - Ст. Оскол: СТИ НИТУ «МИСиС», 2010. - Т.1. - С. 212214.

8. Нужный, С.Н. Методика расчета напряженно-деформированного состояния рамы с Х-образными опорами [Текст] / Л.А. Лунёв, С.Н. Нужный // Сборник материалов XI Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии». - Тула: ТГУ, 2010.-С. 54-56.

9. Нужный, С.Н. О напряженном состоянии рамы с Х-образными опорами [Текст] / Л.А. Лунёв, С.Н. Нужный // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения: материалы международных академических чтений / редкол.: С.И. Меркулов (отв. ред.) [и др.]. - Курск: КГУ, 2010. - С. 71-74.

Ю.Нужный, С.Н. О расчете напряженно-деформированного состояния каркаса рамно-балочного типа с Х-образными опорами [Текст] / Л.А. Лунёв, С.Н. Нужный // Сборник научных и научно-методических докладов международной научно-практической

конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов. - Ст. Оскол: СТИ НИТУ «МИСиС», 2010. - Т.2. - С. 24-26.

11.Нужный, С.Н. О деформационном расчете каркаса рамно-балочного типа с Х-образными опорами с горизонтальными соединениями в их вершинах [Текст] / Л.А. Лунёв, С.Н. Нужный // Сборник материалов XII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии». - Тула: ТулГУ, 2011. - С. 36-38.

12.Нужный, С.Н. Моделирование шарнирной рамной конструкции с Х-образными опорами [Текст] / Л.А. Лунёв, С.Н. Нужный // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения: материалы международных академических чтений / редкол.: С.Н. Меркулов (отв. ред.) [и др.]. - Курск: КГУ, 2011.-С. 104-109.

13.Нужный, С.Н. Напряженное состояние рамной конструкции с Х-образными опорами, имеющими балочные консоли [Текст] / Л.А. Лунёв, С.Н. Нужный // Сборник научных и научно-методических докладов международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов. - Ст. Оскол: СТИ НИТУ «МИСиС», 2011. - С. 53-56.

Автор выражает большую признательность д.т.н., проф. А.Г. Юрьеву за ценные советы и помощь в подготовке и выполнении исследований.

НУЖНЫЙ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ОДНОПРОЛЕТНЫХ ОДНОЭТАЖНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАМ ПО ТОПОЛОГИИ И ГЕОМЕТРИИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать Ш0.13. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1,3 Усл. печ. л. 1,2.

Тираж 100 экз. Заказ № ЗВ2. .

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова.

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

На правах рукописи

04201365858

Нужный Сергей Николаевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ОДНОПРОЛЕТНЫХ ОДНОЭТАЖНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАМ ПО ТОПОЛОГИИ И ГЕОМЕТРИИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Л.А.Лунёв

Старый Оскол - 2013 г

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛЕГКИХ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 9

1.1. Область применения 10

1.2. Рамные конструкции в промышленном и гражданском строительстве 11

1.2.1. Сплошностенчатые рамные конструкции 13

1.2.2. Рамно-балочные конструкции 19

1.2.3. Рамные конструкции с Х-образными системами 20

1.2.4. Решетчатые рамные конструкции 22

1.3. Классификация облегченных рамных конструкций 24

1.4. Способы компоновки узлов рамы 25

1.5. Методы усиления рамных конструкций путем изменения

их конструктивной схемы 32

1.6. Другие варианты применения Х-образных систем 35

1.7. Постановка цели и задач исследования 37

2. ОПТИМИЗАЦИЯ ОДНОПРОЛЕТНЫХ ОДНОЭТАЖНЫХ РАМ

ПО ТОПОЛОГИИ И ГЕОМЕТРИИ 39

2.1. Условия функционирования конструкций и нагрузки 39

2.2. Основы топологии и критерий оптимизации 41

2.3. Варианты рамных конструкций с Х-образными системами 45

2.4. Пример оптимизации топологии и геометрии рам 50 Выводы 56

3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ИССЛЕДОВАНИЯХ РАМ СО СЛОЖНОЙ ТОПОЛОГИЕЙ 57

3.1. Анализ методов расчета рамных конструкций 57

3.2. Рама с Х-образными системами и неразрезным ригелем 58

3.3. Рама с Х-образными системами, имеющие консоли, и неразрезным ригелем 63

3.4. Преимущества новых топологических решений 66

3.5. Определение материалоемкости рам с Х-образными системами 80

3.6. Оценка устойчивости рам с Х-образными системами 83

3.7. Влияние начальных несовершенств в металлических конструкциях 91

Выводы 92 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИСЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛИ РАМЫ

С Х-ОБРАЗНЫМИ СИСТЕМАМИ 94

4.1. Моделирование рамы с Х-образными системами 94

4.2. Обработка результатов эксперимента и оценка точности измерений 104

Выводы 116

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 117

Список использованной литературы 119

Приложение I. Патент на полезную модель РФ. 134

Приложение II. Определение материалоемкости исследуемых рам 138

Приложение III. Вес и потенциальная энергия деформации рам 151

Приложение IV. Документы внедрения 200

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В связи с большой популярностью легких рамных конструкций при строительстве промышленных, сельскохозяйственных и гражданских зданий возникает необходимость в поиске новых более выгодных с экономической точки зрения такого рода конструкций.

В решении задачи повышения эффективности строительства большое значение имеет снижение массы строительных конструкций. Уменьшение массы материалов на потребительскую единицу конструкции позволяет снизить затраты по их перевозке, уменьшить мощность монтажных и транспортных средств, укрупнить строительные конструкции и в конечном счете снизить трудоемкость и стоимость строительства.

С каждым годом возрастают требования к конструкциям, несущим нагрузки. Расчетные снеговые нагрузки в новых нормативных документах значительно превышают прежние величины. В связи с этим также возникает необходимость в рациональном усилении и реконструкции рамных конструкций, построенных по старым нормам.

Рамные конструкции можно выполнять как из дерева (преимущественно для районов севера), так и из металла. Технические возможности металлических конструкций позволяют применять их практически во всех районах страны, включая труднодоступные районы. Скорость и простота выполнения монтажных работ легких металлических конструкций на порядок выше, чем при использовании деревянных конструкций.

В связи с этим целью настоящей работы является развитие способов оптимизации однопролетных одноэтажных металлических рам по топологии и геометрии, а также методик определения напряженно-деформированного состояния такого рода рам со сложной топологией.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - разработка новых конструктивных решений легких однопролетных одноэтажных рам;

- постановка и решение задачи оптимизации топологии и геометрии однопролетных одноэтажных рам;

разработка методики расчета рамных конструкций со сложной топологией;

- экспериментальные исследования деформативности модели рамных конструкций рассматриваемого типа;

- исследования по определению материалоемкости и устойчивости легких рамных конструкций.

Научную новизну работы составляют:

вариационные постановки задач оптимизации однопролетных одноэтажных металлических рам по топологии и геометрии на основе энергетического критерия;

- матричный метод расчета рам со сложной топологией и упруго-податливыми связями;

- экспериментальные данные об особенностях деформирования рамной конструкции с оптимальной топологией;

функциональные зависимости и графическая интерпретация приведенной материалоемкости легких рамных конструкций.

Достоверность научных исследований базируется на использовании общепринятых положений сопротивления материалов, строительной механики, результатах многовариантных численных исследований автора и подтверждается соответствием результатов теоретических выводов экспериментальным данным, касающихся конструкций рам с оптимальной топологией и геометрией.

Практическое значение работы. Разработанные новые конструктивные решения легких рамных конструкций (патент на полезную модель РФ №92038) рекомендуется использовать при строительстве и реконструкции (усилении) отапливаемых зданий предприятий машиностроения, приборостроения, легкой, пищевой, радиоэлектронной,

деревообрабатывающей промышленности, сельскохозяйственных зданий,

зданий технического обслуживания автотранспорта, зданий компрессорных, производственно-отопительных котельных, других зданий различного назначения: физкультурно-оздоровительных комплексов, предприятий общественного питания быстрого обслуживания, выставочных и рыночных павильонов, кафе и др., а также при проектировании, строительстве, усилении и реконструкции эстакад трубопроводов, надземных пешеходных переходов, мостов и т.д.

Внедрение результатов исследований. Результаты работы и практические рекомендации использованы в проектных институтах: муниципальном автономном учреждении «Научно-техническое архитектурное бюро» и ЗАО «Осколгипропром» (г. Старый Оскол).

Методика компоновки и расчета легкой рамной конструкции, а также ее экспериментальная модель используются в учебном процессе по специальности "Промышленное и гражданское строительство" в Старооскольском технологическом институте им. A.A. Угарова (филиала) НИТУ «МИСиС».

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались

на:

- Международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов "Образование, наука, производство и управление" (г. Старый Оскол, 2009, 2010 и 2011гг.);

- 9-й Международной научно-технической конференции (г. Пенза, 2009г.);

- 6-й региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов (г. Старый Оскол, 2010г.);

- 11-й и 12-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2010 и 2011г.);

- Международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (г. Курск, 2010 и 2011гг.).

- заседании секции "Проектирование строительных металлических конструкций" Научно-технического Совета ЗАО "ЦНИИПСК им. Мельникова" (Москва, 2013г.).

В полном объеме работа доложена на расширенном заседании кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Старооскольского технологического института им. А.А. Угарова (филиала) НИТУ «МИСиС» (сентябрь 2013г.) и на расширенном заседании кафедры «Промышленное и гражданское строительство» Белгородского технологического университета им. В.Г. Шухова (сентябрь 2013г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК, получен патент Российской Федерации на полезную модель.

На защиту выносятся:

новые конструктивные решения однопролетных одноэтажных металлических рам с оптимальными топологией и геометрией;

- вариационная постановка задач оптимального проектирования рамных конструкций;

- матричный метод расчета рам со сложной топологией и упруго-податливыми связями;

- результаты экспериментов, касающиеся напряженно-деформированного состояния и устойчивости рам с оптимальной топологией;

- результаты исследований по приведенной материалоемкости рамных конструкций.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 203 страницах, включающих 66 таблиц, 110 рисунков, список литературы из 143 наименований и четыре приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы, сформулированы цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна работы, достоверность экспериментальных и теоретических исследований, практическая ценность, упомянута апробация работы, показаны структура и объем диссертации, количество публикаций по работе.

В первой главе изложен анализ современного состояния экспериментальных и теоретических исследований рамных конструкций, применяемых в инженерных сооружениях. Приведен обзор существующих методов усиления рамных конструкций путем изменения их конструктивной схемы.

Вторая глава посвящена постановке и решению задачи оптимизации однопролетных одноэтажных рам по топологии и геометрии. Показано преимущество нового типа рам с Х-образными системами перед традиционными типами в отношении деформативности и материалоемкости.

В третьей главе предложена методика определения напряженно-деформированного состояния рам рассматриваемого типа со сложной топологией и сопоставление его с характеристиками для традиционных решений. Выявлены закономерности материалоемкости рассматриваемого типа рам и предложены ее критерии. Определена критическая сила для вертикальных стоек оптимальной конструкции.

В четвертой главе описаны методика и результаты экспериментальных исследований, проведенных с моделью легкой рамной конструкции.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛЕГКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В настоящее время для всех развитых стран мира одним из ведущих направлений эффективного строительства является применение легких металлических конструкций в зданиях промышленного, гражданского, сельскохозяйственного и иного назначения.

«В мировой практике легкие металлические конструкции составляют до 50 % общего объема строительства зданий промышленного и общественного назначения. В России и странах СНГ объем строительства зданий из этого вида конструкций оценивается не более 20 % общего объема строительства» [49].

«Четкого общепризнанного определения (и тем более с конкретными показателями качества) понятия «легкие металлические конструкции» в литературе нет. Просматривается лишь тенденция включить в это понятие набор качеств, отражающих высшие достижения отрасли в определенный временной период. Так в [95], в качестве характерных черт легких металлических конструкций названы: малая металлоемкость; существенная, но в разумных пределах типизация и унификация; стабильность номенклатуры в течение достаточно длительного времени; высокая технологичность и приспособленность для изготовления на поточных автоматизированных линиях, для транспортировки, а также для конвейерно-блочных и других скоростных методов монтажа; высокая степень заводской готовности; возможность комплексной поставки целых зданий-модулей и их несущих конструкций; благоприятные экспортные возможности.

Снижение металлоемкости зданий из легких металлических конструкций достигается за счет новых конструктивных форм, профилей (трубчатых, широкополочных тавровых, тонкостенных, гнутых и гнутосварных из низколегированной повышенной прочности тонколистовой

стали, перфорированных, гофрированных и др.), тонколистового проката, эффективных материалов для несущих и ограждающих конструкций (высокопрочных сталей, алюминиевых сплавов, профилированного листа, утеплителя)»[23].

Вопросами проектирования, сооружения и эксплуатации легких рамных конструкций посвящены работы ученых: В.И. Трофимова, A.M. Каминского, И.И. Ищенко, Е.Г. Кутухина, В.М. Спиридонова, Ю.Н. Хромец, И.С. Тришевского, В.В. Клепанды, М.М. Сахновского, Н.С. Москалева, М.Д. Корчака, J1.E. Дрозябко, Я. Брудка, М. Лубиньски и др. [12, 22, 35, 37, 54,55, 74, 103, 112, 113].

1.1 Область применения

«Легкие металлические конструкции рекомендуются для применения при проектировании и строительстве отапливаемых зданий предприятий машиностроения, приборостроения, легкой, пищевой, мясомолочной, радиоэлектронной, деревообрабатывающей промышленности,

сельскохозяйственных зданий, зданий технического обслуживания автотранспорта и сельскохозяйственных машин, зданий компрессорных, производственно-отопительных котельных, других зданий различного назначения: физкультурно-оздоровительных комплексов, предприятий общественного питания быстрого обслуживания, выставочных и рыночных павильонов, кафе и др. Технические возможности легких металлических конструкций позволяют применять их практически во всех районах страны, включая труднодоступные районы» [49].

Преимуществами легких металлических конструкций также являются возможность их применения в сейсмических районах [100, 102] и работа применяемой стали за пределом упругой стадии [56]. В тоже время следует отметить, что в основном расчет идет в упругой стадии, а возможные пластические напряжения идут в запас прочности.

1.2 Рамные конструкции в промышленном и гражданском

строительстве

«В США, Англии, Франции, Голландии и других промышленно-развитых странах основная конструктивная форма каркасов одноэтажных производственных зданий из ЛМК высотой до 12 м и пролетами до 30 м -рамная. Эта конструктивная форма обладает малыми показателями расхода стали благодаря оптимальному распределению материалов в раме» [23].

Для этих зданий характерны большие размеры в плане (до 100 тыс. м ), плоские бесфонарные покрытия, подвеска инженерных и технологических коммуникаций к несущим конструкциям покрытия, ограниченное применение мостовых кранов и широкое использование напольных транспортных средств. К особенностям их проектирования следует отнести большую повторяемость конструктивных элементов, унификацию узлов и соединений, технологичность конструкций, снижающую трудоемкость их изготовления, использование эффективных профилей.

Системы несущих каркасов для легких одноэтажных производственных зданий можно разделить на три основные группы: 1) сплошностенчатые рамные системы жестко (рис. 1.1) или шарнирно (рис. 1.2) соединенные с фундаментами; 2) сплошностенчатые системы рамно-балочного типа (рис. 1.3); 3) решетчатые рамные системы [46, 62] (рис. 1.4).

/

Рис. 1.1. Сплошностенчатая П-образная рамная система жестко соединенная с

фундаментами

/7Т&777

Рис. 1.2. Сплошностенчатая П-образная рамная система шарнирно соединенная с

фундаментами

Ч /

77777

77777

77777

Рис. 1.3. Сплошностенчатая система рамно-балочного типа

Рис. 1.4. Решетчатая рамная система

1.2.1 Сплошностенчатые рамные конструкции

Сплошностенчатые рамные конструкции делятся на три основных вида.

1. Рамы из перфорированных двутавров. Создание балок с перфорированной стенкой [29, 57], образуемых из прокатных заготовок путем роспуска стенки по ломанной линии с последующей сборкой и сваркой образованных тавров (см. п. 5.9 [45]), позволило применить этот подход и в рамных конструкциях. Отличительной особенностью рамной конструкции, в которой ригель жестко соединен со стойками, является перераспределение части пролетного момента на карнизный узел. При этом оптимальной будет конструкция, у которой значения карнизного и пролетного моментов равны или, по крайней мере, близки между собой.

«Экономичность перфорированных двутавров предопределяется тем, что высота их до 1,5 раз больше высоты исходного двутавра. В зарубежной практике применяются сквозные двутавры еще большей высоты, которая достигается раздвижкой разрезанных по зигзагу частей двутавров и вставкой между ними плоских прямоугольных планок. Такие двутавры имеют восьмиугольные отверстия в стенке» [29].

«Увеличение высоты перфорированного двутавра по сравнению с исходным профилем, а также перераспределение части пролетного момента в карнизные узлы позволяет использовать сравнительно небольшие прокатные профили для перекрытия пролетов