автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Пути повышения эффективности металлических безраскосных ферм

КСШССЖИчЖ! ОРДЕРА ТРУДОВОГО 1срасн0п) ЗНАМЙМ-' гажерпо^/ггситанш шстктут им. §.в.куйшша

На правах рукописи

^Г^езеютъ Андрей Александрович

уж 624.014.072.336.32:624.046;539.4

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ эхжшшоста 13тш1иесш ЕЕЗРЛСКОСШИ СгГМ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания н сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ¡ОК, (; к1.'1 л ¡¡с к Ю О

Работа выполнена на кафедре металлических конструкций Новосибирского ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительного института им. В.В.Куйбышева

Научный руководитель -Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие -

доктор технических наук, профессор В.В.Бирюлёв

доктор технических наук, профессор Г.И.Белый

кандидат технических наук, ст. науч. сотр. Э.К.Кеббель

Казахское отделение ЩИИпро ектотальконструкция Госстроя СССР

Защита диссертации состоятся "23 " октября 19Э0 г. в 15 часов в ауд. 406 на заседании специализированного совета К.064.04.01 при Новосибирском инженерно-строительном институте им. В.В.КуЙбшвва тго адресу: 630008, г.Новосибирск-8, ул. Ленинградская, 113, -НИСИ ш. В.В.Куйбышева, учебный корпус

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИСИ им. В.В.Куйбышева

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печа-ъю, просим направлять в адрес специализированного совета

Автореферат разослан сентября 1990 г.

Учений секретарь

специализированного совета

канд. техн. наук, доцент Й.У.Гехш;:

ОЩАЯ ХАРАКТетстКА РАЮШ

Актуальность темы. Современный этап развития строительной индустрии характереэуется совершенотвованием металлических конструкций, которое направлено на повышение служебных качеств, снижение металлоемкости, трудоемкости и стоимости изготовления и монтаяа.

В некоторых областях промышленного и гражданского строительства с успехом применяются металлические безраскосные фер-лы. В основном они используются когда в пределах мелщуэтаяннх терекрытиД или покрытий необходимо разместить крупногабаритно шшенерные коммуникации: различные технологические трубо-трогоды, вентиляционные короба, воздуховоды системы кондпци-шированпя воздуха и т.п. Другой областью применения безраскос-шх ферм является организация технических этажей, потребность з которых часто возникает как в промышленных, так и в гралцан-

зданиях. Таким образом, применение б93раскосных ферл оправдано, когда в "Наиболее полной мера используется их неотъем-ю'.тоэ свойство, связанное с возможностью предоставить для [у.тд технологических или иных процессов, протекавших в зда-ши или сооружении, больших не затенённых раскосами пространств ¡езду поясами.

В последние годы в связи с тенденцией увеличения доли иогоэта-кных производственных зданий с укрупненной сеткой элонн (12x6, 12x12, 18x6 м) и размещением в них современных :аукоемких производств с часто меняющейся технологией и тре-¡уицях весьма развитых сетей различных производственных трубопроводов, систем вентиляции и кондиционирования воздуха, ¡азмещения вспомогательного оборудования в технических эта-ех, все чаще появляется необходимость в применение в качес-'бз балочных систем металлических безраскоскых ферм с параллельными поясами, в наибольшей степени удовлетворяющих этим

'СЛОЕИЯМ.

Однако, активное распространение таких конструкций одаривается повышенным расходом металла. Вместе с тем, возмож-:эсти экономии металла в них еще далеко не исчерпаны. Дан-:ая работа направлена на снижение металлоемкости безраскосых ферм. Консультации по отдельным вопроса/.! расчета даны .т.н. доцентом З.Г.Себешевым.

. Целью работ:,! является повышение .эффективности металлических бозраскосных ферм с параллельными поясами путей оптимизации их геометрических параметров и более полного использования резервов несущей способности за пределами упругой работ. При атом поставлены следующие основные задачи:

1. Подтвердить целесообразность применения безраскосных ферм в случаях необходимости размещения крупногабаритных коммуникаций в пределах покрытий и перекрытий.

2, Оптимизировать геометрические параметры безраскосных ферм с заданной топологией.

2. Разработать инженерную методику определения усилий в безраскосных фермах в пределах упругой работы.

4. Разработать методику определения предельной несущей способности по прочности безраскосных ферм с учетом пластических свойств материала.

5. Экспериментально исследовать работу безраскосных ферм. Еиявить их фактическую несущую способность и особенности наступления предельного состояния.

Кроме того, в связи с тем, что на нсфте- и газопромыслах •Западной Сибири скопилось большое количество некондиционных труб нефтяного сортамента, которые уже не могут быть применены до прямому назначению и кнут использования на местах, в том числе в строительстве, в число задач включена следующая:

6. Разработать несущие конструкции покрытия в виде безраскосных ферм с поясами из некондиционных труб нефтяного сортамента на пролеты 9...18 м и экспериментально проверить их работоспособность.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- получены оптимальные при заданной топологии геометрические параметры (высота, распределение изгибных яесткостей элементов) металлических безраскосных ферм пролетом 12 и 18 м из прокатных двутавров;

- разработана методика приближенного определения усилий в без раскосных фермах щ... -сл.; матричном нагружении;

- разработана методика определения предельной несущей способности по прочности металлических безраскосных ферм на основе критерия образования шарниров пластичности;

- получены результаты экспериментальных исследований крупномасштабных моделей стальных безраскосных ферм;

- разработана конструкция безраскосной ферш с поясами из некондиционных труб нефтянохчэ сортамента для применения в покрытиях каркасов вспомогательных производственных зданий, возводимых в отд&ченных и труднодоступных районах нефте- и газопр'омыслов Западной Сибири. Получены результату испытаний таких конструкций.

Практическая ценность работа. Разработаны инженерная методика вычисления усилий в безраскосных фермах и методика определения предельной несущей способности таких конструкций, реализованная в виде программы для ЭВМ, применимые к непосредственно?,^ использованию в проектировании. Даш рекомендации по рацио нальногу назначению основных геометрических параметров ферм. Разработана несущая конструкция покрытия на пролеты 9...18 м для применения в каркасах вспомогательных производственных зданий, возводимых в отдаленных и труднодоступных районах нефто- и газопромыслов Западной Сибири, в которых в качестве поясов используются тлеющиеся в этих районах негодные к применению по прямому назначению трубы.

Внедрение результатов. Программа расчета на ЭВМ для определения предельной несущей способности металлических безраскосных ферм передана и используемся при проектировании в институте "Новосибирский Промстройпроект'.' Проектные разработки несущей конструкции в виде безраскосной фермы с поясами из некондиционных труб нефтяного сортаглента приняты трестом "Тюменгазоргтехстрой", ПО "Ямбурггаздобыча", трестом "Ямбург-стройгаздобыча" для применения при строительстве вспомогательных производственных зданий на промыслах Западной Сибири.

Аггробячия работы. Основные положения работы доложены и обсуждены:

- на 45...47 научно-технических конференциях ВИСИ им. В.В.Куйбыиева, Новосибирск, 1988...1990 гг;

- на научно-технической конференции "Строительные конструкции в экстремальных условиях эксплуатации" Иркутск, 1990г.

Полностью работа доложена на заседании кафедры металлических конструкций Ш'СИ им. В.В.Куйбышева, 1990 г.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений.

Содержание работы изложено на :,;47 страницах, в том числе 134 страницы основного текста, 75 рисунков, 16 таблиц, список

литературы из 135 наименований, 4 приложения.

СОДЕРКАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается необходимость проведения исследований металлических безраскосных ферм с целью повышение их эффективности.

В первой главе приведены характеристика, примори приме* ния и конструктивных решений металлических безраскосных фер:1 Дан краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований.

Проанализированы положительные качества таких конструкций, среди которых необходимо отметить достаточное постоянс: суммарных усилий в поясах от изгибающего момента и осевой ci лы, что позволяет наиболее полно использовать постоянное се1 ние пояса по всей длине фермы, сравнительно малое количеств! элементов в конструкции, простота решения узлов, низкая трудоемкость изготовления. Отмечены недостатки, главным из кот< рых является несколько повышенный расход металла.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями безраскосных ферм в разное время занимались А.П.Березин, Б.Г.Г леркин, Е.В.Горохов, M.M.Ibxöepr, В.Н.Демокритов, В.М.Клыко: А.Ф.Кочетков, Я.М.Лихтарников, Н.А.Нинуа, Г.П.Передерий, А.А.Прихожан, В.В.Пясецкий, II.С.Стрелецкий, В.В.Хололцэв, А.А.Чирас, Г.А.Шапиро, В.Н.Юшкевич и другие. Из зарубежных исследователей следует отметить таких как Ф.Елейх, Ф.Брэйдк Ф.П.Вислингер, Г.Гарфинкель, Дж.Карни, Р.М.Корол, Е.Лайтфут Р.Редвуд, Г.-Ю. Симоне, А.Шехата, С.Шриваотава и другие.

Основное внимание исследователей сосредотачивалось на вопросах упругого расчета безраскосных ферм с различной reo метрией. Практически отсутствуют исследования таких констру ций в упругопластической стадии работы. Выполненные кселедо ния по оптимизации безраскосных ферм малочисленны и ке могу в достаточной степени удовлетворить запросы проектирования.

Во втотюй главе проведено сравнение по различным показ телям металлических безраскосных ферм с другими конструкция при размещении в пределах перекрытия или покрытия инженерны коммуникаций. Излоаен алгоритм поиска оптимальных геометрических параметров металлических безраскосных форл при задан

ной топологии и приведены результаты оптимизации.

Выполненное сравнение безраскосных> ферм с балками с перфорированной стенкой и фермами с треугольной решеткой и дополнительными стойками показывает, что при одинаковой высоте они позволяют прокладывать воздуховоды, площадь сечения которых в 1,4...1,8 раза больше, чем другие конструкции. Выявлены габариты коммуникаций (по высоте), при которых (при пролетах 12 м) безраскосные фермы имеют меньшую массу, чем составные двутавровые балки с отверстием в стенке и балки с перфорированной стенкой.

Расчетами показано, что при определенных обстоятельствах безраскосные фермы экономически выгоднее других конструкций. Например, в покрытии пролетом 18 м при размещении в его пределах воздуховодов средних размеров (1200x1600 мм) и узловой нагрузке 48,3 кН заводская стоимость бвзраскосных ферм на 17...32^ ниже, чем составных двутавровых балок и на 5...1% ниже, чем традиционных ферм с поясами из тавров (при меньшей высоте покрытия). Их эффективность возрастает с увеличением размеров ..оммуникаций и снижением уровня нагрузки.

С целью оптимизации геометрических параметров рассмотрены безраскоснне фермы пролетом 12 и 18 м из прокатных двутавров (рис.1). Задача состоит в отыскании наиболее рациональных значений варьируемых параметров: высоты фермы ( Ь), расположения второй стойки Ы» ) и размеров сечений поясов и стоек, при которых конструкция обладает наименьшей массой.

Формируемая математическая модель нелинейна ввиду нелинейности ограничений и зависимостей параметров состояния от ■ варьируемых параметров. Оптимизационная задача сформулирована как задача нелинейного математического программирования в вцде:

найти ГП1п|(Х) (I) при ^(рД)=0 (2), (з),

, 1-1.....т (4),

где ^ - целевая функция, X - вектор варьируемых параметров размерности ГП , Р - вектор параметров состояния.

Целевая функция представляет массу фермы, которая складывается из массы поясов, стоек и ребер в поясных двутаврах,и записана в виде

хдо р — плотность стали; ^ - площадь сечения поясов; ^с- коэффацкент, учитывающий действительную длину стоек, кото раямввмш п на высоту сечения пояса; Пе. - количество стоек; - условная длина ребра жесткости в поясном двутавре; ^ - строительный коэффициент.

Ограничения-равенства (2) описывают уравнения состояния фермы (условияравновесии узлов, неразрывности деформаций). Ограничавкя-неравенства (3) представляют собой проверки, регламентированные СНяП по прочности, устойчивости, предельной гибкости: стержней, а также по прогибу ферш. При решении задачи допускалось непрерывное изменение размеров сечений стер дней. Для любого значения , принятого за основную характеристик сечения, с помощью линейных сплайнов определялись другие необходимые характеристики. После получения результата сеченая влементов корректировались в соответствии с сортаментом.

Зависимости параметров состояния (усилий в стержнях и прогибов) от варьируемых параметров определены в явном виде. С этой целью в области Зьы.* ^¡¿Хи** генерировались пробные точке X . В них производился статический расчет фери. Для ферм пролетом 18 -м выполнен 91 расчет, для ферм пролетом 12 м - 40 расчетов. По полученным значениям усилий и прогибов методом наименьших квадратов построены аппроксимирующие зависимости значений этих параметров от значений варьируемых параметров. При этом использовались линейные, квадратичные, дробно-рациональные (первого и второго порядка) функции. За аппроксимирующую выбиралась функция, обеспечивающая наименьшую погрешность. Средние относительные погрешности при аппроксимации в ферме пролетом 12 м находились в пределах 0,9.. .3,6%; в ферме пролетом 18 м - 1,1...6,6%.

В результате математическая модель задачи записана в виде

найти ГП1п|-(Х) (6) при где р*(х)*р(х).

Сформулированная задача решалась с по"опз>;о .метода по.фиаюгэ

внешнего штрафа в сочетании о методом деформируемого многогранника Неддера-Мида.

При реализации изложенного алгоритма использовались программные модули, входящие в комплекс программ расчета и оптимизации конструкций "ГИОСК", разработанный на кафедре строительной механики НИСИ. Расчеты выполнялись на ЭВМ EC-I045.

Оптимизация проведена при расчетном сопротивлении стали Rj= 240 и 335 МПа. Фермы пролетом 12 м оптимизировались при нагрузке F = 50 кН (16,7 иН/fc), 100 кН (33,3 кН/м) и 150 кН (50 кН/м) ; пролетом 18 и - при F » 50 и 100 кИ.

По результатам выполненных расчетов состроены графики зависимости массы конструкции от ее высоты для каждой интенсивности нагрузки и Ry про оптимальных сечениях элементов и значениях сЦ , по которым определены интервалы оптимальных высот. Отмечено, что они несколько возрастают при увеличении нагрузки. Для ферм пролетом 12 и они составляют I/II...I/7Í ; продетом 18 м - (ббльшие значения соответству-

ют более высоким уровням нагрузки). Также построены зависимости, определяющие оптимальные распределения изгибннх жестко-стей элементов в ферме при различных F и ^ как в областях оптимальных высот, так и за их пределами.

В заключении на основании полученных результатов даны рекомендации по рациональному назначению основных геометрических параметров таких конструкций при проектировании.

В третьей главе изложена инженерная, методика определения усилий в безраскосных фермах. Она позволяет сократить затраты машинного времени по сравнению с применением метода КЗ, использовать ЭВМ малого класса, в частности персональные. Она применима для ручного счета.

Рассматриваются симметричные свободно опертые безраскосные фермы с параллельными поясами одинакового сечения, произвольными длинами панелей и жесткостями стоек, нагруженные симметричной узловой нагрузкой.

Определение изгибающих моментов в поясах сводится к нахождению в каждой панели расположения нулевой моментной точки (НМТ) - точки, в которой М* = 0. С этой целью из ферм поочередно начиная с первой вырезаются отдельные пачели с частью поясов (до НМТ) соседних панелей. Положение НМТ в поясе выделенной I -й панели определяется как расстояние до нее от

б

лоеой (в пределах панели) стойки Ск = «С* 1 ( ¿ц - длина панели). Коэффициент Л | определяется как^ отноиение изгиба-ецого момента в поясе у левой стойки М;,^ к общему моменту в поясе ©пределах панели ? = О.;,« : оС; = М-^/М;^.

вычисляется в результате расчета выделенного фрагмента I -й панели методом сил с учетом действия в стержнях изгибающих моментов, осевых и поперечных сил. При этом учитывается, что нулевые моментные точки в стойках располагаются в сере-' дине.

При рассмотрении I -й панели положение HI.1T в 1-1 панели известно из предыдущего расчета. Положением ЮТ в 1+1 панели необходимо предварительно задаться. Для этого проведен статистический анализ более 230 выполненных на ЭЕЫ по МКЭ расчетов безраскосных ферм, имеющих от 7 до 10 панелей с варьированием основных геометрических параметров. Выявлены общие закономерности расположения ЮТ в поясах в зависимости от положения панели и количества панелей в ферме. На основе обработки полученных данных составлена таблица, по которой предварительно назначается положение НМТ в поясе 1+1 панели, расположенной справа от выделенной.

Полученные в результате поочередного рассмотрения панелей выражения для коэффициентов <£ однотипны. Они обобщены формулой

^ иВ-С;^;----(9)

где слагаемые А;, В. (С;, , 2;,Т 1 представляют собой выражения,, зависящие от геометрических параметров ферм и характера распределения нагрузки. 1Д-», - геометрическая характеристика 1+1-й стойки. Для панелей, примыкающих к оси симметрии фермы имеющих свои особенности, как при четном, так и при нечетном количестве панелей в конструкции, ташке получены формулы для определения X.

После вычисления коэффициентов оС для каждой панели становится известно положение НМТ в поясах и, следовательно, изгибающие моменты в них. Зная их распределение, остальные усилия в стержнях, фермы определяются по общепринятым правилам строительной механики. ■ .'.:

На основе метода расчета до этапам? с постепенно понижа-

ющейся степенью статической неопределимости системы при обра- ■ эовании шарниров пластичности, становление которого связано с именами А.А.Гвоздева и Н.С.Стрелецкого, разработана методика определения предельной несущей способности металлических без-раскоеннх ферм.

Рассматриваются свободно опертые фермы.о параллельными поясами, произвольными длинами панелей и жёсткостями стоек, нагруженные произвольной сист&Ж вертикальных узловых сил. При этом полагается, что: материал фермы следует идеализированной диаграмме Праядтля; сопряжение элементов в узлах г„5-солготно жесткое; линейные перемещайся узлов малы по сравнению с размерами фермы; устойчивой» стержней и конструкции в целом обеспечена; справедлива гипотеза плоских сечений; образование какого варнира пластичности происходит мгновенно, а в промежутках между их образованием ферта работает-упруго; реализуется простое статическое нагружение.

Условие предельного состояния симметричного двутавра, а также других форм сечений стержней, приводимых к двутавру, при действии в сечении М , N и (а в плоскости стенки, записано (по В.Г.Себеяеву) в виде:

если нейтральная ось в пределах стенки

(1оа)

если нейтральная ось в полке

• *+4 м [4 м -1<- т + • ■°' ««*>

та0 г^Ы^/ьС, tvC.bC, о;

- предельные изгибающий момент, продольная и поперечная силы в случае чистого изгиба, растяжения и сдвига соответственно); ула - пластический момент сопротивления сечения; А > А, ( ^ ( , , 'Ь ( - геометрические характеристики сечения; ^ ~ коэффщиенты, зависящие от размеров сечения:

$-а/(2 ^А/и^йхГ).

£ _ коэффициент, зависящий от принятой модели распределения касательных напряжений по сечению.

Расчет начинается о вычисления усилий Не« , Ыц , Q«* в стержнях фермы и црогабов фермы от единичной нагруяки. Затем делением предельных моментов Ми« выряженных «а (10) через и S, на Ми в начале в конце каждого стерта

определяются нагрузочные коэффициенты (К* 3 M«/M«¿), вз которых выбирается наименьший Kf «i« . Он показывает ва сколько необходимо увеличить единичную нагрузку, чтобы в ферме образовался первый шарнир пластичности.

Для вычисления предельных моментов в стержнях Нм необходимо знать соответствующие значения N» в Чм в них, которые еще не определены. Поэтому применен метод последовательных приближений. 5 качестве начального значения предельного момента принят Им. Вычислив нагрузочные коэффициенты во всех стержнях, определяется минимальный из них Кгмм • Затем вычисляются усилия в стержнях

М «Кг*« , N» кг„и Nu, 0 = KfBri. CU* . (II)

По их значениям определяются Мм (отличные от Им), далее находится новый Kfimm , по которому в свою очередь вычисляются N и Q и т.д. Процедура уточнения. Мм и Кг«.* заканчивается когда выполнится условие

I Krw¡» - KF wu, I ¿£Kfwj» , (12)

где - требуемая точность расчета; t - номер итерации. После этого становятся известны: нагрузка, при .которой образуется первый шаршр пластичности в сечении, доя которого нагрузочный коэффициент оказался наименьшим Kr*¡«; все возникающие при атом усилия в стержнях, которые вычисляются по (II), и прогибы ферлы в узлах нижнего пояоа

На втором этапе заданная система модифицируется путем постановки шарнира на место образования первого шарнира пластичности. Производятся упругий расчет измененной системы на единичную нагрузку. Дальнейшая последовательность расчета подобна производимой на первом этапе. Е результате определяется место образования второго шарнира пластичности и соответствующие нагрузка, усилия в стержнях и прогибы. Прл этом учитывается, что в ферме уже имеются накопленные усилия и прогиба. Нагрузка, при которой образуется второй шарнир пла-

стжчности, складывается из достигнутой на первом этапе и дополнительной, характеризующей второй этап.

Следует заметить, что при увеличении нагрузка па втором »тале возрастают осевые и поперечные усилия в сечении, где образовался первый шарнир пластичности, и равновесие в нем вадотваетоя. Чтобы исключить перёнапрязение этого сечения, в нем прикладывается дополнительный противоположно направленный момент такой величины, чтобы снова уравновесить сечение, и производится расчет системы с двумя шарнирами на ого воздей-. ствие. Вычисленные дрполнительнна усилия складываются о полученными ранее для второго этапа. Расчеты показали, что влияние дополнительных К и $ на предельное равновесие сеченая во вторым шарниром пластичности зеоьма незначительно (менее 0,62) я его пересчета не требуется. Таким образом, определены все необходимые параметры фермы при образовании второго . парпира пластичности.

Подобный расчет с постановкой очередного шарнира повторяется до' тех пор, пока в ферме не образуется механизм.

Изложенный расчет реализован в разработанной автором программе в результате работы программы определяют-

зя: последовательность образования шарниров пластичности; по-гсжение каждого из них я значение нагрузки, при которой он )бразуется; значения усилий в стержнях в момент появления »черепного шарнира пластичности; окончательное распределение мрниров и предельная нагрузка, при которой в ферме реализуйся механизм. По программе " рассчитаны модели без-заскгсных ферм (см. гл.4). При этом исследовано влияние попе-мчных сил в стержнях на предельную нагрузку. Поу.азано, что <х неучет йриэодит к превышению предельной нагрузки в некоторых случаях до 15,5$.

В конце главы приведен общий порядок расчета безрасяос-1ых ферм.

В четвертая главе представлены результаты экспоримен-'алышх исследований работы безраскосных ферм на крушюмас-[табша. моделях .•

. Пролет модетсй, имеющих шесть панелей одинаковой длины, оставлял 3,6 м..Пояса выполнены из "токатного двутавра И 12. ля изучения слияния изменения геометрических J!apaí.Ieтpoв ферм а их несущую способность пепинуись тдели разной высота

с различными изгибными кесзкостями стоек. Модели группы А имели высоту по осям поясов 290 мм (1/12£ ), Б - 360 (1/10 £), В - 450 (1/8 £ ). Стойки выполнялись трех типов: I тип - из двутавра # 12 ( Л « 350 см4), 2 тип - стойки прямоугольного сечения 90 х 32 мм ( 3 а 194 см4), 3 тип - 90 х 20 км ( 3 в 122 см4). Всего испытано II моделей.

Испытания проводились в специально изготовленной установке. Загруженпе осуществлялось в узлах верхнего пояса с одина-' ковым усилием пять» гидравлическими домкратами ДГ-10.

». Результаты тензометрирования показали, что разработанная инженерная методика расчета безраскосных ферм в упругой стадии работы с достаточной достоверностью отражает их действительную работу. Испытательные коэффициенты, представляющие -отношение фактической нагрузки, вызывающей напряжения 6т в наиболее наттт.-аенном сечении конструкции, к вычисленной с по-мощью'данной методики, для испытанных моделей находится в пределах 0,88...1,08.

■Исчерпание несущей способности моделей происходило вследствие развития обширных зон пластических деформаций, что приводило к интенсивному росту прогибов при стабилизации нагрузки при непрершной подаче масла в домкраты. Испытания моделей'безраскосных ферм показали, что они обладают большими запасай несущей способности после исчерпания упругой работы. Отношения предельной нагрузки к нагрузке, соответствующей окончанию упругой работы, составляли 1,31...1,78.

Подтверждена справедливость основных предпосылок и достоверность разработанной методики определения предельной несущей способности безраскосных ферм. Отношения экспериментальной предельной нагрузки к теоретической, вычисленной по программе находятся в интервала 1,01, ..1,25 (в среднем .1,11). Полученные по методике значения предельной нагрузки превосходят значения расчетных нагрузок, определенных по СНиП (с учетом ограниченных пластических деформаций), до 17% (в среднем на 12,5,?). ' •

Экспериментально показаны закономерности изменения нагрузки, соответствуют,ей исчерпанию упругой работы и предельной несущей способности моделей, в связи с изменением иэгиб-ной жесткости стоек в зависимости от высоты конструкции. Установлено, что при высоте Ь = 1/10 С и постоянном отношении

длины панели к высота d /и =1,67 наиболее рациональными являются стойки, для которых коэффициент У « ЕЛ*/ЕОс находится в пределах 1,2...2. При Ц = 1/8? и Л /Vi = 1,33 У = 1,0...1,8.

Действительные прогибы испытанных моделей при нагрузке, составляющей 75$ от расчетной (упругой), находились в пределах 1/327...I/277£ . Прогибы, вычисленные по формуле Мора с учетом изгибающих моментов, осевых и поперечных сил в стер-гаях, достаточно близки к действительным упругая прогибам. Экспериментальные значения составляли 0,86...1,09 от теоретических.

Пятая глада посвящена разработке и исследованию несущих конструкций покрытия с поясами из некондиционных труб нефтя-яого сортамента.

При освоении, новых и обустройстве уже действующих нефтегазоносных месторождений Западной Сибири возникает необходимость строительства там вспомогательных производственных зда-яий (ремонтно-чеханические мастерские, гаражи, склады, навесы оля хранения оборудованияи т.п.) пролетом 9...18 м. Часто Э1!и призваны служить всего несколько лет.

. Непосредственно на местах строительства имеется больше количество некондиционных труб нефтяного сортамента, которые ю тем или иным причинам уже не могут быть применены по пря-лому назначению. Это отчасти бурильные трубы,'отработавшие ресурс; основную же долю составляют обсадные трубы, отбракованные перед спуском в скважину. За годы освоения Тюменских газовых и нефтяных месторождений на их территории скопилось шачительное количество таких труб.

По заключению Госкомцен СССР сбор и вывоз на переплавку таких труб экономически не выгоден. Практическое решение гроблемы заключается в использовании их в других сферах, в :ом числе в строительстве,* в тех же регионах. При этом сни-сзн уровень цен на такие трубы.

Появляется возможность использовать часть некондиционнее труб,-которые имеют незначительные повреждения (но исклзо- -шющие их • применение по прямому назначению), в качестве элементов несущих '-конструкций 'каркасов вспомогательных производ-:твенных зданий в тех районах. Для этих целей пригодны, на-фимер, обсадные труби с Несоответствие?; размеров ГОСТ'/, с

повреждениями резьбы, трубы, у которых при гидроиспытаниях обнаружена негерметичность резьбовых соединений, а также трубы, имеющие незначительные механические повреждения. Безусловно, перед использованием они должны быть освидетельствованы.

Трубы нефтяного сортамента изготавливаются из трудно-свариваемых сталей без гарантии по химическому составу. Технология сварки таких труб на открытом воздухе не разработана (в скваяшда они соединяются с помощью муфт на резьбе). Это исключает применение сварки при соединении труб в разрабатываемых строительных конструкциях. Узловые детали для сопряжения труб поступают на место строительства с завода металлоконструкций. На строительной площадке с их помощью из имеющихся здесь труб собираются и монтируются конструкции каркаса здания.

С учетом изложенных положений по заказу Главтюменгаз-прома и ПО "Ямбурггаздобыча" разработаны несущие конструкции покрытия в виде безраскосной фермы с поясами из некондиционных труб нефтяного сортамента (рис.2). Каядый пояс конструкций пролетом 9 и 12 м выполняется из одной трубы. Пояса ферм пролетом 18 м состоят из двух (или трех) труб, соединенных соосно инвентарными муфтами. Передача усилий в узлах соединения стоек с поясами осуществляется за счет трения, создаваемо го затяжкой болтов с контролированием силы натяжения. Для дополнительной гарантии от проскальзывания обойм по поясным трубам устанавливаются специально разработанные фиксаторы, на конструкцию которых получено авторское свидетельство A.c. « I4II402).

Для исследования работы таких ферм под нагрузкой проведены иопытания 3 конструкций пролетом 6 м. Они показали, что операции по оборке не вызывают затруднений и вполне выполнимы в условиях строительной площадки. Сравнение результатов тен-зоматрирования с теоретическими значениями напряжений в элементах, вычисленными с помощью разработанной методика расчета безраскосных ферм, свидетельствуют, что последние вполне удовлетворительно описывают напряженно-деформированное состояние конструкции. Максимальное расхождение экспериментальной нагрузки исчерпания упругой работы с расчетной по трем фермах составило 12% в запас прочности. Необходимо отметить довольно высокие (до 64/0 запасы несущей способности испытанных кон-

струкций в упругопластической стадии работы. Имеющие место незначительные сдвиги в узлах соединения поясов со стойками несколько увеличивают прогибы ферм, величина которых тем не менее на'21...35% меньше .допустимой нормами.

Испытана такие опытйая партия фиксаторов.

В целом испытания показали, что исследуемые конструкции вполне работоспособны и имеют достаточную несущую способность и жесткость.

Проведенный технико-экономический анализ показывает целесообразность использования некондиционных труб нефтяного сортамента в каркасах вспомогательных производственных зданий в отдаленных и труднодоступных районах нефте- и газопромыслов. Стоимость "в деле" поперечной рамы каркаса пролетом м из некондиционных труб нефтяного сортамента на 9% ниже, чем рамы унифицированных каркасов вспомогательных производственных зданий объектов ^тяной и газовой промышленности. Экономия происходит за счет использования некондиционного проката (труб) и существенного снижения транспортных расходов. Наряду с экономическим эффектом находят достойное применение отбракованные трубы.

ОСНОВНЫЕ ЗЫЗОДЫ

. I. В современных промышленных и гражданских зданиях в связи с нарастающей потребностью организации технических этажей, прокладки вентиляционных воздуховодов, мощных систем кондиционирования воздуха и других крупных коммуникаций в пределах покрытий и междуэтажных перекрытий все более настойчиво проявляется необходимость в применении металлических безраскосных ферм. Такие конструкции в наибольшей мере удовлетворяют данным технологическим требованиям и могут с успехом конкурировать с другими несущими системами.

2. О помощью методов нелинейного программирования по критерию минимума массы выполнена оптимизация геометрических параметров безраскосных ферм пролетом 12 и 18 м из прокатных двутавров из сталей различной прочности. Выявлейн интервалы оптимальных высот: для ферм пролетом 12 м - 1/11...1/7í ; для ферм пролетом 18 м - 1/13...1/э£ . Подтверждено, что с возрастанием нагрузки оптимальные высоты несколько увеличив-

ются. Для ферм с различнойг'высотой получены оптимальные распределения изтайных яесткостёй элементов. Даны рекомендации по рациональному назначении типов прокатных двутавров при проектировании.

3. Разработана инженерная методика определения усилий в безраскосных фермах с произвольными длинами панелей и жесткостями стоек, основанная на членении конструкции на отдельные панели и отыскании нулевых моментных точек в стержнях учитывающая при этом деформации как от изгиба, так и от осевых и поперечных сил.

4. На основе метода расчета, учитывающего поэтапное об-

1. -овакне шарниров пластичности и понижение степени статической неопределимости системы, разработана методика определения предельной несущей способности по прочности безраскосных ферм с параллельными поясами. Составлена программа для ЭВМ, которая позволяет определять предельную нагрузку и соответствующий ей механизм (переход конструкции в изменяемую систему), а также получить картину распределения усилий и шарниров пластичности в ферме в упругопластической стадии работы. Расчеты показали необходимость учета действия поперечной силы в уравнении предельного состояния сечений стержней. Неучет её приводит к превышению предельной нагрузки, в частности для испытанных моделей "до 15,5$ и до 6% относительно действительной несущей способности.

5. Проведенные испытания II моделей безраскосных ферм пролетом 3,6 м с различными геометрическими параметрами подтвердили, что они обладают большим запасом несущей способкост при использовании упругопла?"''ческой стадии работы. Нагрузка увеличилась на 31...7855 по сравнению с упругой. Разработанная методика позволяет оценивать предельную несущую способность с точностью до 25% (в среднем 10,5$) в запас прочности. Полученные по разработанной методике значения предельной нагруз ки превышают расчетные по нормам (с учетом ограниченных пластических деформаций) до 11% (в среднем на 12,5$), что позволяет более полно использовать резервы несущей способности безраскосных ферт»!.

6. Подтверждена также приемлемая достоверность предаояен ной методики определения усилий в безраскосных фермах в упругой стадии работы. В испытанных моделях отношение фактической

несущей способности к теоретической составляет 0,88...1,08. Прогибн моделей при нормативной нагрузке, составляющей 75$ от расчетной, находятся в диапазоне 1/327...1/277£ , т.е. в нормативных пределах.

7. Разработаны безраскпснш ферлы с поясами из некопди-циош'ых труб нефтяного сортамента для покрытий вспомогательных производственных зданий пролетом 9...18 м, 'возводимых: в отдаленных и труднодоступных районах нефте- и газопромыслов Западной Сибири. В таких фермах более половины массы стада составляют некондиционные трубы; остальной металл в бндо стоек поступает с завода металлоконструкций. Сборка конструкций производится на болтах без применения монтажной сварки.'

8. Испытания ферм с поясами из труб нефтяного сортамента пролетом 6 и показали, что они обладают необходимой несущей способностью. Несмотря на повышенную дефорлативность, обусловленную некоторой податливостью соединений стоек о поясами, их прогибы находятся в допустимых нормами пределах.

Основное содержание диссертации отражено в слодущих работах:

1. A.c. I4II402. Разъемное соединение трубчатых строительных элементов / НИСИ им.В.В.Куйбышева, В.В.Биролев, А.А.Кикоть; МКИ Е 04 3 1/33. Заявл. 24.12.86 4166420/29-33; опубл. 23.07.88 в Б.И. й 27.- 2 с.

2. Бирюлев В.В., Кикоть A.A. Экспериментальные исследования моделей безраскосных ферл // Строительные конструкции зданий и сооружений: Межвуз. сб. трудов / АЛИ, Барнаул, 1989.- C.II-I6.

3. Бирюлев В.В., Кикоть A.A. Конструкции покрытия вспомогательных производственных зданий из некондиционных труб нефтяного сортамента // Металлические конструкции и испытания сооружений: Межвуз. сб. трудов / ЛИСИ, Л., 1989,- С.8-13.

4. Кикоть A.A., Попов Б.Н. Поиск оптимальных геометрических параметров стальной безраскоснсй ферлы // Известия вузов. Строительство и архитектура.- 1990,- Л 10.

5. Кикоть A.A., Себепев .5.Г. Программа для вычисления предельной нагрузки стальных безраскосных „ерл // Ипформ. листок 202-90,- Новосибирск: ГСГГ.!, 1990.- 3 о.

, -t

t.--._____— i

0,51т V Г

Зс« Зс5

с!. 1 4

Зооо ЪООО 3ООО

-- £=Ч8оо О

Рио.1. Схема оптимизируемой безраскосной фермы пролетом 18 м

труб нефтяного сортамента